книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов
..pdfвысокопрочного гипса, по которому гипсовый щебень размером 15— 50 мм пропаривается в вертикальном автоклаве на протяжении 5— 6 ч при давлении 0,13 МПа, а сушка а-полугидрата осуществляется в сушильном барабане при 120 °С.
Способы Ф. Г. Садовского и А. С. Шкляра [51], а также П. И. Бо женова [2] предусматривают запарку двуводного гипса в демпферах в течение 5—7 ч при давлении 0,13 МПа и конвективную сушку в том же аппарате. Процесс сушки по Ф. Г. Садовскому, и А. С. Шкляру ведется при постоянной температуре 160 °С, а по П. И. Боженову сушка должна начинаться при 300 и заканчиваться при 160 °С.
Б. Г. Скрамтаев и Г. Г. Булычев [52] предложили изготовлять вы сокопрочный гипс по методу самозапаривания. Метод основан на об работке гипсового камня паром, полученным при нагревании двугидрата при температуре 123—124 °С в герметически закрытом аппарате. Сушка полученного после пропарки материала происходит в том же аппарате при температурах выше 100 °С.
П. П. Будников, М. О. Юшкевич, Ф. Г. Садовский [53] разработа ли ускоренный метод производства высокопрочного гипса. Порошок двуводного гипса нагревается в закрытом варочном котле под давле нием 0,13 МПа в течение 0,5 ч, а затем сушится в том же аппарате в течение 1 ч при 160—170 °С.
Я. С. Эршлер [54] предложил получать высокопрочный гипс путем самозапаривания в герметически закрытом вращающемся барабане, производящем помол материала и обогреваемом снаружи топочными газами.
УралНИИстромпроектом совместно с Пермским политехническим институтом предложена технология, в которой после пропарки осу ществляется импульсно-вакуумная сушка полугидрата, однако после помола предусматривается так называемое «модифицирование» — по вторный подогрев продукта в гипсоварочном котле [7].
ЛатНИИстроительства разработана технология, предусматрива ющая пропарку гипсового камня фракции 50—150 мм в горизонталь ных автоклавах при переменном давлении насыщенного пара 0,1— 0,35 МПа с последующей перегрузкой вагонеток с гипсом в другой автоклав, в котором осуществляется сушка нагретым воздухом с тем пературой 100—120 °С при реверсивной его подаче.
Существует ряд способов получения высокопрочных гипсовых вяжущих, которые заключаются во введении в гипсовое сырье модифи каторов роста кристаллов, варке гипса в водных растворах неоргани ческих солей, в жидкой среде, в присутствии ПАВ и др. Наиболее эффективный из этих способов — технология, разработанная ВНИИстромом, обеспечивающая по данным работ [7, 55] получение гипсово го вяжущего прочностью 60—70 МПа в сухом состоянии). Она заклю чается в измельчении гипсового сырья, введении в него модификаторов роста кристаллов, брикетировании, тепловой обработке, сушке
иизмельчении готового продукта.
Вработах [56—58] варка гипса осуществляется при атмосферном
давлении с добавками солей MgS04, MgCl2, CaCI2, А1С13, А1 (S04)3f NaS04 + СаС12.
21
А. В. Волженский, А. В. Ферроиская и А. Е. Венец 159] рекомен дуют получать высокопрочное гипсовое вяжущее при атмосферном или повышенном давлении в растворах солей с введением кристалли ческой затравки, например а-полугидрата.
Недостатком способов получения высокопрочного гипса варкой в солевых растворах является необходимость фильтрования и отмыв ки получаемого продукта от солей горячей водой температурой не ни же 90 °С, так как соли значительно снижают прочность вяжущего и дают выцветы на готовых изделиях. Эти операции значительно усложняют технологический процесс получения ‘ высокопрочного
гипса.
