CC BY
54
УДК 661.635.2
М. И. Никандров, И. С. Никандров, В. Э. Ткачева
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФАТОВ НАТРИЯ, ХЛОРИДОВ АММОНИЯ, КАЛЬЦИЯ, БАРИЯ
Ключевые слова: мононатрийфосфат, моноаммонийфосфат, динатрийфосфат, тринатрийфосфат, хлористый аммоний,
хлористый кальций, хлористый барий, порошок, свойства.
Определены физико-механические свойства (насыпная масса, угол естественного откоса, коэффициент текучести, коэффициент трения по стали, коэффициент внутреннего трения) сыпучих порошков мононатрийфосфата безводного, моноаммонийфосфата, динатрийфосфата семиводного, тринатрийфосфат десятиводного, хлористого аммония, хлористого кальция и хлористого бария двухводного. Изучено влияние влажности соли на изменение физико-механических свойств. Получены уравнения зависимости свойств от влажности соли, необходимые для расчета оборудования в системе автоматического проектирования. Угол естественного откоса изученных солей равен 37-42 градуса, коэффициент текучести (4-5) м2с/кг, коэффициент трения по стали равен 0,44-0,62, углы внутреннего трения изученных солей равны 32,6-39 градусов.
Keywords: monosodium phosphate, monoammonium phosphate, disodium phosphate, trisodium phosphate, ammonium chloride,
calcium chloride, barium chloride, powder, properties.
The physical and mechanical properties (a loose gravity, an angle of repose, a flow coefficient, a coefficient offriction for steel, an internal friction coefficient) of loose powders of anhydrous monosodium phosphate, monoammonium phosphate, disodium phosphate heptahydrate, trisodium phosphate decahydrate, ammonium chloride, calcium chloride and barium chloride dehydrate are determined. The influence of salt humidity on the changes of physical and mechanical properties is studied. The equations of properties-salt moisture correspondence necessary for the equipment calculations in automatic design system are obtained. The angle of repose of the studied salt is equal to 37-42 degrees, the flow coefficient is equal to (4-5) s / kg, the coefficient of friction for steel is equal to 0,44-0,62, corners of internal friction of the studied salts are 32,6-39 degrees.
Введение
Данные по физико-механическим свойствам сыпучих порошков солей необходимы для расчета бункеров, дозаторов, подъемно-транспортного и фасующего оборудования. В связи с этим, экспериментальное определение отсутствующих данных по свойствам сыпучих материалов является необходимым и актуальным.
Цель работы - получение отсутствующих в литературе сведений по физико-механическим свойствам твердых порошкообразных солей, в том числе ранее невыпускавшихся мононатрийфосфата безводного, динатрийфосфата семиводного, тринатрийфосфата десятиводного. Данные соли имеют относительно большее содержание основного вещества, являются перспективными более концентрированными солевыми продуктами, которые могут быть получены по энергосберегающим циркуляционным технологиям.
Экспериментальная часть
Для исследования свойств были наработаны образцы мононатрийфосфата безводного (МНФ), моноаммонийфосфата (МАФ), динатрийфосфата семиводного (ДНФ), тринатрий фосфата десятиводного (ТНФ10), тринатрийфосфата двенадцативодного (ТНФ12), хлористого аммония (ХА), хлористого кальция (ХК), хлористого бария двухводного (ХБ). Образцы изученных солей выделяли политермической кристаллизацией из нейтрализованных растворов, полученных по циркуляционным технологиям [1-6].
Отжатые на фильтре кристаллы промывали
ацетоном и сушили промоканием. Далее соль сушили при температуре 105 °С до постоянного веса в сушильном шкафу. Образец хлористого кальция получали в виде гранулята сушкой раствора в аппарате с «кипящим слоем» продукта. Определение насыпной массы, угла естественного откоса, коэффициента текучести, коэффициента трения по стали, коэффициента внутреннего трения сыпучих порошков солей проводили по методикам, описанным в [7].
Судя по грансоставу полученных образцов солей, они содержали частицы относительно более крупных фракций по сравнению с товарным карбонатом натрия, ГОСТ 5100-85 [5]. Доля частиц размером менее 0,1 мм в карбонате натрия составляла 65%. В изученным солях доля таких частиц меньше и она составляет 4-47%.
