ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГИПСА —
Процесс получения а-полугидрата сульфата кальция в промышленных условиях заключается в обработке кускового природного двугидрата насыщенным водяным паром повышенного давления в герметичном аппарате. При этом происходит отщепление кристаллизационной воды и перекристаллизация двугидрлта сульфата кальция в полуводный. В процессе последующей сушки удаляется свободная вода. Это позволяет предотвратить гидратацию при снижении температуры материала. Оба указанные процесса, по нашему мнению, недостаточно изучены.
Исследование механизма тепловлажностной обработки природною гипса проводилось на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1. Обработке подвергался природный гипс в виде образцов кубической формы (фракция 10—60 мм). Для определения кинетики процесса снимались термограммы тепловлажностной обработки двуводного гипса и сушки полученного вяжущего. Термопары заделывали в центре куска, в середине между центром и поверхностью и вблизи поверхности. При незначительной разности температур между средой (насыщенный водяной пар) и гипсовым камнем использовались дифференциальные термопары.
На рис. 2 представлены термограммы пропаривания природного гипса размерами 60X60X60 мм при давлении 1,3 атм и конвективной сушки сухим воздухом при 160°С. Принятая методика замеров позволяет регистрировать эндотермический эффект, сопровождающий термическую диссоциацию двуводного гипса. Совпадение температуры центра куска гипса с температурой окружающей среды свидетельствует об окончании процесса перекристаллизации основной массы ДВУВОЛНОГО сульфата кальция в полуводный. Термограммы позволяют определить время тепловлажностной обработки гипсов различных месторождений.
При переходе на сушку сухим газообразным теплоносителем сброс давления в аппарате вызывает резкое понижение температуры материала. Поскольку кривая насыщения (Р — f зависимость) гипсового раствора мало отличается от кривой насыщения воды, температура материала выходит на температуру мокрого термометра, зависящую от параметров сушильного агента и условий сушки. Этот эффект, называемый температурным провалом, вызывает дискуссии по поводу его влияния на качество материала. В дальнейшем по мере удаления свободной влаги температура материала растет, приближаясь к температуре теплоносителя.
В первой серии опытов исследовали влияние времени тепловой обработки при постоянных параметрах сушки сухим газообразным теплоносителем (150°С, 2 м/с, d = 10 г на 1 кг сухого вещества). Данные опытов подтвердили правомочность предлагаемой методики определения времени окончания пропаривания гипсового камня, так как не наблюдалось изменения качества продукта при увеличении длительности обработки. Но если продолжительность пропаривания меньше, чем это следует из термограмм, заметно значительное снижение качества продукта. Неполная перекристаллизация двугидрата в ос-полугидрат приводит к образованию, что повлияет на основные технические характеристики вяжущего. Причинение термографического метода исследования позволяет получать полугидрат сульфата кальция с любым отношением модификаций.
Давление пара при автоклавной обработке, а также размер кусков пропариваемого материала определяют скорость подвода тепла. Очень важно выявить, что определяет скорость процесса-, химическая кинетика или скорость подвода тепла к материалу в данных температурных условиях. Если скорость процесса полностью определяется кинетикой перекристаллизации, то продолжительность процесса при равной температуре будет одинакова для частиц различных размеров.
Пропариванию при 1.3 атм подвергнуты кубические образцы гипса размером от (0 до 60 мм, приготовленные из камня Каменец-Подольского месторождения
В температурных условиях, соответствующих автоклавной обработке, скорость: реакции значительна и интенсивность процесса в основном определяется темпом подвода тепла к материалу. При 103С лимитирующей стадией процесса является скорость реакции.
Из этих опытов также следует, что более интенсивная перекристаллизация двуводного гипса в полугидрат приводит к снижению прочностных характеристик] вяжущего. Результаты исследовании представлены на рис. 3.
