книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ

О. А. КРЕМНЕВ, И. М. ПИЕВСКИЙ

ТЕПЛОМАССО­

ОБМЕННЫЕ

ПРОЦЕССЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ

ГИПСОВЫХ И ГИПСОБЕТОННЫХ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1989

УДК 666.81/84; 666.71/72; 66.046/047

Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гнпсобетонных строи­ тельных материалов / Кремнев О. А., Пиевский И. М. ; Отв. редактор Дикий Н. А. ; АН УССР. Ин-т технической теплофизики.— Киев : Наук, думка, 1989,— 188 с.— ISBN 5-12-000909-3

В монографии приведены результаты теоретических и экспериментальных ис­ следований процессов термической диссоциации двугидрата сульфата кальция в раз­ личных теплофизических условиях. Рассмотрен тепломассообмен при сушке а-полу- гидрата сульфата кальция и широкого класса гипсовых и гипсобетонных изделий. Изложены методы интенсификации этих процессов. Описаны новые промышленные установки для производства высокопрочного гипса и скоростной сушки гипсобетон­ ных и гипсовых изделий, разработанные на основе указанных результатов.

Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся исследова­ нием тепломассообменных технологических процессов и созданием аппаратов для них, может быть полезна аспирантам и студентам вузов.

Ил. 101. Табл. 22. Библиогр.: с. 179—184 (143 назв.).

Ответственный редактор

Н, А . Дикий

Редакция технической литературы

Редактор 3 . Л , Кобка

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программа строительства в нашей стране предусматривает значительное увели­ чение производства различных видов строительных материалов, улучшение их ка­ чества и снижение себестоимости.

В настоящее время особое внимание уделяется внедрению в практику строитель­ ного производства различных видов гипсовых вяжущих и строительных изделий на их основе — гипсобетонных прокатных панелей, гипсовых плит, гипсокартонных листов (ГКЛ) и др. [1—12]. Разработка в Московском инженерно-строительном ин­ ституте (МИСИ) им. В. В. Куйбышева гнпсоцементнопуццолановых вяжущих (ГЦПВ) [13—15] позволила существенно расширить номенклатуру гипсовых изделий (сан­ технические кабины, основания под полы н др.) и создать реальные условия для про­ изводства высокопрочного водостойкого гипсового вяжущего, применение которого открывает широкие перспективы для существенного ускорения и удешевления город­ ского и сельского строительства.

Развитие и совершенствование производства перечисленных выше строительных материалов неразрывно связано с интенсификацией тепловых технологических про­ цессов, которые в большинстве случаев определяют эффективность и экономичность работы оборудования и качество получаемой продукции. Важную роль в создании и совершенствовании технологий для производства высокопрочного гипса играют процессы переноса теплоты и вещества. Выпускаемый в нашей стране высокопрочный гипс в основном применяется для изготовления форм, моделей и капов в керамиче­ ской, фарфоро-фаянсовой, машиностроительной и других отраслях промышленности. Важным фактором, способствующим расширению объемов производства высокопроч­ ного гипса, является применение его для изготовления строительных деталей и кон­ струкций, включая несущие, для городского и сельского строительства. Положитель­ ный опыт в его использовании для этих целей получен на Красноуфимском заводе,- где производятся изделия для малоэтажного сельского строительства из высокопроч кого гипсошлакоизвесткового вяжущего [7], но до настоящего времени еще не выбра­ на рациональная схема производства высокопрочного гипса, позволяющая получать материал с высокими прочностными показателями при минимальных энергетических затратах. В связи с этим масштабы его производства ограничены и не покрывают растущий дефицит такого рода материала.

Несмотря на большой вклад, внесенный советскими и зарубежными учеными П. П. Будниковым, Д. С. Белянкиным, Л. Г. Бергом, П. И. Баженовым, А. В. Волженским, В. Б. Ратиновым, Вант-Гоффом, Апельтауэром, Келли и др. [2, 3, 6, 13, 16—20] в области изучения природы гипса и продуктов его дегидратации, основной проблемой до сих пор остается изучение механизма обезвоживания двугидрата суль

3

фата кальция, условий и кинетики образования и сушки полученного полугндрата, а также поиск путей управления этими процессами теплофизическими методами.

Большое значение в производстве высокопрочного гипса, гипсобетонных и гип­ совых строительных материалов имеет процесс сушки. Как и во многих других об­ ластях народного хозяйства, сушка, являясь наиболее энергоемкой операцией тех­ нологического процесса, во многом определяет производительность и экономичность работы оборудования, а также качество получаемого материала [21—25].

