Процес гідротермічної обробки гіпсу в рідинному киплячому шарі під тиском

Размещено на http://allbest.ru

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

ПРОЦЕС ГІДРОТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ ГІПСУ В РІДИННОМУ КИПЛЯЧОМУ ШАРІ ПІД ТИСКОМ

Виконав Редько Андрій Олександрович

Макіївка - 2005



АНОТАЦІЯ

Редько А.О. Процес гідротермічної обробки гіпсу в рідинному киплячому шарі під тиском.

Дисертацією є рукопис, поданий на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. Донбаська національна академія будівництва та архітектури: Макіївка, 2005

Дисертаційна робота присвячена дослідженню термодинамічної рівноваги системи CaSO₄*2Н₂О-CaSO₄*0,5Н₂О, залежності тиску рівноваги від температури в закритичній області.

В роботі наведені результати розрахунково-теоретичких дослідів розподілу тиску та температури всередині частки природного гіпсового каменя з урахуванням теплоти дегідратації, результати дослідження кінетики та визначенню часу гідротермічної обробки дрібних фракцій гіпсової сировини.

Експериментально досліджені гідродинамічні та тепло- і масообмінні характеристики в щільному та киплячому шарі в широкому діапазоні змін швидкостей ожижаючого теплоносія (води), тиску (до 1,0 МПа), розміру щебеня (до 50 мм) та інших параметрів.

Наводяться результати експериментального дослідження міцнісних характеристик дрібних фракцій двоводного гіпсу. Показана можливість отримання а-напівгідрату міцністю 10-16 МПа при нетривалій термообробці (0,5-1,0 год.) в рідинному киплячому шарі під тиском.

Наводиться опис багатосекційної безперервнодіючої промислової установки та методики теплотехнічного розрахунку.

гіпс гідротермічний рідинний тиск



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні на даний час починають широко застосовуватися енерго- і ресурсозберігаючі технології в промисловому і житловому будівництві. Відбувається швидкий розвиток виробництва матеріалів і виробів, які забезпечують значне зниження маси і теплових втрат будівель, що будуються. Для сучасного будівництва характерна тенденція зростання частки екологічно безпечних матеріалів і виробів, в тому числі і гіпсових. Існуючі технологічні схеми виробництва високоміцного гіпсу з природної сировини передбачають теплову обробку гіпсового каменя з мінімальним розміром кусків 50-150 мм. При видобуванні та подрібненні сировини вихід крупної фракції складає 30-50%, а дрібна сировина з високим вмістом СаSO₄?2H₂O використовується для отримання рядових гіпсових в'яжучих. Тому використання дрібних фракцій гіпсового щебеню для отримання високоміцного гіпсу дозволяє значно підвищити ресурсо- та енергозбереження технологічного процесу.

Метою роботи є одержання високоміцних гіпсових в'яжучих, встановлення і дослідження закономірностей процесів тепло- і масопереносу в киплячому шарі при атмосферному і підвищеному тиску і вплив їх інтенсивності на процес гідротермообробки двоводного гіпсу, на структурні перетворення матеріалу і якість одержуваного продукту; розробка практичних рекомендацій по вибору оптимальних режимних, технологічних і конструктивних параметрів промислового устаткування.

Задачі дослідження:

- експериментально встановити закономірності тепло- і масопереносу в процесі одержання гіпсу в низькотемпературному (100-200 ^оС) рідинному киплячому шарі під тиском і одержати узагальнені розрахункові залежності стосовно умов проектування та експлуатації технологічних установок;

- експериментально встановити закономірності гідродинаміки рідинного киплячого шару під тиском стосовно умов гідротермічної обробки природного гіпсу;

- проаналізувати кінетичні характеристики, оцінити час гідротермічної обробки дрібнодисперсних фракцій (d_T<50мм) природного гіпсу в залежності від параметрів, що впливають;

- вивчити механічні характеристики та структуру готового продукту гідротермічної обробки природного гіпсу при різних значеннях температур, тиску, часу теплообробки та інших чинників;

- розробити методику, алгоритм, програму розрахунку і оптимізацію технологічного устаткування.

