Исследование процесса диспергации галургического хлорида калия при ультразвуковой обработке

К.Г. Кузьминых, В.З. Пойлов, В.А. Рупчева, Е.Н. Полякова

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГАЦИИ ГАЛУРГИЧЕСКОГО ХЛОРИДА КАЛИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Изучено влияние параметров и продолжительности ультразвуковой обработки на процесс диспергации крупнокристаллического хлорида калия. Установлено влияние данных факторов на гранулометрический состав и состояние поверхности кристаллов KCl. Исследован процесс диспергации единичного кристалла в насыщенном растворе.

Хлорид калия является наиболее распространенным калийным удобрением. В промышленности он используется также как сырье при производстве химических продуктов (сульфата калия, гидроксида калия и многих других), заменителей кожи, синтетического каучука, хлебопекарных и кормовых дрожжей, лечебно-профилактической соли. Иногда КС1 применяется в качестве добавки (E508) к поваренной соли (так называемая «соль с пониженным содержанием натрия») [1]. В зависимости от области использования хлорида калия к нему предъявляются определенные требования (химический состав, рассыпчатость, гигроскопичность и т.д). В последние годы к продукции калийных предприятий выдвигаются требования производства хлорида калия с заданным гранулометрическим составом, как крупнозернистого, так и мелкокристаллического. В связи с этим становится актуальной проблема разработки способа получения галургического хлорида калия с заданным гранулометрическим составом.

Целью данного исследования является разработка способа измельчения крупнокристаллического хлорида калия с БКПРУ-4, позволяющая с минимальными затратами для промышленного предприятия получать продукт с размером кристаллов не выше 0,40 мм.

Существуют следующие принципиальные способы уменьшения размеров кристаллов:

1. Изменение режимов работы вакуум-кристаллизационных установок (ВКУ).

2. Введение на стадии кристаллизации добавок, блокирующих рост кристаллов.

3. Измельчение крупнозернистого кристаллизата до необходимых размеров.

При изменении режима работы на ВКУ можно подобрать условия, при которых будет получаться продукт необходимого размера. Заданный размер частиц при этом достигается за счет изменения скоростей зародышеобразования и роста кристаллов [2]. Для получения кристаллов малого размера необходимо увеличить скорость зародышеобразования и уменьшить скорость их роста. Данный способ не требует установки дополнительного оборудования. Однако при изменении режима работы ВКУ могут возникнуть технологические сложности (изменение производительности, имеющееся оборудование может не позволить достичь широкого диапазона варьирования гранулометрического состава получаемого продукта).

Введение добавок, блокирующих рост кристаллов, приведет к загрязнению циркулирующего раствора, что создает проблемы при переходе на выпуск продукта с другим гранулометрическим составом.

Наиболее простым способом варьирования размеров частиц является измельчение крупнокристаллического кристаллизата. Твердый материал можно измельчать до необходимого размера механическими способами (раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, истиранием, резанием, ударом). Механическое измельчение проводят в дробилках и мельницах [3]. Механическое измельчение при его широком распространении имеет ряд недостатков: громоздкость, сложности с варьированием гранулометрического состава измельченного материала, износ оборудования и загрязнение готового продукта истирающимся материалом мельниц. Кроме механического существуют термический, электрический, акустический и другие способы измельчения [4].

В настоящее время широкое распространение получило использование ультразвука, оказывающего влияние на различные технологические процессы, в частности ультразвуковое диспергирование [5, 6]. В связи с распространением ультразвуковых технологий в промышленности представляют интерес исследования, направленные на изучение влияния параметров ультразвукового диспергирования (продолжительность обработки, интенсивность ультразвукового воздействия) на гранулометрический состав хлорида калия.

Экспериментальные исследования по влиянию ультразвуковой обработки на изменение размера кристаллов хлористого калия проводили с использованием экспоненциального излучателя с частотой ультразвуковых волн 22 кГц. Выбор данного типа излучателя и частоты волн обусловливается наибольшим распространением данных излучателей в промышленности [7, 8].

