CC BY
12
15. Клугман, И. Ю. Вязкость растворов сильных электролитов типа 1:1 [Текст] / И. Ю. Клугман // Электрохимия. - 1997. -Т. 33, № 3. - С. 337-345.
16. Волков, А. И. Большой химический справочник [Текст] / А. И. Волков, И. М. Жарский. - Минск : Современня школа, 2005. - 608 с.
17. Шишелова, Т. И. Перспективы и направления в исследовании воды [Текст] / Т. И. Шишелова, Н. Л. Корзун, М. Ю. Толстой // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - № 3. - С. 231-231.
18. Sipos, P. M. Viscosities and densities of highly concentrated aqueous moh solutions (M+) Na+, K+, Li+, Cs+, (CH3)4N+) at 25.0 °C [Text] / P. M. Sipos, G. Hefter, P. M. May // Journal of Chemical and Engineering Data. - 2000. - Vol. 45, Issue 4. -P. 613-617. doi: 10.1021/je000019h
19. Зацепина, Г. Н. Физические свойства и структура воды [Текст] / Г. Н. Зацепина. - М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1998. - 184 с.
-□ □-
Дослиджено реакцшну здаттсть малоактивних скла-дових, що митяться у твердш фазi вапняног суспензи содового виробництва. Визначено, що реакцшна здаттсть малоактивних компонентiв вапняного молока залежить вид розмiру часток твердог фази, та тдви-щуеться тсля диспергування у пароридинному тжек-торi. Встановлено, що для ефективного використання малоактивного вапна в реакторi-змiшувачi виУАлення дистиляци можливо створити умови, як сприятимуть розчиненню твердих часток шляхом повернення непро-реагованого вапна у реактор через тжектор, що також сприятиме зняттю пересичення за сульфатами
Ключовi слова: виробництво соди, регенеращя амiа-ку, малоактивне вапно, пароридинний тжектор, реак-
тор-змшувач, рецикл
□-□
Исследована реакционная способность малоактивных составляющих, которые содержатся в твердой фазе известковой суспензии содового производства. Определено, что реакционная способность малоактивных компонентов известкового молока зависит от размера частиц твердой фазы и повышается после диспергирования в парожидкостном инжекторе. Установлено, что для эффективного использования малоактивной извести в реакторе-смесителе отделения дистилляции можно создать условия, которые будут способствовать растворению твердых частиц путем возвращения непрореагировавшей извести в реактор через инжектор, что также будет способствовать снятию пересыщения по сульфатам
Ключевые слова: производство соды, регенерация аммиака, малоактивная известь, парожидкостный
инжектор, реактор-смеситель, рецикл -□ □-
УДК 661.333
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.559211
п1двищення реакц1йно1 здатност1
малоактивно!
частки вапняно! суспензпу содовому виробництв1
М. А. Це й тл i н
Доктор техычних наук, професор* E-mail: mzeit@mail.ru О. В. Шестопалов
Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: pheonix_alex@mail.ru В. Ф. Рай ко
Кандидат техычних наук, професор* E-mail: raiko.ntu@yandex.ua *Кафедра хiмiчноT технки i промисловоТ еколоп'Т
Нацюнальний техшчний уыверситет
«Хармвський пол^ехшчний шститут» вул. Фрунзе, 21, Хармв, УкраТна, 61002
1. Вступ
Продукщя содовоï промисловост (кальцинована i каустична сода, бжарбонати) широко використову-еться у скляному виробництв^ миловарнш, паперовш, фармацевтичнш, харчовш промисловост для побу-тових потреб населення. Хоча найб^ьш поширений амiачний споаб отримання кальциновашл соди кнуе б^ьше ста роюв, питання, пов'язаш iз зниженням ресурсоемност процесу, досягненням оптимальних коефвденпв використання сировини i охороною на-
вколишнього середовища сьогодш виршеш не повшс-тю [1]. Проте частина вказаних проблем може бути усунена за рахунок удосконалення технолопчних про-цеав i модершзацп кнуючого устаткування.
Ввдомо [2], що загальна маса амiаку, циркулюю-чого у виробництвi соди амiачним способом, складае близько 530 кг на 1 т соду. З них 450 кг регенеруеться з ф^ьтрово! рщини за схемою так звано! «велико! дистиляци». Основним призначенням вiддiлення дистиляци виробництва соди е розкладання хлориду амошю вапняним молоком та регенеращя амiаку з
уз
©
ф^ьтрово! рщини у реактора-змiшувачi i формування безперервного матерiального потоку парогазово! сумь шi, який направляеться у вщд^ення абсорбцii.
