Введение к работе
Актуальность работы.
Кристаллизация играет важную роль в технологии получения чистых веществ, солей, удобрений, пищевых продуктов, новых материалов для электроники и других отраслей. Несмотря на большое число исследований, посвященных разработке физико-химических закономерностей процесса кристаллизации, до сих пор отсутствуют достаточно надежные научные данные о влиянии технологических параметров на скорость роста кристаллов, их морфологическую форму, распределение кристаллических частиц по размерам. Зачастую, именно эти данные могли бы позволить целенаправленно воздействовать на эти характеристики кристаллических продуктов.
Такие проблемы являются актуальными для технологии карбамида, поскольку форма кристаллов карбамида, его химический и гранулометрический состав определяют в конечном итоге механическую прочность кристаллов продукта и содержание в нем технологических примесей.
Получение крупнокристаллического карбамида, не содержащего пылевидных фракций, является важной технологической задачей, решение которой позволит улучшить технически показатели стадии кристаллизации в производстве карбамида. Наличие в кристаллическом карбамиде мелкой фракции вызывает отложение пыли на стенках пневматического конвейера, циклонов, воздуховодов, лопастях рабочих колес вентиляторов. Это приводит к необходимости периодической промывки системы. Кроме того, велики потери карбамида, связанные с уносом пыли из циклонов. Однако имеющихся в литературе данных о механизме, кинетике и особенностях кристаллизации карбамида из водных растворов явно недостаточно для решения этой технологической задачи.
Неоднородность размеров частиц кристаллического карбамида не позволяет использовать его, хотя бы частично, в качестве весьма чистого (по содержанию биурета) конечного продукта, отказавшись от последующей грануляции.
С этой точки зрения исследования, направленные на изучение кинетики роста кристаллов и влияния внешних факторов на гранулометрический состав и морфологию частиц при кристаллизации карбамида из водных растворов являются весьма актуальными.
Цель работы - раскрытие физико-химических закономерностей процесса кристаллизации карбамида из водных растворов, определение условий, необходимых для получения кристаллического карбамида с улучшенными характеристиками, выработка мероприятий по совершенствованию стадии кристаллизации в производстве карбамида.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Изучить влияние на скорость процесса кристаллизации карбамида пересыщения, скорости охлаждения и гидродинамических условий в широком диапазоне температур.
Получить экспериментальные данные по влиянию пересыщения, температуры, гидродинамического режима, присутствия ПАВ и акустического воздействия на форму и распределение частиц по размерам при массовой кристаллизации карбамида.
3. С учетом полученных физико-химических закономерностей провести анализ стадии кристаллизации в существующей технологии производства карбамида и разработать мероприятия по её совершенствованию.
Объекты и предмет исследования.
Объектом исследования является процесс кристаллизации в производстве карбамида. Предмет исследования - закономерности процесса кристаллизации карбамида в условиях роста одиночного кристалла и в условиях массовой кристаллизации и совершенствование стадии кристаллизации в производстве карбамида, позволяющее увеличить изометричность и степень монодисперсности кристаллов, снизить содержание пылевидной фракции в промышленном кристаллическом продукте.
Научная новизна работы.
Изучены физико-химические закономерности процесса кристаллизации карбамида из водных растворов и определены параметры, необходимые для получения в лабораторных и промышленных условиях продукта с более высокой монодисперсностью и изометричностью кристаллов, а именно:
Установлено влияние величины пересыщения раствора карбамида на скорость роста и анизотропию формы кристаллов карбамида. Доказано, что с увеличением температуры и пересыщения рост кристаллов протекает по микроблочному механизму. При этом анизотропия формы возрастает за счет усиления микроблочного роста граней [001].
Выявлено влияние гидродинамических условий на скорость роста кристалла карбамида. Показано, что с повышением скорости движения жидкой фазы на кривой скорости роста появляется максимум, обусловленный протеканием конкурирующих процессов встраивания и вытеснения микроблоков с поверхности граней кристалла.
Выявлена зависимость отношения длина/ширина кристаллов от концентрации насыщения и скорости охлаждения раствора. Установлено, что с понижением температуры кристаллизации изометричность формы кристаллов карбамида возрастает за счет снижения скорости роста граней [001].
Практическая значимость работы.
На основании проведенных исследований разработаны и опробованы мероприятия по совершенствованию процесса кристаллизации в производстве карбамида (ввод питающего раствора в испарительную часть кристаллизатора), которые позволяют увеличить крупность кристаллов в среднем на 20-25% и уменьшить пы-леунос на 20-22%.
Предложено использовать ультразвуковую импульсную обработку на стадии созревания суспензии в кристаллизаторе, что позволит повысить степень изомет-ричности кристаллов, увеличить средний размер на 60%, придать им более сглаженную форму и снизить содержание пылевидной фракции в кристаллическом продукте с 20 до 3 мас.%.
На защиту выносится:
1. Кинетические закономерности роста различных граней единичного кристалла карбамида в зависимости от температуры, пересыщения, наличия ПАВ и гидродинамических условий.
Влияние импульсной ультразвуковой обработки на стадии созревания суспензии карбамида на распределение кристаллов по размерам и форму частиц.
Мероприятия по совершенствованию процесса кристаллизации карбамида на промышленной установке, способствующие повышению монодисперсности и изометричности кристаллов, снижению содержания пылевидной фракции в продукте.
Результаты опытно-промышленной проверки мероприятий по совершенствованию процесса кристаллизации.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на областной дистанционной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья» (Пермь 2005), на областной конференции молодых ученых и студентов «Химия и экология» (Пермь, 2006), на I Всероссийской конференции «Молодежная наука в развитии регионов» (Березники 2011).
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 7 научных статей, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 128 страницах и состоит из введения, обзора литературы, методической части, результатов исследования и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы из 103 источников. Работа содержит 52 рисунка и 32 таблицы.