В качестве исходного материала использовали крупнокристаллический хлорид калия с БКПРУ-4. Эксперименты проводили следующим образом: навеску исходного хлорида калия вводили в тер-мостатируемый стеклянный стакан при поддержании определенного соотношения жидкой и твердой фаз. Условия исследований максимально были приближены к производственным: температура суспензии 30 °С, которая поддерживалась в термостате при помощи контактного термометра; в качестве жидкой фазы использовали насыщенный раствор хлорида калия при данной температуре. Суспензию при постоянном механическом перемешивании подвергали ультразвуковой обработке заданной мощности в течение определенного времени. Для создания однородного состава суспензии по всему объему осуществляли перемешивание лопастной мешалкой. В процессе исследования продолжительность обработки составляла 2, 4 и 6 мин при трех различных интенсивностях обработки. Для создания акустических колебаний использовали ультразвуковой низкочастотный диспергатор УЗДН-1 У4.2.

Суспензию после каждого опыта отфильтровывали под вакуумом с использованием колбы Бюнзена и воронки Бюхнера. Для освобождения отфильтрованных кристаллов от маточного раствора осадок промывали ацетоном. Промытые кристаллы сушили россыпью на воздухе в течение суток, а затем подвергали ситовому анализу. Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

В табл. 1 представлены результаты исследования влияния интенсивности ультразвукового воздействия и продолжительности дисперга-ции на гранулометрический состав хлорида калия.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что при ультразвуковой обработке происходит уменьшение среднего размера с 0,788 до 0,366 мм в зависимости от условий обработки.

І

Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования процесса диспергации хлорида калия при ультразвуковой обработке: 1 - генератор ультразвука; 2 - регулятор

мощности; 3 - регулятор частоты ультразвука; 4 - лопастная мешалка; 5 - экспоненциальный излучатель ультразвука; 6 -стеклянный стакан; 7 - жидкостный термостат; 8 - контактный термометр; 9 - термометр для контроля температуры

Таблица 1

Г ранулометрический состав хлорида калия при различных режимах ультразвуковой обработки

Интенсивность ультразвукового воздействия Содержание фракции, % Средний размер, мм

0,0625 0,1425 0,2375 0,4725 0,815 1,125

Исходный 0 0 0,01 17,11 72,68 10,2 0,788

Продолжительность обработки 2 мин

Минимальная 0,13 0,02 0,22 16,73 73,88 9,02 0,783

Средняя 1,3 0,16 1,14 20,9 65,12 11,38 0,761

Максимальная 3,55 0,04 0,14 19,48 71,85 4,94 0,736

Продолжительность обработки 4 мин

Минимальная 3,18 0,67 5,07 48,24 39,25 3,59 0,603

Средняя 6,75 1,88 10,93 52,33 26,54 1,57 0,514

Максимальная 11,67 2,81 21,1 55,1 9,06 0,26 0,399

Продолжительность обработки 6 мин

Минимальная 5,22 1,67 8,61 48,33 34,07 2,1 0,556

Средняя 16,62 3,06 20,2 51,35 8,63 0,14 0,377

Максимальная 14,16 3,41 25,71 50,23 6,31 0,18 0,366

Средний размер кристаллов зависит как от продолжительности, так и от интенсивности ультразвуковой обработки. При диспергации суспензии с использованием минимальной интенсивности средний размер изменяется с 0,783 мм при продолжительности обработки 2 мин до 0,556 мм при 6 мин. При тех же значениях продолжительности обработки, но при максимальной интенсивности ультразвукового воздействия средние размеры кристаллов составляют 0,736 и 0,366 мм соответственно.

Для определения изменения поверхности кристаллов после ультразвуковой обработки был проведен анализ на электронном микроскопе S-3400N японской фирмы Hitachi. Фотографии (при 15-кратном увеличении) исходного хлорида калия и после обработки в течение 4 мин при максимальной интенсивности представлены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Фотография исходного хлорида калия

Рис. 3. Фотография хлорида калия после обработки в течение 4 мин при максимальной интенсивности

На фотографиях видно, что исходные кристаллы представляют собой агломераты неправильной формы с различными дефектами на поверхности (выступы, поры, трещины, впадины). После ультразвуковой обработки размер кристаллов уменьшается. Поверхность некоторых кристаллов становится более гладкой со скругленными углами. При этом не все кристаллы подвергаются обработке - некоторые остаются в виде агломератов с дефектами на поверхности.

