Сырьевые материалы, поступающие на переработку 1 страница

Технология — наука о процессах и способах производства. Хими­ческая технология —наука о методах и процессах химической пе­реработки сырья в продукты, строительные материалы и изделия. Основными элементами химико-технологического процесса как ба­зы химической технологии являются сырье, энергия и аппаратура (оборудование). Они тесно связаны между собой и обусловлива­ются экономикой, состоянием и уровнем научно-технического про­гресса.

Сырьем называют исходные вещества или смеси (сырьевые смеси) из двух или большего количества компонентов, которые по­ступают в переработку для получения строительных материалов и изделий. Чаще других видов используется природное сырье. Оно добывается из недр земли или из ее поверхностных, наносных слоев, являясь в основном неорганическим. В качестве сырья ис­пользуют и органические вещества. Для той же цели применяются побочные продукты промышленности, сельского хозяйства, лесосе­ки и др.

Самым распространенным сырьем является природное неорга­ническое, к которому относятся горные породы и породообразую­щие минералы. Последние представляют собой оксиды, силикаты, карбонаты и другие сравнительно однородные по составу химиче­ские соединения. Менее распространенным является органическое сырье —вещества, содержащие в своем составе углеводороды или углеводы, их производные соединения.

Неорганическое сырье может быть неметаллическим и метал­лическим. Преимущественное применение при производстве строи­тельных материалов находят неметаллические, а в металлургии л, в частности, при изготовлении металлических строительных ма-

териалов — металлическое сырье. В обоих случаях оно может на­ходиться в твердом и жидком состояниях. Реже используются в качестве своеобразного сырья газообразные вещества, например в виде углекислого газа, водорода, кислорода и др. при получении газонаполненных, карбонизированных и некоторых других видов строительных материалов.

Из неорганического сырья наиболее широкое применение нахо­дят горные породы кремнеземистые, которые в своем составе со­держат кремнезем Si0₂, например кварцевые пески, песчаники и другие горные породы; глиноземистые, в состав которых входит глинозем А1₂0₃, например глины, бокситы и пр.; карбонатные, со­держащие углекислый кальций СаС0₃, — известняки, мел, мрамо­ры; сульфаты и другие природные кислородные соли, например гипсы и ангидриды (см. гл. 8).

Из органических природных видов сырья следует отметить ка­менные и бурые угли, нефть, торф, растительные и многие другие вещества, которые неоднородны по своему составу, но содержат различные соединения углерода (кроме карбонатов и карбидов).

Побочные продукты представлены шлаками металлургического производства, золами от сжигания каменного угля и кокса, горе­лыми породами, отходами горно-обогатительных комбинатов, дре­весными опилками и стружкой, соломой, кострой и т. п.

Все эти разновидности сырья применяют после соответствую­щей механической обработки (дробления, измельчения и др.), что придает сырью иную форму и иные размеры частиц. Такой способ обработки и. применения сырья отличается большой простотой, од­нако он не всегда является достаточным. Значительно чаще сырье подвергают более или менее сложной технологической переработ­ке, в результате которой оно частично или полностью переходит в иное вещество, с новым химическим составом, новыми характе­ристиками. В этом новом изменившемся состоянии сырье становит­ся уже строительным материалом или изделием. Нередко после механической обработки сырье выполняет функции материала-ком­понента более сложных смесей, подвергаемых технологической пе­реработке, в ходе которой смесь приобретает иной состав и свойст­ва (качественные показатели). К таким компонентам после механи­ческой обработки относятся песок, гравий, щебень, древесная дробленка, древесные опилки, а из жидких веществ—вода, водные растворы и др.; к смесям, с последующим технологическим воздей­ствием на них, — искусственные строительные конгломератные сме­си и конгломераты как камневидные материалы и изделия.

