ruseng
ООО «Стромизмеритель»Высокие технологии в приготовлениистекольной шихты и многокомпонентных смесей
8 (800) 550-59-70
Технология приготовления многокомпонентных смесей
Сервисное обслуживание
Оборудование для составных цехов
Монтаж и пуск оборудования
Проектирование, реконструкция и строительство
Автоматизация технологических процессов
Проектирование, реконструкция и строительство
Автоматизация технологических процессов
сервисное обслуживание
Монтаж и пуск оборудования
Оборудование для составных цехов
Сервисное обслуживание
Технология приготовления многокомпонентных смесей
Cервисное обслуживание
Главная / Пресс-центр / Публикации

Закономерности формирования пеностекла

Закономерности формирования пеностекла

В. Е. Маневич, К. Ю. Субботин
ЗАО "Стромизмеритель" (Москва - Нижний Новгород)

Пеностекло — один из наиболее перспективных тепло- и звукоизоляционных материалов [1]. Этот материал отличается комплексом таких свойств, как низкая теплопроводность, высокая прочность, широкий температурный диапазон применения, огнестойкость, долговечность. При этом следует отметить экологическую чистоту технологии его изготовления и эксплуатации.

Технологический режим производства пеностекла характеризуется тремя основными стадиями: нагрев смеси порошка стекла и вспенивателя до температуры вспенивания — I стадия, вспенивание — II стадия и фиксация макроструктуры (точка А), отжиг блока — III стадия (см. рисунок а).

В отношении тепло- и массообменных процессов на I стадии происходит интенсивный нагрев смеси, при котором объем смеси меняется незначительно, а температура и давление воздуха в смеси растут. В конце этой стадии поверхность отдозированной в форму или на платформу смеси начинает оплавляться. На II стадии интенсивность теплообменных процессов падает, активизируются реакции окисления вспенивателя. Фиксируются формы изделий (пеностекла) с оплавлением его поверхности. На III стадии происхо¬дят медленная теплоотдача от пеностекла в окружаю¬щую среду и выдержка при определенной температуре для релаксации напряжений — отжиг.

Рассмотрим термодинамику процессов, протекаю¬щих на выделенных трех стадиях производства пеностекла (см. рисунок б).
Примем следующие допущения [2]:
• процессы термодинамически обратимы;
• газы, выделяющиеся в процессе вспенивания, под¬чиняются закону Менделеева - Клайперона, т. е. являются идеальными газами:
PV=nRT,
где Р — давление, Па;
V— объем газа, м3;
п — количество вещества, моль;
R — универсальная газовая постоянная, R = = 8,314 ДжДмоль • К);
Т— температура, К;
• процессы нагрева и отжига изохорные, т. е. протекают без изменения объема газа;
• процесс вспенивания изотермический, т. е. происходит без изменения температуры.
Все названые допущения вполне обоснованы для макропроцессов, протекающих при формировании пеностекла в реальных условиях.

Рисунок. Температурно-временная (я) и
термодинамическая (6) характеристики
процесса вспенивания
Оценим полноту сгорания угля, состав выделяю¬щихся газов, их объем и давление. Для этого в про¬странстве формы (ленты) выделим элемент массой 100 г, заполненный шихтой состава: GCT = 98,3 г порошка стекла и Gугл = 1,7 г угля.
Термодинамически наиболее вероятны следующие реакции при использовании в качестве вспенивателя угля:
С + O2 > СO2; (1)
2С + O2 > 2СО. (2)
Кинетические характеристики реакций [3, 4]: энергия активации Е1 = 1,24 кДж/моль, Е2 = 128 кДж/моль; равновесные константы скорости реакции k01 = = 0,018•106 с-1, k02 = 0,1•107 с-1.
Объем образовавшегося при вспенивании стекла газа:

где V0 — количество газа, которое может выделиться при полном завершении процесса разложения угля; V0 = 50 % для газовых углей,
V0 = 31 % для бурого угля;
с0i — коэффициент; ?c0i = 1, с01 = 0,15 для реакции (1), с02 = 0,85 для реакции (2);
t — продолжительность II стадии (вспенивания);
t= 1 ч;

где ki — константа скорости i-й реакции;
Твс — температура вспенивания (II стадия).
Расчет по соотношению (3) дает V6.у. = 25 % для бурого угля, Vг.у. = 41,5 % для газовых углей.
Из полученных данных следует, что различные марки угля существенно различаются по объему газовыделения при термической диссоциации. Такой же вывод можно сделать в отношении твердых карбонатов и жидких углеводородов.
Первоначально исходная шихта пеностекла содер¬жит порошок стекла, порошок или шликер вспенивателя и захваченный ими воздух. В процессе термообработки происходит термическая диссоциация вспенивателя с образованием продуктов сгорания — реакции (1) и (2). Зарождаются мелкие пузырьки, которые ин¬тенсивно растут в объеме за счет нагрева и диффузии газов из объема шихты, частично вырываясь в печную среду и частично оставаясь в массе пеностекла. При температуре вспенивания 850 °С оплавленная шихта остается очень вязкой и большие объемы газов про¬дуктов термической диссоциации вспенивателя могут поступать из ее объема в печное пространство только под очень большим давлением.

