CC BY
72
УДК 661.832.321
М.В. Черепанова, И.С. Потапов, В.З. Пойлов, К.В. Попова
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
С.Н. Алиферова
ОАО «Уралкалий»
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ХЛОРИДА КАЛИЯ
Изучено влияние условий хранения и транспортировки на физико-механические свойства гранулированного хлорида калия. Показано, что в процессе хранения и транспортировки насыпью происходит значительное ухудшение товарных свойств гранулята.
ОАО «Уралкалий» - это современное горно-химическое предприятие, один из крупнейших в мире производителей калийных удобрений, более 90 % продукции которого направляется на экспорт. Для транспортировки своей продукции предприятие использует морской и железнодорожный транспорт. Большую часть своей продукции ОАО «Уралкалий» доставляет насыпью. В процессе хранения и транспортировки происходит изменение физико-механических характеристик: статической и динамической прочности, гигроскопичности, сыпучести, слеживаемости [1]. В связи с этим изучение влияния условий хранения и транспортировки хлорида калия на его физико-механические характеристики является актуальной задачей.
В качестве объекта исследования использовали гранулированный хлорид калия ОАО «Уралкалий», г. Соликамск (СКПРУ-2), который представляет собой пpеcсовaнные гранулы неправильной формы с массовой долей хлорида калия не менее 95 % (в пересчете на К2О не менее 60 %). Гранулометрический состав гранулированного хлорида калия СКПРУ-2:
Размер фракции, мм +5,0 -5,0+2,0 -2,0
Содержание фракции, % 0,59 98,74 0,67
Средний размер гранул, мм 3,50
Основная масса гранулированного продукта (98,74 %) представлена фракцией размером -5,0+2,0 мм, а средний размер частиц составляет 3,5 мм.
Изучение влияния относительной влажности воздушной среды на гигроскопичность гранулированного КС1 проводили при комнатной температуре (25 °С). Гигроскопичность образцов гранулята определяли гравиметрическим методом, а влажность воздушной среды (80 и 100 %) в эксикаторе поддерживали с помощью воды и раствора серной кислоты определенной концентрации. Результаты изучения влияния относительной влажности среды на гигроскопичность гранулированного хлорида калия представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние относительной влажности воздушной среды на влажность гранулированного хлорида калия
Относительная влажность воздушной среды, % Влажность гранулята (%) через заданные промежутки времени, ч
0 2 4 24 48 72 96
80 0,383 0,395 0,400 0,461 0,471 0,478 0,500
100 0,383 0,543 0,608 2,752 2,980 3,157 5,161
С увеличением относительной влажности воздушной среды и длительности выдержки образцов гранулята гигроскопичность возрастает. Так, при длительности процесса 96 ч и увеличении влажности среды с 80 до 100 %, гигроскопичность возрастает в 10,3 раза. В процессе испытаний установлено, что при выдержке гранулированного КС1 более 24 ч (включительно) при влажности 100 % начинает происходить обводнение гранулята, сопровождаемое конденсацией паров воды и формированием на поверхности гранул пленки воды, растворяющей гранулы. При выдержке 96 ч (4 сут) при относительной влажности среды 80 % влажность гранулированного хлорида калия не превышает требований ТУ и составляет 0,500 %. Из полученных данных можно сделать вывод, что хранение и транспортировка гранулированного КС1 насыпью при относительной влажности более 80 % приводит к значительному поглощению влаги, что может привести к изменениям других физико-химических свойств.
Степень поглощения влаги гранулятом (гигроскопичность) зависит не только от относительной влажности воздуха, но и от температуры среды [1]. В связи с тем, что удобрения транспортируют в разных климатических условиях с различной температурой и температура на складе или в вагонах в летнее время может достигать 35-40 °С, имеет практический интерес изучение гигроскопичности при повышенной температуре. Изучение гигроскопичности проводили при относительной влажности 80 % и температуре среды 25 и 45 °С (рис. 1). По полученным данным видно, что с увеличением длительности хранения влажность гранулята возрастает. При этом с повышением температуры с 25 до 45 °С гигроскопичность снижается. Следует отметить, что при температуре 45 °С скорость поглощения влаги гранулятом выше, чем при 25 °С, за счет повышения скорости диффузии на поверхности и внутри пор гранулята. Однако при температуре 25 °С конечная влажность хлорида калия выше, чем при 45 °С, что можно объяснить увеличением физической адсорбции паров воды.
