CC BY
52
7universum.com
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕСКВИКАРБОНАТНЫХ СУСПЕНЗИЙ
Эркаев Актам Улашевич
д-р техн. наук, профессор Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Каипбергенов Атабек Тулепбергенович
старший преподаватель Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
E-mail: atabek2004@mail.ru
Кучаров Бахром Хайриевич
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Тоиров Закир Каландарович
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
VELOCITY EXPLORATION OF FILTRATION AND FLOW CHARACTERISTICS OF SODIUM SESQUICARBONATE SUSPENSION
Aktam Erkaev
Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Atabek Kaipbergenov
Senior Lecturer, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Bahram Kucharov
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Исследование скорости фильтрации и реологических свойств сесквикарбонатных суспензий // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Эркаев А.У. [и др.]. 2015. № 9-10 (17) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2618
Zakir Toirov
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
АННОТАЦИЯ
В работе изучено влияние концентрации содового раствора и количества добавки гидрокарбоната натрия на реологические свойства суспензии, образующейся в процессах растворения и кристаллизации.
Показано, что в системе необходимо поддерживать содержание карбоната натрия 18—24 %, а гидрокарбоната натрия — не более 15 %. Исследовано влияние технологических факторов на скорость фильтрации сесквикарбонатной суспензии.
Для определения технологических стадий и оборудования отделения твердой фазы из суспензии, необходимо узнать реологические свойства и фильтруемость суспензии в зависимости от технологических параметров.
На рисунке 1 показано изменения Т:Ж сесквикарбонатной суспензии, образующейся при растворении гидрокарбоната натрия в содовом растворе, и кристаллизации фильтрата, полученного при фильтрации суспензии из стадии растворения в зависимости от концентрации содового раствора и количества добавленного гидрокарбоната натрия. Процесс растворения и фильтрации проводили при 80 °С, а стадию кристаллизации при 30 °С. Из рисунка видно, что с повышением концентрации содового раствора и количества добавляемого гидрокарбоната натрия Т:Ж в стадии растворения увеличивается от 0,042 до 0,92. Необходимо отметить, что при добавлении 5 % гидрокарбоната натрия твердая фаза образуется при применении более 20 %-ного содового раствора, и Т:Ж повышается 0,042 при 26 %-ном содовом растворе, проходя через максимум (0,082) при 24 %-ном содовом растворе.
ABSTRACT
The effect of the concentration of soda solution and the amount of sodium hydrogen carbonate additives on the rheological properties of the slurry formed in the process of dissolution and crystallization is studied in the article.
It is shown that it is necessary to maintain the sodium carbonate content of 18—24 % and sodium hydrogen carbonate — less than 15 %. The effect of technological factors on the filtration rate of sesquicarbonate suspension is under study.
To determine the technological stages and equipment of participate matter disengagement, it is necessary to know the rheological properties and suspension filterability depending on technological parameters.
Changes of solid to liquid ratio of sesquicarbonate suspension formed on dissolving of sodium hydrocarbonate in soda liquor and filtrate crystallization received in filtration of suspension from the stage of dissolving depending on concentration of the soda solution and the amount of added sodium hydrogencarbonate are shown on the figure 1. The dissolution and filtration processes were performed at the temperature of 80 °C, and a crystallization stage — at 30 °C. It is seen on the figure that with increasing concentrations of soda solution and the amount of added sodium bicarbonate of solid to liquid ratio, dissolution step is increased from 0.042 to 0.92. It should be noted that when adding 5 % of sodium bicarbonate, the solid phase is formed by applying more than 20 % soda solution, and solid to liquid ratio rises 0,042 at 26 % soda solution, passing through a maximum (0.082) at 24 % strength soda solution.
Ключевые слова: сесквикарбонат натрия, карбонат натрия, кристаллизация, фильтрация, суспензия, реология.
Keywords: sodium sesquicarbonate, sodium carbonate, crystallization,
filtration, suspension, reology.
Ранее нами было показана возможность получения сесквикарбоната натрия (искусственного аналога природного минерала троны) жидкофазным методом [3; 4].
Для определения технологических стадий и выбора оборудования отделения твердой фазы из суспензии необходимо было изучить реологические
свойства и скорость фильтрации суспензии в зависимости от технологических параметров.