За сучасною технологiею достатньо повна регенера-цiя амiаку i мiнiмальна його втрата на стадп дистиля-цii може бути досягнута лише за наявност надлишку гвдроксиду кальцiю. Однак за цих умов менш активнi складовi вапна, як мiститься у вапнянiй суспензii в наслщок недопалу або перепалу (за рахунок реакцш з домiшками вапняку та палива: оксидами кремшю, алюмшш i залiза) практично не використовуються. Вартiсть вапняного молока у собiвартостi кальцинова-но! соди займае значне мшце, тому зменшення витрати його на тонну соди при великих масштабах виробни-цтва дае великий екош^чний ефект.
З метою повшшого використання малоактивного вапна, а також лжвщацп пересичення розчину за CaSO4, яке мае мкце при пiдвищеннi температури реагентiв, та зб^ьшення термiну роботи виробничого устаткування мiж чищеннями перебування рiдини в змiшувачi збiльшують до 30-60 хвилин, що i визначае об'ем реактора-змшувача.
Проте сьогоднi iснуе низка нерозв'язаних питань серед яких можна видшити таю: необхщшсть тдви-щення ступеня використання малоактивно! складово! вапняно! суспензп, зниження часу перебування рвди-ни в реакторьзмшувач^ ефективне зняття пересичення за сульфатами, надшна експлуатащя виробничого устаткування.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Для розробки способу ращонального використання вапняного молока представляе штерес дослщження реакцiйноi здатност його малоактивно! частини. Мало-активне вапно, як вже зазначалося вище, утворюеться в процеа випалення при взаемодп окислу кальщю з до-мiшками, що знаходяться в карбонатнш сировинi i золi палива. 1нша причина утворення малоактивного оксиду кальщю навиь при вщсутносп домiшок - структурнi змши, що вiдбуваються у вапнi протягом тривалого випалення при високих температурах [3].
Ввдомо, що процес взаемодп малоактивного вапна з хлоридом амошю протiкае в дифузiйнiй областi i складаеться з декiлькох ступенiв, що обумовлено ба-гатошаровим розташуванням пасивуючих домiшок в полiдисперсних гранулах вапна [4]. За найбшьш сприят-ливих умов ведення процесу (температура 95 °С та над-лишок N^0) швидкiсть i ступiнь взаемодп малоактивного вапна зростають настiльки, що процес закшчуеться за 5-10 хвилин, тсля чого швидкiсть взаемодп рiзко зменшуеться. Це обумовлено розвитком побiчних про-цесiв, в яких беруть участь домшки SiO2, ЛЮ3 та шшь В результатi !х пдратацп, розчинення i кристалiзацii гщ-рапв iони кальцiю зв'язуються у важкорозчинш пдро-силiкати кальцiю i деяк iншi з'еднання. Для тдвищен-ня ступеня використання вапняного молока дощльно процес розкладання хлориду амошю здшснювати в двi стадп: на першш - пiдтримувати температуру не нижче 95 °С i надлишок хлориду амошю, що створюе умови для розчинення силжапв, алюмосилiкатiв i шших до-мiшок вапняно! суспензп в крупних фракщях твердо! фази; на другш - регламентований надлишок вапна, що
забезпечую максимально повне розкладання хлориду амошю i попереджаю втрати амiаку [5]. При двохпото-ковш схемi подачi вапняного молока на дистилящю рь дина ТДС в юлькосп, що забезпечуе надлишок хлориду амошю, поступае в змшувач, куди подаеться 80-90 % вапняного молока. Цей захвд дозволяе утворити умови для того, щоб малоактивш форми вапна реагували з хлоридом амошю при нижчих значеннях рН, шж це мае мкце при одностадшному змшенш (тому в останньому випадку малоактивне вапно не використовуеться, що приводить до додаткових витрат вапняно! суспензп та втрати амiаку з дистилерною суспензiею) [6]. Таким чином, тдвищення ступеня використання вапняного молока зводиться до утворення умов, за яких малоак-тивне вапно могло би брати участь у реакцп з хлоридом амошю. Слвд зазначити, що здшснення ще! схеми ускладнено через велику юльюсть твердих частинок, що забивають трубопроввд друго! подачi вапняного молока.
1нший напрямок залучення малоактивного вапна до регенерацп амiаку е його активащя за рахунок дис-пергування вапняно! суспензп перед реактором-змь шувачем у спещальних подрiбнюючи пристроях [7]. В лiтературi також описаний iнший споаб активацп та диспергування вапняно! суспензп з використанням пароконденсацшно! кавiтацii у струменевих шжекто-рах, якi використовуеться, зокрема, в бурякоцукрово-му виробництвi [8, 9]. Цей спосiб представляе штерес також i для процесiв содового виробництва, але потре-буе експериментально! перевiрки.
Швидкоплиннiсть процесу розкладання N^0 вапняною суспензiею вимагае забезпечити перемшу-вання реагентiв з мжмальним подовжнiм перенесен-ням, за рахунок чого можливо одержати високий сту-пiнь перетворення. Дана вимога може бути виконана, коли режим роботи реактора близький до режиму пов-ного виткнення. На вщмшу вiд цього, повне змшення призводить до упов^ьнення швидкостi реакцii.