НИИСМИ Мннстройматерналов УССР разработан способ получения высокопрочного гипса, предусматривающий тепловую обработку из мельченного природного сырья в водных растворах в присутствии ПАВ — сульфитно-спиртовой барды (ССБ), мылонафта или асидолмылонафта [60]. Присутствие этих веществ в растворе дает возмож ность получить полугидрат с нужной формой кристаллов. Преимущест во способа заключается в том, что после обезвоживания влажный про дукт используется непосредственно для формования изделии. Это позволяет исключить процесс промывки материала.
Следует помнить, что промышленное производство высокопрочного гипса осуществляется в настоящее время только по трем из приведен ных технологий: технология, принятая в ГДР и ФРГ, технология Ренделя и Дейлея и технология И. А. Передерия, осуществленная на Куйбышевском гипсовом комбинате. Наиболее оптимальными качест вами обладает гипсовое вяжущее, получаемое по технологии ГДР и ФРГ. Прочность на сжатие сухих образцов из вторичного двугидрата достигает 40—45 МПа.
Характерной чертой всех рассмотренных технологий является то, что готовый продукт всегда содержит обе модификации полуводного гипса, а также некоторое количество их обезвоженных форм — ан гидрита и двугидрита, что свидетельствует о несовершенстве сущест вующих методов производства высокопрочного гипса.
Г. Д. |
Капелянский |
и С. С. Печуро [61], В. В. Иваницкий [7] и |
другие |
исследователи |
считают, что для получения высокопрочного |
гипса из природного сырья оптимальная технология еще не найдена. С их мнением легко согласиться, так как анализ литературных данных показывает, что при гидротермальной обработке природного гипса возникает много невыясненных вопросов: неизвестны оптимальные параметры водяного пара и время пропарки двугидрата при гидротер мальной обработке и т. д.
А. И. Пронин [62] пришел к выводу, что 6—8-часовой период про парки при давлении 0,13 МПа не может быть предельным сроком. П. П. Будников [19] на основании работ Д. С. Белянкина и Л. Берга [17] считает давление пропарки 0,13 МПа заниженным. ЛатНИИстроительства полагает, что давление пропарки должно плавно увеличивать ся от 0,1 до 0,35 МПа.
Неясен вопрос о влиянии фракционного состава обрабатываемого материала на качество конечного продукта. Об этом свидетельству
22
ет существенное различие размеров кускового гипсового камня в имеющихся технологиях (от 15 до 400 мм).
Спорным является вопрос о способе сушки пропаренного гипсо вого камня, параметрах теплоносителя и влиянии снижения темпера туры гипсового камня при сбросе давления в автоклаве — «темпера турного провала» — на качество получаемого вяжущего.
4. Сушка а-полугидрата сульфата кальция
Одним из важных технологических переделов в производстве вы сокопрочного гипса, во многом определяющим интенсивность процес са, производительность оборудования и качество получаемого мате риала, является сушка пропаренного щебня, состоящего из кристаллов а-полугидрата гипса и насыщенного относительно полугидрата вод ного раствора сульфата кальция.
Существующие в настоящее время способы сушки а-полугидрата можно разделить на две группы [7]: 1) запаривание гипсового камня и сушка образовавшегося а-полугидрата в различных аппаратах; такой способ используется на Куйбышевском гипсовом комбинате, где сушка а-полугидрата проводится в сушильном барабане, а также в опытно-промышленной установке, разработанной ЛатНИИстроительства; по технологии, разработанной УралНИИстромпроектом
иПермским политехническим институтом предполагается использо вать импульсно-вакуумную сушку, при которой импульсы нагрева чередуются с импульсами вакуума; 2) сушка запаренного камня не посредственно в автоклаве при подаче пара в паровые регистры (ГДР
иФРГ), подачи и равномерного распределения топочных газов не
посредственно в автоклаве (НРБ, г. Раднево).