Об'єкт дослідження - будівельні матеріали на основі гіпсових в'яжучих.

Предмет дослідження -- процеси одержання гіпсових будівельних матеріалів в умовах гідротермічної обробки.

Методи дослідження. Достовірність результатів забезпечена використанням відомих у фізичній хімії і хімічній термодинаміці диференціальних рівнянь, балансових залежностей, багатофакторних аналітичних характеристик, одержаних методами планування експерименту з використанням статистичних прийомів чисельного аналізу, і експериментальних даних процесів дегідратації гіпсу.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше одержані нові експериментальні дані по тепло- і масообміну та гідродинамічним характеристикам в рідинному шарі, що фільтрується та киплячому шарі під тиском в процесі дегідратації гіпсу (частинки діаметром d_T<50мм) в інтервалі температур 90-130°С;

- визначені параметри термодинамічної рівноваги системи двогідрат сульфату кальцію - напівгідрат - вода при температурах, що перевищують критичну (103-150°С);

- уточнені кінетичні характеристики, а також значення часу гідротермальної обробки гіпсу в рідинному шарі, що фільтрується та киплячому шарі під тиском;

- розроблена методика теплового розрахунку промислового апарату з рідинним киплячим шаром під тиском.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблена методика розрахунку промислового апарату і рекомендації по вибору оптимальних його характеристик використовується ВАТ “Північнодонецький АЗОТСТРОЙ”. Результати роботи використовуються також в учбовому процесі.

Економічний ефект від впровадження результатів роботи з вибору оптимальних технологічних параметрів процесу складає близько 100 тис. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача

Основні результати дисертаційної роботи одержані здобувачем самостійно. Виконані розрахунки термодинамічної рівноваги дисоціації кристалогідратів сульфату кальцію для реакції CaSO₄•2H₂O=CaSO₄•0,5H₂O+1,5Н₂О в області температур, що перевищують критичну; розрахунки нестаціонарного температурного поля частинки гіпсу і розподіл тиску рідини всередині частинки, кінетика процесу обробки двогідрату сульфату кальцію; експериментально вивчені процеси тепло- і масообміну і гідродинаміки в дисперсних системах - в шарі, що фільтрується, перехідній області і киплячому шарі під тиском. Розроблена методика і рекомендації по створенню промислової гідротермічної установки з киплячим шаром під тиском.

У наукових публікаціях, приведених в авторефераті і виконаних спільно з співавторами, особистий внесок автора полягає в розробці методики і проведенні експериментальних досліджень, постановці задач, проведенні розрахунків, аналізі і узагальненні результатів теоретичних досліджень. Особистий внесок автора в розробку патенту полягає в проведенні патентних досліджень, визначенні відмінних ознак, складанні опису формули і винаходу.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульована її наукова новина і практична цінність, визначена мета і завдання дисертаційного дослідження, об'єкт і предмет роботи. А також методи дослідження, показано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами і планами.

В першому розділі приведено літературний огляд, наводяться характеристики гіпсових в'язких речовин та виробів, а також перспективи розвитку технологій їх виробництва.

Будівельний гіпс - це найбільш ефективний та прогресивний матеріал, який дозволяє скоротити строки будівництва та знизити їх вартість. Гіпсові матеріали мають наступні переваги: високі запаси в Україні (450 млн.т.) природної сировини; порівняно невеликі капіталовкладення у виробництво гіпсових виробів та невисока їх вартість, висока гігієнічність та вогнестійкість, добрі акустичні та теплоізоляційні властивості, висока хімічна стійкість при впливі слабких розчинів кислот та лугів.