В роботах [10, 11] на пiдставi лiтературного огляду, а в робоп [12] за результатами виршення математич-но! моделi встановлено, що 60-80 % об'ему реакцшно! зони змiшувача мiстять в собi продукти реакцп. За цих умов штенсивне перемiшування реагентiв в загаль-ному об'емi змiшувача призводить до розбавлення !х продуктами реакцп, тим самим знижуючи швидюсть розкладання зв'язаного амiаку.
Беручи до уваги вищевикладене, стае очевидною необхщшсть використання для даного процесу реак-тора-змшувача з малою величиною реакцiйноi зони та структурою потоюв близькою до реактора щеаль-ного витiснення. В якост такого реактору, який треба встановлювати перед промисловим реактором-змшу-вачем, можливо використання реактора-змшувача ш-жекторного типу iз струменевим пiдiгрiвом.
1ншою проблемою, яка не дозволяе зменшити час перебування реагенпв у змшувач^ е iнкрустацiя виробничого устаткування. В процеа розкладання хлориду амошю в об'емi реакцiйноi зони реактора-змь шувача, iз-за наявностi юну сульфату, що утворився в процеа попереднього очищення розсолу вiд МgSO4 [13], мае мiсце необоротна реакщя утворення малороз-чинного сульфату кальщю, який кристалiзуеться на стiнках, дистилеру i трубопроводiв [14-16].
Для зниження часу роботи реактора-змшувача пропонуеться створити такий режим, при якому час
перебування фшьтрово! рщини зменшиться до 10 хви-лин. Згiдно розрахункам промислового реактора на математичнш моделi [12] реакцшного об'ему змшу-вача буде достатньо для розкладання хлориду амошю вихщною вапняною суспензiею. Тодi час перебуван-ня малоактивного вапна, яке е твердою нерозчине-ною фазою, требо зб^ьшити до 40-60 хвилин, що за-безпечить його максимальну утилiзацiю i реакцiйну здатнiсть. Для досягнення ще! мети пропонуеться на виходi iз змiшувача перед дистилером встановити гщроциклон для вiддiлення твердо! частини вапна, яка не прореагувала в реакторь Освилений в гщро-циклонi потж прямуватиме в дистилер, а вщокрем-лений шлам, який е грубодисперсним малоактивним вапном з домiшками, що мктяться у вапнянiй суспензп, направити на повторне використання ввiвши його через парогазовий шжектор в патрубок подачi рiдини до змiшувача. Таким чином буде забезпече-ний значний надлишку хлориду амошю в рщиш при контакт з грубодисперсними частинками малоактивного вапна, а введення в змшувач свiжого вапняного молока вщбудеться вже пiсля iнжектора i з ураху-ванням реакцiйноi здатност малоактивно! складово!.
Додатковою вигодою цього заходу е зростання по-верхнi роздiлу фаз, за рахунок накопичення в змь шувачi iнертноi твердо! частини вапняного молока та непрореагувавших часток СаСО3, що призведе до активного зняття пересичення за сульфатами [17-19].
Слщ однак зазначити, що недостатня визначешсть кшетичних закономiрностей використання у процесi регенерацп амiаку малоактивного вапна активованого в реакторi iнжекторного типу обумовлюють необхiднiсть проведення додаткових дослщжень в цьому напрямку.
3. Мета та задачi дослщження
Проведенi дослiдження ставили за мету визначити особливосп процесiв iнтенсифiкацii розкладання хлориду амошю за рахунок б^ьш повного використання малоактивного вапна та визначення можливост зни-ження часу перебування рщини у реакторi-змiшувачi за рахунок рециклу твердо! фази.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися наступш задачi:
- дослiдити вмкт малоактивних складових у твер-дш фазi вапняно! суспензп;
- визначити найкрашд умови використання малоактивного вапна в реакторi-змiшувачi вiддiлення дистиляцп содового виробництва;
- перевiрити можлившть використання парорщин-ного iнжектору в якосп перемiшуючого пристрою та активатору вапняно! суспензп;
- перевiрити можлившть зменшення часу роботи реактору за рахунок рециклу.
4. MaTepia™ та методи дослщження реакцшно! здатност малоактивного вапна
4. 1. Дослщжуваш мaтepiaли та обладнання, що використовувались в експериментах
Для проведення експерименив в лабораторних умовах була змонтована модель реактора-змшувача. У
якосп моделi реактора-змiшувача використовувався цилiндричний апарат з нержавжчо! сталi дiаметром 0,2 м i заввишки 0,5 м; об'ем реакцiйноi зони 12,5 дм3 (при вщстат вiд верхньоi кришки до рiвня рiдини 0,1 м). Усередин моделi розмiщувалась рамно-пропе-лерна мшалка, що приводилася в обертання з частотою 15 об/хв електромотором в комплекс з редуктором.