Образцы суспензии и растворов готовили по методике [2], составы которых приведены в табл. 1. Плотность определяли пикнометрическим методом, а вязкость — вискозиметром ВПЖ-5. Скорость фильтрации суспензии по осадку и фильтрату определяли по общеизвестному методу [1].
На рис. 1 показаны изменения соотношения Т:Ж сесквикарбонатной суспензии, образующейся при растворении гидрокарбоната натрия в содовом растворе, и кристаллизации фильтрата, в зависимости от концентрации содового раствора и количества добавленного гидрокарбоната натрия. Процесс растворения и фильтрации проводили при 80 °С, а стадию кристаллизации — при 30 °С. Установлено, что с повышением концентрации содового раствора и количества добавляемого гидрокарбоната натрия в стадии растворения соотношение Т:Ж увеличивается от 0,042 до 0,92. Необходимо отметить, что при добавлении 5 % гидрокарбоната натрия твердая фаза образуется при применении с концентрацией более 20 % содового раствора, и Т:Ж повышается 0,042 при 26 %-ном содовом растворе, проходя через максимум (0,082) при 24 %-ном содовом растворе.
При добавке 10 и 15 % гидрокарбоната натрия в содовый раствор изменение Т:Ж имеет своеобразный одинаковый характер.
При применении содового раствора с концентрациями 18—24 % получаются медленно увеличивающиеся кривые зависимости с увеличением градиента Л(Т:Ж)/ДС, а при применении содового раствора с концентрацией более 24 % наблюдается резкое падение. Графическая зависимость Т:Ж от технологических параметров сесквикарбонатной суспензии при 30 °С отличается от первоначальной суспензии (при 80 °С).
Рисунок 1. Изменение Т:Ж в сесквикарбонатных суспензиях в зависимости
от технологических параметров.
Количество добавки NaHCO3, масс. %: 5,10,15.
Например, при добавке 5 % гидрокарбоната натрия, с повышением концентрации содового раствора Т:Ж в суспензии повышается с увеличением соотношения градиента Т:Ж и концентрации содового раствора.
При применении 10, 15 %-ной добавки кривые зависимости проходят через максимум при концентрации содового раствора 24 %.
Также одним из основных показателей получения сесквикарбоната натрия является скорость фильтрации и реологические свойства суспензии. В таблицах 2, 3 и на рисунке 2 показано изменение скорости фильтрации и реологических свойств суспензии.
Таблица 1.
Влияние технологических параметров на аналитические показатели процесса получения сесквикарбоната
натрия при жидкофазном способе
№ Концентрация содового раствора, масс.% Добавка NaHCOs, % Процесс приготовления суспензии при температуре 80°С Процесс кристаллизации жидкой фазы при температуре 30°С
Соотношение Т:Ж в суспензии Химический состав жидкой фазы Фазовый состав твердой фазы Соотношение Т:Ж в суспензии Химический состав жидкой фазы Фазовый состав твердой фазы
NaiCOs NaHCOs HiO NaiCOs NaHCOs HiO
1 18 5 - 18,5 4 77,5 - 0,090 18,6 3,8 77,6 Na2CO3NaHCO3 •2H2O
2 10 - 18,4 8,7 72,9 - 0,094 18,0 4,0 78,0 Трона+ NaHCO3
3 15 0,089 17,9 9,9 72,2 Трона+ NaHCO3 0,105 17,9 4,1 78,0 Трона+ NaHCO3
4 20 5 - 20,4 4 75,6 - 0,048 19,8 2,0 78,2 Na2CO3NaHCO3 •2H2O
5 10 0,021 20 8,2 71,8 Na2CO3 NaHCO3 2H2O 0,108 18,0 4,4 77,6 Трона+ NaHCO3
6 15 0,190 17,9 9,9 72,2 Трона+ NaHCO3 0,105 17,9 4,1 78,0 Трона+ NaHCO3
7 22 5 - 22,4 4 73,6 - 0,069 21,5 1,9 76,6 Трона
8 10 0,043 21,6 7,3 71,1 Na2CO3 NaHCO3 2H2O 0,124 18,5 4,2 77,3 Трона
9 15 0,176 19,2 9,2 71,6 Трона 0,123 17,9 4,1 78,0 Трона+ NaHCO3
10 24 5 - 24,6 - 75,4 - 0,078 22,4 1,7 75,9 Na2CO3NaHCO3 •2H2O
11 10 0,071 23,4 5,8 70,8 Na2CO3 NaHCO3 2H2O 0,124 20,6 2,4 77,0 Трона
12 15 0,228 20,8 7,9 71,3 Трона 0,122 17,9 4,1 78,0 Трона
13 26 5 - 26,8 4 69,2 - 0,104 22,4 1,7 75,9 Na2CO3NaHCO3 •2H2O
14 10 0,101 25,1 5,5 69,4 Na2CO3 NaHCO3 2H2O 0,126 22,8 1,9 75,3 Трона
15 15 0,256 22,6 6,8 70,6 Трона 0,134 20,4 2,2 77,4 Трона
Таблица 2.