Для изучения механизма и кинетики процесса разрушения хлорида калия был дополнительно проведен эксперимент по диспергации единичного кристалла. Для этого на излучающую поверхность экспоненциального излучателя наносили небольшое количество насыщенного раствора хлорида калия, в который помещали кристалл. Кристалл подвергали обработке при среднем значении интенсивности ультразвукового воздействия. Процесс обработки снимали на видеокамеру. На рис. 4 представлены фотографии процесса диспергации в различные моменты времени.

Рис. 4. Исходный кристалл (а) и кристалл после обработки в течение: б - 15 с; в - 18 с; г - 40 с

Анализ фотографий кристалла хлорида калия в различные промежутки времени показывает, что на начальном этапе обработки (15 с) происходит отщепление мелких частиц с поверхности кристалла и незначительное изменение его размера (рис. 4, б). Затем наблюдается расщепление кристалла на крупные куски (18 с обработки). При дальнейшей обработке образуется множество кристаллов малого размера. На данном этапе обработки процесс диспергации усиливается за счет соударения частиц друг с другом. Таким образом, за 40 с происходит измельчение единичного кристалла хлорида калия с образованием множества мелкодисперсных частиц (рис. 4, г).

Как известно из литературных источников [5], на процесс ультразвукового диспергирования оказывают влияние все основные эффекты, возникающие в ультразвуковых полях. Однако наибольший эффект на процесс диспергации оказывает ультразвуковая кавитация. При этом в первую очередь происходит разрушение сростков, острых кромок и дефектов на поверхности, в которые способны проникать потоки микроструй.

Как отмечено в работе [8], диспергация вещества происходит в две стадии. На первой стадии под действием интенсивных микропотоков происходит заполнение пор, углублений и трещин жидкостью. На второй стадии под действием ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков, происходит раскалывание частиц. В первую очередь происходит отщепление микрочастиц с поверхности, скалывание острых кромок и окатывание частиц. Проведенные нами исследования по диспергации единичного кристалла подтверждают данную теорию.

Выводы:

1. Установлено, что ультразвуковая обработка крупнокристаллического галургического хлорида калия в среде насыщенного раствора при постоянной температуре приводит к измельчению кристаллов.

2. С повышением продолжительности обработки и интенсивности ультразвукового воздействия происходит уменьшение среднего размера кристаллов.

3. Поверхность кристаллов после ультразвуковой обработки становится более гладкой со скругленными углами. Некоторые кристаллы остаются в виде агломератов с дефектами на поверхности, это свидетельствует о том, что в первую очередь разрушаются агломераты с низкой силой сцепления.

4. Исследование диспергации единичного кристалла показало, что на начальном этапе за счет кавитационных полостей и потоков микроструй происходит отщепление микрочастиц с поверхности кристалла, после чего наблюдается раскалывание кристалла на части, которые в дальнейшем измельчаются до частиц малого размера.

Список литературы

1. ГОСТ 4568-95. Калий хлористый. Технические условия: введ. 1997-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 16 с.

2. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. - М.: Химия, 1963. - 304 с.

3. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. -Изд. 2-е, перераб. - М.: Химия, 1977. - 368 с.

4. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых: учеб. для вузов. - М.: Недра, 1985. - 285 с.

5. Основы физики и техники ультразвука: учеб. пособие для вузов / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский [и др.]. - М.: Высш.шк., 1987, - 352 с.

6. Пат. 2372092 РФ, МПК А61К35/02, А61К9/12, С01В39/02. Способ подготовки порошка для ингаляции / Голохваст К.С., Гульков А.Н., Пани-чев А.М., Борисов С.Ю., Чекрыжов И.Ю. - № 2008116530/15; Заявл. 25.04.2008; Опубл. 10.11.2009.

7. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химикотехнологических процессах (процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1983. - 192 с.

8. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков [и др.]; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.

Получено 6.12.2010