CC BY
100УДК 667.621.226
М.И. КУЗЬМЕНКОВ, д-р техн. наук, Белорусский государственный технологический университет (г. Минск); С.И. МАСЮК, директор, А.М. ГРЕЧНЫЙ, главный инженер, А.М. КОЗЕЛ, главный технолог ОАО «Домановский ПТК» (Брестская обл., Республика Беларусь)
Промышленная технология гидратированных силикатных порошков из жидких стекол
Жидкие стекла являются представителями обширного класса водорастворимых силикатов щелочных металлов, выпускаемых промышленностью. В работах [1, 2] приводится их классификация по степени полимеризации (числу атомов кремния, образующих систему силоксановых связей — Si — O — Si —), химическому составу, виду катиона и, наконец, по содержанию воды. По последнему признаку различают: высоководные системы (легкоподвижные жидкости), низководные системы (пасты) и порошки.
Наибольшее распространение получили жидкие стекла в виде легкоподвижных жидкостей. Это связано со способностью жидких стекол проявлять вяжущие свойства, т. е. самопроизвольно отвердевать с образованием искусственного камня.
Благодаря своим высоким адгезивным свойствам к материалам самой различной природы жидкие стекла с успехом применяются для склеивания, например бумаги, картона, получения композиционных материалов, в том числе жаростойких бетонов.
Вторым направлением применения жидких стекол является синтез различных кремнеземсодержащих веществ — белой сажи, силикагеля, цеолитов, носителей катализаторов и др.
Третье направление применения состоит во введении их в состав синтетических моющих средств (СМС), для отбеливания тканей, проклейки бумаги и др. И хотя области применения жидкого стекла неизменно расширяются, в последнее время некоторые потребители из-за высокого содержания в нем воды (примерно 50%) испытывают существенные затруднения при его использовании. Так, например, в холодный период времени применение жидкого стекла в качестве флотореагента при обогащении апатитовых руд (Кольский полуостров) требует его разогрева в тепляках. Аналогичные проблемы испытывают нефтяники при введении жидкого стекла в состав буровых растворов. Из-за высокого содержания воды в жидком стекле ограничивается его концентрация в синтетических моющих средствах.
Вышеобозначенные причины вызвали необходимость создания технологических процессов получения из жидкого стекла порошкообразных продуктов, с тем чтобы иметь не только большие удобства и экономическую выгоду при их транспортировке и неограниченном сроке хранения, но и возможность приготовления жидкого стекла оптимальной концентрации по месту их использования.
Гидратированный силикатный порошок (ГСП) начали производить в первую очередь для СМС. Характерной особенностью таких порошков является их малая объемная масса, что привлекательно для создания объемного эффекта упаковок СМС.
Однако остальные потенциальные потребители ГСП, а их большинство, нуждаются в порошкообразном продукте с большей насыпной плотностью.
Анализ литературных и патентных источников [1] показал, что наиболее эффективным способом получения ГСП является частичное термическое обезвоживание жидкого стекла. Получаются легкорастворимые порошки
высокомодульных щелочных силикатов при определенных температурно-временных условиях, когда возникновение силоксановых связей маловероятно. При температуре ниже 80оС удаление воды приводит к образованию стекловидной структуры, состоящей из частиц коллоидного кремнезема и прослойки частично обезвоженного раствора. Распределение воды между коллоидными частицами и прослойками раствора наравномерное. Прослойки гораздо более обводнены, чем коллоидные частицы, поэтому при растворении переходят в жидкую фазу легко, а коллоидные частицы не претерпевают существенных изменений в процессе образования порошка и его последующего растворения. Это означает, что при низкотемпературной сушке в токе теплоносителя полимерный состав раствора изменяется мало, вновь образующийся при растворении порошка раствор примерно воспроизводит исходный, и поэтому порошки аморфны.
Для реализации этого процесса существует несколько технических решений. Так, предложено проводить измельчение силикат-глыбы при 60—90оС в водной среде или водяном паре и оксиэтилированного продукта, взятого в количестве 0,01—0,35% от массы силикат-глыбы (пат. 2134246 РФ. Способ получения гидратиро-ванных щелочных силикатов). Полученную суспензию сушат в сушилке кипящего слоя при 40—100оС до остаточного содержания воды в получаемом порошке в пределах 15—25%. К числу недостатков этого способа следует отнести сложность аппаратурного оформления и большую энергоемкость процесса.
Также существует способ получения гидратирован-ных силикатных порошков методом СВЧ сушки (пат. 2134245 РФ. Способ получения гидратированных силикатных порошков методом СВЧ сушки). Он заключается в появлении в высушиваемом материале объемных источников тепла, создаваемых за счет поглощения энергии волновых полей, воздействующих на материал. Температуру сушки рекомендуется поддерживать в пределах 70—105оС с выдержкой в течение 6—25 мин. Периодичность этого способа, а также его недостаточная изученность создают серьезные препятствия на пути промышленной реализации процесса.
Наряду с вышеизложенными существует технологический процесс (А.с. СССР 1680625. Способ получения порошков гидратированных щелочных силикатов), включающий приготовление гранулята силиката натрия или калия, растворение его в автоклаве, обезвоживание полученного жидкого стекла при 40—110оС до остаточного содержания гидратной воды в порошке на уровне 15—25 мас. %. Обезвоживание предлагается проводить в сушилке взвешенного слоя в среде инертного теплоносителя. Однако этот процесс, так же как и предыдущее, до сих пор не был реализован в промышленном масштабе.
