Кінетика перекристалізації напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат в фосфорнокислотних розчинах. Швидкість гідратації напівгідрату та гранулометричний склад кристалів. Способи осадження напівгідрату. Математична модель циркуляційних потоків рідкої фази.
При низкой оригинальности работы "Кристалізація в екстракторі при фазовому переході напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат у багатокомпонентних системах", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Оптимізація існуючих схем виробництва екстракційної фосфорної кислоти (ЕФК), основна частина якої використовується для одержання добрив, набула особливого значення з декількох причин. Перелічені причини загострюють задачу оптимізації виробництва ЕФК, розвязати яку можна при поступовому впровадженні прогресивних технологій, наприклад, напівгідратно-дигідратного методу виробництва ЕФК, що дозволяє одержувати кислоту високої концентрації та фосфогіпс з мінімальним вмістом домішок, придатний для подальшого використання. Але аналіз літературних даних про перекристалізацію напівгідрату в фосфогіпс приводить до висновку, що до цього часу не створено достовірної цілісної картини, яка б описувала кінетику та механізм цього процесу в розведених фосфорнокислотних розчинах при невисоких температурах, тобто в умовах, найбільш близько моделюючих стадію гідратації напівгідрату при виробництві ЕФК. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри прикладної екології та безпеки життєдіяльності Сумського державного університету, що повязані з тематикою “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти України (номер державної реєстрації 0194U029586), а також до державної науково-технічної програми 5.53.10 “Нетрадиційні види мінеральної сировини. Для досягнення поставленої мети потрібно розвязати такі задачі: встановити залежність швидкості перекристалізації напівгідрату в фосфогіпс та гранулометричних характеристик отриманого кристалічного продукту від умов, при яких здійснюється розклад фосфатної сировини;У першому розділі викладено огляд літератури з основ напівгідратно-дигідратного методу одержання ЕФК, який включає суть хімічних перетворень для складових компонентів вихідної сировини, характеристику кристалогідратів сульфату кальцію та механізм їх фазових перетворень, що визначає технологічне і апаратурне оформлення виробництва фосфорної кислоти у напівгідратно-дигідратному режимі. Спосіб осадження фосфогіпсу впливає на якісні показники фосфорної кислоти і кристалів, що утворюються, тому моделювання процесів кристалізації та роботи екстракторів набуває першочергового значення. Але вивчення фазового перетворення для такого напівгідрату є недоцільним, оскільки в першому випадку навіть при енергійній промивці не вдається позбавити тверду фазу від домішок нітрат-аніону, а в другому - має місце осадження значної кількості фосфату кальцію. В більш концентрованих розчинах фосфорної кислоти розчинність гідрофосфату зростає, тому зменшується кількість САНРО4 в твердій фазі і тому його присутність майже не впливає на швидкість оводнення напівгідрату. Уведення в гідратуючі розчини вільної сірчаної кислоти (близько 2% до маси вихідного напівгідрату ) різко скорочує час повного фазового переходу за рахунок зменшення тривалості індукційного періоду, що пояснюється впливом H2SO4 на розчинність кристалогідратів сульфату кальцію та зміною співвідношення значень відносних пересичень розчину по напівгідрату та дигідрату.Встановлено, що кінетика перекристалізації напівгідрату та якість одержаних кристалів фосфогіпсу залежить від способу осадження напівгідрату, а також від технологічних і гідродинамічних умов при проведенні процесів. Показано, що на швидкість гідратації напівгідрату і гранулометричні показники кристалів впливають не лише температурний та концентраційний діапазони, а й масове співвідношення рідкої та твердої фаз, надлишок САО або вільної H2SO4, а також наявність в суспензії домішок магнію і алюмінію. Розроблено методику розрахунків для якісної та кількісної оцінок перекристалізації напівгідрату в дигідрат з урахуванням неадитивної дії окремих домішок за їх сумісної присутності та нелінійного характеру залежності, що показує вплив вмісту кожної домішки на кінетику процесу.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОсновний зміст дисертаційної роботи викладений у наступних публікаціях
Хамский Е.В., Марченко Л.И. Влияние примесей на превращение полугидрата сульфата кальция в дигидрат // Украинский химический журнал. -К., 1983.-Том 43, №3.- С.236-239.