2.2, Основные процессы на стадиях технологии

При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергается в определенной последовательности комплексу меха­нических, химических, физико-химических и других воздействий. В результате сырье изменяет состав, внутреннее строение, качест-

венные характеристики, агрегатное состояние. При назначении комплексного воздействия на сырье учитываются необходимые размеры этих изменений сырья. Каждая разновидность строитель­ных материалов и изделий получается с помощью своей, специфиче­ской технологии, которая обосновывается с учетом характера сырья, разновидности готовой продукции, минимальных затрат энергии и труда, пониженной стоимости готовых изделий при высоком их качестве. Особую заботу составляет обеспечение непрерывности технологического процесса, хотя нередко может оказаться более целесообразной периодичность в технологии.

Технологию различают механическую и химическую. При ме­ханической технологии производства материалов, как отмечалось выше, сырью придают новую форму и необходимые размеры час­тицам, иную поверхность (например, полированную вместо грубо-околотой) и другой внешний вид. При химической технологии сырье в результате процессов переработки полностью или частично изме­няет свой химический состав, агрегатное состояние (например, из твердого переходит в жидкое состояние), а также приобретает но­вые формы и размеры, новое качество.

При большом разнообразии технологий и их различий между собой все они вместе с тем содержат некоторые сходные опера­ции и процессы. Общность операций (переделов) и процессов свя­зана с тем, что в их основе лежат нередко одинаковые физические или другие закономерности, сходные кинематические схемы дей­ствия оборудования и машинного парка.

К типичным основным процессам большинства технологий от­носятся следующие: подготовительные пооперационные работы; перемешивание отдозированных сырьевых компонентов; формова­ние смеси и уплотнение отформованных изделий; специальная об­работка материалов или изделий. Немалую роль играют вспомо­гательные операции, например транспортирование сырья, смеси или готовых изделий, складирование сырья и готовой продукции, хранение материалов, технический контроль качества и др. В не­которых технологиях может отсутствовать та или иная операция; тогда условно полагают, что она имеется, но продолжительность ее равна нулю. Ниже, в разделе втором книги, при описании изго­товления отдельных видов строительных материалов и изделий приведены примеры некоторых технологий. Здесь же изложены общие научные принципы и законы, которые лежат в основе типич­ных процессов и операций (переделов), что в теории ИСК именует­ся теоретической технологией строительных материалов.

Основная цель подготовительных работ заключается в том, что­бы придать сырью «технологичное» состояние, удобное для про­хождения его по последовательному циклу операций, полнее рас­крыть и по возможности увеличить потенциальную энергию сырья, с тем чтобы на последующих стадиях технологии (при перемешива-вании, обработке и пр.) она с наибольшей эффективностью пере­шла в кинетическую или другие виды энергии, способствуя и участвуя

в образовании новых соединений, формирующих структуру веществ.
В зависимости от разновидности сырья подготовительные опера­
ции заключаются: в измельчении, помоле, распушке и других спосо­
бах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционирова­
нии, просеве, промывке и других методах очищения поверхности
частиц и разделения их на отдельные группы (фракции) по грану­
лометрическому (зерновому) составу; увлажнении или обезвожи­
вании (сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаждении сырья
перед употреблением в смесях; обогащении, т. е. повышении одно­
родности сырья по массе, проч­
ности или другим качественным
показателям, что нередко совме­
щается с физико-химической об­
работкой с целью дополнительно­
го повышения активности поверх­
ности частиц или изменения ее
полярности, поверхностного натя­
жения и т. п. Таким образом, в
подготовительные пооперацион­
ные работы входят многообраз­
ные виды обработок сырья.
Рис. 2.1. Зависимость удельной по- Измельчение и помол —наи-
верэсности (X) от размера частиц более распространенные в техно-
(У) измельчаемого сырья логиях подготовительные опера-