Парорщинний шжектор для перевiрки активацп вапняноi суспензп був змонтований безпосередньо на штуцерi подачi рiдини в модель змшувача. Подача вапняного молока проводилася в середню части-ну горловини. Потж, що iнжектувався - синтетична ф^ьтрова рiдина з концентрацieю хлориду амошю 114 г/дм3 та вапняне молоко з концентращею гщ-роксиду кальщю у перерахунку на гщроокис кальцiю 105 г/дм3. Температура рщини перед iнжектором скла-дала 95 °С. Температура пари для шжекцп рiдини змь нювалась вiд 110 до 140 °С.
Тверду фазу вщф^ьтровували пiсля змiшувача на нутч-ф^ьтр^ аналiзували та для iмiтування рецирку-ляцп повертали в реактор.
4. 2. Методика визначення показнимв реакцшно! здaтностi малоактивного вапна
Для визначення вмкту малоактивного вапна проби вапняноi суспензп, вiдiбранi на содовому завод^ роздь лялися на ситах з розмiром комiрок 40, 60, 80, 100, 150, 250, 500 мкм, а залишки на сип тддавали хiмiчному аналiзу.
Перед проведенням дослщження синтезувалася вапняна суспензiя, в необхщнш за стехiометрiею для взаемодп з хлоридом амошю юлькость Для iмiтацii пересичення за сульфат-iоном до розчину хлориду амошю додавали двугщрат сульфату кальщю до кон-центрацп SO42- 0,014 моль/дм3.
Початком розкладання хлориду амошю шд час дослiджень реакц^то здатностi малоактивного вапна вважався момент введення в реактор, заповнений роз-чином хлориду амошю, суспензп вщф^ьтрованого та промитого водою осаду вапняного молока з фракщею бшьше 60 мкм. Через певш промiжки часу з реактору вщбиралися проби розчину та непрореагованоi твердо! фази на аналiз. Проби суспензiй фiльтрували на вакуум-ф^ь^ та проводили дослiдження рiдкоi та твердоi фаз. Кожна проба аналiзувалася на вмiст в нiй юшв кальцiю, сульфату i хлоридiв. Вщф^ьтровану тверду фазу аналiзували на вмшт сполук кальцiю. Аналiзи на вмшт NH3, СаО, С1--юн проводились методом об'емного титрування. Вмшт SO42- - iону визна-чався ваговим методом. Значення рН рщини на виходi з реактора визначалося рН-метром Starter 3C.
5. Результати дослщжень реакцшно! здaтностi малоактивного вапна
Аналiз результатiв дослщження взаемодп з хлоридом амошю твердо! фази вапняно! суспензп, роздано! на ситах, показуе (рис. 1), що iз зб^ьшен-ням розмiру фракцiй реакцiйна здатнiсть вапняно! суспензп знижуеться, що свщчить про зниження концентрацп в крупних частинках активних каль-цiевмiсних компонентiв i зростанню частки малоактивного зв'язаного вапна та шертних компонентiв.
у5
В результат цього за час перебування реагенив в промисловому змiшувачi можна утилiзувати лише його невелику частину.
80'
о
шш
60 80 100 150 250 500 i
Середнш розмiр часток у фракцп, мкм 61льш©
Рис. 1. Залежшсть ступеня розкладання за 40 хвилин малоактивного вапна вщ розмiру частинок твердоТ фази вапняноТ суспензп
Рис. 3. Залежнiсть середнього ступеня розкладання малоактивного вапна вщ часу перебування твердоТ фази при температурi 95 0С та рН=8
Аналiз результатiв дослiдження ступеню розкладання малоактивного вапна ввд рН (рис. 2) свщчить про те, що основною умовою пiдвищення його вико-ристання е проведення процесу при зниженому рН (близькому до 8-8,5), що забезпечуеться надлишком хлориду амошю по ввдношенню до гiдроксиду каль-цiю. У заводських умовах при достатньо великому чаа перебування в змiшувачi ступiнь використання вапна повинна бути навггь бiльшоi нiж це видно з рис. 2, осюльки в результат екзотермiчноi реакцii частина амiаку в змiшувачi буде десорбована, а отже, зменшиться величина рН. Отриманi данi вказують на необхщшсть пiдтримки часу перебування малоактивного вапна (твердоi фази частинок дiаметром бiльше 60 мкм) у змiшувачi протягом 40 i бiльше хвилин при значеннях рН менше 8,5.
0,55
х1
о4
- 0,50
Л
К
§ 0,45 и
§ 0,40 §
И 0,35
н
3 0,30
л
д 0,25 '(3
н О
/40 1,2967-0,'1074фИ' Час, хвилин
■ /30 1,2367-0,1023фИ \ 40
/20 1,24-0,105ЬрИ 30
/10 0,7667-0,06^рИ 20 "Х. 10
.....А
7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 ри 9,6 9,8 10,0
0,15
Рис. 2. Залежшсть максимально досяжного ^вноважного) ступеня перетворення малоактивного вапна вщ рН та часу реакци при температурi 95 0С
Ступiнь перетворення твердоi частки суспензп ви-значаеться також часом и перебування в реакторi. Тому була визначена залежшсть середнього ступеня розкладання малоактивного вапна за найбшьш спри-ятливих умов проведення процесу в реальних промис-лових умовах (рис. 3).