Текучесть порошков оценивали по величине коэффициента текучести (К), определенного по времени свободного вытекания порошка навески сыпучего материала из отверстия конической воронки. Расчет коэффициентов текучести проводили по уравнению [5]:
Т . г2.58
К = ——, в
где х - время вытекания навески соли, сек; г -радиус отверстия воронки с углом конусности 60 град. (0,008м); в - масса навески сыпучего материала (0,200 кг).
Результаты и их обсуждение
Судя по гранулометрическому составу полученных образцов солей (табл. 1), они
содержали частицы относительно более крупных фракций по сравнению с товарным карбонатом натрия, ГОСТ 5100-85 [5]. Доля частиц размером менее 0,1 мм в карбонате натрия составляла 65%. В изученным солях доля таких частиц меньше и она составляет 4 -47%.
Таблица 1 - Гранулометрический состав образцов солей
Полученные данные по физико-механическим свойствам порошков изученных солей приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Физико-механические свойства солей
Экспериментально показано, что насыпная масса изученных солей в 1,5 - 1,76 раза больше насыпной массы соды, и только для хлоридов аммония и гранулята хлорида кальция она относительно ниже в 0,8-0,9 раза.
Исследование влияния влажности фосфатов натрия на насыпную массу порошка соли показало, что с ростом влажности до 10% насыпная масса соли растет. Данный рост описывается уравнением:
Y = Yo (1 +
где Y0 - насыпная масса сухой соли, кг/м3; К1 -коэффициент влияния влажности на насыпную массу; ^ - влажность соли в массовых долях.
Для мононатрийфосфата безводного величина коэффициента К1 равна 0,41, для семиводного динатрийфосфата - 0,79 и для десятиводного
тринатрийфосфата - 1,08.
Угол естественного откоса сыпучего порошка соли определяется как его влажностью, так и размером частиц. Отмечена закономерность понижения частиц соли с уменьшением среднего размера угла естественного откоса сыпучей соли. На рис. 1 использованы литературные данные по углам естественного откоса для хлорида и сульфата калия, хлорида натрия, аммонийной селитры и карбоната кальция (указаны квадратиками) [5]. С ростом влажности порошка соли на 2-5% угол естественного откоса для нее возрастает на 4-6 градусов.
Доля частиц 0,1-0,2 мм
Рис. 1 - Влияние доли частиц размером 0,1-0,2 мм в сыпучей соли на угол естественного откоса материала
Текучесть сыпучих материалов характеризует их способность вытекать из отверстия. Она зависит от влажности материала, его грансостава, коэффициента внутреннего трения частиц. Текучесть оценивают коэффициентом текучести.
Коэффициент текучести мононатрийфосфата безводного, динатрийфосфата семиводного, тринатрийфосфата десятиводного,
моноаммонийфосфата и хлористого аммония близки к значению коэффициента текучести соды (4-5 м2с/кг). Коэффициент текучести хлорида бария двухводного и тринатрийфосфата
двенадцативодного значительно ниже (2,6 м2с/кг). Коэффициент текучести гранулята хлористого кальция значительно выше, чем у соды (7,6 м2с/кг).
Коэффициент трения по стали сухого порошка соли максимален для соды. Для хлористого бария он ниже (0,62), для тринатрийфосфата десятиводного еще ниже (0,60), для двенадцативодного тринатрийфосфата и мононатрийфосфата безводного он равен (0,57-0,58), для динатрийфосфата семиводного и
моноаммонийфосфата он ниже (0,52-0,51), для хлористого аммония (0,48) и для хлористого кальция (0,44) он самый низкий.
Коэффициент трения соли по стали зависит от её влажности и определяется уравнением:
Ч ст = Ч ст (1 + К 2 • Ш)
где чст - коэффициент трения сухой соли при
Фракция, мм Сода Массовая доля фракции соли, %
МНФ МАФ © ТНФ10 ТНФ12 ХА й X
>1 8
0,4 - 1,0 1 3 11 3 8 12 1 7 31
0,2 - 0,4 5 9 16 16 40 31 16 17 39
0,1 - 0,2 29 46 35 34 44 41 43 36 4
0,063 -0,1 35 28 28 35 6 11 24 28 -
<0,063 30 15 10 12 2 5 13 12 -
Соль Насыпная масса кг/м3 о г о н л нн о и * £ с * 8 с н ^ с и с Коэффициент текучести м2-с/кг Коэффициент трения по стали нто к й ' ¡М эу он Кв Угол внутреннего трения
Сода 585 41 4,5 0,675 0,875 41,2
МНФ 910 39 3,6 0,57 0,74 36,6
МАФ 870 38 5,1 0,51 0,64 32,7
ДНФ 985 40 3,9 0,52 0,68 34,3
ТНФ10 1030 42 3,4 0,60 0,80 39,0
ТНФ12 1020 41 2,6 0,58 0,77 37,6
ХА 576 37 4,1 0,48 0,64 32,6
ХБ 984 38 2,6 0,62 0,78 38,0
ХК 462 42 7,6 0,44 0,72 35,8
температуре 20 °С; К2 - коэффициент влияния влажности соли на коэффициент трения по стали; ы -массовая доля воды в соли.
