Рис. 3.4. Взаимные соотношения значений КОВ технических продуктов с гетерогенной примесью и интервала (φ = 40 – 90%) меняющейся относительной влажности воздуха для умеренного климата.

В качестве примера рассмотрим слёживаемость хлорида натрия с добавкой хлорида магния. У такого продукта КОВ снижается с 75 до 33 % относительной влажности воздуха, то есть выводится из диапазона 40 – 90 % с меняющейся влажностью воздуха. Например, образец поваренной соли с влажностью 0,4 %, содержащий 0,15 % хлорида магния имеет над собой равновесную относительную влажность воздуха 52 %. Такой образец содержит 0,56 % эвтонического раствора на поверхности своих кристаллов, этот раствор образует жидкостные мениски между кристаллами. Расчеты показываю, что если такой образец переместить в атмосферу с 36 % относительной влажности воздуха, то он подсохнет на 0,09 % влаги. При этом из жидкостных менисков выделится 0,009 % хлорида натрия, что составит около 1/50 от общей массы раствора в жидкостных менисках, что недостаточно, для образования кристаллических мостиков и создания прочной структуры слежавшегося брикета соли. Эти расчеты были проверены экспериментально.

Опыты по изучению слёживаемости хлорида натрия с гигроскопичной добавкой хлорида магния проводили в условиях контролируемой относительной влажности воздуха. Предварительно определили, что чистый хлорид натрия при влажности окружающего воздуха ниже 75 % слёживается всегда; степень слёживаемости (в кПа) пропорциональна влажности продукта и не зависит от величины относительной влажности воздуха, т.е. длительность эксперимента достаточна, чтобы продукт полностью высох. Экспериментально установлено, что продукт с добавкой хлорида магния при значениях относительной влажности воздуха выше КОВ (33 %) не слёживается (рис. 3.5). Область значений относительных влажностей воздуха, при которых исследуемые образцы соли не слёживаются, соответствует пологому участку на изотерме абсорбции паров воды для этого продукта. При влажности воздуха ниже КОВ влага из продукта выделяется полностью, и продукт слеживается, причем с добавкой MgCl2 слёживается сильнее, чем без неё.

Рис. 3.5. Зависимость степени слёживаемости хлорида натрия от относительной влажности воздуха при различном содержании добавки хлорида магния ( % масс.): 1– без добавки; 2 – 0,05; 3 – 0,1; 4 – 0,3. Результаты интерполированы для исходной влажности хлорида натрия 0,4 %.

Требования к подбору гигроскопичных антислёживающих добавок

Исходя из выше изложенного, можно сформулировать определённые требования к подбору антислёживающих добавок.

Добавка должна быть гетерогенной по отношению к основному веществу, образовывать с ним при увлажнении эвтонический раствор.

Добавку следует искать среди сильногигроскопичных веществ, однако главное, чтобы относительная влажность над эвтоническим раствором добавки с основным компонентом была как можно ниже. Низкое значение КОВ способствует появлению пологого участка на изотерме абсорбции, и выведению КОВ продукта за пределы опасного диапазона колебаний относительной влажности воздуха в атмосфере.

В общем случае величина КОВ не должна превышать 40% отн. вл. в., в конкретном – величина КОВ зависит и от других факторов, например от климатических условий, где будет использоваться данный продукт. Оптимальная величина добавки должна быть в пределах 0,05 - 0,5% масс. и уточняться экспериментально. Значение концентрации антислёживающей добавки определяется следующими соображениями.

Во-первых, ее содержание должно быть достаточным большим, чтобы её антислёживающий эффект проявлялся гарантированно, даже при некоторых отклонениях в технологических режимах дозирования добавки. Для этого необходимо, чтобы в каждый контакт между частицами попала добавка, в количестве достаточным для образования жидкостного мениска. На величину концентрации добавки может влиять дисперсность продукта и технология равномерного распределения добавки в массе продукта.

Во-вторых, её содержание должно быть минимальным, так как её введение приводит к увлажнению продукта. Однако этот момент не должен являться априори отрицательным при использовании такого рода добавок, так как при строго определенном количестве введенной добавки в технический продукт, равновесное содержание влаги в продукте, обусловленное ее присутствием, также ограничено. Увлажнение продукта при влажности воздуха между КОВ и КОВ' в присутствии гетерогенной добавки прямо пропорционально ее содержанию. Благодаря этому, можно подобрать оптимальное содержание добавки, за счет которого равновесное увлажнение почти во всем диапазоне относительной влажности не будет превышать технических требований к конкретному продукту по значению влажности продукта.

Следует учитывать специфические свойства добавки (гигиенические, экологические), химические свойства технического продукта и добавки, их химическую совместимость, причем совместимость не только с основным веществом, но и примесями технического продукта.

Антислёживающий характер гигроскопичных гетерогенных добавок может различным образом сочетаться с другими индивидуальными свойствами основного вещества и добавки, в результате чего антислёживающий эффект либо ослабляется, либо усиливается. Примером первого служит антислёживающее действие добавки мочевины на слёживаемость аммиачной селитры, которое проявляется только при комнатной температуре, но совершенно исчезает при повышении температуры выше температуры полиморфного фазового перехода селитры при 32 оС. Наглядной иллюстрацией второму случаю является использование гигроскопичной антислеживающей добавки сернокислого метиламина к сульфату аммония, которая оказывается эффективной даже при относительной влажности воздуха ниже КОВ равной 45 %, видимо по причине образования мелких, механических непрочных кристаллов в кристаллических мостиках. Поэтому любая предлагаемая антислёживающая добавка должна пройти всестороннюю экспериментальную проверку.

Пример использования антислёживающей добавки в промышленности

В качестве антислёживающей добавки для сульфата аммония коксохимического производства была предложена «добавка НМ» (нитрат аммония + мочевина). Добавка НМ нетоксична, в десять раз дешевле сульфанола – поверхносто-активного вещества, использовавшегося ранее в качестве антислёживающей добавки в производстве коксохимического сульфата аммония. Она легко растворяется в воде (концентрация веществ в растворе 30%.) и в виде раствора разбрызгивается над кристаллами сульфата аммония, движущимися на транспортерной ленте рис.3.6. Добавка НМ не является поверхностно активным веществом, поэтому для обеспечения хорошего распределения добавки между кристаллами необходимо осуществлять перевертывание потока кристаллов сульфата аммония на транспортерной ленте при помощи специальных плужков и подвергать его повторной обработке.

Введение в сульфат аммония гигроскопической добавки НМ обеспечивает резкое снижение гигроскопической точки продукта, вплоть до величины критической относительной влажности, равной 20 % при 25 °С Сульфат аммония с добавкой НМ в условиях переменной относительной влажности воздуха будет вести себя совершенно иначе, чем продукт без добавки. Такой продукт не сможет высохнуть полностью, а поэтому не слежится. В нем между кристаллами вещества всегда присутствует жидкая фаза. При 35 °С значение критической относительной влажности для сульфата аммония с добавкой НМ снижается до 8 %, значит и в условиях даже сухого жаркого климата добавка НМ будет обеспечивать получение рассыпчатого продукта. Если содержание добавки НМ в сульфате аммония составляет 0,1 - 0,3 %, то превышение предела нормы по влажности по ГОСТ 9097-82 в продукте за счет гигроскопичности добавки не наблюдается. Многолетний опыт использования показал высокую надежность технологии нанесения добавки и 100%-ную рассыпчатость сульфата аммония, обработанного антислеживающей добавкой НМ.