Дослідженнями способів та технологій термічної обробки природного гіпсу займалось багато вчених, в тому числі К. Андерсен, Е. Апельтауер, В.І. Бабушкін, П.П. Будников, П.І. Боженов, О.В. Волженський, П.Ф. Гордолієвський, К. Келлі, Е.А. Корольов, О.А. Кремньов, А. Голасіс, І.М. Пієвський, І.О. Передерій, С.С. Печуро, А.В. Ромашов, Т. Суттард, М.А. Хозяїнов, Р.А. Чернишева, О.В. Кондращенко, В.Б. Ратінов, В.В. Іваніцький, Ю.Г. Мещеряков та ін. Але багато питань потребують свого вирішення. Суперечливі дані про термодинамічну рівновагу системи CaSO₄ - H₂O та залежності тиску від температури, що перевищує критичну, не дозволяють обґрунтувати технологічні параметри процесу термічної обробки. Аналіз опублікованих робіт показав, що експериментально встановлено факт отримання б-напівгідрату лише в рідкому середовищі, але про вплив тиску наводяться суперечливі дані.

Одним з напрямків вирішення проблеми отримання високоміцного гіпсу є продовження дослідів по термодинаміці рівноваги системи CaSO₄ - H₂O, кінетиці реакції дегідратації двоводного гіпсу та визначенню тепло- і масообмінних характеристик в різних процесах термообробки в киплячому шарі.

В результаті проведеного огляду літератури були сформульовані мета та задачі дослідження з отримання високоміцних гіпсових в'яжучих.

У другому розділі наводяться опис методики досліджень та схеми установки. Складність математичної постановки дослідження процесів тепло- і масопереносу в киплячому шарі під тиском зумовила необхідність проведення експериментальних досліджень і обробки результатів випробувань у вигляді узагальнених критерійних рівнянь.

Експериментальна установка представляє собою колону діаметром 70 мм, висотою 1500 мм над газорозподільними решітками. Газорозподільні решітки виконані з двох сталевих перфорованих листів, між якими затиснена дротяна сітка з латуні з розміром осередків 0,63х0,63 мм, що запобігає провалу частинок через решітки. Живий перетин решіток складає 8,5%. Повітря під тиском подається від компресора через ресівер. Перед колоною повітря підігрівається електронагрівачем до температури 180-200°С. Тиск в колоні з киплячому шаром контролюється манометром зразковим МО Р=1,6 МПа, клас точності 0,4. Перепад тиску вимірювався дифманометром. Матеріали просіювалися через спеціальні сита по фракціях: від 0,315- до 50 мм. В дослідах використовували природний гіпсовий камінь Артемівського родовища слідуючого складу: СaO - 32,56%, SO₃ - 54,61%, H₂O - 20,13%.

Визначався еквівалентний діаметр частинок. Щільність гіпсу визначалася пікнометричним методом з точністю ± 0,005 кг/м³. Фізико-механічні випробування проводилися по методикам, які відповідають державним стандартам (Гіпс будівельний, ДСТУ 2378979). Фазовий склад та структура кристалів продуктів дегідратації оцінювали за допомогою ренгенофазового та мікроскопічного аналізу.

Для вимірювання температури киплячого шару застосовували термометри опору ТСП 1.11, які встановлювалися відповідно до висоти шару. Термометри опору тарувалися в термостаті рідинному лабораторному СЖМЛ-19/2,5.

Витрата повітря і швидкість його проходження крізь шар при сушці вимірювалися лічильником газу G10, класом точності ±0,5%, встановленому на виході з колони. Для уловлювання крапель рідини і частинок встановлено циклон.

Циркуляція рідини через колону забезпечувалася в замкнутому контурі за допомогою насоса Grundfos-UPS-25/80. Нагрів рідини здійснювався електротенами в теплоакумуляторі. Вимірювання витрати рідини (швидкості проходження) через колону здійснювали механічним витратоміром “Cosmos” класом точності ±1%. ЕДС термометрів опору ТСП-1.11, витратоміру здійснювали регулятором багатоканальним ТМР-138Р. Первинна обробка експериментальних даних здійснювалася за допомогою ПК.

