книги / 940

УДК 622.363

В.З. Пойлов, Г.Е. Тюленева, Ю.А. Логинова, К.Г. Кузьминых, О.К. Косвинцев

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ХЛОРИДА КАЛИЯ

Установлено влияние степени насыщения раствора КС1 на закономерности процесса перекристаллизации пылевидных частиц хлорида калия в изотермическом и колебательном температурном режимах проведения процесса.

В галургической технологии получения хлорида калия на стадии вакуум-кристаллизации образуется мелкодисперсный продукт, содержащий повышенное количество пылевидной фракции размером менее 0,100 мм. Пылевидные фракции хлорида калия, захватывая в большом количестве маточный раствор, загрязняют готовый продукт и плохо фильтруются, что сопровождается повышением остаточной влажности и увеличением энергозатрат на стадии сушки готового продукта. Кроме того, пылевидный хлорид калия сильно слеживается, теряется при транспортировке и внесении в почву.

Согласно литературным данным, эффективным методом укрупнения кристаллов является использование колебательного температурного режима в процессе кристаллизации [1–4]. Цель данного исследования – установление закономерностей процесса перекристаллизации, которые позволят улучшить гранулометрический состав продукта. В работе изучено влияние температурного режима и степени насыщения раствора на гранулометрический состав и выход кристаллов хлорида калия.

В качестве исходного вещества использовался хлорид калия марки «ХЧ», предварительно измельченный до размера частиц менее 0,100 мм. При этом хлорид калия содержал 70 % частиц размером от 0,045 до 0,125 мм и 30 % частиц размером менее 0,045 мм. Средний размер исходных кристаллов КС1 составлял 0,066 мм.

Исследование процесса перекристаллизации проводили в термостатируемом кристаллизаторе с программируемыми режимами нагрева и охлаждения по следующей методике. Предварительно приготовлен-

91

ную суспензию хлорида калия помещали в кристаллизатор и разбавляли водой для достижения необходимой степени насыщения раствора. Далее исходную суспензию при постоянном перемешивании нагревали с 25 °С до заданной температуры с постоянной скоростью 2 °С/мин. После достижения необходимой температуры суспензию выдерживали в течение определенного времени при этой температуре, а затем охлаждали до начальной температуры со скоростью 2 °С/мин. Затем суспензию фильтровали на вакуум-фильтре через двойной слой фильтровальной бумаги. Осадок промывали ацетоном и сушили на воздухе. При помощи ситового анализа определяли гранулометрический состав высушенного осадка. На оптическом микроскопе снимали кристаллы хлорида калия до и после обработки в колебательном температурном режиме, а также преобладающую фракцию в готовом продукте. Результаты экспериментов представлены в таблице и на рис. 1–8.

По данным таблицы видно, что при степени насыщения раствора 100 % выход кристаллизата КС1 превышал теоретическое значение, что связано с захватом тонкодисперсным осадком маточного раствора. При снижении степени насыщения раствора выход перекристаллизованного осадка КС1 линейно снижался, что обусловлено растворением тонкодисперсных частиц КС1 в недонасыщенном маточном растворе.

Показатели процесса перекристаллизации кристаллов КС1 при различных температурных режимах и величинах степени насыщения раствора

92

Средний размер частиц КС1 и содержание дисперсной фракции 0,100 мм в осадке существенно зависит от величины степени насыщения раствора и температурного режима. При изученных температурных режимах процесса перекристаллизации происходит укрупнение частиц КС1 с коэффициентом укрупнения среднего размера кристаллов 1,37–3,37. При этом наименьшее содержание (7,89 %) дисперсной фракции класса 0,100 мм в осадке наблюдается при колебательном температурном режиме 25–40–25 °С.

Анализ результатов зависимости среднего размера кристаллов от степени насыщения раствора (рис. 1) свидетельствует о том, что в отличие от изотермического режима при колебательном температурном режиме перекристаллизации с ростом степени насыщения исходного раствора наблюдается уменьшение среднего размера частиц. Этот факт указывает на то, что при перекристаллизации на средний размер более значимое влияние оказывает эффект растворения тонкодисперсных частиц, чем эффект агрегативного роста, приводящий к формированию сростков и наблюдаемый в изотермических условиях.

Рис. 1. Влияние степени насыщения исходного раствора на средний размер частиц КС1 при различных температурных режимах

Данные по гранулометрическому составу хлорида калия в виде дифференциальных кривых распределения частиц по размеру приведены на рис. 2. Из анализа кривых на рис. 2, а следует, что процесс пе-

93

рекристаллизации в изотермическом режиме сопровождается получением мелких частиц с узким распределением в области размеров 0,100 мм. Причем, в изотермическом режиме изменение степени насыщения раствора оказывает небольшое влияние на дифференциальные кривые. Повышение степени насыщения раствора с 70 до 100 % приводит к росту асимметричности кривых (смещение в правую область) за счет увеличения содержания агрегированных частиц. Использование ненасыщенных растворов при перекристаллизации приводит к уменьшению содержания крупных частиц.

Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения фракций КС1 по размерам при различных степенях насыщения раствора (%):

а– изотермический режим 1; б – колебательный режим 2

Вотличие от изотермического режима перекристаллизация КС1 при колебательном температурном режиме (рис. 2, б) приводит к расширению и смещению экстремума дифференциальных кривых в сторону больших размеров с появлением второго экстремума. Появление бимодальных кривых свидетельствует о наличии в осадке агрегированных частиц большего размера по сравнению с тонкодисперсными частицами. При колебательном режиме на этапе нагрева раствора происходит растворение тонкодисперсных частиц, а на этапе охлаждения раствора – кристаллизация мелких частиц на оставшихся нерастворенными крупных частицах. При этом снижение степени насыщения маточного раствора усиливает эффект растворения тонкодисперсных частиц. С ростом степени насыщения раствора с 70 до 100 % наблюдается увеличение содержания фракций класса менее 0,100 мм с 10 до 50 %.

На рис. 3, 4 приведены дифференциальные кривые распределения при одинаковых значениях степени насыщения раствора.

94

Анализ кривых на рис. 3 позволяет заключить, что при степенях насыщения раствора 90 и 100 % и колебательном температурном режиме происходит образование осадка с бимодальным распределением экстремумов в области размеров частиц 0,100 и 0,200 мм. При снижении степени насыщения до 70–80 % (рис. 4) кривые распределения частиц по размерам становятся мономодальными (один экстремум в области 0,200 мм) с низким содержанием фракций класса менее 0,100 мм. Таким образом, мономодальные распределения частиц КС1 по размерам наблюдаются при изотермическом режиме перекристаллизации при всех степенях насыщения раствора, а при колебательном режиме – только при низких степенях насыщения раствора.

Рис. 3. Дифференциальные кривые распределения фракций КС1 по размерам при различныхтемпературных режимах истепенинасыщения раствора 100 % (а) и90 % (б)

Рис. 4. Дифференциальные кривые распределения фракций КС1 по размерам при различных температурных режимах и степени насыщения раствора 80 % (а) и 70 % (б)

Анализ фотографий кристаллов хлорида калия (рис. 5) свидетельствуют о том, что при колебательном температурном режиме происходит укрупнение тонкодисперсных частиц. Частицы исходного пы-

95

левидного КС1 мелкие и бесформенные, а после проведения процесса перекристаллизации частицы приобретают более правильную компактную кубическую форму, преобладают сростки прозрачных кристалликов. Отдельно существующих мелких частиц в кристаллизате не наблюдается.

Рис. 5. Фото частиц КС1, полученных при температурном режиме 25–50–25 °С:

а– исходная пыль; б – перекристаллизованный продукт;

в– преобладающая фракция перекристаллизованного продукта

Выводы:

1.При перекристаллизации пылевидных фракций хлорида калия

внасыщенном или разбавленном растворе происходит укрупнение кристаллов в 1,37–1,72 раза при изотермическом режиме и в 1,87– 3,37 раза при колебательном режиме.

2.На укрупнение частиц больше влияет эффект растворения тонкодисперсных частиц, чем эффект агрегативного роста.

3.Перекристаллизация в изотермическом режиме независимо от степени насыщения маточного раствора сопровождается получением осадков только с узким мономодальным распределением частиц по размерам и высоким содержанием тонкодисперсных фракций.

4.Колебательный температурный режим перекристаллизации приводит к формированию осадков с низким содержанием тонкодисперсных частиц, но с более широким полидисперсным составом, характеризующимся наличием большого числа агрегатов – сростков компактной кубической формы.

5.Независимо от температурного режима процесса перекристаллизации снижение степени насыщения маточного раствора усиливает эффект растворения тонкодисперсных частиц.

96

Список литературы

1. Савватин Ю.Н., Витина Н.А. Применение метода кристаллизационной агломерации для повышения качества калийных удобрений и снижения отходов // Сб. науч. тр. / ВНИИГ. Минск: Наука и техника,

1983.

2.Савватин Ю.Н., Витина Н.А., Хетчикова В.П. Исследование процесса кристаллизационной агломерации хлористого калия // Сб. на-

уч. тр. / ВНИИГ. Л., 1983.

3.Пат. 2057102 РФ. Способ получения непылящего мелкозернистого хлористого калия / А.В. Давыдов, В.И. Коновалов. Опубл.

25.04.1996.

