Григорьева Т.В. Игнатьев М.А.

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Подготовка стеариновой кислоты (C₁₈H₃₆O) к покрытию мелкодисперсного порошка тригидрата алюминия (Al(OH)₃)

Композиция гидроксида алюминия и стеариновой кислоты обладает синергическим действием и может быть использована в качестве технологической добавки во взрыво- и пожароопасных производствах.

Проведенный анализ существующих методов нанесения покрытий на дисперсные материалы позволил отклонить такие способы как нанесение покрытия раствором, т.к. кислота растворяется только в эфире, а это необходимо приводит к повышению категорийности производства; нанесение покрытия парами, т.к. кислота является предельной и при кипении разрушается; выдержка под давлением, т.к. это требует очень качественного предварительного смешения, и проведенные эксперименты не дали удовлетворительных результатов. Кроме того, из-за мелкости продукта возникают серьезные технические трудности при использовании пневмокипящего слоя, эжектирования и вообще пневмотранспорта.

Нами предлагается способ, использующий барабанные или планетарные мельницы для смешения и нанесения предварительно диспергированной кислоты на частицы гидроксида алюминия.

Для обеспечения возможно более качественного распределения частиц стеариновой кислоты по объему покрываемого порошка, необходимо, чтобы размер частиц кислоты был приблизительно равен размерам частиц порошка. Из существующих промышленных способов распыливания заданный размер частиц обеспечивает ультразвуковое распыливание.

Для выбора форсунки и расчета режима ее работы был исследован расплав стеариновой кислоты в диапазоне температур 68 – 110^оС. В результате было установлено, что расплав кислоты ведет себя как псевдопластичная жидкость со следующим реологическим законом:

, (1)

где T – температура в градусах Цельсия.

Анализ полученных данных позволяет утверждать, что наиболее благоприятный для диспергирования режим течения расплава будет наблюдаться при температуре 85°С.

Было экспериментально установлено значение теплоты полимеризации стеариновой кислоты 929 кДж/кг и уточнена температура плавления 68^оС.

Полученные данные позволили создать имитационную модель остывания капли.

При проведении процесса грануляции плава необходимая высота аппарата будет определяться траекторией движения гранул и тем временем, которое необходимо для затвердевания (полимеризации) капель плава.

Критическим будет являться время затвердевания капли, летящей вертикально вниз. Радиус аппарата будет определяться траекторией полета крайней кали. В общем случае капля вылетает из точки с координатами (x0:y0). Движение капли в аппарате после ее выбрасывания разбрызгивателем с некоторой начальной скоростью v0, под углом α0, происходит под действием двух сил: силы тяжести и силы сопротивления окружающей среды. Поэтому в незакрученном газовом вертикальном потоке траектории движения гранул будут плоскими кривыми.

Процесс остывания капли делится на три этапа: остывание капли плава до температуры полимеризации, полимеризация капли и остывание получившейся гранулы.

Уравнения движения капли-гранулы в проекциях на координатные оси будут иметь вид:

где m – масса капли (гранулы);, - горизонтальная и вертикальная проекции скорости; R - сила сопротивления; а - угол между вектором скорости и горизонтальной плоскостью.

Пренебрегая силой Архимеда и силой Босе, сила сопротивления потока будет равна

Коэффициент сложной теплоотдачи можно представить как

,где Т - температура капли.

Первый этап описывается следующей системе дифференциальных уравнений:

(2)

Со следующими начальными условиями для капли падающей вертикально вниз:

На втором этапе температура капли принимается постоянной, момент завершения полимеризации соответствуют моменту отдачи тепла равного запасу тепла полимеризации капли. Начальными условиями служат конечные значения с предыдущего этапа.

(3)

Для описания третьего этапа можно использовать систему (2), подставив значение теплоемкости для твердого состояния кислоты.

Первый счет проводился при допущении о постоянстве температуры окружающей среды. В результате было принято ориентировочное значение высоты аппарата Н, как 3/2 от точки застывания плава. Затем был проведен уточняющий расчет, в котором было принято допущение о линейном распределении температуры окружающей среды по высоте аппарата, т.е в системы (2) и (3) необходимо добавить

В результате машинного счета методом Рунге-Кутта были получены следующие зависимости:

Рисунок 1 – Зависимость скорости от времени

Рисунок 2 – Зависимость температуры от времени

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента теплоотдачи от времени

Моделирование движения крайней капли показало, что капля пренебрежимо мало отклоняется от своего первоначального положения, и факел распыла представляет собой цилиндр радиуса канала форсунки.

По результатам моделирования была сконструирована ультразвуковая установка предварительного диспергирования стеариновой кислоты.