Основні дослідження гідродинаміки і міжфазного теплообміну проведені на “холодній” моделі (як простіші в методичному плані) при атмосферному і підвищеному тиску (до 1,0 МПа). Досліджували гідродинамічні і теплотехнічні характеристики апаратів зі щільним шаром, киплячим шаром і в перехідному режимі при фільтрації крізь шар сухого і вологого повітря при сушці гіпсу, рідини - чистої води при гідродинамічній обробці гіпсового щебеню. Вимірювання коефіцієнта міжфазного теплообміну в фільтруємому шарі, киплячому шарі і перехідній області виконано по методиці, в якій використовується аналогія тепло- і масообміну, застосованої до грубодисперсних систем. Коефіцієнт масообміну визначали по зменшенню маси зразка за рахунок дифузії по формулі:



, (1)

де: - зменшення маси зразка, що визначене зважуванням; - концентрація на поверхні частинки і шару; F - площа поверхні частинки; - тривалість досліду.

По виміряним значенням в визначали коефіцієнт міжфазного теплообміну:

, (2)

де - відповідно коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності повітря, коефіцієнт дифузії. Досліди проводилися у відповідності до складених математичних планів експерименту.

В третьому розділі наводяться результати математичного моделювання процесу дегідратації двоводного сульфату кальцію в області температур, що перевищує критичну.

Були виконані розрахунки рівноваги системи двогідрат сульфату кальцію - напівгідрат - вода в області температур, що перевищує критичну. Рівняння енергії Гіббса-Гельмгольца має вигляд:

(3)

, (4)

де: - зміна об'єму; його значення отримуємо із стехіометричних співвідношень рівнянь реакції за стандартних умов.

СаSO₄•2H₂0-CaSO₄•0,5H₂O+1,5 H₂O (пара) (5)

СаSO₄•2H₂0-CaSO₄•0,5H₂O+1,5 H₂O (рідина) (6)

Результати відрізняються від відомих даних (Кремньов О.А. та співавтори - крива АК).

На нашу думку, нижчий тиск в області, близькій до критичної, і плавне його підвищення в області температур, що перевищує критичну, є більш достовірним фактором, який також вимагає експериментальної перевірки.

Моделювання кінетики реакції дегідратації двоводного гіпсу здійснювалося шляхом вирішення рівняння теплопровідності з джерелом теплоти.

Постановка задачі дослідження і методика рішення

Необхідно визначити розподіл температури в кулі (частинці гіпсу) радіусом R у будь-який момент часу. Дана початкова температура частинки Т_поч. У початковий момент часу частинка поміщається в середовище, що нагріває, з температурою Т_сер, причому Т_сер > Т_поч. Теплообмін з навколишнім середовищем відбувається конвекцією (гранична умова третього роду). Коефіцієнт тепловіддачі визначається з критерійних рівнянь. Усередині кулі (частинки гіпсу) діє джерело теплоти, питома потужність якого рівна - Q_v (теплота реакції дегідратації величина від'ємна, оскільки йде реакція з поглинанням теплоти).

Джерело теплоти діє певний час протягом реакції дегідратації. Потім джерело відключається (Q_v=0) і частинка гіпсу нагрівається до температури навколишнього середовища.

Математичний запис задачі має вигляд рівняння нестаціонарної теплопровідності з джерелом теплоти при граничних умовах третього роду.

Приймається, що коефіцієнт теплопровідності, теплоємність і щільність не залежать від температури.

Теплота дегідратації двоводного сульфату кальцію залежить від температури частинки і визначається по формулі:

, кДж/кг (7)

Така кількість теплоти виділяється при дегідратації гіпсу згідно з реакцією (6).

Потужність джерела теплоти дорівнює добутку швидкості утворення напівгідрату і теплоти дегідратації:

(8)

Вид залежності швидкості утворення напівгідрату (Кремньов О.А):

, (9)

де: Т_кр - критична температура; к=1,36 кг/(м²*год.*град.)

Відомі аналітичні рішення даної задачі або не враховували вплив джерела теплоти або отримані за умови (Ликов А.В.). Проте, зміна значень Q_v від температури досягає 50%, що необхідно враховувати при розрахунку температури частинок і часу дегідратації. Для вирішення задач нестаціонарної теплопровідності застосовувався метод кінцевих елементів (МКЕ).