ции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается разной необхо­димостью: обеспечить определенное соответствие между размера­ми частиц смеси и конструктивными элементами изделий, облег­чить технологические операции на стадиях приготовления смеси, повысить плотность и однородность дробленого материала, увели­чить удельную поверхность порошкообразного вещества после по­мола исходного материала. Известно, что между размером зерен у и удельной поверхностью х существует обратная пропорциональ­ная зависимость х = а/у^п, где а — величина поверхности частицы, размер которой равен единице. Эту зависимость можно изобразить в виде гиперболической кривой в системе координат Y — X (рис. 2.1). С уменьшением размера каждой частицы общая поверхность измельченного вещества быстро увеличивается, тогда как объем частицы при сложении обломков остается постоянным. Быстро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем расходует­ся при смешении нескольких компонентов в общую смесь, при фор­мовании изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела. После некоторого предела тонкости помола потенциаль­ная энергия поверхности может возрасти в такой мере, что нередко происходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование (слипа­ние) частиц с уменьшением удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности исходного продукта. Рациональный 26

предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле добавочных так называе­мых поверхностно-активных веществ, способных создавать на по­верхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агре­гирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрас­тают механическая работа и расход энергии на измельчение. Опе­рацию измельчения нередко совме­щают с разделением продукта помо­ла по крупности частиц просеивани­ем или сепарацией. Эта операция называется разделением сырья по фракциям.

Другой операцией является про­мывка зернистых фракционирован­ных материалов — песка, дроблено-то камня (щебня), гравия — с целью уменьшения количества пыли и гли­ны в смеси. Материалы промывают чистой водой или с добавлением хи­мических веществ. Но может быть и сухой способ очищения зер­нистых сырьевых материалов, что предохраняет его от смерзания в зимний период работ.

Нередко исходные сырьевые материалы подвергают так назы­ваемому обогащению. Эта операция состоит в повышении однород­ности по прочности, плотности и т. п. В основе обогащения лежат физические законы. В зависимости от принятого способа они могут •быть законами гравитации, сепарации, флотации, упругости и др. Эффективность способа оценивается по степени обогащения, коли­честву (выходу) обогащенного продукта и его качеству.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится теп­ловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и возможно даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или пол­ной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для пони­жения пластичности (например, глины).

Процесс сушки назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. Если сырьевой материал подвергнуть воздействию теплового агента (на­гретого воздуха, дымового газа и др.) или специальных источников нагрева (ламповые излучатели, ТЭН, паровые регистры и др.), то •с поверхности влага испаряется, а внутри перемещается к поверх­ности испарения за счет капиллярных сил, градиентов влажности и температуры. Общее в л агосо держание сырьевого материала умень-

шается пропорционально времени сушки, т. е. по линейному закону (рис. 2.2, отрезок бв). Температура поверхности материала в этом интервале остается постоянной и равна температуре адиабатическо­го* насыщения воздуха. Температура в центральных слоях мате­риала продолжает повышаться и достигает температуры адиабати­ческого насыщения позже в точке д. До точки б и точки г уменьше­ние влагосодержания идет не по прямолинейному закону. Динами­ка сушильного процесса ярко прослеживается с помощью кривой скорости сушки (рис. 2.3). Вслед за высушиванием материал на­гревают до необходимой температу­ры. Нередко обе операции совмеща­ются и протекают в одном тепло­вом агрегате, например, в сушиль­ном барабане или на колосниковой решетке.

В основе нагревания материала, выпаривания влаги, а также последу­ющего охлаждения и других тепловых процессов лежат законы теплопереда­чи. Согласно основному уравнению теплопередачи устанавливается связь между тепловым потоком Q и поверх­ностью теплообмена: Q=kFAt_cpT, где k — коэффициент теплопередачи, опре­деляющий среднюю скорость передачи теплоты по поверхности теплообмена; Д*_ср — средняя разность тем­ператур между теплоносителями, определяющая среднюю движу­щую силу процесса теплопередачи, или температурный напор; т — время. Из уравнения видно, что количество теплоты, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорцио­нально поверхности теплообмена F, среднему температурному на­пору Д*_ср и времени т.

