CC BY
46
УДК 661.152.3
Николаева Н.В., Соколов В.В., Почиталкина И.А.
КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЯХ ПРИ БЕСТАРНОМ ХРАНЕНИИ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ
Николаева Наталья Владимировна, аспирантка кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Соколов Валерий Васильевич, к.т.н., начальник отдела качества и стандартизации, АО «НИУИФ», e-mail: VVSokolov 1 @phosagro. ru.
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В.Самойлова (АО «НИУИФ»), Череповец, Россия 162622, г. Череповец, Северное шоссе, д.75.
Почиталкина Ирина Александровна, к.т.н., доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Проведены исследования по изучению влияния параметров окружающей среды и условий перевозки на физико-химические свойства минеральных удобрений. В качестве контролируемого параметра была выбрана относительная влажность воздуха в межгранульном пространстве и подобрано оборудование для ее контроля и регистрации при транспортировке.
Ключевые слова: изотерма сорбции, влажность минеральных удобрений, методы контроля и качества минеральных удобрений
CONTROL OF MOISTURE CONTENT IN MINERAL FERTILIZERS DURING BULK STORAGE AND TRANSPORT
Nikolaeva N.V., Sokolov V.V., Pochitalkina I.A.
Joint-stock company "Scientifically-research Institute on fertilizers and insectofungicides named after Professor Y. V. Samoilov (JSC "NIUIF"), Cherepovets, Russia
The conducted research on studying of influence of environmental parameters and transport conditions on the physico-chemical properties of mineral fertilizers. As a controlled parameter was selected relative humidity of the air in the interstitial space and selected the equipment for its control and registration during transport.
Key words: sorption isotherm, moisture content offertilizers, methods of control and quality offertilizers
В настоящее время проблема обеспечения сохранности гранулированных минеральных удобрений при их хранении, перевалке и транспортировке является одной из основных для производителей минеральных удобрений. Это связано с увеличением объемов доставки удобрений навалом, что привело к ужесточению требований, предъявляемых к физико-химическим показателям качества -слеживаемости, прочности и пылимости минеральных удобрений, способности
поглощения влаги из воздуха.
Основной проблемой, с которой сталкиваются на практике при хранении удобрений навалом и транспортировке являются резкие перепады температуры и влажности окружающего воздуха, осадки в виде дождя и снега при погрузочно-разгрузочных работах, попадание забортной воды при транспортировке речным и морским транспортом. Все эти факторы указывают на необходимость контроля и регистрации температуры и влажности удобрений, на всех этапах перевозки и хранения.
Одним из методов такого контроля качества перевозки является регистрация влажности и температуры воздуха в межгранульном пространстве [1]. Но для того чтобы использовать эту информацию необходимо знать изотермы сорбции влаги в рабочем диапазоне температур для различных марок удобрений.
В литературе имеются данные по изотерме сорбции влаги для порошкообразного диаммонийфосфата и гранулированного моноаммонийфосфата в неравновесных условиях охлаждения продукта, поэтому применять их на практике для нашего случая невозможно.
2,5
SJ
5
а 1,5
I ^
^ 1
!j L
г
i
^ 0.5
4
1 9
Хт—1-Л-п- 2 ■---
3 /
0 20 40 60 80 100
Относительная влажность, %
Рис.1. Изотермы сорбции фосфатов аммония:
1 -порошка диаммонийфосфата при t=250C [2]; 2 -гранул диаммонийфосфата при t=40oC;
3 - гранул моноаммонийфосфата при t=40oC [3]; 4 -
гигроскопическая точка аммофоса по Пестову.
Нами была предпринята попытка получить изотерму сорбции (рис.1, зависимость 2) для промышленного образца диаммонийфосфата при t=40oC. Для этого, посредством увлажнения исходного продукта были получены образцы удобрения с разным влагосодержанием. Для определения давления паров воды над исследуемым продуктом использовали гигрометр с функцией анализа активности воды Rotronic Б^4.
Навеску анализируемого продукта 25-30 г помещали в контейнер, а затем в измерительную камеру, герметично закрываемую корпусом датчика.
Полученную изотерму 2 (рис.1) сложно применить на практике, так как она не корректно описывает имеющуюся зависимость давления паров воды от влажности гранул. Мы полагаем, что это связано с неравномерностью распределения влаги между периферией и центром гранул при увлажнении пробы, а также большой погрешностью методики определения влажности. Тем не менее, работы по совершенствованию методики определения изотерм сорбции удобрений будут продолжены.
Для регистрации температуры и относительной влажности в межгранульном пространстве были выбраны датчики (логгеры), которые регистрируют условия окружающей среды и ведут запись на собственный носитель. Защиту логгера от механических воздействий и пыли обеспечивал пластиковый контейнер с нейлоновой сеткой (ячейка 200 мкм).
С помощью данного прибора исследовали динамику изменения относительной влажности в межгранульном пространстве при условии увлажнения массы удобрения водой извне (имитация попадания забортной воды в лабораторных условиях).
Логгер погружали в открытый контейнер объемом 20 л с NPK-удобрением и порциями по 100 мл добавляли воду. За время проведения эксперимента (в помещении в течении 10 суток) относительная влажность в межгранульном пространстве при стабильной температуре 20°С выросла с 52% до 58%. Перераспределение влаги происходит в течении 10 часов.