Результати розрахунку розподілу температури в кулі (частинці) різного діаметру показують, що температура в центрі кулі нижча на 7…10єС від температури навколишнього середовища (поки йде процес дегідратації) протягом 2,5…3,0 годин або 0,5…1,0 годин для малих діаметрів частинок. Із зменшенням діаметру частинок різниця температур зменшується залежно від діаметру частинки. Після завершення процесу дегідратації і видалення гідрокристалізаційної вологи температура частинки досягає температури Т_сер. Одержані дані дозволяють визначити час процесу дегідратації гіпсу для частинок різних діаметрів. При сталому тепловому режимі розподіл температури в частинці гіпсу радіусом R визначається по відомим залежностям (Ликов А.В.). Температура в центрі частинки на 7…10^о С нижче, ніж на поверхні за рахунок відведення теплоти реакції дегідратації, при інших менших значеннях діаметрів частинок температура в центрі частинки відрізняється на 2…3^оС від температури на поверхні.

Рівняння для зміни тиску має вигляд:

, (10)

де: - в'язкість і густина води; - коефіцієнт теплопровідності, щільності і теплоємність гіпсу відповідно; q_v - теплота дегідратації двоводного сульфату кальцію; r_o, R, m - радіус пори речовини, радіус частинок, порозність речовини;

; .



У результаті проведеного обчислювального експерименту та замірів кінетики дегідратації двоводного гіпсу відповідно до складеного плану та обробки дослідних даних отримані регресійні залежності для різних групп частинок. Для дрібних частинок отримана наступна залежність:

102,222+173,167*d_T-191,667*T+165,667*T²-107,25*Td_T, (11)

справедлива для частинок діаметром d_T=0,315 - 5,0 мм. Максимальна погрішність залежності складає ±10-15%. Діапазон зміни температури складає 376?Т?388, К.

Для частинок d_T=5,0-50 мм одержана наступна залежність:

5857,0+5338,83*d_T-2945,33*T+1227,0*T²-2357,0*Td_T, (12)

справедлива в діапазоні температур 376-393 К. Погрішність залежності ±10-18%.

В розділі четвертому наводяться дослідження гідродинаміки і теплообміну між повітрям (рідиною) і частинками гіпсу у фільтрованому щільному і киплячому шарі.

Різні розміри частинок щебеня (d_T>0,31-5,0мм і 5-50мм) гіпсової сировини визначають гідродинамічний режим процесу його гідротермічної обробки (випалення і подальша сушка). Шар частинок знаходиться в малорухливому стані, крізь який фільтрується рідина або продувається нагріте до температури 100….200^оС стисле повітря. Спостерігається фільтраційна течія теплоносія крізь щільний шар дисперсного матеріалу, із збільшенням швидкості наступає режим киплячого шару.

Обмірювані дані гідродинамічного опору щільного шару показали, що опір пропорційний висоті шару. Гідравлічний опір для всіх форм частинок не є лінійною функцією швидкості повітря (рідини). Зменшення порозності приводить до збільшення перепаду тиску в шарі і в залежності від форми частинок - складнішій формі відповідають більші значення . При одній і тій же порозності, шар, що утворений частинками складнішої форми має більший гідравлічний опір. Експериментальні результати підтверджують зроблене наукове припущення - в області розвиненої турбулентної течії у формулу для гідравлічного опору доцільно вводити коефіцієнт, що враховує збільшення втрат в шарі частинок ускладненої форми від додаткової турбулізації потоку.

В літературі наводяться дані про вплив форми частинок та шорсткості їх поверхні (кусковий матеріал - вугілля, щебінь та ін.) на гідравлічний опір. Але данні не повні і для чисел Re>10³ вони практично відсутні.

В цій роботі розвивається гіпотеза про структуру потоку, що фільтрується, як про потік, що являє собою послідовні стискування-розширення та зміни напрямку руху. Витрати напору при русі через шар визначаються як витрати внаслідок утворення вихорів (місцеві опори), так і в результаті тертя.