Изменение температуры сухого газообразного теплоносителя в процессе сушки от 100 до 200°С не отражается на качестве продукта при одинаковом исходном сырье. Это объясняется тем, что минимальная температура высушиваемого материала колеблется в малых пределах (50—60СС). Более значительное обезвоживание верхних слоев материала при повышенных температурах (160—20(ГС) не приводит к перекристаллизации полу- водного гипса и не ухудшает прочностных показателей вяжущего. При сушке пропаренного материала перегретым паром замечено некоторое понижение прочностных показателей продукта, что можно объяснить наличием в материале адсорбционной влаги, так как известно, что даже незначительное содержание в полугндрате сульфата кальция воды сверх стехиометрического приводит к ухудшению характеристик вяжущего Подтверждением этого служит повышение прочности материала при проведении сушки перегретым паром с последующей тепловой обработкой сухим теплоносителем (в табл. опыты 11, 12).
В этих опытах не наблюдалось улучшения качества вяжушего при полной ликвидации температурного провала. Дело, очевидно, в том, что при сушке сухим газообразным теплоносителем единичный гипсовый образец находился в идеальных условиях, которые трудно создать в промышленном аппарате (равномерное распределение теплоносителя и повышенная скорость обезвоживания). Исследования в экспериментальной установке показали при конвективной сушке в большом объеме с температурным провалом значительное снижение качества продукта. Из-за неравномерного распределения теплоносителя всегда имеются куски материала, которые длительное время находятся при пониженной температуре и со значительным количеством гипсового водного раствора внутри куска.
Если оставить единичный гипсовый образец после пропаривания в замкнутом аппарате на 1 ч, а затем высушить сухим теплоносителем, то продукт будет содержать до 30% (5-полугидрата. Прочностные характеристики материала будут значительно ниже, чем единичного образца, подвергнутого сушке сразу же после пропаривания.
Какие процессы возможны при сушке полугидрата в условиях понижения температуры пропаренного материала. Полугидрат остается устойчивым по отношению к двугидрату в присутствии жидкой воды при понижении температуры системы до 80—90°С. В этих условиях наиболее термодинамически устойчивым является двуводный гипс. Перенасыщение гипсового раствора относительно двугидрата при 80—90°С еще недостаточно для возникновения центров кристаллизации двуводного гипса (с понижением температуры пересыщение резко увеличивается). Выпаривание же воды в процессе сушки обеспечивает сколь угодно значительное пересыщение водного раствора сульфата кальция, что приводит к выделению наиболее термодинамически устойчивой твердой фазы.
Выпаривание гипсового раствора при температурах более низких, чем 103оС, вызывает образование двугидрата. Следовательно. наличие гипсового раствора приводит к образованию двугидрата или вторичного Р-полугидратл в процессе сутки при снижении его температуры. Этот эффект слабо ощутим и количественном отношении из-за низкой растворимости сульфата кальция в воде, но может оказать влияние на сроки схватывания и прочность вяжущего.
Подобный маханизм процесса сушки гипсового материала сухим теплоносителем находит подтверждение в опытах ВМИИстрома, которые показали, что при использовании плотного гипсового камня более заметно отрицательное влияние температурного провала. Это объясняется тем, что количество гипсового раствора и гипсовом материале после пропаривания больше, а кристаллы полугидрата мельче, чем в более плотном гипсовом камне. Следовательно, понижение температуры материала в процессе cvin- кн приводит к результатам.
Опыты по сушке материала и большом объеме показали преимущество сушки без температурного пропала. Выпаривание гипсового раствора без снижения его температуры приводит к выделению из пето х-полугндрата, что гарантирует полную однородность вяжущего
Проведенные исследования позволили разработать новый способ получения высокопрочного гипса и наладить на деконском комбинате Стройдеталь его выпуск.
Технологическая схема производства высокопрочного гипса включает дробление, тепловую обработку и помол. Дробление гипсового камня производится в щековои дробилке СМ-74 с последующим разделенном полученного материалам на грохоте по фракциям: До 50 мм и 50—60 мм. Гипсовый камень размером кусков 50—60 мм загружают транспортером в вертикальный автоклав для обработки насыщенным водяным паром при давлении 1,3 эти в течение 4 ч и давлении 2 атм — 2 ч. После сброса давления в этом же аппарате при небольшом избыточном давлении производится? сушка материала перегретым паром температурой 150—160°С 10 ч. Затем гипс выгружается приемный бункер, откуда транспортером через тарельчатый толь поступает на помол и далее на упаковку. Производительность цеха высокопрочного run- гадеконского комбината. Стройдеталц составляет 15 тыс. т гипса в год.