З рис. 3 видно, що вже через 40-50 хвилин стутнь використання вапна майже не змшюеться, що свщчить до наближення реакцшно'! здатност до максимально досяжноь
Результати випробувань парорщинного шжектора, вмонтованого перед реактором-змшувачем, показали, що ступiнь розкладання N^0 близько 0,9-0,95 на-ступае в реакторi з iнжекторним змiшенням в декшька десяткiв разiв швидше, шж в моделi реактора змшу-вача, без шжектору. Таке швидке досягнення високо-го ступеня розкладання N^0 вапняною суспензiею можна пояснити ефективним змшенням двох потокiв з мжмальним значенням частки зворотного перене-сення. 1стотну роль в утвореннi такого ефективного перемшування мае значення режим роботи парорь динного iнжектора, який визначаеться зниженим значенням протитиску на виходь
Крiм того, експериментальш данi пiдтверджують зниження концентрацii юна SO42- у потоцi, що вихо-дить зi змiшувача, в порiвняннi з тим, що входить в шжектор в 1,5-2 рази в наслщок утворення i криста-лiзацii напiвгiдрату i ангiдриту сульфату кальщю, якi при даному температурному режимi проходить дуже iнтенсивно. Введення кристалiчноi пiдкладки в таких умовах дозволить завершити процес зняття пересичення за сульфат-iоном в реакторi-змiшувачi протягом декiлькох хвилин. Введення кристалiчноi пiдкладки можливе в середню частину горловини одночасно з потоком вапняного молока або в при-ймальну камеру (безпосередньо шжекщя в«х трьох компонентiв паром).
Вплив температури пари та витрати пари на актив-нiсть вапняно'1 суспензii при введенi реагентiв через парорвдинний iнжектор наведено на рис. 4. З рис. 4 видно, що тсля оброблення вихщно'! суспензп '¿'1 ак-тивнiсть збiльшуеться за рахунок переходу малоак-тивних компоненпв в активну форму, тобто вщбува-еться активацii суспензп за рахунок и кавiтацiйного диспергування.
Для визначення необхщно! кiлькостi пари для ак-тивацп вапняноi суспензп були проведенi вщповщш дослiди при вдуваннi пари iз температурою 130 °С, яка обрана за рис. 4 як достатньо ефективна. 1х результати наведен на рис. 5.
Результати дослщження роботи моделi реакто-ра-змiшувача, працюючого в режимi ре циклу, з повер-ненням вiдфiльтрованоi твердоi фази у реактор (рис. 6) показали, що вже через 40-60 хвилин роботи реактора в заданому режимi досягаеться закладений стутнь розкладання хлориду амошю, який дорiвнював 0,95-
0
0,98 i поим в сталому режимi CTyniHb розкладання тд-тримуеться близько цього значення 98 %. Ввдхилення 1 % у експериментальних даннях пов'язаш з коливан-нями витрат вапняного молока i хлориду амошю, а також нерiвнoмiрнiстю пoдачi твердо! фази з рециклу.
суспензп, що тдтверджуеться власними результатами аналiзy рщко! фази, представленими на рис. 7.
Температура пари, С
Рис. 4. Змша активносп вапняно'1 суспензп при ÏÏ кавiтацiйному обробленнi
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 Кшьюсть пари, % до маси суспензп
Рис. 5. Змша активносп вапняно'1 суспензп при рiзних витратах пари i3 температурою 130 °С
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Час, хвилин
Рис. 7. Зниження концентраци сульфат-юну в рщкш фазi в процеа рециркуляцiÏ твердоÏ фази в змiшувачi
Зниження сyльфат-ioнy пояснюеться зб^ьшенням центрiв кристалiзацiï та зростанням поверхш твердо! фази, яка повертаеться в реактор в наслщок рециклу. Як наслщок, сульфат кальцiю кристалiзyеться на поверхш твердих часток, на не на стшках реактора-змь шувача.
6. Обговорення результаив дослiдження реакцшно1 здатност малоактивного вапна
Дoслiдження проби вапняно! суспензп, показали, що зi зб^ьшенням рoзмiрy частинок в них зростае вмкт малоактивного вапна, а частка домшок активного вапна (ХСа0акт, %) знижуеться згiднo рiвняння, одержаного в результат математично! обробки експериментальних даних (рис. 1)
ХСааакт=90,3447-ехр (-0,0124 d),
(1)
Рис. 6. Залежнiсть ступеня розкладання хлориду аможю вiд часу роботи змшувача з рециркуляцieю
Шд час циркуляцii твердо! фази малоактивного вапна та дрiбнодисперсних домшок вiдбуваеться кристалiзацiя сульфату кальцiю в об'емi рiдини i зниження концентраци сульфат-юну у свгглш частиш
де d - рoзмiр часток, мкм.