Обилие способов сушки а-полугидрата сульфата кальция свиде тельствует о недостаточной изученности этого процесса и отсутствии единой точки зрения по некоторым принципиальным вопросам, опре деляющим эффективность способов и качество получаемого материала, Технологические свойства материала, являясь решающим фактором при выборе метода и режима сушки, во многом зависят отформыи вида связи влаги с веществом сухого материала, его структурно-меха нических свойств и от характера и интенсивности протекания процес сов тепло- и массообмена. Так как целью сушки а-полугидрата яв ляется испарение лишь свободной влаги, без нарушения химических связей кристаллизационной воды с материалом, то выбор способов сушки и параметров теплоносителя должен быть подчинен удовлетво рению этих требований и недопущению перехода а-полугидрата в обезвоженный а-полугидрат, растворимый и нерастворимый ангидри ты. Кроме того, этот процесс должен протекать без образования вто ричного двугидрата сульфата кальция, наличие которого в вяжущем существенно ухудшает свойства последнего.
Взаимосвязь между материалом и теплоносителем в процессе суш ки вызывает ряд изменений в физическом состоянии и свойствах как того, так и другого. Поэтому ни температура, ни другие параметры ^скорость, влагосодержание) теплоносителя, ни длительность сушки
23
не могут быть выбраны произвольно, а должны устанавливаться на основании исследований процессов тепломассообмена в зависимости от особенностей высушиваемых материалов.
Исходя из этого исследования процесса сушки а-полугндрата сульфата кальция и других материалов должны включать анализ
форм связи влаги с материалом, кинетики процесса |
сушки, тепло- |
||
и массообмена между сушимым телом и окружающей средой. |
|||
Рассмотрим |
степень изученности |
этих процессов |
применительно |
к исследуемому |
материалу. Данных |
о равновесном |
состоянии а- |
полугидрата сульфата кальция в зависимости от параметров воздуха и влиянии скорости и влагосодержания теплоносителя на интенсив ность процесса и качество материала нам не удалось обнаружить. Работы по конвективной сушке а-полугидрата нагретым воздухом или дымовыми газами сводятся к установлению параметров теплоно сителя, в основном температуры, причем величины их слабо аргумен тированы.
В рассмотренных выше технологических схемах температура теп лоносителя при конвективной сушке а- полугидрата колеблется от 80—90 °С по данным В. В. Манжурета [27] до 300 °С по данным П. И. Боженова [2]. Следует отметить, что приведенная в работе [7] температура при сушке а-полугндрата по методу И. А. Передерни, равная 120 °С, не выдерживается на Куйбышевском гипсовом комби нате, где этот метод внедрен. Сушку на комбинате ведут при 700 °С. Как показал длительный производственный опыт работы оборудова ния, только при такой температуре получается вяжущее марки Г10, удовлетворяющее требованиям по срокам схватывания. Длительность процесса во всех рассматриваемых технологиях устанавливалась практически в зависимости от принятой температуры, фракционного состава, конструкции аппарата и др. Она колеблется от 45 мин до некольких часов.
Одним из важных вопросов, по которому нет единого мнения у раз работчиков способов сушки а-полуводного гипса, является вопрос
о влиянии снижения температуры материала после сброса давления
вавтоклаве и в процессе сушки («температурном провале») на его ка чество. Многие авторы [3, 19,51] указывают на отрицательное влияние «температурного провала» на качество конечного продукта. Возмож
ность гидратации |
полуводного гипса в этом случае может привести |
|
к значительной неравномерности получаемого материала |
по составу |
|
(наличие всех модификаций полуводного и двуводного гипса), что от |
||
ражается на основных технических характеристиках гипсового вяжу |
||
щего. Разбирая вопрос о параметрах теплоносителя в процессе сушки |
||
важно отметить, |
что основным показателем является |
температура |
материала, которую он принимает при различных способах |
сушки |
и параметрах сушильного агента. Так как кривая насыщения |
(Р— Т- |
зависимость) гипсового раствора незначительно отличается от кривой насыщения для чистой воды, сброс давления в автоклаве приводит к резкому понижению температуры материала. Эта температура явля ется своего рода аналогом температуры мокрого термометра и зависит от параметров сушильного агента и условий сушки. Эта темпера
24
тура может достигать 40—60 °С при конвективной сушке сухим газо образным теплоносителем с температурой 100—200 °С. Следует отме тить, что невозможно избежать понижения температуры пропаренно го двугидрата ниже чем 100 °С в процессах сушки в ненасыщенной водяными парами среде. Отсюда ясно, что предложенная Ф. Г. Садов ским и А. С. Шкляром 151] технология, в которой процесс пропарки и конвективной сушки гипсового материала нагретым воздухом осу ществляется в одном технологическом аппарате, не дала и не могла дать желаемых результатов, так как при конвективной сушке в боль шом объеме из-за неравномерного распределения теплоносителя и зна чительного перепада температур по высоте аппарата всегда имеется материал, который длительное время пребывает при пониженной тем пературе и со значительным количеством гипсового раствора внутри куска. Это приводит к оводнению вяжущего и образованию р-полу- гидрата при дальнейшей сушке, если сушка происходит в условиях, позволяющих осуществить обезвоживание вторичного двугидрата. Если температуры или времени для этого процесса недостаточно, то- в материале остается вторичный двугидрат, что значительно снижает качество готового продукта.
