книги / 940

УДК 661.832.321

О.А. Чудинова, М.В. Сыромятникова, Э.Г. Сидельникова, А.В. Новоселов, В.З. Пойлов

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ГРАНУЛ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ГРАНУЛИРОВАНИИ ЦИКЛОННОЙ ПЫЛИ ХЛОРИДА КАЛИЯ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ

Изучено влияние температуры и продолжительности процесса сушки на характеристики получаемых гранул. Установлено наличие дефектов в кристаллической структуре гранул товарной фракции в зависимости от температуры проведения процесса сушки.

Важной стадией в технологии гранулирования минеральных удобрений является сушка гранулята, которая осуществляется во вращающихся печах. Этот процесс является необходимым этапом упрочнения гранул, пригодных к длительному хранению и транспортировке. Кроме упрочнения гранул, при сушке происходит удаление избыточной влаги с поверхности, что предотвращает слипание гранул на стадии транспортировки и хранения [1–4]. В результате сушки происходит удаление влаги, что приводит к образованию прочных кристаллических мостиков, увеличению прочности гранул и изменению гранулометрического состава высушиваемого материала с образованием некондиционной фракции [5].

Процесс сушки протекает со скоростью, которая зависит от формы связи влаги с материалом и механизма превращения в нем влаги. Длительность процесса сушки определяется следующими основными факторами [6]:

1)структурой материала и формой связи влаги с ним;

2)размерами частиц высушиваемого материала;

3)величиной начальной и конечной влажности материала, а также его температурой;

4)параметрами теплоносителя (температура, влагосодержание, скорость).

71

Целью работы являлось исследование процесса сушки гранул, полученных при гранулировании циклонной пыли хлорида калия методом окатывания.

Для достижения поставленной цели необходимо было исследовать: влияние температуры и продолжительности процесса сушки на характеристики гранул, а также наличие дефектов в кристаллической структуре гранул в зависимости от температуры проведения процесса сушки.

Объектом исследования служили гранулы товарной фракции 2,0–5,0 мм, полученные при гранулировании циклонной пыли флотационного хлорида калия ОАО «Уралкалий» г. Березники (БКРУ-2). Химический и гранулометрический составы циклонной пыли приведены в табл. 1, 2.

Таблица 2

Химический состав циклонной пыли

Видно, что содержание полезного компонента хлорида калия в циклонной пыли составляет около 90 %, а количество аминов – 0,13 %. Циклонная пыль хлорида калия на 83 % представлена фракцией размером менее 0,125 мм, средний размер частиц исходной пыли не превышает 0,136 мм.

Исследования процесса сушки проводили в сушильном шкафу при температурах 150, 200 и 400 °С. Методика эксперимента процесса сушки заключалась в следующем. Полученные путем окатывания заданного состава влажные гранулы товарной фракции взвешивали. Гра-

72

нулы переносили в лодочки и помещали в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры опыта. Продолжительность процесса составляла: 10, 20 и 30 мин. Затем гранулы, охлажденные до температуры окружающей среды гранулы, повторно взвешивали, определяли гранулометрический состав и статическую прочность на приборе ИПГ-1.

Для анализа наличия дефектов кристаллической структуры гранул использовали фотомикроскопический анализ, который проводили с использованием оптического микроскопа МБС-2 и цифровой фотокамеры Olympus-C55 с разрешающей способностью 5 мегапикселей. Фотосъемку образцов проводили на фотостоле с закрепленной в держателе цифровой фотокамерой, при искусственном освещении. Фиксировали наличие дефектов на поверхности и в разрезе полученных гранул.

По результатам эксперимента рассчитывали скорость процесса сушки (W) и среднюю степень обезвоживания (X):

W = X 2 − X1 ,

∆τ

X= (Мнач − Мкон ) 100 ,

Мнач

где Мнач и Мкон – начальная и конечная масса гранул, г; X1 и Х2 – степень обезвоживания гранул в момент времени τ1 и τ2; ∆τ = τ2 – τ1 – длительность процесса, мин.

Результаты исследований представлены в табл. 3, 4 и на рис. 1, 2. По данным табл. 3 видно, что с увеличением температуры процесса от 150 до 400 °С степень обезвоживания гранулята возрастает, а мак-

симальная прочность гранул наблюдается при температуре 200 °С. Повышение температуры с 200 до 400 °С независимо от вида

связующего оказывает отрицательное влияние на прочность гранул товарной фракции. В этих условиях происходит удаление влаги связующего не только с поверхности гранул, но и из объема пор гранулы. Количество дефектов в кристаллической структуре гранул возрастает, что приводит к снижению прочности гранул (рис. 1).