20 40 60 80
Д-Шггельность процесса, ч
Рис. 1. Влияние длительности хранения и температуры окружающей среды на гигроскопичность гранулированного хлорида калия
Известно, что влагосодержание оказывает значительное влияние на статическую и динамическую прочности и истираемость гранул. Для изучения влияния влажности на статическую прочность гранулированный КС1 в течение заданного времени выдерживали в эксикаторе с относительной влажностью 80 и 100 % при комнатной температуре. При этом максимальная влажность хлорида калия после выдержки в течение 96 ч составила 0,471 и 2,980 % соответственно.
Методика определения статической прочности гранул заключалась в измерении среднего усилия разрушения гранул товарной фракции размером более 2,0 мм на приборе ИПГ -1М. При анализе производили измерения прочности не менее 30 гранул. Результаты измерения средних значений прочности представлены на рис. 2.
я
о
я
у
о
н
и
калия на статическую прочность
Видно, что с увеличением влажности гранул их статическая прочность снижается, особенно при небольших изменениях значения влажности. Снижение прочности гранул связано с растворением фазовых контактов и заменой их жидкофазными.
Влияние влажности на динамическую прочность и истираемость гранул определяли на приборе для измерения динамической прочности марки «ПКПГ М 38.08.20 ПС» при ранее указанных условиях. В процессе испытаний образец гранул 200 г с загрузкой из стальных шариков (200 г) подвергали вращению в течение 10 мин со скоростью 83 об/мин. По истечении заданного времени с помощью постоянного магнита отделяли стальные шарики от образца гранулята и далее проводили рассев исследуемого образца в наборе из двух сит с размером ячеек 2,0 и 1,25 мм. Для этого пробу, находящуюся в отсеках барабана, с помощью кисти переносят на поверхность верхнего сита размером 2,0 мм. Отсев производят на виброгрохоте в течение 10 мин. Затем определяют массу пробы с размером +2,0 мм. Динамическую прочность (X) в процентах вычисляют по формуле
X = т1 / т [100,
где т1 - масса пробы после первого отсева, г; т - масса всей пробы, г.
Влажность гранулированного КС1, %
Рис. 2. Влияние влажности гранулированного хлорида
Истираемость (X') является физической величиной обратной динамической прочности, измеряется также в процентах и рассчитывается по формуле
X' = 100 - хср.
Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние влажности гранулированного хлорида калия на динамическую прочность и истираемость гранул
Влажность гранулированного KC1, % Динамическая прочность гранул,% Истираемость гранул,%
0,383 92,0 8,0
0,471 91,0 9,0
2,980 90,4 9,6
Из приведенных данных видно, что с увеличением влажности гранул динамическая прочность снижается, а истираемость, соответственно, возрастает на 1,6 %.
Слеживаемость различных удобрений по-разному зависит от их влажности [2]. Изучение слеживаемости проводили на приборе-анализаторе тенденции к слеживаемости удобрений «ACAP EASY» (Финляндия) при ранее указанных условиях. Принцип определения слеживаемости на этом приборе заключается в измерении усилия сжатия, необходимого для разрушения спрессованного брикета цилиндра удобрения, с заданным усилием и длительностью прессования. По этой величине определяют коэффициент слеживаемости S и степень сжатия слоя гранулята, что характеризует плотность упаковки слоя гранулята после сжатия. Работа прибора контролируется компьютером с помощью программного обеспечения, что позволяет точно устанавливать длительность и величину сжатия образца. Изучение влияния влажности гранулированного хлорида калия на слеживаемость проводили при величине сжатия образца 10 кгс/см в течение 5 мин. Результаты измерений представлены в табл. 3.
По данным табл. 3 видно, что с увеличением влажности гранулята слеживаемость (S) гранулированного КС1 и степень сжатия слоя возрастают. Так, с увеличением влажности гранул с 0,383 до 2,980 % коэффициент слеживаемости повышается на 1,191 кг/см , а степень сжатия слоя увеличивается на 4,7 %, т.е. с увеличением влажности до
2,980 % слой гранулированного КС1 слеживается сильнее и необходимо затратить больше сил на его разрушение. Следовательно, увеличение влажности гранулированного КС1 более 0,471 % при хранении и транспортировке насыпью может привести к значительному слеживанию слоя.