Рассмотрим процессы, имеющие место при сушке а-полугидрата, если сушка протекает с понижением температуры материала, исклю чая прямую гидратацию вяжущего. В работе [26] показано, что полугидрат остается устойчивым по отношению к двугидрату в присутствии жидкой воды при понижении температуры системы до 80—90 сС. Для кристаллогидратов системы CaS04 — Н20 (см. рис. 2) следует, что при этих температурах наиболее термодинамически устойчивым является двуводный гипс. Устойчивость полугидрата при 80—90 °С показывает, что перенасыщение гипсового раствора относительно двугидрата в этих условиях еще мало, чтобы могли возникнуть цен тры кристаллизации двуводного гипса (с понижением температуры перенасыщение резко увеличивается).
Выпаривание воды при сушке обеспечивает значительное перена сыщение водного раствора сульфата кальция, что приводит к выпа дению наиболее термодинамически устойчивой твердой фазы.
Выпаривание гипсового раствора при температурах более низких, чем 97 °С по Суттарду или 107 °С по Вант-Гоффу, приводит к образова
нию двугидрата сульфата |
кальция. |
Отсюда необходимость |
точного |
|
определения температуры |
термодинамического равновесия системы |
|||
двугидрат — полугидрат — жидкая |
вода |
при атмосферном |
давле |
|
нии для выбора способа сушки и параметров |
теплоносителя. |
|
Таким образом, наличие гипсового раствора обязательно приводит к образованию вторичного двугидрата, или (j-полугидрата, в процес се сушки материала при снижении его температуры. Этот эффект сла бо ощутим в количественном отношении (низкая растворимость суль фата кальция в воде), но может оказать влияние на такие показатели вяжущего, как сроки схватывания и прочность. Кроме того, гипсовый раствор в пропаренном материале является перенасыщенным относи тельно двугидрата сульфата кальция. Кристаллизация из него при низких температурах двуводного гипса может привести к растворе-
25
«ию полученных кристаллов полугидрата. При этом возможна час тичная дефектация этих кристаллов с последующим образованием нежелательных продуктов. Это подтверждается исследованиями Аппельтауэра [16], который наблюдал черные линии в зернах автоклавного гипса, состоящие из продуктов реакции между сульфатом каль ция и водой и представляющие собой вторичный двугидрат.
Нам представляется, что все зависит от времени существования об менной среды при температурах, соответствующих термодинамиче ской устойчивости двугидрата, ее количества и размеров зерен полугидрата, т. е. от его удельной поверхности. При низкой удельной по верхности а-полугидрата гипса и большой его плотности влияние -«температурного провала» незначительно. Это подтверждается иссле дованиями Л. Я. Клыковой (55), которая показала, что высокопроч ные гипсовые вяжущие, полученные по существующим технологиям без введения добавок — модификаторов роста кристаллов и имеющие удельную поверхность а-полугидрата выше 1200— 1500 см2/'г, снижает ■прочность при его охлаждении. Способы, позволяющие получить а- полугидрат с низкой удельной поверхностью обеспечивают получение вяжущих с высокой прочностью, не чувствительных к охлаждению перед сушкой.