Наведена залежшсть (1) дозволяе розраховувати вмют активних кoмпoнентiв вапна в залежноси вiд рoзмiрy фракцш твердо! фази, а отже точшше ко-регувати витрату вапняно! суспензп та попередити втрату зв'язаного амiакy з нерозкладеним хлоридом амошем.
З практично! точки зору i зручност розрахунку потоюв вапна нас щкавитиме максимально досяж-ний (рiвнoважний) стушнь перетворення малоактивного вапна в реактoрi-змiшyвачi вiддiлення дис-тиляцп ^.а.* при даному pH, який е шдивщуальною характеристикою кожно! конкретно! проби вапняно! суспензп. Знаючи кiнцевi ступеш перетворення малоактивного вапна, як згiднo експериментальних до-слiджень (рис. 2) досягалися вже протягом 40 хвилин (подальше зб^ьшення часу реакцп не приводило до ктотного зб^ьшення ступеня перетворення) можна вивести загальне емшричне рiвняння в iнтервалi pH 7,5-10 (штервал проведення дoслiдiв) при 95 °С, яке мае вигляд (верхня крива на рис. 2, яка вщповщае як-найкращим умовам проведення процесу регенерацп амiакy):
^.а.*=1,2 9 67- 0,1074фН. (2)
Таким чином, знаючи умови проведення процесу можна визначити залежшсть ступеня перетворення малоактивних часток вщ часу реакцп, а скориставшись рис. 2 або формулою (2) при заданому чаи перебуван-ня реагенпв у реакторi-змiшувачi вiддiлення дисти-ляцii визначити стутнь перетворення залежно вiд рН або розрахувати умови тдтримки необхщно' рН для досягнення заданого ступеня перетворення малоактивного вапна.
Розглянемо результати дослвдження активацп вап-на у парорщинному iнжекторi, що представленi на рис. 4. Наведен на рис. 4 даш свiдчать про пiдвищення активност вапна пiсля обробки паром суспензп в ш-жекторi в iнтервалi вiд 80 (початковий вмiст активного Са(ОН)2) до 90 % (максимальна), причому актившсть суспензii зростае з тдвищенням температури пари:
ХСа0акт.=-45+1,984 ^0,0073^2, (3)
де t - температура пари.
Отримаш результати можна пояснити таким чином. Водно-вапняна суспензiя - це насичений розчин гвдроксиду кальщю, що також мiстить нерозчинений Са(ОН)2 у виглядi агломератiв, яю з часом утворюють-ся в результат коагуляцп розчинних наночастинок. В результат колапсу парових бульбашок у вапнянш суспензii частина 'х сплескуеться з утворенням куму-лятивних струминок, яю руйнують частинки агломе-ратв Са(ОН)2. Пiд час контакту подрiбнених частинок iз бульбашками, що сплескуються iз збереженням симетрii, вiдбуваеться додаткове 'х розчинення внас-лiдок теплоти, яку вони сприймають через межовий шар ввд бульбашок. Крiм того, у вапнянш суспензп е частинки нерозгашеного СаО, що ззовш вкрит шаром нерозчинних частинок Са(ОН)2. За контакту тако' частинки з кумулятивною струминкою вщбуваеть-ся Г' руйнування та подальше розчинення Са(ОН)2. Зв^ьнення вiд захисного шару частинок СаО супро-воджуеться Г' взаемодiею з водою, тобто Г' гасiнням, i переходом в розчинний стан Са(ОН)2. Таким чином, кiлькiсть розчинного Са(ОН)2 збiльшуеться, що спри-яе тдвищенню активностi вапняноГ суспензп та додат-кового зменшення (активацп) малоактивно' складово'Г за рахунок диспергування твердих частинок та 'х по-дальшо'Г гвдратацп.
Аналiз рис. 5 дозволяе визначити юльюсть активного вапна в залежност вiд маси пари, подано' через струменевий iнжектор. На пiдставi обробки експери-ментальних даних отримане наступне рiвняння:
ХСа0акт=71,5+14,48т-2,92т2, (4)
де т - частка пари, вщнесена до маси суспензп.
За даними дослвджень (рис. 4, 5) можна стверджу-вати, що для ефективного оброблення дано' проби вапняного молока потрiбно витрачати пари з температурою 130 °С в межах 1,8-2,2 % до маси суспензп. Менша юльюсть пари не утворюе достатньо' юлькост бульбашок, якi сплескують, а за б^ьшоГ витрати не вщбуваеться помiтноi додатково' кавiтацii за рахунок на^ву рiдини до температури, близько' до кипiння. Крiм того, з погляду на необхщшсть економп пе-
регрiтоi пари, кiлькiсть якоГ залежить вiд кiлькостi оброблено' паром рщини, доцiльно використовувати струменевий шжектор для пiдiгрiву фiльтровоi рiдини до температури 95 °С i вище та диспергування (активацп) малоактивного вапна. А загальний потж свiжоi вапняноГ суспензii направляти в реактор-змшувач ок-ремо, повертаючи малоактивне вапно назад у реактор через iнжектор.
