к.т.н., доц. Питак И. В., д.т.н., проф. Шапорев В. П., асп. Грубник А. О.

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт», Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУХОЙ ГИДРАТАЦИИ КУСКОВОЙ ИЗВЕСТИ В ГИДРАТОРАХ РАЗЛИЧНОГО ТИПА

В процессе сухой гидратации кусковой извести вода в жидком состоянии вступает в реакцию с СаО_СВОБ и образуется гидроксид кальция (ГОК). При этом часть воды за счет выделяющегося тепла испаряется, пар частично используется в реакции, а избыток его отводится в окружающую среду. Реакция протекает в молярном соотношении СаО_СВОБ и воды 1:2. продукт гидратации представляет собой сухой дисперсный порошок Са(ОН)₂. На практике процесс сухой гидратацииизвести широко распространен и применяется чаще, чем процесс гашения извести избытком воды с образованием известковой суспензии или пасты. В литературе сведения об этом процессе весьма ограничены и противоречивы [1, 2].

В настоящей работе приведены результаты исследования процесса сухой гидратации кусковой извести в гидраторах различного типа с целью определения зависимости их производительности от ряда факторов.

Процесс исследован на промышленных и опытных гидраторах с вращающимся корпусом, барабанном гидраторе с неподвижным корпусом, внутри которого вращается вал, и в аппарате с селективной гидратации, представляющим собой желоб с лопастной мешалкой. Изучали влияние соотношения СаО_СВОБ:Н₂О, фракционного состава извести и ее активности, определяемой по [3], на производительность аппарата и степень гидратации извести.

С использованием ЭВМ рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии, которое отражает влияние исследуемых параметров на скорость превращения СаО в Са(ОН)₂.

В таблице 1 представлены среднестатистические результаты анализов извести и продукта гидратации, а также замеров параметров процесса в опытах, проведенных на барабанном гидраторе 2,8×15 м при частоте вращения 2,5 мин⁻¹.

Из данных таблицы 1 следует, что химический и фракционный состав извести не оказывает существенного влияния на производительность аппарата и скорость гидратации СаО. На эти показатели влияет лишь мольное соотношение СаО_СВОБ:Н₂О. увеличение данного соотношения в два раза снижает скорость гидратации, которая определяется отношением количества прореагировавшего продукта во времени ко всему количеству реакционной смеси, в 2,5 – раза, степень гидратации – в 1,5–2 раза. Это объясняется тем, что процесс сухой гидратации оксида кальция протекает с выделением большого количества тепла; температура материала в зоне гидратации достигает 280 ^оС, в результате чего степень испарения воды повышается и оставшегося ее количестванедостаточно для превращения извести в Са(ОН)₂. при этом происходит также «перегорание» и агломерация

получаемого гидроксида кальция, что резко снижает выход продукционной фракции менее 5 мм.

Из данных таблицы 1 видно, что при соотношении СаО_СВОБ:Н₂О≥2 скорость процесса гидратации является относительно постоянной величиной – (27,1±0,9)·10⁻⁴ мин⁻¹·м⁻³ и не зависит от нагрузки аппарата по физической извести. Из этого можно сделать вывод, что лимитирующими стадиями процесса являются образование зародышей новой фазы Са(ОН)₂ и развитие реакционной поверхности раздела фаз. Зависимость скорости гидратации СаО от ее активности проверяли на модели гидратора барабанного типа 0,3×1,5 м. При этом использовали два образца извести – с массовой долей СаО_СВОБ 90 и 93,5 % и коэффициентом активности, определяемым по [3], 49,5 и 5^оС соответственно. Для активной извести (образец №2) при мольном соотношении СаО_СВОБ:Н₂О = 2,2 степень гидратации составила 96,8%, выход фракции менее 5 мм – 75%, а скорость гидратации – 56,2·10⁻⁴ мин⁻¹·м⁻³.