В производстве высокопрочного гипса (а-полугидрата сульфата кальция) сушка осуществляется после завершения процесса пропарки гипсового камня. При сбросе давления в аппарате и переходе на сушку а-полугидрата в зависимости от способа сушки, параметров сушильного агента и времени протекания процесса можно полу­ чить различные модификации полуводного гипса, обезвоженный полугидрат и вто­ ричный двугидрат, что отражается на основных технических характеристиках гип­ сового вяжущего. Этот процесс еще недостаточно изучен и вызывает множество дис­ куссий по поводу влияния тех или иных факторов на качество материала [7, 26—28]. Недостаточно изучен также процесс сушки в производстве гипсовых изделий и кон­ струкций, где он завершает цикл их изготовления и во многом определяет качество материала.

По своей природе гипс термонеустойчив. При температурах порядка 70 °С и выше может начаться процесс его термического разложения (дегидратация) [16—20, 28| и связанное с этим резкое ухудшение качества материала. Закономерность влагоот­ дачи свежеотформованного гипса и влияние отдельных факторов сушки на этот процесс и конечные свойства материалов изучены недостаточно. Это обстоятельство, а также другие особенности гипсовых и гипсобетонных изделий — армировка карто­ ном ГКЛ, введение ПАВ в материал при формировании, неоднородная структура гип­ собетона, состоящего из компонентов, обладающих различными потенциалами пере­ носа, особенности структуры изделий из ГЦПВ, у которых процесс сушки сопровож­ дается процессом обезвоживания цемента, форма изделий от листовых до объемных элементов из водостойкого гипса н т. д.— естественно, отразились на принятых за­ водами режимах сушки и работе сушил. Сушильные установки в цехах гипсовых стро­ ительных материалов, как правило, громоздки и малоэффективны, не дают возмож­ ности полностью использовать мощность формовочных агрегатов и ограничивают вы­ пуск продукции [4, 6, 8, 25].

Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей переноса теплоты и вещества в различных дисперсных системах немыслимы без использования достижений общей теории тепломассопереноса, которая является одним из важней­ ших разделов современной науки н включает в себя комплекс знаний по теплофизике, гидродинамике, термодинамике, термодинамике необратимых процессов, молекуляр­ ной физике дисперсных систем, а также учение о формах связи влаги в материале.

В развитии общей теории тепломассопереноса и ее приложений к тепловым .тех­ нологическим процессам в производстве строительных материалов большую роль сыграли фундаментальные исследования советских ученых, на основе которых раз­ работаны новые методы интенсификации тепломассообмена и эффективные промыщленные аппараты [21—24,29—38]. Вместе с тем остается еще нерешенным ряд вопро­ сов, необходимых для разработки методов интенсификации процесса сушки термо­ неустойчивых капиллярно-пористых тел, к которым относятся гипсобетонные и гипсовые строительные материалы. Для таких тел, как и для большинства материал лов, подвергаемых сушке, проблема интенсификации процесса в основном сводится

4

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А— нергия Гельмгольца

а— коэффициент температуропроводности dm — коэффициент диффузии

с — удельная теплоемкость ст — удельная термическая массоемкость d — влагосодержание воздуха

dm — диаметр

F — площадь поверхности теплообмена Gm — массовый расход жидкости

Я— энтальпия

J— поток массы

/— плотность потока массы k — постоянная Больцмана

кт — коэффициент теплопередачи /0 — характерный размер тела

Р— давление

5— энтропия

Т— абсолютная температура t — температура

Л/ — средний температурный напор U — внутренняя энергия

Um — влагосодержание материала V — объем

Vm — объемный расход жидкости v — скорость движения жидкости

W— влажность материала

а— коэффициент теплоотдачи

а{ — коэффициент линейного раоширения Р — коэффициент массоотдачи РУ — коэффициент объемного расширения 6 — коэффициент термодиффузии

6

Ча с т ь пе р ва я

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ

Г л а в а п е р в а я

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ

1.Группа веществ системы CaS04—Н20

Основой получения гипсовых вяжущих является процесс терми­ ческой диссоциации двугидрата сульфата кальция. Теряя часть кри­ сталлизационной воды, двуводный гипс переходит в полуводный, ко­ торый в нормальных условиях химически активен по отношению к жидкой воде, что позволяет использовать данный продукт в каче­ стве вяжущего. Полное обезвоживание двугидрата сульфата кальция приводит к образованию нерастворимого ангидрита, будучи инерт­ ным по отношению к воде, является вредной примесью в составе гип­ совых вяжущих.