Таким образом, снижение температуры материала в процессе суш ки приводит к нежелательным результатам даже без учета прямого затворения полугидрата. Поэтому представляется целесообразным ис следование этого процесса, разработка такого способа сушки а-по лугидрата сульфата кальция, который позволил бы обеспечить высо кую эффективность и экономичность его производства.
Г л а в а в т о р а я
ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ГИДРАТОВ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ
1.Обезвоживание в ненасыщенной водяными ларами среде
при атмосферном давлении в докритичеекой области температур
Гидраты сульфата кальция относятся к довольно широкому клас су соединений, объединенных общим названием — кристаллогидраты. Каждый кристаллогидрат представляет собой фазу совершенно оп ределенного состава. Потеря кристаллогидратом молекул воды ведет к разрушению его кристаллической структуры и образованию но вой фазы — безводного вещества или кристаллогидрата с меньшим содержанием воды.
В процессе обезвоживания кристаллогидрата всегда сосуществу ют две твердые фазы. При наличии газообразной фазы (пары воды) такая система моновариантна. Поэтому при данной температуре давле
ние пара в системе вполне |
определенно и может изменяться толь |
ко при исчезновении одной |
из твердых фаз. |
26
вается, |
если |
давление |
водных |
f - -------------- |
|
|
|
|
|
||||||||||
паров |
в окружающем простран |
|
|
^ |
------- : |
||||||||||||||
стве |
меньше давления, соответ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ствующего равновесию кристал |
|
|
С |
|
" V |
||||||||||||||
логидрата |
с |
безводной |
солью |
|
|
|
|||||||||||||
или низким гидратом. Если же ч >______ и |
|
||||||||||||||||||
давление |
паров |
воды |
|
больше |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
равновесного, |
кристаллогидрат |
|
|
гТ• уут |
|
|
|
||||||||||||
оводняется, т. е. переходит в |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
кристаллогидрат с большим со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
держанием |
воды. |
обезвоживания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Процессы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
кристаллогидратов обладают спе |
/Jy |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
цификой в зависимости от тепло |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
физических условий, |
что и |
яви |
|
|
|
|
|
||||||||||||
лось |
предметом настоящих |
ис |
/ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
следований. |
|
обезвоживания |
/ |
6 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Процессы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
кристаллогидратов относят к про |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
цессам термической диссоциации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Для |
них |
характерно |
наличие |
Рис. 4. Равновесие диссоциации для кри |
|||||||||||||||
температурной критической точ |
сталлогидратов сульфата кальция: |
||||||||||||||||||
ки, |
выше |
которой |
происходит |
1 — давление насыщения |
для |
чнетоЛ |
воды- |
||||||||||||
значительная |
интенсификация |
2 — равновесие |
диссоциации |
для |
реакции |
||||||||||||||
CaSO*- 2Н,0 п |
CaSO, • Д - Н,0 + |
~ |
н .О |
||||||||||||||||
обезвоживания. Последнее |
сви |
||||||||||||||||||
(пор); |
3 — равновесие диссоциации для реак |
||||||||||||||||||
детельствует о том,что механизм |
|||||||||||||||||||
ции CaSO, . — |
Н.О (а) |
CaSO, -J- -i- |
HtO |
||||||||||||||||
дегидратации |
до |
и |
после |
этой |
|||||||||||||||
(nap); 4 — равновесие диссоциации для |
реак |
||||||||||||||||||
точки существенно различается. |
|||||||||||||||||||
цин CaSO, . — Н,0 (р) |
CaSO* + |
— |
Н,0 |
||||||||||||||||
|
В |
отношении |
термического |
||||||||||||||||
|
(пар); 5 — равновесие |
диссоциации для реак |
|||||||||||||||||
обезвоживания |
кристаллогидра |
||||||||||||||||||
ции CaSO, • - j- |
Н,0 |
(р) |
CaSO, + — |
Н,0 |
|||||||||||||||
тов |
в |
ненасыщенной |
водяными |
(пар) (Р-полугидрата. предварительно обезво |
|||||||||||||||
парами среде бытует, на наш |
женного до I %); 6 — равновесие диссоциа |
||||||||||||||||||
взгляд, |
|
неправильное |
мнение, |
ции для реакции (по Балареву) CaSO, • ~ X |
|||||||||||||||
что критической точкой данного |
X Н ,0 (a) |
CaSO, + |
- i - Н.О (nap). |
|
|||||||||||||||
процесса является температура, |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
при которой давление диссоциа |
|
|
атмосферному) давле |
||||||||||||||||
ции |
становится |
равным внешнему (в частности, |
нию. По нашему мнению, критической точкой является темпера тура, при которой давление диссоциации становится равным давлению насыщения для свободной воды (точнее, давлению насыщения водяно го раствора твердого материала кристаллогидрата при данной темпе ратуре). Равенство этих давлений при одной и той же температуре отражает тот факт, что тепловое колебательное движение структурных групп вещества способно разрушить химическую связь кристаллиза ционной воды с твердым материалом.