Таблица 1 Зависимость производительности аппарата и качества гидроксида кальция от состава извести и соотношения СаО_СВОБ:Н₂О

№ образца	Массовая доля извести (%)		Массовая доля (%) извести фракции (мм)				Коэффициент активности СаО, К	Расход физической извести, т/ч	Массовая доля СаОСВОБ:Н2О	Массовая доля СаОСВОБ в ГОК фракции <5 мм, %	Выход фракции <5 мм, %	Степень гидратации ГОК фракции <5 мм, %	Выход Са(ОН)2, т/ч		Скорость гидратации (×10^−4) мин^−1·м^−3
	СаОСВОБ	СаСО3	<60	60‒20	20‒1	>1							теоретический	фактический
1	68,5	23,1	20,7	35,7	28,7	14,9	28,5	15,5		67,5 67,2 66,5	28,5 52,6 82,5	42,5 69,2 94,0	14,2 14,2 14,2	4,2 7,1 13,4	8,6 15,0 28,0
2	78,2	15,2	20,2	53,3	18,3	8,1	20,1	30,6		65,5 75,8	45,8 83,8	95 96,0	31,7 31,7	16,9 29,9	16 26,8
3	83,6	7,7	20,5	58,3	18,7	3,5	15,5	50,5		72,5 73,8	49,8 84,5	47,6 98,2	54,8 54,8	31,6 53,7	15,0 26,2

При гидратации неактивной извести степень гидратации составила 91,5%, выход фракции менее 5 мм – 92 %, скорость гидратации – 2,5·10⁻⁴ мин⁻¹·м⁻³. Следует отметить, что с повышением активности выход фракции менее 5 мм уменьшается. Отсюда можно сделать вывод, что из жесткообожженной извести можно получить продукт более высокой дисперсности, что подтверждается и практикой [3].

Аналогичные результаты были получены при исследовании процесса сухой гидратации в различных гидраторах. Результаты этих исследований представлены в таблице 2.

Исследования выполняли с использованием образца извести №3(см. табл. 1). Из экспериментальных данных, приведенных в таблице 2 следует, что во всех гидраторах в установившемся режиме скорость гидратации составляла (28,1±1)·10⁻⁴ мин⁻¹·м⁻³, а производительность в основном определялась частотой вращения аппарата и его размерами.

Таблица 2 Показатели работы различных гидраторов

Тип и размеры (длина× диаметр) гидратора	Частота вращения корпуса или вала, мин^−1	Степень заполнения гидратора материалом, %	Загрузка по СаОсвоб, т/ч	Выход Са(ОН)2, т/ч		Скорость гидрата-ции (×10^‒4) мин^−1·м^−3
				теорети-ческий	факти-ческий
Барабанный (вращается барабан)
0,4×4,0	3,65	50	0,26	0,349	0,228	28,9
0,3×1,5	2,0	58	0,02	0,026	0,023	27,0
0,3×1,5	5,0	60	0,04	0,026	0,045	28,5
2,8×15	2,5	22	15,1	19,94	18,9	28,0
2,8×15	2,5	35	37,5	46,5	30,0	27,5
2,8×15	2,5	65	63,0	83,16	60,0	28,0
Барабанный (вращается внутренний вал)
1,4×8	10,0	12	0,84	1,115	1,01	29,3
Аппарат селективного гашения
0,25×1,4	10,0	50	3,02	3,983	3,6	29,0

Для получения более общих закономерностей осуществляли физическое моделирование гидратора. Модель гидратора в линейном виде была получена на основании уравнений материального баланса гидратации с использованием результатов работы по моделированию процесса гашения извести в известковую суспензию [4]:

(1)

где С₁₀ ‒ С₄₀ − относительные концентрации СаО_своб:Н₂О; СаСО₃; примесей;

− количество образовавшегося пара;

− количество воды подаваемой на гашение;

− стехиометрический коэффициент перехода СаО в Са(ОН)₂;

− расход извести и примесей;

− расход реакционной смеси на выходе из аппарата.