Передача теплоты может осуществляться тремя способами: теп­лопроводностью, конвекцией, излучением. В основе этих способов теплопередачи находятся соответственно законы Фурье, Ньютона и Стефана—Больцмана (см. курс физики). В реальных условиях чаще всего теплота передается комбинированным способом, однако преобладающим в нем остается все же один из указанных способов передачи теплоты.

На стадии подготовительных работ производят также физико-химическую или химическую обработку исходных сырьевых мате­риалов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, позволяет получать строительный материал с более высокой плот­ностью, прочностью или с другим повышенным качеством. Эта опе­рация обычно выражается в добавлении специальных веществ,

* То есть без поглощения и.отдачи теплоты.

имеющих различные или комплексные функции — уплотняющие,
порообразующие, минерализующие и т. п. Она может быть совмеще­
на с механической обработкой, например, путем помола сырья в
смеси с добавкой. Тогда свежеобразующаяся поверхность измель­
чаемых частиц поглощает добавочное вещество с образованием
на поверхности молекулярных «пленок» или новых химических
соединений, повышая активность порошкообразного материала.
Некоторые сырьевые мате- j^ _

В

риалы выполняют в смеси функции компонента, находясь в жидком состоянии. Чтобы усилить индивидуальные осо­бенности их, подобно твердым, подвергают нагреванию для понижения вязкости, рафини­рованию с целью освобождения от примесей, электромагнитно­му воздействию (например, во­ды), обогащению с введением добавочных веществ, например растворимых ПАВ, электроли­тов, ингибиторов и др.

Следующей технологиче­ской операцией служит переме­щение подготовленных мате­риалов. При вертикальном, го­ризонтальном или наклонном транспортировании важно пре­дохранить материалы от поте­ри вновь приобретенных ка­честв: не охладить, если мате­риал был подогрет; не загряз­нить, если он был промыт; не

уВЛаЖНИТЬ, еСЛИ ОН был ПрОСу- лопасти

шен; не перемешать, если он

был фракционированным, и т. д. Больше того, транспортирование стремятся совместить с дополнительными, способами улучшения качества материала в пути следования к местам его употребления или хранения.

Обязательным звеном многих технологических линий служит хранение сырьевых материалов. Частое нарушение бесперебойной работы основного оборудования происходит вследствие образования в бункерах или других емкостях устойчивых сводов из сыпучих ма­териалов. Самопроизвольное прекращение истечения этих материа­лов приводит к нарушению правильного дозирования, ухудшению качества смесей. Для борьбы с образованием сводов применяют специальные обрушающие устройства (рис. 2.4).

Большое значение имеет автоматическое дозирование с отвеши-

ванием или отмериванием материалов, последующее перемещение отдозированных компонентов к смесительному аппарату или в мешалку.

Центральной операцией для большинства технологий является перемешивание компонентов в общую смесь. Нередко при произ­водстве безобжиговых ИСК в смесительных аппаратах начинаются и почти полностью завершаются все основные процессы структуро-образования материала, особенно его вяжущей части. Однако эти процессы могут развиваться и завершаться за пределами смеси­тельного аппарата, а иногда в нем они и не начинаются, например перемешивание шихты для ее последующего нагрева в печах до расплава или для так называемого спекания изделий при производ­стве обжиговых ИСК.

Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей — роторные принудительного действия. Механическое перемешивание обычно осуществляется в два эта­па: предварительное смешение сухих материалов; смешение с жид­костью, участвующей в качестве компонента смеси. Объединение компонентов может быть и без предварительного «сухого» смеше­ния, т. е. в один этап. В обоих случаях вначале происходит смачи­вание поверхности твердых частиц жидкой средой. Жидкости хоро­шо смачивают, если они способны понизить поверхностное натяже­ние, что зависит от ионного состава поверхностного слоя твердого вещества. Например, если в нем превалируют гидроксильные ионы, то смачиваемость водой полная, а твердые частицы относятся к гид­рофильным. Если в поверхностном слое превалируют ионы тяжелых металлов, то высокая смачиваемость обеспечивается не при контак­те с водой, а с маслом; тогда твердые частицы относятся к олео-фильным.