Для понимания процессов обезвоживания гидратных форм серно кислого кальция значительный интерес представляет диаграмма рав новесия диссоциации этих соединений. Имеющийся по данному во просу материал [20] иллюстрируется рис. 4.
27
Рассмотрим процесс термического обезвоживания двугидрата суль фата кальция в ненасыщенной водяными парами среде при темпера турах более низких, чем критическая. Кривая равновесия диссоциа ции для реакции обратимого перехода двугидрата сульфата кальция в полугидрат по имеющимся опытным данным (кривая 2 на рис. 4) незначительно отличается от кривой насыщения для чистой воды (кри вая У), особенно в области температур, близких к критической. Кри тической точкой для данного процесса является 102 °С (точка А на рис. 4).
В целях исследования указанного выше процесса сооружена эк спериментальная установка, принципиальная схема которой пред ставлена на рис. 5, предназначенная для тепловой обработки гидра тов сульфата кальция в кипящем слое. В качестве теплоносителя служили атмосферный воздух с различным влагосодержанием и нагретый водяной пар нормального давления.
Экспериментальная установка состоит из колонки 3, в которой происходит обезвоживание гидратов сернокислого кальция, и паро воздушного тракта. Колонка представляет собой цилиндр из кварце вого стекла. Атмосферный воздух подается в рабочую колонку венти лятором 8. Расход воздуха замеряется ротаметром 1. Воздух увлаж няется из паровых котлов.
Воздух и водяной пар подогреваются в регулируемом электрока лорифере 2. После калорифера теплоноситель проходит через рас пределительную решетку 4, создавая псевдоожижение частиц гипса. Отработанный в колонке теплоноситель охлаждается в холодильникеконденсаторе 6 и сбрасывается в атмосферу.
При работе установки с использованием в качестве теплоносителя перегретого водяного пара весь паровоздушный тракт предваритель но прогревался до требуемой температуры атмосферным воздухом. Колонка имела двойную стенку (термостатирующую рубашку) 5, куда подавался теплоноситель для предотвращения конденсации при рабо те с высокими влажностями воздуха.
Температура теплоносителя измерялась на входе и выходе из ра бочей колонки хромель-алюмелевыми термопарами 7, температура отдельных частиц гипса — термопарами, заделанными в них. Вто ричным прибором во всех случаях измерения температуры служил потенциометр 9 (тип ПП).
Расход перегретого пара и влажность воздуха замерялись по ко личеству конденсата на выходе из холодильника-конденсатора. Ки пящий слой создавался на монодисперсных фракциях гипса размером до 5 мм.
Полученный после термической обработки материал подвергался полному модификационному анализу.
Первая серия опытов посвящалась определению темпа обезвожи вания двугидрата сульфата кальция при различных температурах ниже критической и одинаковых в остальном теплофизических ус ловиях.
Двуводный гипс обрабатывался в кипящем слое атмосферным воз духом при различных температурах (70—100 °С) и одинаковых рас-
28
J
N .
|
N |
_ г |
|
N |
1 |
|
|
|
4 ______ 1 |
j |
T.V |
/ |
Рис. 6. Обезвоживание двугидрата сульфата кальция в кипящем слое сухим тепло носителем при различных температурах теплоносителя.