73

Таблица 3 Влияние температуры на характеристики гранул товарной фракции

На рис. 1, а и б в разрезе гранул, высушенных при температурах 150 и 200 оС, видны небольшие каверны (указаны стрелками), упаковка гранул плотная. На рис. 1, в в разрезе гранулы, высушенной при 400 оС, видны увеличенные каверны и трещины (указаны стрелками), внутренняя полость гранулы представляет собой рыхлую структуру, упаковка неплотная. С увеличением температуры процесса сушки количество дефектов увеличивается и их характер в кристаллической структуре изменяется, что отрицательно влияет на прочность гранул.

На рис. 2 видно, что на поверхности гранулы, полученной с легкоплавким связующим ПВА, в процессе сушки образовалась полая трубка – кристаллическая структура. Произошло выдавливание легкоплавкой фазы по внутренним капиллярам пористой гранулы на поверхность с последующей кристаллизацией в виде полой трубки. Этот эффект снижает прочность гранул. В связи с этим необходимо снижать количество легкоплавкой фазы в исходнойтукосмеси, подаваемой на гранулирование.

74

Рис. 1. Разрез гранул при различных температурах процесса сушки: а – 150 °С; б – 200 °С; в – 400 °С (связующее – 10 % водный раствор СК, расход 1,68 %)

Рис. 2. Гранула с полой трубкой (связующее – 10 % водная суспензия ПВА, расход 1,68 %, температура сушки – 200 °С)

75

Влияние длительности процесса сушки на характеристики гранулята изучали при температуре 200 °С. Результаты исследований представлены в табл. 4.

Таблица 4

Влияние продолжительности сушки на скорость, степень обезвоживания и прочность гранул

Данные табл. 4 показывают, что с увеличением продолжительности сушки скорость процесса замедляется. Это связано с тем, что при малой длительности процесса влага легко удаляется с поверхности гранул и величина скорости высокая. При увеличении времени сушки выделение влаги затруднено, так как она начинает удаляться из капилляров, т.е. изнутри гранулы, что приводит к снижению скорости процесса. С повышением длительности процесса сушки прочность гранул сначала возрастает, а затем снижается. Возможной причиной снижения прочности является развитие трещин внутри гранул.

Выводы:

1. Установлено, что оптимальными температурами процесса сушки являются 150–200 °С при длительности 20 мин. Снижение температуры ниже 150 °С приводит к уменьшению скорости процесса

76

сушки, а увеличение свыше 200 °С – к развитию каверн внутри гранул

иуменьшению прочности гранул. Повышение длительности процесса сверх 20 мин способствует развитию дефектов гранул.

2.Выявлено, что использование легкоплавких связующих типа ПВА и карбамид сопровождается образованием вздутий на гранулах

иснижает их прочность.

Список литературы

1.Классен П.В, Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М.:

Химия, 1991. 240 с.

2.Пат. 99100811 РФ, МПК 7 B01J2/00. Способ гранулирования тонкодисперсных материалов и устройство для его осуществления / Барышникова Л.И., Виноградов С.А., Кабанова О.Е. [и др.]. Опубл.

20.11.2000.

3.Пат. 2157356 РФ, МПК 7 C05D1/00, C01D3/22. Способ полу-

чения гранулированного хлорида калия / Сафрыгин Ю.С., Букша Ю.В.,

Осипова Г.В. [и др.]. Опубл. 10.10.2000.

4.Пат. 2307115 РФ, МПК 7 C05B7/00, B01J2/28, C05G5/00. Спо-

соб кондиционирования гранулированных удобрений / Гришаев И. Г., Сырченков А. Я., Громова И.Н. [и др.]. Опубл. 27.09.2007.

5.Процессы гранулирования в промышленности / Н.Г. Вилесов, В.Я. Скрипко, В.Л. Ломазов, И.М. Танченко. Киев: Техника, 1976. 192 с.

6.Чернобыльский И.И., Тонанайко Ю.М. Сушильные установки химической промышленности. Киев: Техника, 1969. 280 с.

Получено 17.06.2009

77

УДК 631.82

О.А. Чудинова, В.З. Пойлов, Э.Г. Сидельникова

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ГРАНУЛИРОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ NPК-УДОБРЕНИЙ

НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА АММОНИЯ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ

С использованием термического и рентгенофазового методов анализа изучены превращения, протекающие в процессе гранулирования методом окатывания комплексных NPК-удобрений на основе сульфата аммония.

Из числа разнообразных по своим свойствам минеральных удобрений наибольшим спросом у потребителей пользуются гранулированные комплексные NPК-удобрения, содержащие азот, фосфор и калий. Применение удобрений в виде тонкодисперсных порошков и мелких кристаллов сопряжено со слеживаемостью, потерями удобрений при хранении, транспортировке и внесении в почву.