При полном смачивании твердые частицы способны в той же жидкости легко растворяться. Образуются истинные растворы — системы с содержанием одной фазы *, называемые гомогенными. Образованию такой системы может предшествовать ограниченное или неограниченное набухание твердых частиц в жидкой среде. Иногда растворение сопровождается химическим взаимодействием контактируемых компонентов и тогда следует выделить из них неза­висимые. Число независимых компонентов Кн равно общему коли­честву Ко за вычетом числа протекающих между ними химических реакций (х), т. е. К_а = Ко — х.

Более характерным процессом при перемешивании компонен­тов является формирование гетерогенной системы, которая отлича­ется от гомогенной (однородной) наличием двух или большего ко­личества фаз с поверхностями раздела между ними. Число фаз,

* Фазой называется часть системы, отграниченная от других поверхностью раздела, имеющая одинаковый состав н одинаковые свойства. Фаза является простой, если она состоит из одного индивидуального вещества, и смешанной, •если состоит из двух или большего количества индивидуальных веществ.

находящихся в устойчивом равновесии между собой, определяется правилом фаз: Ф = (К—С)+2, где С —число степеней свободы, т. е. наибольшее число условий, которые можно изменять — температу­ру, давление, концентрацию вещества, —не нарушая равновесия системы; оно всегда больше нуля или равно нулю, поэтому Ф^ < СК+2) Ф — количество фаз системы; К — количество компонен­тов или'химически индивидуальных частей системы.

Большое значение при перемешивании компонентов имеют ад­сорбция, представляющая собой самопроизвольное концентриро­вание и'уплотнение вещества на поверхности раздела фаз, и аб­сорбция с поглощением вещества всем объемом при проникании молекул внутрь твердого тела. Адсорбция и абсорбция, именуемые общим термином «сорбция», могут протекать одновременно и яв­ляются проявлением поверхностной энергии. Из растворов сильнее сорбируются те вещества, которые обладают меньшей растворимо­стью в растворителе. Адсорбция обычно протекает одновременно с диффузным процессом, т, е. самопроизвольным перемещением моле­кул в объеме жидкой среды или в поверхностных слоях. Скорость диффузии тем меньше, а, следовательно, период времени движения свободных молекул к поверхности твердого вещества (адсорбента) тем больше, чем крупнее частицы в растворе. Адсорбция может со­провождаться химической реакцией на поверхности адсорбента, которая называется хемосорбцией.

На процессы сорбции и диффузии влияют температурные факто­ры. При перемешивании смеси средняя температура не остается по­стоянной, так как химические реакции, адсорбция и смачивание сопровождаются выделением теплоты, а процессы растворения и испарения исходных веществ или новообразований — поглощением теплоты. Скорость диффузии несколько возрастает с повышением температуры (примерно на 1...3% на 1°С), особенно если при этом понижается вязкость среды. Количество же адсорбированного ве­щества на адсорбенте (поглощаемом веществе) возрастает с по­нижением температуры и повышением парциального давления (в случае парогазовой фазы). Повышение температуры и пони­жение давления способствуют десорбции, т. е. удалению с поверх­ности ранее адсорбированного вещества.

Адсорбционные слои вокруг частиц твердой фазы приводят к понижению поверхностного натяжения на границах раздела фаз, увеличению устойчивости системы с приближением к адсорбцион­ному насыщению (рис. 2.5).

Об эффективности перемешивания судят по качественным из­менениям исходных компонентов, концентрации новообразований, однородности смеси. Критериями однородности служат дисперсия, среднеквадратичное отклон ение, коэффи циент однородности и др.

о ^ -ЮО, / (СI —С₀)* гц _п