Введение к работе
- З -Актуальность равоты. Процесс кристаллизации используется в іаловеческой практике с давних времен. В настоянеє время їй пригрел Большое значение в связи с тем, что с ним связана технология получения многих кристаллических продуктов, в частности, ми-юральных солей и удобрений. Кристаллизация из жидкой фазы широ-;о применяется также и в лабораторной практике. Все это предопре-,еляет неоЕходимость дальнейшего изучения механизма и кинетики іазового перехода жидкость ( раствор соли) - кристалл. Осоєая пот-іевность в этом осудаетея в процессах поверхностной кристаллизали, которые важны при вырацивакии совершенных монокристаллов, онких слоев и пленок в физике полупроводников, для солевого пас-ивирования и управления процессами накипеовразования.
Кристаллизация вецеств представляет собой фазовое превращение, вязанное с изменением, агрегатного состояния. Изучение его имеет амостоятельмый научный интерес, т.к. многие вопросы теории <разо-ых переходов до сих пор до конца не разрешены.
Поверхностная кристаллизация из растворов, исследованию кото-ой посвящена данная работа, еце детально'не изучена, в ней много еясного. Кинетика и механизм кристаллизации из растворов определится, наряду с другими факторами,-взаимодействием ионов и моле-ул растворенного вецества и растворителя. Нет полной ясности в ом за счет присоединения и отрыва каких частиц ( ионов, молекул) дет зарождение и рост кристаллов, какой процесс - адсорєция или рямое встраивание из объема раствора частиц кристаллизующегося едества, определяет овцую кинетику фазового перехода.
В данной равоте изучалась кинетика ранней стадии кристал-изации сульфата кальция из водных растворов^ на поверхности еплоовмена. Выбор в качестве объекта исследования сульфата ка-ьция был обусловлен большой практической важностью процессов !го поверхностной кристалливации для энергетической и химичес-;ой промышленности, т.к. сульфат кальция является одним из основ-ых накипеовразователей при упарке сточных вод промышленных іредприятий, опреснении морских и соленых, вод методом термической истилляции. Накипеовраэование резко снижает коэффициенты тепло-іередачи теплотехнического оборудования, а значит и его проиэво-.ительность. Борьва с образованием отложений сульфата кальция
сульфатной накипь») на теллопередающих поверхностях оборудования івляется очень актуальной задачей для промышленности. Поэтому изу-
- л -
чеиио поверхностной кристаллизации сульфата капьция, представлявшее чмсі і научный интерес для развитая ов&ей теории кристаллива— иии из растворов, имеет и волыаое прикладное значение. Детальных, на микроскопическом уровне исследований механизма кристаллизации сульфата кальция на поверхности теплообмена до-настоящего времени не проводилось.
Цель равоты. Целью настоящей равоты является экспериментальное и теоретическое исследование механизма и основных закономерностей кристаллизации сульфата кальция (гипса) на поверхности теплообмена (поверхностная кристаллизация при наличии градиента температуры).
Конкретными задачами в равоте являлись!
разработка методики микроскопического исследования начальной стадии процесса кристаллизации сульфата кальция на поверхности теплосемена;
исследование кинетики и механизма зародышеовразования кристаллов сульфата кальция на поверхности теплообмена!
исследование кинетики и механизма р*оста кристаллов сульфата кальция при его кристаллизации на поверхности теплоовмена!
оценка влияния поверхностного градиента температуры и шероховатости, дефектности поверхности на кинетику зародышеоеразова— ния кристаллов сульфата кальция,
определение основных физико-химических паранетров, характеризующих процессы поверхностного эародышеовразования и роста кристаллов сулы»ата кальция:
- исследование вариации скоростей роста кристаллов сульфата
кальция при его кристаллизации на поверхности теплоовмена.
Исследования проводились в отсутствие поверхностного кипения раствора, при температурах» не превышающих 100 С. В этих условиях сульфат кальция кристаллизовался на поверхности теплоовмена в виде гипса < (**5Щ'2-"Х ), являющегося основным накипе— овразователем при упарке большинства минерализованных вод с высоким содержанием сульфат—ионов.
Научная новизна равоты. Создана методика микроскопического исследования начальной стадии процесса кристаллизации малорастворимых солей (на примере гипса) на поверхности теплоовмена, позволявшая путем пряных измерений размеров Образующихся кристаллов определять их скорости зародышеовразования и роста на повер-.
- 5 -хности подложки. Изучены механизм образовании зародышей и кино-тиха последующего роста кристаллов сульфата кальция на мет алли-ческой поверхности теплопередачи. Определены основные Физико-химические константы, характеризующие эти процессы.
Установлено, что кристаллизация (накипеосразование) сульфата кальиия происходит путем пряного образования зародышей кристаллов на поверхности теплоавмена. Зарождение кристаллов сульфата кальция (гипса) и их рост протекает путем присоединения молекул растворенного вещества из оГьема раствора.
Произведена' оценка влияния градиента температуры ввлиэи поверхности теплоовмена на кинетику зарадышеавравования и роста кристаллов. Проанализированы вариации скоростей роста кристаллов. Показано, что причиной их вызывающей' является наличие примесей в растворе. На примере сульфата кальция предложена модель образования расщепленных кристаллов, согласующаяся с полученными экспериментальными данными.
Практическая ценность равоти. Получены количественные зависимости, позволяющие расчетным путем определить диапазон допустимых пересыщений и температур нагрева накипеобразцюа^его раствора, Обеспечивающий минимальную скорость Образования сульфатной накипи на теплопередающих поверхностях выпарного и опреснительного Оборудования. Построена номограмма для определения предельных параметров проведения процесса упаривания природных и сточных вод с высоким содержанием сульфата кальция. Предложена методика упрощенной экспериментальной проверки правильности выЕранного диапазона температур и пересыщений накилеовразуицего раствора и оценки -ожидаемой скорости рос-га сульфатной накипи в промышленных выпарных аппаратах .
Установленные в равоте закономерности выли использованы для анализа, разработки и корректировки технологических и теплотехнических параметров процессов упаривания действующих и проектируемых выпарных установок и другого теплотехнического оборудования, что подтверждено актами внедрения.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных равот в отечественных и зарубежных научных изданиях.
Апровация равоты. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
Отраслевом совещании па опргсмек№э соленых вод, Сверд-НИИхиммаш, Екатеринбург, 1991г..; __
Отраслевом семинаре "Опреснение в вадоснавхении, вадо— подготовке и экологии", СвердНИИхиммаш, Екатеринбург, 1994г.J
Международном симпозиуме "Опреснение в Европе", Амстер-*ам, 1993г.;
Всемирном конгрессе по опреснению и водным наукам, Аву-Дави, 1995г.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, приложения. Равота содержит 23 рисунка и 8 тавлиц.