Согласно уравнения (1), достаточно в разряд известных величин перевести , чтобы все остальные выходные величины выразить через известные входные. Величина , которая представляет собой скорость превращения СаО в Са(ОН)₂, отнесенную ко всему объему реакционной смеси в гидраторе, определяется экспериментально (см. таблица 1, 2). В общем случае эта величина определяется зависимостью

где − входные воздействия, от которых зависит производительность гидратора.

В развернутом виде эта зависимость должна отражать связь между следующими переменными:

(2)

где − размер аппарата;

− скорость вращения;

− продолжительность пребывания материала в аппарате;

− средний размер кусков извести;

− отклонение от среднего размера куска;

− ускорение силы тяжести;

− плотность реакционной массы.

Проведя анализ размерностей c учетом системы уравнений материального баланса (1) и приняв в качестве критерия теплового подобия равенство скорости выделения тепла в процессе гидратации, что вполне допустимо, получаем:

(3)

или в критериальном виде:

(4)

При условии установившегося режима процесса и с учетом результатов исследований, приведенных в таблице 1, 2, критерий гомохронности Н₀ можно исключить, отношения и перевести в разряд постоянных, а критерии и объединить. В результате получим уравнение (4) в критериальном виде:

(5)

где ‒ критерий Дьяконова.

Критерий Дьяконова выражает отношение массы вещества, расходуемого на единицу времени на химическую реакцию, ко всей массе вещества, поступающего в зону реакции.

Из анализа уравнения (5) следует, что в установившемся режиме основными критериями, которые определяют производительность гидратора, является частота вращения гидратора и его размеры .

С использованием ЭВМ по данным таблицы 1, 2 была проведена оценка постоянной и степеней и при использовании извести средней активности. Для исследуемых условий уравнение будет иметь вид:

(6)

При гидратации извести пониженной активности (А = 2,49941) при использовании активной извести А = 0,088. Подставив в систему уравнений (1) значения из уравнения (6), получим физическую модель гидратора.

Таким образом, из анализа результатов исследований можно сделать вывод, что в установившемся режиме работы аппарата расход извести, ее фракционный и, в исследуемом интервале, химический состав не оказывают существенного влияния на скорость процесса сухой гидратации извести.

Факторами, влияющими на изменение этого показателя, являются активность извести, мольное соотношение СаО_СВОБ:Н₂О, частота вращения и размеры гидратора. При относительно постоянном соотношении СаО_СВОБ:Н₂О и активности извести производительность гидратора определяется только его размерами D и частотой вращения N.

Используя полученные зависимости, можно прогнозировать эффективность работы аппаратов гидратации, выявлять резервы повышения производительности, оценивать работу новых аппаратов, что в конечном счете способствует созданию высокопроизводительной аппаратуры для гидратации извести.

Использованная литература:

1. Gebr. Pteiffer Barbarossawerke A.G., Kaiserslatern Anlage zum fortlaufenden Loschem und Trocknen von gebranntem Kalk D. B. R. 1107. 141. vom 26.6.1958.

2. Фурман, А. А. Хлорсодержащие окислительно-отбеливающие и дезинфицирующие вещества [Текст] / А. А. Фурман. – М.: Химия, 1976.
– 86 с.

3. Шапорев, В. П. Сучасні напрями підвищення екологічної безпеки виробництва соди [Текст] / В. П. Шапорев, М. А. Цейтлін, В. Ф. Райко, Л. Л. Гурець, Л. Д. Пляцук, О. В. Шестопалов, О. М. Філенко, Р. А. Васькін. – Суми.: Сумський державний університет, 2014. – 246 с.

4. Цейтлин, М. А. Абсорбционная очистка газов в содовом производстве [Текст] / М. А. Цейтлин, В. Ф. Райко, Л. Л. Товажнянский, В. П. Шапорев. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2005, 144 с.