Експериментальні дані для часток складної форми розміщуються все вище в міру ускладнення форми та добре усереднюються кривими паралельними узагальнюючий залежності для шарової насадки. Рівному коефіцієнту форми відповідають однакові гідравлічні характеристики.

Для розрахунку гідравлічного опору шару, утвореного частинками з коефіцієнтом форми при значеннях Re>200, отримано вираз для коефіцієнта б:

(13)

Кусковий матеріал (наприклад, гіпсовий щебінь) має високу шорсткість (), що істотно впливає на гідравлічний опір шару.

В роботі виконана оцінка впливу шорсткості. Результати показали що із збільшенням від 0,038 до 0,121 коефіцієнт гідравлічного опору змінюється від 0,3 для гладких шарів до 0,7-0,8 для кускового матеріалу. В результаті обробки дослідних даних визначено залежність для розрахунку коефіцієнту в, що враховує вплив шорсткості на гідравлічний опір, справедливу в діапазоні чисел Re=200-5000:

(14)

Таким чином, при розрахунку гідравлічного опору шару при шорсткості частинок (кускового матеріалу) 0,026<<0,121 і коефіцієнті форми =1,0-2,8 можливо використовувати вираз:

, (15)

Беручи до уваги, що визначаючим розміром є гідравлічний діаметр елементарної струмки і, вводячи коефіцієнт форми частинок, число Re визначається наступним чином:

(16)

де - в'язкість, - порозность, коефіцієнт форми частинки, - швидкість, - гідравлічний діаметр.

При побудові схеми фільтрації передбачається, що потік в шарі неоднорідний, тобто разом з проточними існують і непроточні зони, об'єм яких визначається об'ємом завихрень, а крім того застійними зонами поблизу точок дотику частинок. Дані різних авторів, а також данні автора, указують на те, що весь об'єм шару бере активну участь у фільтрації. Течія через шар за своїм характером близька до режиму ідеального витиснення і, отже, у вивченій області непроточні зони відсутні. Ускладнення форми насадки не приводить до зростання непроточних зон.

В результаті узагальнення дослідних даних по між фазному теплообміну в шарі, що фільтрується, одержане критеріальне рівняння:

(17)

Із збільшенням швидкості рідини, що фільтрується, (w>w_р) наступає перехідний режим та режим киплячого шару. Експериментально встановлено, що гідравлічні характеристики киплячого шару визначаються перепадом тиску відповідно до залежності:

(18)

Результати виміру гідравлічного опору шару висотою 500 мм складають 300-350 Па, що незначно підвищує енерговитрати технологічного процесу.

Результати дослідження міжфазового тепло- і масообміну в рідинному киплячому шарі. Уточнені та розширені відомі в літературі залежності при значеннях чисел Re>10³ та Ar>10⁸. В результаті узагальнення дослідних даних одержане критеріальне рівняння:

(19)

для довільної форми частинок киплячого шару, яке справедливе при Re=200-5000.

Незалежність коефіцієнта тепловіддачі від форми насадки можна пояснити тим, що частинка складнішої форми має розвиненішу поверхню, що приводить до більшої товщини граничного шару і зменшення коефіцієнта тепловіддачі. Проте частинка складнішої форми має поверхню ускладнену виступами, поглибленнями і т.п., що виконує роль турбулізаторів граничного шару, що і приводить до збільшення коефіцієнта тепловіддачі.

Таблиця 1. Результати вимірювань механічних властивостей продуктів гідротермообробки