Аналiз даних рис. 3 сввдчить про необхвдшсть пiд-тримки часу перебування малоактивного вапна (твер-доГ фази частинок розмiром бiльше 60 мкм) в реакто-рi-змiшувачi протягом 40 i бшьше хвилин. Якщо на виходi з реактора видшяти непрореаговане вапно та повертати у змшувач, час його перебування зроста-тиме з кожним циклом на 10 хвилин (час перебування реагентв у змшувач^ достатнiй для реакцп хлориду амошю з активним вапном свiжоi вапняноГ суспензп).
Аналiз експериментальних даних, представлених на рис. 6 тдтверджуе можлившть пiдвищення ефек-тивностi роботи змшувача шляхом збiльшення часу перебування твердо' фази до 40 i бшьше хвилин за рахунок рециклу при тдтриманш середнього часу перебування рщини в реакторi до 10 хвилин. При цьо-му, накопичення твердо' фази в реакторi згiдно рис. 7 сприяе ефективному зняттю пересичення за сульфатами в об'емi рщини, що пояснюеться збiльшенням поверхнi роздшу фаз та утворенню додаткових центрiв кристалiзацii.
Додаткове збiльшити час перебування твердих частинок малоактивного вапна в надлишку хлориду амошю можливо шляхом установки у верхнш зош сепарацii реактора додаткових таршок, призначених для вщгонки амiаку газом дистилера або парою. Таке ршення дозволить не тшьки збiльшити час контакту твердо' фази з ф^ьтровою рiдиною, яка мютить зна-чний надлишок хлориду амошю, але i змiстити рiв-новагу реакцп, знизивши рН за рахунок тдвищення температури ф^ьтрово' рiдини до температури близь-ко'' до китння i видалення амiаку. Установка тар^ок стае можливою без змiни габаритв (висоти) iснуючого на виробництвi змшувача за рахунок зниження часу перебування рщини у ньому до 10 хвилин ^ вiдповiдно, висоти рiвня рiдини.
Таким чином, за рахунок штенсифжацп реакцiйноi здатностi малоактивного вапна i його багаторазовiй активацп протягом рециклiв в парорiдинному шжек-торi у надлишку хлориду амонiю можливо створити режим максимального використання малоактивних складових вапна i суттево знизити час перебування рь дини у промисловому реакторi за 30-60 хвилин до 10, що доа не було реалiзовано на жодному з виробництв соди за амiачним способом.
7. Висновки
Вмкт малоактивних складових у твердш фазi вапняноГ суспензп залежить вщ розмiру часток твердо' фази у суспензп, зi збiльшенням яких спостерiгаеться тдвищення вмшту неактивних i iнертних компонентв.
Пiдвищення ефективностi використання малоактивного вапна в реакторi-змiшувачi вiддiлення дис-тиляцп содового виробництва досягаеться за рахунок тдвищення часу його перебування в реакторi зав-
дяки рециклу та забезпечення умов !х ефективного розчинення, яке спостертеться при зниженому до 8-8,5 рН.
Застосування шжектора, працюючого в кавиащ-йному режиму перед промисловим реактором-змшу-вачем, для iнтенсивного змiшування з малим часом перебування компоненив та мтмальним зворотнiм потоком (режим щеального витiснення) забезпечуе високу реакцiйну здатшсть малоактивного вапна, а
також тдвищу активнiсть вапняно! суспензп майже на 10 % за рахунок диспергування твердо! фази.
Ефективним методом попередження випадання сульфатних шкрустацш e зняття пересичення за сульфатами в об'eмi реактора-змшувача на поверхш твердо! фази, циркулящя яко! за запропонованою схемою рециклу повшстю забезпечye зниження концентраци сyльфат-iонy у розчиш i сyттeво зменшye iнкрyстацiю устаткування сульфатними ввдкладеннями.
Лiтература
1. Kasikowski, T. Cleaner production in the ammonia-soda industry: an ecological and economic study [Text] / T. Kasikowski, R. Buczkowski, E. Lemanowska // Journal of Environmental Management. - 2004. - Vol. 73, Issue 4. - P. 339-356. doi: 10.1016/ j.jenvman.2004.08.001
2. Ткач, Г. А. Производство соды по малоотходной технологи [Текст] / Г. А. Ткач, В. А. Шапорев, В. М. Титов. - Х. : ХГПУ, 1998. - 429 с.
3. Табунщиков, Н. П. Производство извести [Текст] / Н. П. Табунщиков. - М. : Химия, 1974. - 240 с.