4. Пат. 2213078 РФ. Способ получения агломерированного хлористого калия / Ю.В. Букша, Л.М. Перминов. Опубл. 08.05.2003.

Получено 17.06.2009

97

УДК 622.363

К.Г. Кузьминых, В.З. Пойлов, Г.Е. Тюленева, О.К. Косвинцев, Е.О. Кузина

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ХЛОРИДА КАЛИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

Изучено влияние длительности обработки, среды, соотношения фаз, интенсивности ультразвуковой обработки на процесс перекристаллизации хлорида калия. Установлено влияние параметров ультразвукового воздействия на дифференциальные кривые распределения кристаллов хлорида калия по размерам в среде ацетона, насыщенного и разбавленного растворов КС1.

Вработе [1] нами было установлено влияние степени насыщения раствора КС1 на закономерности процесса перекристаллизации пылевидных частиц хлорида калия в изотермическом и колебательном температурном режимах проведения процесса. Задачей настоящей работы являлось установление влияния на процесс перекристаллизации акустического поля.

Анализ литературных источников показал [2, 3], что в акустическом поле определенной мощности возникает кавитация, сопровождаемая люминесценцией, изменениями плотности и свойств среды, протеканием химических реакций, изменениями на границе раздела фаз и диспергацией твердой фазы. Отмечено [4], что при акустическом воздействии на процесс кристаллизации нафталина образуются более крупные пластинчатые кристаллы, а при кристаллизации аммиачной селитры, сульфамминово-кислого аммония и карбамида в водных растворах получаются кристаллы заданного гранулометрического состава

иформы, близкой к сферической [5]. В то же время акустическое поле может существенно измельчать кристаллы, состоящие из агломерированных частиц. Таким образом, из имеющейся информации нельзя теоретически предсказать эффект воздействия ультразвука на процесс перекристаллизации КС1.

Всвязи с этим нами проведены исследования процесса перекристаллизации хлорида калия при ультразвуковой обработке в различных

98

средах. Изучено влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки, вида жидкой фазы, в которой происходит перекристаллизация, соотношения жидкой и твердой фаз.

Схема лабораторной установки для исследования влияния ультразвукового воздействия на процесс перекристаллизации хлорида калия изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для перекристаллизации хлорида калия при ультразвуковой обработке: 1 – генератор ультразвука; 2 – регулятор мощности; 3 – регулятор частоты ультразвука; 4 – кристаллизатор с рубашкой; 5 – мешалка; 6 – термостат; 7 – термометр термостата; 8 – контактный термометр

В качестве исходного материала использовали хлорид калия марки «ЧДА». Эксперименты проводили следующим образом. Навеску исходного хлорида калия определенного грансостава вводили в термостатируемый кристаллизатор при поддержании соотношения жидкой и твердой фаз. В качестве жидких фаз в опытах использовали ацетон, насыщенный или разбавленный раствор хлорида калия (степень насыщения раствора составляла 70 %). При помощи термостата в кристаллизаторе поддерживали температуру 25 °С. Перекристаллизацию хлорида калия проводили при непрерывном перемешивании суспензии с постоянной скоростью, при действии ультразвука определенных параметров. Полученные кристаллы хлорида калия отделяли от жидкой фазы на вакуумном фильтре. Затем осадок промывали ацетоноспиртовой смесью в течение 2 мин. После промывки кристаллы хлорида калия распределяли тонким слоем на фильтровальной бумаге и сушили на воздухе при комнатной температуре. Далее при помощи ситового анализа определяли гранулометрический состав полученных кри-

99

сталлов хлорида калия. На оптическом микроскопе производили фотосъемку с последующим анализом на компьютере формы и состояния поверхности частиц до и после ультразвуковой обработки. В сериях опытов с использованием насыщенного и разбавленного растворов хлорида калия производили измерение плотности растворов до и после ультразвуковой обработки.

Дифференциальные кривые распределения частиц КС1 по размерам, полученные при различной длительности перемешивания в среде ацетона и различной мощности УЗ-обработки (частота 44 кГц) и соотношении фаз Ж/Т = 5, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения частиц КС1 по размерам, полученные при различной длительности перемешивания (2, 5, 10 мин) в среде ацетона: а – без УЗ-обработки; б, в, г– с УЗ-обработкоймощностью 10; 13,4 и17,2 Втсоответственно

Из анализа кривых на рис. 2, а следует, что механическое перемешивание КС1 без УЗ-обработки в среде ацетона приводит к незначительному увеличению размеров частиц КС1 и снижению содержания мелкой фракции класса – 0,125 мм. При этом увеличение длительности перемешивания с 2 до 10 мин мало влияет на изменение грансостава. Таким образом, можно заключить, что перекристаллизация КС1 в среде ацетона, не растворяющего КС1, практически не происходит.

100