Разнообразие видов сернокислого кальция и его гидратов привело к значительным разногласиям, которые отражены в литературе [3, б, 20, 39], трактующей вопросы системы CaS04 — Н20 . Водосодержа­ щие неорганические соединения можно классифицировать по струк­ туре их строения и формам связи воды в материале. Нас интересуют кристаллические вещества этого класса, к которым относятся гидратные формы сернокислого кальция.

По характеру связи воды в материале кристаллические гидратные соединения делятся на кристаллогидраты и цеолиты. Кристалличе­ ские вещества, содержащие структурную воду (молекулы воды участ­ вуют в построении кристаллической решетки), называются кристал­ логидратами. Основная отличительная особенность этих соединений — постоянство состава в любых теплофизических условиях. При обез­ воживании данный кристаллогидрат прекращает свое существование изменяя структуру (аналогичная картина наблюдается при оводнении). Вторичным признаком веществ этой группы является строго определенное равновесное давление водяных паров над кристаллогид­ ратом при постоянной температуре.

Существуют кристаллические гидратные соединения, которые в соответствующих условиях могут также содержать определенное ко­ личество воды. Но обезвоживание таких веществ происходит посте­ пенно, без разрушения их структуры. С уменьшением содержания воды в твердой фазе парциальное давление водяных паров непрерыв­

8

но уменьшается. К таким веществам относятся цеолиты. Содержание воды в этих соединениях зависит от температуры и парциального дав­ ления водяных паров в окружающем пространстве.

Эти определения удобны в употреблении, так как позволяют по внешним признакам отличать кристаллогидраты от цеолитов, не вда­ ваясь глубоко в физическую сущность связи воды с материалом.

Таким образом, двугидрат сульфата кальция является типичным кристаллогидратом. Действительно, с одной стороны, удаление воды из двуводного гипса приводит к перестройке его структуры независи­ мо от теплофизических условий, в которых протекает данный про­ цесс. С другой стороны, невозможно оводнение низших гидратов сер­ нокислого кальция до содержания воды в них, которое соответство­ вало бы содержанию воды в двугидрате, без образования двугидрата сульфата кальция. Убедительным доказательством этого являютсяопыты по перекристаллизации полугидрата в двугидрат в парах во­ ды [40]. Кроме того, постоянство давления надсистемой двугидрат — полугидрат— водяной пар полностью соответствует общепринятому мнению о кристаллогидратах.

Рассмотрим с этих позиций поведение полугидратов сульфата, кальция и промежуточных соединений между полугидратом и ангид­ ритом, наличие которых возможно, если исходить из литературных данных [3, 20, 39]. Необходимо отметить, что эти промежуточные сое­ динения не обладают собственной кристаллической структурой, т. е. они имеют решетку полугидрата или ангидрита.

Общеизвестно, что полугидраты оводняются и обезвоживаются, не изменяя свою структуру, а содержание воды в полугидратах суль­ фата кальция зависит от параметров окружающей среды.

Указание на то [40—421, что полуводный гипс при обезвоживанииизменяет оптические свойства, ни в коей мере не может служить дока­ зательством того, что полугидрат сульфата кальция является истин­ ным кристаллогидратом, так как подобное поведение присуще всем цеолитам, имеющим кристаллическую структуру.

Доказательством существования промежуточных модификаций сер­ нокислого кальция служат опыты по определению давлений равнове­ сия для полугидратов и продуктов его обезвоживания.

Частично обезвоженный полугидрат (2,4 % воды) в работе Келли имел то же равновесное давление водяных паров, что и полугидрат со стехиометрическим содержанием воды. Это позволяет утверждать, что полуводный гипс является кристаллогидратом. В то же время сильно обезвоженный полугидрат (0,9 % воды) давал значительное снижение давления равновесия, что стало поводом для введения но­ вой модификации сернокислого кальция.

Имеющиеся экспериментальные данные не позволяют отнести по­ лугидрат сульфата кальция ни к одной из двух приведенных выше групп кристаллических гидратных веществ, хотя свойства этого со­ единения хорошо изучены.

Продукты неполного обезвоживания полуводного гипса изучены очень мало, поэтому в дальнейшем рассматриваются только досто­ верно существующие соединения сернокислого кальция, к которым

9