Сравнительный анализ различных способов гранулирования [1] позволил выбрать метод окатывания, который по сравнению с другими способами гранулирования обеспечивает получение продукта в виде сферических гранул, высокую производительность, позволяет использовать стандартное оборудование.

Анализ научной и патентной литературы [2–12] показал, что для получения комплексных NPК-удобрений в качестве азотсодержащего компонента в основном используют нитрат аммония и карбамид, которые имеют высокую стоимость. Cведения по использованию сульфата аммония для получения комплексных удобрений в научной и патентной литературе ограничены. В связи с этим задачами настоящей работы являлось изучение физико-химических процессов, протекающих при гранулировании NPК-удобрений на основе сульфата аммония. Для достижения поставленных задач необходимо было изучить механизм протекания процессов при гранулировании итермообработкеNPК-удобрений.

Исследования проводили на удобрении марки N:P2O5:К2O (1:1:1), в котором в качестве основного азотсодержащего компонента применяли сульфат аммония, фосфорсодержащим компонентом слу-

78

жил диаммофос, а калийсодержащей добавкой – хлорид калия и отработанный магниевый электролит, содержащий 74 % КС1. В качестве связующего материала использовали 10 % водный раствор соединения кремния (СК).

С целью выявления механизма протекания процессов при гранулировании и термообработке NPК-удобрений проведен термический анализ образцов NPК-удобрений на приборе для синхронного термического анализа STA 449C фирмы Netzsch (Германия). Исследования проводили на двух образцах NPК-удобрений, имеющих следующие составы:

1)50,26 % (NH4)2SO4, 23,14 % КCl, 26,6 % NH4H2PO4 и 1,4 % или 14,4 кг/т СК;

2)47,16 % (NH4)2SO4, 27,83 % ОМЭ, 25,01 % NH4H2PO4 и 1,52 %

или 15,2 кг/т СК.

При термическом анализе в качестве эталона применяли Al2O3. Измерения проводили в атмосфере аргона в диапазоне температур 40– 500 °С, со скоростью нагрева 10 °С/мин. Для идентификации пиков фазовых превращений предварительно был проведен термический анализ исходных компонентов, входящих в состав NPК-удобрений.

На рис. 1 приведены результаты термического анализа образца NPК-удобрения № 1. На кривой ДТА первый пик при температуре 99,9 °С связан с потерей физической воды СК, при этом происходит незначительное изменение массы образца, второй пик 200,5 °С соответствует плавлению аммофоса, третий комплексный пик при 348,5 °С связан с частичным и полным разложением (NH4)2SO4 по реакциям:

(NH4)2SO4 → NH4HSO4 + NH3;

(NH4)2SO4 → H2SO4 + 2NH3.

На рис. 2 приведены результаты термического анализа образца NPК-удобрения №2. На кривой ДТА первый пик 95,9 °С связан с потерей физической воды СК, при этом происходит незначительное изменение массы образца, второй пик 195,3 °С соответствует плавлению аммофоса, третий комплексный пик при 327,0 °С связан с частичным и полным разложением (NH4)2SO4.

Таким образом, при термообработке образцов №1-2 NPКудобрений протекают процессы, которые связаны с удалением физической воды кристаллогидрата СК при температуре около 100 °С, с дегидратацией СК в области температуры 130 °С, с плавлением аммофоса при температуре около 200 °С, с разложением сульфата аммония

79

при температуре 340 °С. Из данных термического анализа следует, что образование кристаллических мостиков и последующее упрочнение гранул происходит после удаления физически связанной воды, а также в процессе дегидратации связующего соединения, т.е. при температурах 100–130 °С. Для предотвращения заплавления смеси NPКудобрения необходимо, чтобы температура процесса была не выше 195 °С, так как при более высоких температурах происходит плавление аммофоса и последующее разложение сульфата аммония, что ведет к потерям азота и фосфора.

Рис. 1. Дериватограмма образца NPК-удобрения № 1

Для определения фазового состава образцов NPК-удобрений проведен рентгенофазовый анализ на установке Shimadzu XDR7000. Измерения проводили в диапазоне углов 10–100 °С, со скоростью съемки 2 °С/мин. В результате анализа было установлено, что в процессе гранулирования кроме исходных компонентов NPК-удобрений появляются новые фазы: К2SiO3; Nа3PO4; SiO2; (NH4,К)H2PO4; КH2PO4;

К2SO4. Образование данных соединений можно объяснить протеканием следующих реакций:

H2SiO3→ H2O+SiO2,

КCl + H2SiO3→ К2SiO3 + HCl (∆G= –314,14 кДж),

КCl + NH4H2PO4→ КH2PO4 + NH4Cl (∆G= –168,36 кДж), 2КCl + (NH4)2SO4→ К2SO4 + 2NH4Cl (∆G= –5,29 кДж).

80