CC BY
5
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОГО СТЕКЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕНТАГИДРАТА СИЛИКАТА НАТРИЯ
Ибрагимов Шохрух Рамазон угли
докторант PhD
Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: acc. [email protected]
Гафуров Карим Хакимович
канд. техн. наук, доцент Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: [email protected]
Нарзиев Мирзо Сайидович
канд. техн. наук, доцент Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: narzievmirzo 7@gmail. com
Ибрагимов Улугбек Муродиллоевич
PhD., доцент
Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: [email protected]
MATHEMATICAL MODEL OF THE PROCESS OF LIQUID GLASS CRYSTALLIZATION IN THE PRODUCTION OF SODIUM SILICATE PENTAHYDRATE
Shokhrukh Ibragimov
PhD student
Bukhara engineering-technology institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
Karim Gafurov
Candidate of technical sciences, associate professor, Bukhara engineering-technology institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
Mirzo Narziyev
Candidate of technical sciences, associate professor, Bukhara engineering-technology institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
Ulugbek Ibragimov
PhD, associate professor Bukhara engineering-technology institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
АННОТАЦИЯ
В результате математическо-статистической обработки экспериментальных исследований процесса кристаллизации жидкого стекла в производстве пентагидрата силиката натрия разработана математическая модель процесса Проверена адекватность математической модели. На основании методологии поверхностного отклика (Response Surface Methodology) определены оптимальные значения влияющих факторов: температуры и толщины слоя жидкого стекла и продолжительности.
Библиографическое описание: МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОГО СТЕКЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕНТАГИДРАТА СИЛИКАТА НАТРИЯ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Ибрагимов Ш.Р. [и др.]. 2024. 2(119). URL:
https://7universum. com/ru/tech/archive/item/16911
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2024 г.
ABSTRACT
As a result of mathematical and statistical processing of experimental studies of the crystallization process of liquid glass in the production of sodium silicate pentahydrate, a mathematical model of the process was developed. The adequacy of the mathematical model was verified. Based on the Response Surface Methodology, the optimal values of the influencing factors were determined: temperature and thickness of the liquid glass layer and duration.
Ключевые слова: жидкое стекло, пентагидрат силиката натрия, кристаллизация, температура, коэффициент влажности, продолжительность процесса.
Keywords: liquid glass, sodium silicate pentahydrate, crystallization, temperature, humidity coefficient, duration of the process.
№ 2 (119)
Введение. В настоящее время в Узбекистане производство кальцинированной соды составляет 100 тыс.тонн в год [1]. При этом для производства этой продукции используют пентагидрат силиката натрия (Ма25103 • 5Н20), которая полностью импортируется из других стран, что отрицательно влияет на себестоимость производимой продукции.
Получить пентагидрат силиката натрия можно путем переработки жидкого стекла, производимого в Узбекистане. Учитывая это, была поставлена задача по производству пентагидрата силиката натрия используя местное сырье. Продукцию пентагидрата силиката натрия производят в Китае, России, Германии, Белоруссии, Америке, Индии и других странах. Рассмотрим некоторые технологии получения этой продукции. В патенте, полученном Ричард С. Шейвером [2], способ получения раствора натрий метасиликат заключается в смешивании водного натрий силикатного раствора, содержащего примерно от 50 до 65 масс. % растворенных твердых веществ, молекулярное соотношение оксида натрия и диоксида кремния регулируется от 1: 2 до 121,5. После этого водный раствор, содержащий от 50 до 73% гидроксид натрия добавляют к силикатному раствору натрия для получения раствора натрий метасиликат, содержащий от 50 до 60 масс. % растворенных твердых веществ с молекулярным соотношением натрий оксида к диоксиду кремния 1: 1. Натрий метасиликат пентагидрат легко кристаллизуется из раствора, когда массовый процент растворенных твердых веществ составляет 57 — 58. Частые изменения концентрации в анализируемой работе могут негативно сказаться на качестве выпускаемой продукции. Китайские учёные Цю Инчао и Ю. Дексин провели исследование метода получения
пентагидрата метасиликата натрия [3]. Здесь летучую золу измельчают, пропускют через сита, собирают и взвешивают 100 ^ 200 гр порошка летучей золы. Далее золу заливают 600 ^ 700 миллилитром 1 моль/л раствором натрий гидроксида. В исследовании [4], предварительно обработанным кварцевым песком и концентрацией 30 ^ 35%, жидкая каустическая сода падает в смесительный котел в весовом соотношении 2,5 ^ 3,5: 1, затем при температуре 100^150 °С вступает в реакцию. Прозрачная жидкость, полученная в результате служит для осуществления кристаллизации. В прозрачную жидкость при температуре 40 ^ 55°С добавляют затравку кристалла, когда материал в резервуаре концентрируется до плотности 1,7. Далее суспензию разделяют на твердую и жидкую фазы. Для получения метасиликат пентагидрат натрий применяют процесс непрерывной распылительной грануляционной сушки. Метасиликат пентагидрат натрий помещают на вращающуюся сушильную платформу, подают теплый воздух, чтобы удалить содержание влаги и получают безводный натрий метасиликат. Недостатками этих методов являются сложная реализация технологической системы и большие энергозатраты, низкая эффективность производства и большая продолжительность процесса.