Таблица 3
Влияние влажности гранулированного хлорида калия
на слеживаемость
Влажность гранулята КС1, % Высота слоя гранулята, мм Степень сжатия слоя гранулята, % Коэффициент слеживаемости З, кг/см
начальная конечная
0,383 49,200 45,960 6,59 0
0,471 46,759 43,328 7,34 0,121
2,980 47,381 42,028 11,29 1,191
Увеличение длительности хранения и высоты насыпи слоя гра-нулята оказывает влияние на слеживаемость продукта. В связи с этим было изучено влияние статической нагрузки (пропорциональной высоте слоя) и длительности процесса сжатия слоя гранулята на слеживаемость и степень сжатия. Исследования проводили при статической нагрузке 10, 20 и 30 кг/см , которые соответствуют высоте слоя гранулята 1, 2, 3 м соответственно, при длительности процесса сжатия 5, 10 и 15 мин, влажности исходного гранулята - 0,383 % и температуре 25 °С (табл. 4).
Таблица 4
Влияние статической нагрузки и длительности сжатия на слеживаемость и степень сжатия слоя гранулята
Статическая нагрузка, кг/см2 Высота слоя гранулята, м Длительность процесса сжатия образца, мин Высота слоя гранулята, мм Степень сжатия слоя гранулята, % Коэффициент слеживаемости З, кг/см2
начальная конечная
10 1,0 5 49,20 45,96 5,35 0
10 51,19 47,92 5,24 0
15 50,27 46,95 5,08 0,232
20 2,0 5 50,85 46,54 8,48 0
10 50,83 46,59 8,34 0,331
15 51,78 47,89 7,51 0,452
30 3,0 5 50,97 45,04 11,63 0,176
10 49,716 43,85 11,79 2,315
15 50,53 44,79 9,51 2,547
По данным табл. 4 видно, что с увеличением статической нагрузки (высоты насыпного слоя гранулята) и длительности процесса сжатия слеживаемость и степень сжатия возрастают. При длительности процесса сжатия 5 мин гранулированный КС1 практически не слеживается, независимо от величины статической нагрузки. Из приведенных данных следует, что слеживаемость пропорциональна приложенному давлению сжатия (статической нагрузке).
В процессе транспортировки железнодорожным транспортом гранулированный продукт подвергается статической и вибрационной нагрузкам, что влияет на долю разрушенных гранул гранулированного хлорида калия. В связи с этим было исследовано влияние длительности статической и вибрационной нагрузок на долю разрушенных гранул (менее 2,0 мм). Исследования проводили с различной длительностью вибрации (30-60 мин) при частоте колебаний 30 Гц и статической нагрузке 1,25 и 2,5 кгс/см . Исходный хлорид калия имел влажность
0,383 %.
Результаты эксперимента (рис. 3) показывают, что при увеличении длительности действия вибрационной нагрузки до 60 мин и величины статического сжатия 1,25 и 2,5 кгс/см доля разрушенных гранул возрастает и составляет 20 и 35 % соответственно. В связи с этим можно сделать вывод, что гранулированный хлорид калия, находящийся на дне вагона (подвергается нагрузке 2,5 кгс/см ) разрушается значительно больше, чем КС1, находящийся в среднем слое вагона (при нагрузке 1,25 кгс/см2).
К
§ 0----------------Т---------------.--------------
§ 30 40 50 60
Длительность процесса, мин
Нагрузка 1,25 кгс/см2 Нагрузка 2,5 кгс/см2
Рис. 3. Влияние длительности вибрационной нагрузки при постоянной величине статической нагрузки (1,25 и 2,5 кгс/см ) на долю разрушенных гранул
Разрушение гранул КС1 приводит к увеличению содержания частиц размером менее 2,0 мм, что приводит к дальнейшему изменению физико-механических свойств (увеличению слеживаемости, гигроскопичности, истираемости, уменьшению динамической и статической прочности). Разрушение гранулята в реальных условиях может происходить, во-первых, за счет сдвиговых напряжений, при которых происходит отрыв отдельных частиц или их небольших образований с поверхности гранулы, что ведет к постепенному уменьшению ее размеров. Этот вид разрушения приводит к высокой степени диспергирования (механическое разрушение). Также разрушение может происходить за счет деформаций гранул за счет сосредоточенных сжимающих усилий, аналогичных контактным напряжениям сжатия.
Список литературы
1. Кувшинников И.М. Минеральные удобрения и соли: свойства и способы их улучшения. - М.: Химия, 1987. - 256 с.
2. Романов Н.Ю., Пойлов В.З., Шишова С.В. Применение анти-слеживателей в производстве минеральных удобрений // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона: сб. науч. тр. / Березник. фил. ПГТУ. - Березники, 2005. - Вып. 4. - 353 с.
Получено 20.06.2012