Изменение Т:Ж и скорость фильтрации суспензии сесквикарбоната натрия в зависимости
от технологических параметров
Номера образцов соответствуют номерам табл.1 Растворение при 8 ю°с Кристаллизация при 30°C
ужид кг/м2*ч утв кг/м2*ч т, ф/я, сек Влага, % Т/Ж Насыпная плотность, кг/м3 ужид кг/м2*ч утв кг/м2*ч т ф/я, сек Влага, % Т/Ж Насыпная плотность, кг/м3
1. - - - - - - - - - - - -
2. - - - - - - 1649,80 168,65 100,02 37,13 0,102 373,18
3. 1873,52 78,83 102,69 26,84 0,042 376,74 2227,01 90,87 79,12 31,98 0,053 375,47
4. - - - - - - - - - - - -
5. 2241,69 180,23 75,09 43,94 0,080 382,39 1090,02 340,90 101,61 32,18 0,231 386,79
6. 1739,85 341,46 85,69 32,79 0,196 383,65 1824,63 150,47 63,24 46,23 0,112 382,70
7. 1047,51 85,94 128,76 34,53 0,082 387,42 2262,16 48,30 53,45 47,52 0,051 384,28
8. 3695,40 585,30 41,59 36,15 0,158 391,51 874,84 1169,58 97,58 23,42 0,571 387,11
9. 1808,09 584,26 78,18 21,72 0,324 396,86 1322,36 235,15 75,11 41,14 0,185 391,19
10. 1007,53 42,44 119,2 34,80 0,042 399,37 967,24 102,29 103 47,51 0,122 395,91
11. 4587,51 1528,23 23,60 28,45 0,333 402,52 2256,97 109,19 46,24 47,49 0,025 412,58
12. 2485,20 2285,70 38,94 18,13 0,917 409,12 3845,97 37,52 24,65 47,55 0,015 417,26
Из рисунка 2 видно, что скорость фильтрации суспензии по жидкой и твердой фазе повышается с увеличением концентрации содового раствора от 1007,6 кг/м2ч до 4587,51 кг/м2ч и от 4244,0 кг/м2ч до 2285,7 кг/м2ч соответственно. Влияние количества добавок гидрокарбоната натрия имеет сложный характер. Например, при его добавке 5, 10 и 15 скорость фильтрации составляет 1007,53—1047,56, 42,44—85,94, 2241,69—4587,51 и 180,23—1528,25, 1739,85—2485,20, 78,83—2285,7 кг/м2ч соответственно по жидкому раствору и твердому осадку.
Из второй половины рис. 2 видно, что характер изменения скорость фильтрации суспензии при 30 °С получается еще более сложным как по жидкой, так и по твердому осадку. Например, в интервале концентрации 20—24 % содового раствора при добавке гидрокарбоната натрия 10 и 15 %, скорость фильтрации суспензии по жидкой фазе проходит через минимум, а по твердому осадку, наоборот, через максимум. Влияние технологических параметров на скорость фильтрации более наглядно проявляется при добавке 10 % гидрокарбоната натрия с достижением скорость фильтрации свыше 1000 кг/м2ч по твердому осадку. В данном процессе можно использовать фильтровальное оборудование или центрифугу. При добавке 5 % гидрокарбоната натрия скорость фильтрации по твердому осадку не превышает 120 кг/м2ч, так как в этих условиях Т:Ж в суспензии очень низкое и образуются мелкие кристаллы карбонатных солей.
