УДК 66.063.61

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КАПСУЛИРОВАНИЯ ГРАНУЛ ВОДОЗАЩИТНЫМИ ТОНКИМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ОБОЛОЧКАМИ

Таран Ю.А., Пынкова Т.И., Таран А.Л.

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Производство в капсулированном виде ряда крупнотоннажных гранулированных продуктов, таких, как минеральные азотсодержащие удобрения, средства защиты растений, промышленные ВВ, представляет большой практический интерес. Предпочтительным является капсулирование тонкими, доступными и относительно дешевыми водозащитными полимерными оболочками. По данному направлению в рамках совместных работ ГИАПа и МИТХТ им. М.В. Ломоносова были проведены успешные НИР, НИОКР, а для некоторых продуктов и опытно-промышленные испытания. Исследования проводили для получения ряда гранулированных азотсодержащих удобрений, а также для производства водоустойчивых гранулитов (игданитов) и граммонитов. В итоге были получены обнадеживающие результаты агрохимических испытаний при использовании азотсодержащих минеральных удобрений, капсулированных тонкими (до 2% об.), деструктирующимися в почве полимерными оболочками, а также промышленные гранулиты и граммониты (79:21), не снижающие своих показателей после 30 суток пребывания в обводненной скважине [1-4].

Как показали практические исследования, рациональным является совмещенный процесс гранулирования кристаллизацией капель расплава в растворе капсулянта в колонном аппарате с выводом из него гранул со степенью кристалличности η<1 и отделением от гранул растворителя капсулянта за счет остаточного тепла фазового превращения в следующем по ходу потока гранулируемого продукта аппарате. Далее проводили отдувку паров растворителя, адсорбированных все еще горячими (~50ºС) гранулами, в аппаратах с движущимся слоем гранулированного продукта [5].

В дальнейшем в данную технологическую схему был введен узел использования теплоты гранулирования за счет «снятия» ее кипящей водой (конденсатом) в теплообменнике рекуперативного типа с паров кипящего раствора капсулянта, в котором гранулировался диспергированный на капли расплав азотсодержащего удобрения (в частности, нитрата калия). Пары воды (конденсата) сжимали компрессором до давления, требуемого потребителям тепловой энергии, и выдавали в виде насыщенного водяного пара. Технико-экономические расчеты изложенных технологий, например, [6], показали эффективность и целесообразность этих инженерных решений [1,5].

В настоящем сообщении изложены результаты дальнейшего совершенствования нами данной технологии с целью повышения ее экологической безопасности. Используемые в вышеизложенных способах растворы капсулянтов ВМС содержат 99-99,5% органических растворителей. Это сдерживающий фактор промышленного внедрения технологии. Мы предлагаем капсулировать горячие гранулы водорастворимых веществ не растворами полимеров в органических растворителях, а водными эмульсиями растворов полимеров в органических растворителях. После проведения успешных поисковых экспериментов мы приводим некоторые систематизированные результаты НИР по данному процессу.

В первую очередь была исследована динамика образования и разрушения эмульсий и получение зависимостей для расчета изменения степени превращения от времени η(τ). В частности, рассмотрен процесс образования эмульсий из «гомогенного» растворителя за счет его пересыщения относительно равновесных концентраций, лежащих на бинодальной кривой трехкомпонентного раствора при попадании точки исходного раствора в гетерогенную область. Поскольку строгое описание динамики образования капель микроэмульсий достаточно сложно и различается в случае создания пересыщения разными способами (понижением температуры, высаливанием, «высаживанием»), для упрощения получения результатов с допустимой для инженерных расчетов погрешностью мы воспользовались соображениями формальной аналогии процессов со структурной перестройкой исходной системы, предложенными на кафедре ПАХТ МИТХТ [2,7]. Суть ее в том, что под действием термодинамического стимула процесс перестройки структуры исследуемой системы может идти не иначе, как путем зарождения и роста центров новообразований термодинамически выгодной в данных условиях структуры до достижения предельной степени превращения η(τ)≤1.