№ з/п	Умови обробки	Умови сушки	Строки зхватування, хв.	Водогіпсове співвідношення	Міцність зразків на згин (сухих), кг/см2
	Температура води, К	Діаметр частинок, мм	Час обробки, хв.	Тиск води, бар	Температура, оС	Тривалість, год.	Початок, хв.	Кінець, хв
1	398	10-50	60	10	160	1.5	5.2	8.1	0,33	35
2	398	<5	60	10	160	1.0	8.0	11.2	0,40	45
3	398	10-50	30	10	160	2.0	3.7	6.2	0,30	30
4	398	<5	30	10	160	1.5	5.1	7.2	0,31	40
5	398	10-50	60	2	160	1.5	4.6	7.1	0,30	20
6	398	<5	60	2	160	1.0	7.4	10.0	0,42	35
7	398	10-50	30	2	160	1.5	4.9	6.9	0,35	20
8	398	<5	30	2	160	1.0	7.7	10.5	0,42	30
9	398	5-10	30	6	160	1.0	6.6	9.9	0,40	40
10	388	10-50	60	10	160	1.0	5.9	9.2	0,39	20
11	388	<5	60	10	160	1.5	5.0	7.9	0,37	35
12	388	10-50	30	10	160	1.0	7.0	9.9	0,38	25
13	388	<5	30	10	160	1.0	6.9	9.2	0,39	20
14	388	10-50	60	2	160	1.0	5.7	8.2	0,41	18
15	388	<5	60	2	160	1.5	5.0	6.8	0,36	25
16	388	10-50	30	2	160	1.5	4.9	6.9	0,35	15
17	388	<5	30	2	160	2.0	3.1	5.9	0,30	27
18	388	5-10	45	6	160	1.5	4.7	6.6	0,34	35
19	393	<5	45	6	160	1.0	5.5	8.5	0,43	27
20	393	5-10	45	6	160	1.5	4.1	7.7	0,36	38
21	393	5-10	60	6	160	2.0	3.5	6.7	0,31	40
22	393	5-10	30	6	160	1.5	4.5	7.0	0,34	30
23	393	5-10	45	10	160	2.5	2.0	5.2	0,30	55
24	393	5-10	45	2	160	2.0	3.7	6.7	0,31	35
25	393	5-10	45	6	160	2.5	2.2	5.0	0,30	45

У п'ятому розділі наводяться результати дослідження міцнісних характеристик високоміцного б-напівгідрату.

Використовувався метод математичного планування експерименту, який передбачає постановку дослідів за певною схемою і забезпечує мінімальний об'єм експериментальних досліджень і якнайкращі умови статистичної обробки. В якості відгуків використовувалися: ₁ - міцність зразків при стисненні, кг/см²; ₂ - міцність зразків на згин, кгс/см²

Методом покроково-регресийного аналізу одержані рівняння:

(20)

(21)

Результати проведених дослідів (таблиця) показали можливість отримання високоміцного гіпсу (Г10 та вище) при гідротермічній обробці дрібних фракцій сировини d_T<50мм в рідинному киплячому шарі в діапазоні температур 120-130^оС та тиску 0,6-1,0МПа.

В результаті експериментальних і розрахунково-теоретичних досліджень вдосконалено спосіб одержання високоміцного гіпсу шляхом гідротермічної обробки щебеню гіпсової сировини в рідинному киплячому шарі під тиском. Безперервна гідротермічна обробка і подальша сушка ведеться в двох апаратах. Продуктивність установки дозволяє одержувати 10т за зміну високоміцного б-напівгідрату. Продуктивність установки може бути істотно збільшена.

Приведена методика теплового розрахунку дослідно-промислового пристрою гідротермічної обробки гіпсової сировини в рідинному киплячому шарі.

Описано порядок роботи пристрою для випалу гіпсу [1].



ВИСНОВКИ

1. Теоретичними розрахунками встановлено залежність тиску термодинамічної рівноваги від температури в системі двогідрат сульфату кальція - напівгідрат - вода при температурах, які перевищують критичну, що обґрунтовує ефективність проведення процесу одержання міцного гіпсу при високому тиску рідини.

2. Шляхом рішення рівняння нестаціонарної теплопровідності з урахуванням джерела теплоти при граничних умовах ІІІ роду встановлено розподіл температури всередині частинки гіпсу, що дозволило оцінити час реакції дегідратації дрібних фракцій природного каменю (d_T<50мм) при різних умовах термообробки та обґрунтувати технологічні параметри термообробки. Результати теоретичних та експериментальних досліджень узагальнені у вигляді регресійних залежностей з кінетики термообробки двоводного гіпсу.