Хамский Е.В., Богатыренко А.С., Лебедев С.Ю., Марченко Л.И.. Влияние различных факторов на превращение полугидрата сульфата кальция в дигидрат в фосфорнокислых растворах // Журнал прикладной химии.- М., 1983.- Том LVI, №12. - С.2649-2653.
Марченко Л.И., Хамский Е.В. О влиянии магния на превращение полугидрата сульфата кальция в дигидрат в фосфорнокислых растворах // Журнал прикладной химии.- М., 1988.- №3. - С.613-615.
Марченко Л.И., Хамский Е.В. Превращения полугидрата сульфата кальция в дигидрат. // Украинский химический журнал. - К., 1988.- Том 52, 11.- С.1131-1133.
Марченко Л.І. Кристалізація в процесі фазових перетворень напівгідрату сульфата кальцію в дигідрат у фосфорнокислих розчинах. // Хімічна промисловість України.- К., 1997.- №4.- С.21-25.
Марченко Л.І., Пляцук Л.Д., Мальований М.С. Вплив гідродинамічної обстановки на гранулометричні характеристики фосфогіпсу в процесі виробництва екстракційної фосфорної кислоти півгідратно-дигідратним методом. // Хімічна промисловість України.- К., 1998.- №1.- С.65-67.
Пляцук Л.Д., Марченко Л.І. Одержання і використання екологічно чистого фосфогіпса // Хімічна промисловість України. - К., 1998.- №1. - С.17-18.
Пляцук Л.Д., Марченко Л.І., Мальований М.С. Забезпечення екологічної чистоти фосфогіпсу в процесі виробництва фосфорної кислоти // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Спец. випуск.- 1998.- С.229-232.
Пляцук Л.Д., Марченко Л.И. Экологически чистый фосфогипс // Тезисы докладов XXXVI Международного семинара по проблемам моделирования и оптимизации композитов «Компьютерное материаловедение и обеспечение качества». - Одесса.- 1997.- С.128.
Пляцук Л.Д., Мальований М.С., Марченко Л.І. // Перспективні методи утилізації фосфогіпсу - багатотоннажного відходу виробництва фосфорної кислоти // Тезисы докладов научно - технической конференции «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов». - Запорожская обл., п.Кирилловка. - 1998.- С.127.
А.С. № 799282. Е.В.Хамский, Л.И.Марченко, Л.М.Лямова, В.М.Борисов. Способ получения фосфорной кислоты// Заявлено 22.09.80
Перелік умовних позначень rkp, r0 - густина кристалічної речовини і середовища відповідно; rcp - середня густина суспензії; n - коефіцієнт кінематичної вязкості; dw/dt - швидкість осідання частинок; e0 - середня дисипація енергії в одиниці маси середовища, що перемішується; N - потужність, що витрачається на перемішування; Sc - критерій Шмідта; Re - крітерій Рейнольдса; V - обєм; b - коефіцієнт для врахування фізичних показників суспензії, що перемішується; a - експериментальний параметр для характеристики розподілу радіальної та осьової складових потоків по висоті апарата; m - масова частка твердої фази в і-тій комірці ідеального перемішування; - осьова складова лінійної швидкості рідкої фази на осьовому виході і-ї комірки сепарації; - швидкість осадження твердої фази; - осьова складова лінійної швидкості рідкої фази у вихідному потоці зони мішалки; - тривалість індукційного періоду при гідратації напівгідрату в фосфорній кислоті та за наявності домішок відповідно; Ci, Cj - концентрації домішок; ki, kj - коефіцієнти, що враховують дію домішок; IS - інтегральний критерій; - параметри, що контролюються за допомогою хімічних аналізів у процесі перекристалізації НПГAДГ.
анотація
Марченко Л.І. Кристалізація в екстракторі при фазовому переході напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат у багатокомпонентних системах.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.13 - машини та апарати хімічних виробництв.- Сумський державний університет, Суми, 1999.