Далее были проведены исследования изменения физико-химических и структурных характеристик гранул после хранения продукта насыпью на открытом воздухе под навесом в течении 45 суток. Контейнер объемом 20 л был заполнен промышленным образцом NPK-удобрения марки 1616-8. В контейнер были помещены логгеры, расположенными на разной глубине. Контейнер находился в течении 45 суток на открытом воздухе под навесом. Относительная влажность и температура в межгранульном пространстве непрерывно регистрировались на протяжении всего опыта. Температура окружающей среды на протяжении всего испытания менялась от -5 до 20 °С, а относительная влажность воздуха от 20 до 100%.
Результаты этих экспериментов подтвердили наши предположения о том, что по изменениям активности воды в межгранульном пространстве можно судить об условиях перевозки минеральных удобрений навалом.
После проведения эксперимента при хранении удобрения на открытом воздухе были исследованы физико-химические показатели образца,
подвергшегося испытаниям. Визуальный анализ показал, что верхний слой удобрений изменил цвет с бежевого на светло-серый, на поверхности сформировалась рыхлая, легко разрушаемая при прикосновении корка толщиной 25-30 мм.
Структура и химический состав на поверхности сколов гранул, отобранных из верхнего слоя, и исходного образца исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (микроскоп TM 3030 фирмы Hitachi).
На микрофотографиях при картировании распределения химических элементов хорошо видна зона перекристаллизации по краям гранул. Глубина зоны перекристаллизации составляет 500-700 мкм. Границы кристаллов KCl размыты, при этом, в ряде случаев, распределение при картировании калия и хлора не совпадает, что говорит о перекристаллизации с образованием новых фаз.
Ранее с помощью неразрушающих методов анализа (рентгеновская микротомография, сканирующая электронная микроскопия) было также показано [4], что реакции обмена в твердой фазе протекают в незначительной степени. Однако, при увлажнении продукта происходит частичное растворение кристаллов KCl и (NH4)2SO4 и степень протекания конверсионных реакций значительно возрастает. В наружном слое зоны перекристаллизации гранул отмечается высокое содержание хлора, в то время как калий распределен по сколу достаточно равномерно - это позволяет
предположить протекание обменной реакции с образованием N^0 на поверхности гранул.
Исследование гранул из слоя на глубине 50 мм от поверхности показало лишь частичную перекристаллизацию с появлением незначительного диффузионного «ореола» вокруг мелких кристаллов хлористого калия, прилегающих к поверхности гранулы. При обследовании гранул из более глубоких слоев эффекта перекристаллизации обнаружено не было.
Несмотря на то, что влагосодержание образца в разных слоях значительно не отличается, статическая прочность гранул из верхнего и прилегающего к нему слоя снизилась по сравнению с исходным образцом в 2 раза. Поверхность гранул верхнего слоя стала более рыхлой. Процессы перекристаллизации, как видно, ухудшают физико-механические характеристики продукта. Из полученных нами данных можно сделать вывод, что «активное» проникновение влаги в образец при его увлажнении/подсушивании атмосферным воздухом, вероятно, не превышает 80 мм. Таким образом, верхний слой удобрения служит своего рода защитной преградой, которая не дает проникать влаге глубоко внутрь массы удобрения.
На основании проведённых лабораторных экспериментов была выбрана глубина и место расположения датчика в массиве удобрения. Для практической оценки работы логгера также был проведен натурный эксперимент при транспортировке удобрений в зерновозах по маршруту Череповец-Мурманск. По результатам проведённых испытаний, показано, что резких перепадов температуры и относительной влажности в межгранульном пространстве не происходило. Запланированы натурные испытания при перевозке минеральных удобрений речным транспортом.
Выводы:
1. Обоснован выбор оригинального метода и подобрано оборудование для контроля условий перевозки удобрений;
2. Впервые показана динамика перераспределения влаги в массе удобрений в лабораторных и реальных условиях. Показано, что данный метод контроля, основанный на регистрации влажности и температуры воздуха в межгранульном пространстве, позволяет фиксировать влияние внешних условий (параметры окружающего воздуха, осадки в виде дождя и снега при погрузке-разгрузке или попадание забортной воды и т.п.) на качество перевозимого продукта;
3. На сегодняшний день показано, что необходимо усовершенствовать методику определения изотерм сорбции для гранулированных минеральных удобрений.
Список литературы
1. Андриянова Е.А., Соколов В.В., Грибков А.Б., Петропавловский И.А. Зависимость слеживаемости минеральных удобрений от условий хранения // Роль аналитических служб в обеспечении качества минеральных удобрений и серной кислоты: сб. статей. - Москва, 2015. -С.32-41.
2. Норов А.М. Разработка технологии диаммонийфосфата из неконцентрированной экстракционной фосфорной кислоты с использованием барабанного гранулятора-сушилки : дис....канд. техн, наук. - М,, 2014. -С.70.
3. Терещенков В.В. Разработка оптимального процесса охлаждения фосфорсодержащих минеральных удобрений в аппаратах с псевдоожиженным слоем: дис..канд. техн, наук. - М,, 1983. - С. 84.
4. Кочетова И.М., Соколов В.В. и др. Особенности определения фазового состава комплексных минеральных удобрений с применением неразрушающих методов анализа -микротомографии и электронной микроскопии. //Химическая промышленность сегодня. - 2016. - №10. - С.11-17.