Рис. 7. Обезвоживание двугидрата сульфата кальция в кипящем слое влажным теп лоносителем при 90 вС:
/ — сухой теплоноситель; 2 .9 — теплоноситель с парциальным давлением водяных паров соответственно 0,0266 и 0.06 МПа.
ходе и влажности теплоносителя (d = 10 г/кг), а также при постоян ных высоте кипящего слоя и фракционном составе материала.
Следует заметить, что во всех случаях обрабатываемый материал принимал температуру теплоносителя, что свидетельствует о слабой интенсивности процесса обезвоживания в данных теплофизических условиях, несмотря на то что давление водяных паров, развиваемое системой двугидрат — полугидрат, в этих условиях достаточно высоко. Объясняется это несоизмеримостью площадей теплообмена и массообмена, так как передача теплоты вынужденной конвекцией происходит
29
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
Темпера |
Парциальное |
Давление |
Нсравноосс- |
Время, |
Содержание гнд- |
тура теп |
давление во |
равновесия |
|||
лоносите |
дяных паров |
диссоциации, |
ность систе |
обработ- |
ратпой воды в |
ля, °С |
теплоносителя, |
кПа |
мы, кПа |
|
продукте, % |
|
кПа |
|
|
|
|
70 |
1,33 |
21,3 |
20 |
1 |
20,1 |
70 |
1,33 |
21,3 |
20 |
2 |
19,6 |
70 |
1,33 |
21,3 |
20 |
3 |
19,5 |
70 |
1,33 |
21,3 |
20 |
5 |
19,2 |
80 |
1,33 |
37,3 |
36 |
1 |
19,5 |
80 |
1,33 |
37,3 |
36 |
2 |
17,8 |
80 |
1,33 |
37,3 |
36 |
3 |
16,7 |
80 |
1,33 |
37,3 |
36 |
5 |
16,0 |
90 |
1,33 |
60 |
58,7 |
1 |
17,4 |
90 |
1,33 |
60 |
58,7 |
2 |
11.S |
90 |
1,33 |
60 |
58,7 |
3 |
7,65 |
90 |
1,33 |
60 |
58,7 |
5 |
5,68 |
по всей поверхности частиц, а массообмен должен быть отнесен только к поверхности раздела кристаллизационная вода — газ.
Сравнив темпы обезвоживания двугидрата сульфата кальция при различных температурах (рис. 6) с условиями неравновесности дан ной системы (разность равновесного давления водяного пара для ре
акции CaS04 • 2Н20 CaS04 • -у- Н20 + -у- Н20 (пар) и парциаль
ного давления водяных паров в газообразной среде), можно сделать вывод, что скорость обезвоживания двуводного гипса нелинейна от носительно неравновесности, выраженной подобным образом (табл. 2).
Данные по равновесию для системы двугидрат — полугидрат — водяной пар получены в статических условиях. Эти результаты могут отражать кинетику обезвоживания двугидрата в наших опытах толь ко в том случае, если во всем интервале исследуемых температур не образуются побочные продукты реакции диссоциации и основное со противление массопереносу сосредоточено в газовой фазе.
Модификационные анализы гипса, подвергнутого данной термо обработке, говорят о том, что наличием обезвоженного полугидрата можно пренебречь и получаемый продукт состоит в основном из дву гидрата и полугидрата, соотношение между которыми наблюдается в зависимости от температуры и времени обработки. Следовательно, из-за нелинейности темпа обезвоживания двугидрата относительно неравновесности системы при различных температурах в данном про цессе нельзя пренебречь сопротивлением массопереносу в твердой фазе.
Равновесное давление водяных паров, развиваемое системой дву гидрат — полугидрат при 70 °С, составляет 0,02 МПа, а при 90 °С — 0,06 МПа, поэтому в наших опытах обезвоживание материала в пос леднем случае должно протекать в 3 раза интенсивнее, если пренебречь температурным коэффициентом диффузии и считать, что процесс огра ничивает внешний массообмен, движущей силой которого является
30