Исходя из этого, для разработки технологии производства (Wa2Si03 • 5Н20) исследовали процесс кристаллизации жидкого стекла (Wa2Si03 • пН20) местного производства.
Методика и оборудование исследования.
Для исследования процесса кристаллизации использовали метод многофакторного планирования экспериментов. Для проведения опытов создали лабораторную установку (рис.1).
Рисунок 1. Барабанный кристаллизатор
Принцип работы установки следующий. В ванну барабанного кристаллизатора заливают жидкое стекло. Чтобы ускорить процесс кристаллизации, температуру жидкого стекла повышают до 60 — 70°С. Для этого со дна ванны подается горячая вода, которая служит для повышения температуры бутылки с жидкостью. Барабан движется непрерывно и прижимает бутылку с жидкостью к своей внешней поверхности. Инфракрасные лампы, закрепленные внутри барабана, обеспечивают его нагрев. Влажность продукта под воздействием тепла уменьшается и переходит в кристаллическое состояние. Барабан очищается с помощью ножей после одного полного оборота.
В качестве влияющих входных факторов приняты температура жидкого стекла продолжительность процесса т и толщина слоя продукта 5, в качестве параметра отклика принят у, т.е. содержание влаги пентагидрата силиката натрия (коэффициент влажности). Методика расчета коэффициента влажности по полученным значениям влажности продукта приведена в [5].
Минимальные и максимальные предельные значения входных коэффициентов приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Минимальные и максимальные предельные значения входных коэффициентов
Исходя из того, что количество входных факторов равно n=3, получается, что количество экспериментов 2" = 8 [6,7].
Результаты исследования и их обсуждение.
В результате математическо-статистической обработки результатов экспериментов [6,7] получено уравнение регрессии, описывающее зависимость содержание влаги пентагидрата силиката натрия от влияющих факторов в процессе кристаллизации.
у = 6,0075 - 0,53083 • хх + 2,985 • х3 + +0,06 • хх • х2 + 0,34666 • хх • х3 +
+0,3425 • хх • х2 • х3 (1)
Эту модель проверили на адекватность с помощью критерия Фишера.
Переводим уравнение (1) в натуральную форму для построения графиков по Response Surface Methodology.
Y = -19,14788 + 0,144217 • zx + +0,238 • z2 + 29,43 • z3 - 0,0017 • zx • z2 --0,1817787 • zx • z3 - 0,2128 • z2 • z3 +
+0,00152 • zx • z2 • z3 (2)
Полученные графики приведены на рис. 2.
t =130 °с ^мин 130 ^ t =150 °С ^мак 150 ^
тМин = 120 сек Тмак = 180 сек
Ямин = 0,5 мм 5мак = 2,0 мм
Рисунок 2. Зависимости содержания влаги пентагидрата силиката натрия от влияющих факторов: температуры продукта ^ продолжительности процесса т и толщины продукта д
Пределы изменения влияющих факторов в графиках совпадают с предельными значениями, приведенными в табл. 1.
Для определения влияния двух факторов: температуры жидкого стекла и продолжительности процесса на коэффициент увлажнения толщину, слоя продукта приняли неизменной 5ср = 1,25 мм (рис.2, а); для определения влияния факторов: толщину слоя жидкого стекла и продолжительности процесса на коэффициент увлажнения, температуру продукта приняли неизменной tcp = 140°С (рис.2, б); для определения влияния факторов: толщину слоя жидкого стекла и температуру процесса на коэффициент увлажнения, продолжительность процесса приняли неизменной тср = 150 с (рис.2, в).
Заключение. Для оптимального проведения процесса кристаллизации необходимо, чтобы коэффициент влажности равнялась 5, так как в содержании пентагидрата силиката натрия должно быть 5 молекул воды (Na2Si03 • 5Я20). Анализуруя графики (рис.2), построенные на основании полученной математической модели (2), можно сделать вывод, что при значениях т = 155 - 160 с, t = 140 - 142°С и 5 = 1,25 мм коэффициент увлажнения продукта равняется 5. Значит, процесс кристаллизации жидкого стекла необходимо вести при приведенных значениях влияющих факторов.
Список литературы:
1. Химическая промышленность. URL https://invest.gov.uz/ru/investor/himicheskaya-otrasl/
2. Ричард С. Шейвер., Способ получения пентагидрата метасиликата натрия, patents.google.com, US3471253A, США. 1969-10-07. По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации -прим. ред.).
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2024 г.
3. Цю Инчао, Шэн Хайфэн, Мэн Хаоин Способ получения пентагидрата метасиликата натрия, patents.google.com, CN105923639A, Китай. 2016-09-07. По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации - прим. ред.).
4. Ю Дексин Способ получения пентагидрата метасиликата натрия, patents.google.com, CN103738973A, Китай. 2014-04-23. По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации -прим. ред.).
5. М.С.Нарзиев, Ш.Р.Ибрагимов, М.И.Абдурахманова "Метод определения количества воды в натрий силикат пентагидрате произведённого из жидкого стекла", Международная научно-практическая конференция «фундаментальные и практические проблемы физической и коллоидной химии и их инновационные решения» - Наманган: 2024. - 999 с.
6. Соколовская И.Ю. Полный факторный эксперимент - Новосибирск: НГАВТ, 2010. - 36 с.
7. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования эксперимента. - М.: ДеЛи принт, 2005. -296 с.
№ 2 (119)