3. Розрахунковими та експериментальними дослідами показано вплив тепло- і масообмінних характеристик на час термічної обробки сировини та наступної сушки готового продукту в залежності від діаметру частинок

4. В результаті експериментальних досліджень уточнені критеріальні залежності в більш широкому діапазоні чисел Re, Ar та ін. по гідравлічному опору та коефіцієнтам тепло- і масообміну в щільному шарі, який фільтрується рідиною, та киплячому шарі.

5. Експериментально встановлена залежність міцністних характеристик готового продукту в залежності від параметрів, що впливають (тиск, температура, розмір частинок, часу термообробки та ін.). Результати дослідів узагальнені у вигляді регресійних залежностей.

6. Результати мікроскопічного та ренгенофазового аналізу показали, що особливості технології гідротермічної обробки природного гіпсу та одержання готового продукту високої якості відображаються в управлінні процесами дегідратації і кристалізації б-напівгідрату при наявності рідкої фази (води, насиченої сульфатом кальція). Невисока температура процесу дегідратації близько 120-130^оС та високий тиск до 1,0 МПа приводять до уповільнення зростання та до зменшення кількості кристалів, які утворюються з безперервною гранулометрією, що забезпечує щільну упаковку.

7. Результати мікроскопічних дослідів показали, що високоміцний гіпс складається з б-напівгідрату з кристалами, що мають форму призм та гольчату форму з розмірами (вдовжину - 200-350 мкм, в поперечному напрямі - 10-80 мкм) з вираженою тенденцією наближення їх форми до кульовидної.

8. Розроблена технологічна схема та методика розрахунку багатосекційної безперервно діючої установки для отримання високоміцного гіпсу у рідинному киплячому шарі під тиском. Показано, що впровадження розробленої технології забезпечить значний економічний ефект за рахунок ресурсо- та енергозбереження. Очікуваний економічний ефект від впровадження даної роботи становить близько 100 тис. грн./рік.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Деклараційний патент України на винахід № 64968А кл.F27В15/00 від 03.04.03 (опубликовано Бюл. № 3, 15.03.2004) - Пристрій для випалу гіпсу. Авт. Редько А.О., Бабушкін В.І.

2. Бабушкин В.И., Редько А.А. Интенсификация процессов тепломассо-переноса при дегидратации гипса в кипящем слое под давлением // Науковий вісник будівництва, Вип. 21.- ХДТУБА ХОТВАБУ, 2003. - С.75-80.

3. Бабушкин В.И., Редько А.А. Дегидратация гипса в кипящем слое под давлением // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, № 5. - 2003. - С.222-224.

4. Редько А.А. Термодинамическое равновесие системы двугидрат сульфата кальция-полугидрат-вода // Науковий вісник будівництва, Вип. 30, том 2. - Харків ХДТУБА ХОТВАБУ, 2005 - С.90-94.

5. Редько А.А. Моделирование распределения давления и температуры внутри частицы гипса при дегидратации // Науковий вісник будівництва, Вип. 31. - Харків ХДТУБА ХОТВАБУ, 2005 - С.304-309.

6. Редько А.А. Моделирование кинетики дегидратации двуводного сульфата кальция в жидкостном кипящем слое под давлением // Вісник НТУ “ХПИ”. - Нові рішення в сучасних технологіях. Вип.. 43.- Харків, 2005р. -С. 109-113.

7. Редько А.А. Механические свойства б-полугидрата при дегидратации двуводного гипса в жидкостном кипящем слое под давлением // Вісник ДонНАБА Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. 2005-2(50). - Макїївка Доннаба. - С.63-65.

8. Редько А.А. Гідродинамічні та теплообмінні характеристики між рідиною та частками гіпсу в фільтруємому щільному та киплячому шарі // Збірник накових праць. Вип. 35. - Будівництво. Матеріалознавство. Машинобудування. (Частина 2. Новітні технології діагностики, ремонту та відновлення об'єктів будівництва та транспорту) - Дніпропетровськ ПДАБА, 2005. - С.161-167

Размещено на Allbest.ru

...