Исходя из представленного в данной работе делается ставка на термическую дегидратацию жидкого стекла в распылительной сушилке (патент РБ 8392. Способ получения порошков гидратированных силикатов натрия или калия). Отработка технологических параметров сушки жидкого стекла в прямоточной распылительной сушилке проводилась в ГНУ Институте тепло- и массо-
26
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2013
iA ®
Жидкое стеклоГ^. ь.
-Острый пар
3 __11
Дымовые газы в атмосферу 14
f--ng^
if^
Воздух в 13
атмосферу 16
18
17
III
" 1
Горячий воздух
Воздух
ГСП на упаковк
Технологическая схема производства образного гидратированного силиката
порошко-натрия
Наименование показателя Значение показателя
по ТУ BY 200101299.003-2009 «Силикат натрия гидратиро-ваный порошкообразный» фактически
Внешний вид Белый порошок
БЮ2, мас. % 50,4-60,6 58,7
Иа20 (К20), мас. % 21,4-33,6 21,2
Силикатный модуль 1,5-2,8 2,86
Н20, мас. % 15-20 5,6
Размер частиц, мм 0,06-1 0,1-1
Насыпная плотность, г/см3 0,4-1,7 0,7
Время растворения (массовое соотношение порошок-вода 1:3 при температуре 20оС), мин 1-20 6
обмена НАН Беларуси*. Для исследования использовали жидкое натриевое стекло с модулем 2,6—3 и плотностью 1,5 г/см3. В качестве теплоносителя использовался калориферный воздух, нагрев которого проводился в теплогенераторе, а подача сверху вниз. Жидкое стекло подавалось с помощью пневматической вихревой форсунки как прямоточно, так и в режиме фонтанирующего потока. Варьируя температуру теплоносителя на входе и выходе из сушилки в пределах 200—250оС, плотностью жидкого стекла, а также давлением сжатого воздуха в диапазоне 2—3 атм, были получены экспериментальные партии натриевого и калиевого ГСП. Изучение их свойств показало, что важнейший показатель ГСП — время их полного растворения находится в пределах 5—20 мин, а плотность 700—715 кг/м3.
Полученные положительные результаты были использованы при разработке исходных данных на проектирование промышленной технологической линии по производству ГСП. Объявленный тендер на поставку оборудования выиграла словацкая фирма Lukro, а проектирование осуществила энергетическая инженерно-консалтинговая компания «Энека» (г. Минск).
В феврале 2011 г. цех по производству ГСП годовой мощностью 1,65 тыс. т принят в эксплуатацию (см. рисунок).
Функционирование технологического оборудования осуществляется следующим образом. Жидкое стекло из емкости для хранения и очистки 1 по трубопроводу насосом 2 подается в расходомер 3 с паровым подо-
гревателем и системой циркуляции для предотвращения его расслоения. Из расходомера жидкое стекло с температурой 70—90оС насосом 4 направляется по трубопроводу в дисковый распылитель 5, расположенный в верхней части сушилки 6. Частота вращения дискового распылителя составляет около 14000 об/с.
Распылительная сушилка состоит из верхней цилиндрической части диаметром 5800 мм и высотой 4500 мм и нижней конической высотой 3100 мм. Корпус сушилки выполнен из нержавеющей стали, снаружи теплоизолирован минераловатными плитами, которые обшиты жестью.
В качестве теплоносителя служат дымовые газы, получаемые при сжигании природного газа в теплогенераторе 7, для чего туда подается очищенный воздух в фильтре 8 с помощью нагнетательного вентилятора 9. Режим сжигания газа и подача дымовых газов регулируются заслонкой 10 и числом оборотов вентилятора. Теплоноситель с температурой 180—220оС подается в сушилку через распределительную спираль 11 для обеспечения равномерного его распределения по сечению сушилки. В сушилке поддерживается разряжение в пределах 100—150 МПа. Из капель жидкого стекла удаляется большая часть воды, а остаточное ее количество становится структурно связанной. Подсушенный порошок, содержащий до 20% воды, падает на перфорированное днище 12 в конической части сушилки, где формируется флюидальное истечение нагретого до 35оС воздуха, вследствие чего обеспечивается эффективная досушка порошка. В конструкции сушилки предусмотрено устройство, состоящее из 16 пневмопушек и обеспечивающее с помощью сжатого воздуха удаление прилипающего порошка со стенок.
Отделение высушенного порошка от теплоносителя, имеющего на выходе из сушилки температуру не выше 120оС, производится в циклоне 13, в котором предусмотрен обдув сжатым воздухом его конической части с целью предотвращения нагнетания материала на стенках. Очищенный теплоноситель выбрасывается вытяжным вентилятором 14 в атмосферу. Уловленный порошок поступает в охладитель 15, в котором поддерживается разряжение в пределах 500—900 МПа, создаваемое вентилятором 16, установленным за фильтром 17 на бункере готового продукта 18. За счет подачи холодного воздуха целевой продукт доохлаждается, а затем пневмотранспортом подается в бункер готового продукта.
Управление технологическим режимом осуществляется в автоматическом режиме, а при пуске и в случае необходимости — в ручном.
Проведенные пусконаладочные работы показали, что ГСП могут быть получены требуемого для разных потребителей качества (см. таблицу).
Ключевые слова: жидкое стекло, гидратированный силикатный порошок, распылительная сушилка.
Список литературы
1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло. СПб.: Стройиздат СПб, 1996. 216 с.
2. Брыков А.С. Химия силикатных и кремнеземсодер-жащих вяжущих материалов. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2011. 147 с.
' В работе принимали участие П.В. Акулич, д-р техн. наук; В.В. Заранский, мл. научн. сотрудник.
fj научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2013 27"