Для соды, хлористого аммония, хлористого бария двухводного и тринатрийфосфата десятиводного К2 равен 0,3-0,35.
Для мононатрийфосфата безводного,
моноаммонийфосфата, динатрийфосфата семиводного и хлористого кальция К2 равен 0,5-0,6.
Коэффициент внутреннего трения частиц друг о друга изученных солей ниже, чем у соды. Он составляет для тринатрийфосфата десятиводного 0,80, для мононатрийфосфата безводного 0,74, для моноаммонийфосфата и хлористого кальция 0,72, для динатрийфосфата семиводного 0,68 и для хлористого аммония 0,64.
Этим значениям коэффициентов внутреннего трения соответствуют значение углов внутреннего трения (ф) сыпучих порошков для тринатрийфосфата десятиводного равное 39 градусов, двенадцативодного 37,6 градуса, для мононатрийфосфата безводного 36,6 градуса, для моноаммонийфосфата 35 градусов, для динатрийфосфата семиводного 34,3 градуса. Коэффициент внутреннего трения порошка сыпучего материала (I) является функцией его угла внутреннего трения (ф):
I = ф.
Отношение угла естественного откоса соли к его углу внутреннего трения характеризует величину коэффициента связности сыпучего материала К3:
К3 = а / ф.
Судя по коэффициенту связности сыпучего порошка мононатрийфосфат безводный,
моноаммонийфосфат, динатрийфосфат семиводный и тринатрийфосфат десятиводный относятся к практически сыпучим материалам (К3 = 1,03-1,08). Хлористый аммоний является связным материалом (К3 = 1,13). Моноаммонийфосфат и хлористый кальций являются еще более связными материалами (К3 = 1,161,17).
Заключение
1. Углы естественного откоса солей равны 37-42 градуса.
2. Коэффициент текучести порошка солей равен 4-5 м2с/кг. Значительное отклонение от этой величины установлено для хлоридов бария и кальция (соответственно 2,6 и 7,6 м2с/кг).
3. Коэффициент трения порошков соли по стали равны 0,44-0,62.
4. Углы внутреннего трения сыпучих порошков изученных солей равны 32,6-39 градусов.
Литература
1. Никандров М. И., Никандров И. С. Разработка приемов совершенствования производства солей [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования.-2013.- № 6; URL: http: www.science-education.ru /11311239.
2. Никандров М. И. Исследование кристаллизации фосфатов натрия [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования.-2012.-№3; URL: http:www.science-education.ru/103-6154.
3. Никандров М. И., Никандров И. С. Кристаллизация хлористого аммония // Фундаментальные исследования.-2012.-№ 6 (часть 1).- C. 145-149.
4. Никандров М. И., Никандров И. С., Суровегина Т.Ю. Распределение примесей при кристаллизации семиводного динатрийфосфата [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования.-2014.-№ 6; URL: http: www.science-education.ru/120-16334.
5. Никандров М.И. Исследование кристаллизации фосфатов натрия [Электронный ресурс] / М. И. Никандров // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/103-6154.
6. Никандров М. И. Разложение плава сульфида бария солянокислым раствором хлористого бария [Электронный ресурс] / М.И. Никандров, Т.Н. Казанкова, И.С. Никандров // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/118-13922.
7. Макаров Ю. И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение. - 1973. - С. 216.
© М. И. Никандров - канд. техн. наук, ведущий инженер Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (ДНИ НГТУ), [email protected]; И. С. Никандров - д-р техн. наук, профессор ДНИ НГТУ; В. Э. Ткачева - канд. технических наук, доцент кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, [email protected].
© M. 1 Nikandrov - PhD in Engineering sciences, leading engineer, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, [email protected]; I S. Nikandrov - Grand PhD in Engineering sciences, Professor, the same University; V. E. Tkacheva - PhD in Engineering sciences, Associate Professor, Department of Electrochemical engineering, KNRTU, [email protected].