Дисертацію присвячено вивченню кінетики перекристалізації напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат в фосфорнокислотних розчинах. Встановлено, що швидкість гідратації напівгідрату та гранулометричний склад кристалів, що утворюються, залежать від способу осадження напівгідрату, а також від технологічних і гідродинамічних умов проведення процесу. Запропоновано математичну модель циркуляційних потоків рідкої фази та гідродинаміки моно- і полідисперсної твердої фази в кристалізаторі. Одержано аналітичні залежності та розроблено методику розрахунків для кінетичної оцінки процесу перекристалізації напівгідрату в фосфогіпс, яка дозволяяє прогнозувати дію домішок. Розроблена приципова схема напівгідратно- дигідратного способу виробництва екстракційної фосфорної кислоти.
Marchenko L.I. The crystallization during phase transform hemihydrate calcium sulphate into dehydrate in multycomponent system.
The Thesis for Cand. Tech. Sci. Degree by specialisation 05.05.13 - Machines and apparatus of chemical productions.-Sumy State University, Sumy,1999.
This dissertation is devoted to design kinetic of recrystallization hemihydrate calcium sulphate to dehydrate in phosphoric acid solutions. It is determined, the velocity of the hydration process and granulometry crystal composition depends on produce method, technologic and hydrodynamic conditions. There is the mathematical model for circulate steams of liquid phase and hydrodynamic mono- and polydisperse solid phase in the crystallizator. The analytic dependensy and methodic of calculation for kinetic marks are determined.
The principal scheme of hemihydrate-dehydrate process of extractional phosphoric acid is worked out.
Key words: extractional phosphoric acid, hemihydrate, phosphogypsum, crystallization, hydrodynamic situation, kinetic of hydration, influence of admixtures. кристал напівгідрат сульфат кальцій
Марченко Л.И. Кристаллизация в экстракторе при фазовом переходе полугидрата сульфата кальция в дигидрат в многокомпонентных системах.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - машины и аппараты химических производств.- Сумский государственный университет, Сумы, 1999.
В диссертации на основании анализа литературных сведений о исследовании процессов кристаллизации сделано заключение, что в последнее время значительное внимание уделяется вычислительному эксперименту, ценность которого не вызывает сомнений, если он ведется на базе математических моделей, опирающихся на физические и физико-химические закономерности. Однако опубликованные работы не создают достоверной целостной картины о кинетике и механизме фазового перехода полугидрата сульфата кальция (ПГ) в дигидрат (ДГ) в условиях, моделирующих стадию гидратации ПГ при производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК). Имеющиеся данные отличаются противоречивыми, а порой и взаимоисключающими утверждениями, поэтому нуждаются в уточнении и проверке.
С этой целью были проведены исследования физико-химических основ процесса и изучалось влияние на кинетику перекристаллизации ПГAДГ режимных параметров, в том числе гидродинамической обстановки в экстракторе, и действие примесей. Обобщение полученного экспериментального материала использовалось для информационного обеспечения оптимизационных расчетов и разработки полугидратно-дигидратного способа производства ЭФК.
Установлено, что характер перекристаллизации ПГAДГ определяется температурно-концентрационным диапазоном, соотношением Ж:Т и CAO/SO3 как в процессе осаждения ПГ при экстракции P2O5 из апатита, так и в процессе его гидратации. Введение свободной H2SO4 резко сокращает продолжительность полного фазового перехода за счет изменения относительных пересыщений по ПГ и ДГ. Избыток САО, напротив, тормозит фазовое превращение, поскольку замедляет растворение ПГ в связи с уменьшением его растворимости и образованием экранирующих фосфатных пленок на поверхности кристаллов.
Примеси в суспензии тоже изменяют скорость перекристаллизации ПГAДГ. Так, наличие соединений магния, увеличивая вязкость жидкой фазы и затрудняя диффузию растворенных веществ, замедляет гидратацию ПГ и приводит к образованию мелкодисперсного осадка. А соединения алюминия ускоряют процесс перекристаллизации, способствуя сокристаллизации наряду с CASO4 2H2O изоморфных ему кристаллов CAHPO4 2H2O, которые выполняют роль затравки и служат центрами кристаллизации для гипса.