4. Зубахина, З. К. Взаимодействие малоактивной извести с хлоридом аммония [Текст] / З. К. Зубахина, Е. И. Герасименко, С. С. Ревенко // Химическая промышленность. - 1978. - № 6. - С. 47.
5. Михайлова, Е. Н. Повышение степени использования карбонатного сырья при регенирации аммиака в содовом производстве [Текст] / Е. Н. Михайлова // Труды НИОХИМ. - Харьков : НИОХИМ, 2003. - Т. 73. - С. 64-65.
6. Кузенко, Ю. Н. К вопросу об усовершенствовании технологии подачи известкового молока на дистилляцию в Стерлита-макском ОАО «Сода» [Текст] / Ю. Н. Кузенко, В. И. Олесюк, Е. Л. Русина, К. М. Кухтенков // Труды НИОХИМ. - 2003. -Т. 73. - С. 77-86.
7. Заикин, А. П. Диспергирование известковой суспензии, используемой для разложения хлорида аммония на стадии дистилляции в содовом производстве [Текст] / А. П. Заикин, В. Н. Гридасов, В. Ф. Аннопольский и др. // Труды НИОХИМ. - Харьков : НИОХИМ, 2010. - Т. 76. - С. 25-31.
8. Пономаренко, В. В. Пдродинашчний активатор вапнякового молока [Текст] / В. В. Пономаренко // Цукор Украши. -2013. - № 9. - С. 8-11.
9. Немирович, П. М. Застосування пароконденсацшно! кав^ацп в бурякоцукровому виробництв1 [Текст] / П. М. Немирович, М. М. Жеплшська, А. М. Матиящук, Л. М. Хом1чак // В1брацп в техшщ та технолопях. - 2008. - № 2. - С. 102-104.
10. Филоненко, Д. В. Анализ направлений усовершенствования реактора-смесителя отделения дистилляции содового производства [Текст] / Д. В. Филоненко, О. В. Шестопалов // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «ХП1». Сер1я : Нов1 ршення в сучасних технолопях. - 2013. - № 26. - С. 194-198.
11. Филоненко, Д. В. Щодо питання розкладання хлориду амошю в реактор1-змшувач1 вщдшення дистиляцй содового вироб-ництва [Текст] / Д. В. Филоненко, О. В. Шестопалов // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «ХП1». - 2014. -№ 7. - С. 120-126.
12. Филоненко, Д. В. Математическое описание реактора-смесителя отделения дистилляции производства соды и его компьютерная реализация [Текст]: : зб. наук. ст. IV м1жнар. наук. практ. конф. / Д. В. Филоненко, А. В. Шестопалов // Комп'ютерне моделювання в х1мп, технолопях i системах сталого розвитку. - КМХТ-2014- Ки!в : НТУУ «КП1», 2014. - С. 126-131.
13. Onac, B. P. Minerogenetic mechanisms occurring in the cave environment: an overview [Text] / B. P. Onac, P. Forti // International Journal of Speleology. - 2011. - Vol. 40, Issue 2. - P. 79-98. doi: 10.5038/1827-806x.40.2.1
14. Gainey, R. J. CaSО4 seeding prevents CaSО4 scale [Text] / R. J. Gainey, C. A. Thorp, E. A. Cadwallader // Industrial and Engineering Chemistry. - 1963. - Vol. 55, Issue 3. - P. 39-43. doi: 10.1021/ie50639a009
15. Lager, G. A. A crystallographic study of the low-temperature dehydration products of gypsum CaS040,50H20 and y-CaSO4 [Text] / G. A. Lager // Am. Mineral. - 1984 - Vol. 69. - P. 910-918.
16. Kasikowski, T. Utilization of distiller waste from ammonia-soda processing [Text] / T. Kasikowski, R. Buczkowski, B. Dejewska, K. Peszynska-Bialczyk, E. Lemanowska, B. Iglinski // Journal of Cleaner Production. - 2004. - Vol. 12, Issue 7. - P. 759-769. doi: 10.1016/s0959-6526(03)00120-3
17. Südmalis, M. ^precipitation of CaCO3 and CaSО4 [Text] / M. Südmalis, R. Sheikholeslami // Canadian Journal of Chemical Engineering. - 2000. - Vol. 78, Issue 1. - P. 21-31. doi: 10.1002/cjce.5450780106
18. Hofling, V. Crystallization fouling of the aqueous two-component system CaS04/CaC0з [Text] / V. Hofling, W. Augustin, M. Bohnet // International Journal of Transport Phenomena. - 2004. - Vol. 6, Issue 2. - P. 99-109.
19. Филоненко, Д. В. Снижение инкрустации дистиллера путем снятия пересыщения по сульфату в реакторе-смесителе отделения дистилляции [Текст] / Д. В. Филоненко, В. Ф. Райко, А. В. Шестопалов // Вюник НТУ «ХП1». Серiя : Мехашко-технолопчш системи та комплекси. - 2014. - № 60 (1102). - С. 102-110.
