Кристалізація в екстракторі при фазовому переході напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат у багатокомпонентних системах

Abstract

Дисертацію присвячено вивченню кінетики перекристалізації напівгідрату сульфату ка-льцію в дигідрат в фосфорнокислотних розчинах. Встановлено, що швидкість гідратації на-півгідрату та гранулометричний склад кристалів, що утворюються, залежать від способу оса-дження напівгідрату, а також від технологічних і гідродинамічних умов проведення процесу. Запропоновано математичну модель циркуляційних потоків рідкої фази та гідродинаміки моно- і полідисперсної твердої фази в кристалізаторі. Одержано аналітичні залежності та ро-зроблено методику розрахунків для кінетичної оцінки процесу перекристалізації напівгідрату в фосфогіпс, яка дозволяяє прогнозувати дію домішок. Розроблена приципова схема напівгі-дратно- дигідратного способу виробництва екстракційної фосфорної кислоти. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3281

В диссертации на основании анализа литературных сведений о исследовании процес-сов кристаллизации сделано заключение, что в последнее время значительное внимание уделяется вычислительному эксперименту, ценность которого не вызывает сомнений, если он ведется на базе математических моделей, опирающихся на физические и физико-химические закономерности. Однако опубликованные работы не создают достоверной цело-стной картины о кинетике и механизме фазового перехода полугидрата сульфата кальция (ПГ) в дигидрат (ДГ) в условиях, моделирующих стадию гидратации ПГ при производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК). Имеющиеся данные отличаются противоречи-выми, а порой и взаимоисключающими утверждениями, поэтому нуждаются в уточнении и проверке. С этой целью были проведены исследования физико-химических основ процесса и изучалось влияние на кинетику перекристаллизации ПГДГ режимных параметров, в том числе гидродинамической обстановки в экстракторе, и действие примесей. Обобщение по-лученного экспериментального материала использовалось для информационного обеспече-ния оптимизационных расчетов и разработки полугидратно-дигидратного способа произ-водства ЭФК. Установлено, что характер перекристаллизации ПГДГ определяется температурно-концентрационным диапазоном, соотношением Ж:Т и CaO/SO3 как в процессе осаждения ПГ при экстракции P2O5 из апатита, так и в процессе его гидратации. Введение свободной H2SO4 резко сокращает продолжительность полного фазового перехода за счет изменения относительных пересыщений по ПГ и ДГ. Избыток СаО, напротив, тормозит фазовое пре-вращение, поскольку замедляет растворение ПГ в связи с уменьшением его растворимости и образованием экранирующих фосфатных пленок на поверхности кристаллов. Примеси в суспензии тоже изменяют скорость перекристаллизации ПГДГ. Так, на-личие соединений магния, увеличивая вязкость жидкой фазы и затрудняя диффузию раство-ренных веществ, замедляет гидратацию ПГ и приводит к образованию мелкодисперсного осадка. А соединения алюминия ускоряют процесс перекристаллизации, способствуя сокри-сталлизации наряду с CaSO42H2O изоморфных ему кристаллов CaHPO42H2O, которые вы-полняют роль затравки и служат центрами кристаллизации для гипса. При изучении гидродинамической обстановки в экстракторе рассматривалась область, отвечающая значениям критерия Пекле Ре>0,6, при котором обеспечивается режим полного зависания всех частиц в аппарате, что создает идентичные условия для всего процесса в це-лом. Описание зависимости массопереноса от интенсивности перемешивания производи-лось с учетом влияния маломасштабной турбуленции на структуру пограничного слоя вбли-зи поверхности частицы. При этом рассчитывался коэффициент массопередачи и анализи-ровалось изменение его значений в зависимости от скорости вращения мешалки. Для статистической оценки качества кристаллов выполнялся микрогранулометриче-ский контроль, снимались гистограммы при фиксированных гидродинамических режимах и проверялась нормальность распределений по квадрату коэффициента корреляции Пирсона, величина которого монотонно убывает с увеличением критерия Рейнольдса, что свидетель-ствует о повышении нормальности распределений. Линейная зависимость рассчитанных с 17 помощью "Exel 5.0" значений дисперсии распределений от Re подтвердила гипотезу о воз-растании турбулентных пульсаций на размеры образующихся кристаллов. На основании физической модели, включающей совокупность сложных физико-химических свойств системы, предложена математическая модель циркуляционных потоков в экстракторе, которая состоит из N+1 дифференциальных уравнений, описывающих струк-турную схему потоков и учитывающих неравномерность обмена между зоной циркуляции и зоной мешалки, а также распределение твердой фазы по радиальным и осевым составляю-щим. Решение модели, составленной для полидисперсной смеси, позволяет определить удерживающую способность емкостного экстрактора по всем фракциям твердой фазы. Для количественной характеристики кинетики ПГДГ была найдена аналитическая зависи-мость, определяющая степень превращения и содержание кристаллизационной воды в твер-дой фазе в текущий момент времени, а также разработана методика для расчетов оценки процесса с учетом неаддитивного действия отдельных примесей при их совместном присут-ствии и нелинейного характера зависимости, отражающей влияние изменения концентрации конкретной примеси. Проверка методики на адекватность показала удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных. Обобщение исследований по совместному действию различных факторов на кинетику процесса дало возможность разработать принципиальную схему полугидратно-дигидратного метода производства ЭФК и получить наиболее полное аналитическое выражение, позво-ляющее оптимизировать режим перекристаллизации. В качестве регулируемых параметров были выбраны температура и концентрация растворов, а нормализованные контролируемые параметры использовались для расчета интегрального критерия оптимизации, минимальные значения которого отвечают оптимальным условиям. Апробация разработанного способа показала, что с его помощью можно получать высококонцентрированную фосфорную ки-слоту и фосфогипс с незначительным содержанием примесей. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3281

This dissertation is devoted to design kinetic of recrystallization hemihydrate calcium sulphate to dehydrate in phosphoric acid solutions. It is determined, the velocity of the hydration process and granulometry crystal composition depends on produce method, technologic and hydrodynamic conditions. There is the mathematical model for circulate steams of liquid phase and hydrodynamic mono- and polydisperse solid phase in the crystallizator. The analytic dependensy and methodic of calculation for kinetic marks are determined. The principal scheme of hemihydrate-dehydrate process of extractional phosphoric acid is worked out. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3281