При изучении гидродинамической обстановки в экстракторе рассматривалась область, отвечающая значениям критерия Пекле Ре>0,6, при котором обеспечивается режим полного зависания всех частиц в аппарате, что создает идентичные условия для всего процесса в целом. Описание зависимости массопереноса от интенсивности перемешивания производилось с учетом влияния маломасштабной турбуленции на структуру пограничного слоя вблизи поверхности частицы. При этом рассчитывался коэффициент массопередачи и анализировалось изменение его значений в зависимости от скорости вращения мешалки.
Для статистической оценки качества кристаллов выполнялся микрогранулометрический контроль, снимались гистограммы при фиксированных гидродинамических режимах и проверялась нормальность распределений по квадрату коэффициента корреляции Пирсона, величина которого монотонно убывает с увеличением критерия Рейнольдса, что свидетельствует о повышении нормальности распределений. Линейная зависимость рассчитанных с помощью "Exel 5.0" значений дисперсии распределений от Re подтвердила гипотезу о возрастании турбулентных пульсаций на размеры образующихся кристаллов.
На основании физической модели, включающей совокупность сложных физико-химических свойств системы, предложена математическая модель циркуляционных потоков в экстракторе, которая состоит из N 1 дифференциальных уравнений, описывающих структурную схему потоков и учитывающих неравномерность обмена между зоной циркуляции и зоной мешалки, а также распределение твердой фазы по радиальным и осевым составляющим. Решение модели, составленной для полидисперсной смеси, позволяет определить удерживающую способность емкостного экстрактора по всем фракциям твердой фазы. Для количественной характеристики кинетики ПГAДГ была найдена аналитическая зависимость, определяющая степень превращения и содержание кристаллизационной воды в твердой фазе в текущий момент времени, а также разработана методика для расчетов оценки процесса с учетом неаддитивного действия отдельных примесей при их совместном присутствии и нелинейного характера зависимости, отражающей влияние изменения концентрации конкретной примеси. Проверка методики на адекватность показала удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Обобщение исследований посовместному действию различных факторов на кинетику процесса дало возможность разработать принципиальную схему полугидратно-дигидратного метода производства ЭФК и получить наиболее полное аналитическое выражение, позволяющее оптимизировать режим перекристаллизации. В качестве регулируемых параметров были выбраны температура и концентрация растворов, а нормализованные контролируемые параметры использовались для расчета интегрального критерия оптимизации, минимальные значения которого отвечают оптимальным условиям. Апробация разработанного способа показала, что с его помощью можно получать высококонцентрированную фосфорную кислоту и фосфогипс с незначительным содержанием примесей.
“Різоцентр” СУМДУ, 244007, м.Суми, вул. Римського-Корсакова, 2
Размещено на .ru
Вывод
Встановлено, що кінетика перекристалізації напівгідрату та якість одержаних кристалів фосфогіпсу залежить від способу осадження напівгідрату, а також від технологічних і гідродинамічних умов при проведенні процесів.
Показано, що на швидкість гідратації напівгідрату і гранулометричні показники кристалів впливають не лише температурний та концентраційний діапазони, а й масове співвідношення рідкої та твердої фаз, надлишок САО або вільної H2SO4, а також наявність в суспензії домішок магнію і алюмінію.
Запропонована математична модель циркуляційних потоків рідкої фази та гідродинаміки моно- і полідисперсної твердої фази в екстракторі.
Одержані аналітичні залежності (19) і (20), які дають можливість обчислити вміст кристалізаційної води в твердій фазі протягом процесу гідратації напівгідрату та ступінь перетворення в бігучий момент часу.
Розроблено методику розрахунків для якісної та кількісної оцінок перекристалізації напівгідрату в дигідрат з урахуванням неадитивної дії окремих домішок за їх сумісної присутності та нелінійного характеру залежності, що показує вплив вмісту кожної домішки на кінетику процесу. Виконано перевірку моделі на адекватність, яка показала задовільний збіг обчислених і експериментальних даних.
Проведені досліди і виконані розрахунки з оптимізації напівгідратно-дигідратного способу виробництва ЕФК, розроблена і апробована принципова схема процесу, що дозволяє одержувати висококонцентровану кислоту та фосфогіпс з мінімальним вмістом домішок.
Результати досліджень і рекомендації передані у ВАТ “ГІРХІМПРОМ” (м. Львів) і впроваджені на дослідному заводі (м.Новий Роздол).
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