Нами использован описанный подход для определения степени превращения η(τ) (изменения во времени доли дисперсной фазы в водной эмульсии раствора капсулянта в органическом растворителе) и функции распределения капель эмульсии по размерам во времени τ. Для таких расчетов необходимо иметь данные о скоростях зарождения и роста капель эмульсии в зависимости от пересыщения относительно равновесной концентрации. В сообщении это в качестве примера продемонстрировано на системе 0,5% масс. раствор полиэтилена ПНД в ксилоле + ацетон + вода. Скорость зарождения определяли экспериментально двумя независимыми методами: опосредованно по массиву индукционных периодов, предшествующих началу превращения, с последующим пересчетом по методике, изложенной в [2,5], и непосредственным подсчетом количества капель, возникающих в гомогенном растворе во времени, с использованием установки и методики, предложенной в [5]. Эти данные обрабатывали на основе описанных теоретических представлений [2,5,7], что позволило получить искомую зависимость скорости зарождения центров эмульгирования от пересыщения по целевому компоненту.

Для определения линейной скорости роста радиуса капель υ_Λ использовали метод непосредственного наблюдения за ростом капель на вышеупомянутой установке и сопоставляли ее с υ_Λ, определенной по зависимости, полученной в [2,5,7] для гомогенного изопотенциального объемного превращения, записанной в дифференциальной и разностной формах.

Наличие экспериментально полученных ω_З и υ_Λ в зависимости от пересыщения ΔС позволило рассчитать зависимости изменения во времени степени превращения гомогенного раствора в эмульсию η(τ) и функцию распределения капель по размерам в любой момент времени, при ΔС=const по алгоритму, разработанному и применявшемуся для расчета объемной кристаллизации и гранулирования порошков [2,5.7]. Удовлетворительное согласование расчета и независимого эксперимента убедило нас в возможности использования формальной аналогии процессов со структурной перестройкой исходной системы при инженерных расчетах динамики в том числе и такого процесса, как эмульгирование созданием пересыщения в изначально гомогенном растворе.

Для вышеуказанных продуктов (азотсодержащие минеральные гранулированные удобрения пролонгированного действия, водоустойчивые гранулиты на основе пористой аммиачной селитры ПАС) получены капсулированные гранулы высокого качества.

Литература:

1. Производство аммиачной селитры в агрегатах большой единичной мощности / Под ред. В.М. Олевского – М.:Химия, 1990. 285с.

2. Таран А.Л. Теория и практика процессов гранулирования расплавов и порошков: дис. … докт. техн. наук. – М., 2001. 524 с.

3. Олевский В.М., Гельперин Н.И., Иванов М.Е., Цеханская Ю.В., Таран А.Л. Пути повышения качества гранулированной аммиачной селитры // Химическая промышленность, 1987. №11. С. 676-682.

4. Кабанов Ю.М., Блюм Б.Г., Таран А.Л. Кинетика растворения капсулированных образцов аммиачной селитры и их агрохимическая эффективность // Сб. Тезисы докладов II Всесоюзного совещания «Современные методы гранулирования и капсулирования удобрений» - М., НИЦИФ, 1983. С. 73-74.

5. Таран Ю.А. Разработка и анализ процессов гранулирования расплавов с использованием экологически безопасных энергосберегающих схем: дис. … канд. техн. наук. – М., 2011. 254 с.

6. Олевский В.М., Таран А.Л., Рустамбеков М.К., Кабанов Ю.М., Басова Р.П., Таран А.В. Способ получения гранулированного удобрения: патент №2023709 (РФ) – опубл. 30.11.94. Бюл. №22. 1994.

7. Таран А.Л., Носов Г.А. Формальная аналогия кинетики гранулирования мелкодисперсных материалов и фазового превращения // Теоретические основы химической технологии, 2001. Т. 35. №5. С. 523-526.