В этом случае для ускорения процесса отделения твердой фазы от суспензии с применением фильтровального оборудования необходимо сгущать суспензию до достижения Т:Ж>0,2. Скорость осаждения осадков в зависимости от условий процесса составляет 0,5—3,0 м/ч. Поэтому в производственных условиях перед фильтрацией используется декантатор. Из рис. 2 следует, что при вышеуказанных соотношениях Т:Ж скорость фильтрации увеличивается до 300—600 кг/м2ч по сухому осадку.
Рисунок 2. Влияние технологических параметров процесса получения сесквикарбоната натрия на скорость фильтрации суспензии. Количество добавки NaHCO3, масс. %: 5,10,15.
Для определения габаритных размеров оборудования и насосов при проектировании технологии получения троны жидкофазным способом необходимо определить плотность и вязкость суспензии.
Экспериментальные данные (табл. 3) показывают, что плотность суспензии в зависимости от условий растворения и кристаллизации колеблется в интервалах 1,221—2,026 г/см3. С повышением концентрации содового раствора от 18 до 20 % плотность суспензии увеличивается до 19,0; 282,0 и 347,0 кг и 45,0; 314,0; 386,0 кг при добавке 5, 10 и 15 % гидрокарбоната натрия в стадии растворения и кристаллизации соответственно. Дальнейшее повышение концентрации содового раствора на повышение плотности суспензии влияния не оказывает.
Вязкость суспензии с повышением концентрации содового раствора и количества добавки гидрокарбоната натрия повышается и лежит в интервалах 120—730 мПас.
Таблица 3.
Реологические свойства сесквикарбонатной суспензии
Номера образцов соответствуют номерам табл. 1 Плотность Вязкость
При 30°С При 80°C При 30°C При 80°C
1. 1,225 1,221 139,10 127,71
2. 1,245 1,240 160,39 147,49
3. 1,528 1,522 257,41 236,72
4. 1,270 1,240 157,39 130,11
5. 1,559 1,522 252,60 208,81
6. 1,914 1,869 405,40 335,13
7. 1,318 1,293 276,07 188,87
8. 1,617 1,587 362,74 303,08
9. 1,986 1,949 582,18 486,55
10. 1,344 1,319 226,04 230,54
11. 1,650 1,619 443,08 370,24
12. 2,026 1,988 711,09 594,18
Для перекачки таких суспензий можно использовать погружной или центробежные (пульповые) насосы.
После сушки отделенного влажного осадка получен сесквикарбонат натрия насыпной плотностью 387,11—396,86 кг/м3.
Результаты проведенных исследований позволяют заключить, что для получения сесквикарбоната натрия с повышенным выходом необходимо в исходном растворе поддерживать концентрацию содового
раствора 18—24 %, а содержание гидрокарбоната натрия в содовом растворе —
не более 15 %.
Список литературы:
1. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. 3-е изд. — М.: Химия, 1971. — 440 с.
2. Оствальд В., Лютер Р., Друкер К. Физико-химические измерения. — ОНТИ, Госхимтехиздат, 1934. — 130 с.
3. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х. и др. Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия жидкофазным способом // Химия и химическая технология. — 2015. — № 3. —С. 6—9.
4. Kaipbergenov A.T., Erkaev A.U., Kucharov B.X. Basis of the obtained sodium sesquicarbonate carbonate and sodium bicarbonate // European science review. — 2015. — № 5—6. — РP. 154—160.
References:
1. Zhuzhikov V.A. Filtration. Theory and practice of separation of suspensions. Moscow, Khimiia Publ, 1971, 440 р. (In Russian).
2. Ostval'd V., Liuter R., Druker K. Physical and chemical measurements. ONTI, Goshimtehizdat Publ, 1934, 130 p. (In Russian).
3. Erkaev A.U., Kaipbergenov A.T., Kucharov B.Kh., Toirov Z.K. Research the process of obtaining sodium sesquicarbonate liquid phase method. Khimiia i khimicheskaia tekhnologiia [Chemistry and Chemical Engineering]. 2015, no.3, pp. 6—9. (In Russian).
4. Kaipbergenov A.T., Erkaev A.U., Kucharov B.X. Basis of the obtained sodium sesquicarbonate carbonate and sodium bicarbonate. European science review. 2015, no. 5—6, рp. 154—160. (In English).