Рассмотрим баланс масс в процессе вспенивания.
Масса углекислого газа в реакции (1):
GC02 = 1,7-0,415 -0,15 = 0,106 г.
Масса угарного газа в реакции (2):
Gсo = 1,7-0,415 -0,85 = 0,600 г.
Масса кислорода:
G02 = 0,415 (1,7•32/12) = 0,188 г.
Масса азота:
GN2 = 0,282•79/21 = 7,07 г.
Массы 02, С, N2, СО и С02 составляют соответственно М02 = 32, МС = 12, MN2=28, МСО = 28 и МС02 = 44. Соотношение содержания азота и кислорода в воздухе равно 79:21.
Коэффициенты аддитивности массы продуктов сгорания углерода:

mСО2 = 0,014; mN2 = 0,909.
Удельная газовая постоянная для продуктов горения:



Объем шихты образца:

где dш — плотность шихты; dш = 1,4 г/см3.
В том числе объем порошка стекла 98,3/2,5 = 39,3 см3.
Объем угля:
Vу = 1,7/1,5 = 1,1 см3.
Объем воздуха:
VB3 = 71,4-39,3- 1,1 =31 см3.
Масса пеностекла при использовании газовых углей как вспенивателя, которые, как показано выше, сгорают на 41,5 %:
Gпс = Gс + Gу - Gсгу = 99,17 г,
где Gnc, Gc, Gy и Gcry — масса пеностекла, стекла, углерода и сгоревшего углерода соответственно.
Объем пеностекла:

где dnc — плотность пеностекла; dnc = 0,16 г/см3.
Объем газовой фазы в пеностекле:
Vг =Vпс-Vc-(Vy- Vсгу) = 521,27 см3.
Исходя из уравнения идеального газа:

находим массу газов Gг в образце вспененного стекла (давление Р = 1 атм (104 кгс/см2), температура Т =300 К).
В течение II стадии процесса вспенивания (см. рисунок) температура образца не меняется:

где V2=V1, т. е. объем продуктов горения равен объему вытесненного ими воздуха;
Т2 — температура вспенивания; Т2 = 1123 К;
G3 = Gг;
R3 = Rг.
Давление газов в пеностекле в точке начала вспенивания (точка 2 на рисунке б) оценим по соотношению (4):

Поскольку процесс отжига (III стадия) изохорный, т. е. V= const, Р3 Т3 = Р4 Т4, то в конце отжига температура Т4 = 300 °С и давление Р4 равно 1 атм.
Значит в начале отжига Р3 = 3,74 атм, т. е. снижается относительно давления вспенивания почти в 20 раз.
Радиус пузырьков газа можно рассчитать исходя из соотношения:

где Рст — давление в пеностекле;
Рг — давление в газовой фазе, образовавшейся при термическом разложении угля;
? — поверхностное натяжение; ? = 40 • 10-2 Н/м;
vCT — скорость стекла; vCT = 0;
r — радиус пузырька.
Тогда при Рст = 1 атм, Рг = 62,95 атм радиус пузырька, зарождающего в конце I стадии, составляет примерно 2,2 • 10-2 мм. Далее пузырек растет, и в конце II стадии общее количество выделившегося газа определяется из следующих соображений:
Р3 V3 = P2V2; V3 = 5232 см3,
т. е. часть этих газов уходит в атмосферу печи вспенивания.
Рассмотрим баланс теплоты в процессе вспенивания [5].
Теплота реакций (1) и (2), рассчитанная на 1 кг сгоревшего углерода, соответственно равна 28604,2 и 4923,7 кДж/кг (6832 и 1176 ккал/кг). В сумме выделение теплоты 33527,9 кДж/кг (8008 ккал/кг).
На 1,7 • 0,415 = 0,71 г сгоревшего углерода выделяется 23,9 кДж (5,7 ккал) теплоты.
Энтальпия продуктов горения:
Gгcг = GN2 cN2 + GCO2 cCO2 + GCO cCO = 1,93 кДж/К (0,46 ккал/К),
где с — теплоемкость.
Количество теплоты на нагрев всех компонентов на I стадии:
Q = [Gc сс + (Gy - Gcгy )су + Gг сг]( T1 – T3 ) = 87,9кДж (21 ккал).
Таким образом, при сгорании угля вносится только (5,7 + 0,46)/21 = 0,29 теплоты (29 %), необходимой для вспенивания. Это наводит на мысль о том, что надо искать вспениватели, которые дают больший тепловой эффект, например термитные смеси.
Рассмотрение механизма вспенивания стекла позволяет сделать некоторые практические выводы.
Угли не являются достаточно эффективными вспенивателями. Сгорает с выделением газов 20 - 40 % вводимого угля. Более интенсивными вспенивателями могут быть жидкие углеводороды. Учитывая высокую скорость и полноту их сгорания, необходимо использовать их вместе с модификаторами, оказывающими тормозящий эффект на скорость реакции горения.
При термическом разложении угли вносят незна¬чительный вклад в расход теплоты на вспенивание. При этом, однако, развивается значительное давление газовой фазы, которое дает возможность преодолеть силы поверхностного натяжения стекла, вязкого при температуре его вспенивания.
Можно ожидать интересных результатов при использовании в качестве вспенивателя термитных смесей, которые имеют высокую полноту сгорания, способствуют интенсивному образованию пузырей и вы¬сокому давлению в них, а также дают значительный тепловой эффект реакций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маневич В. Е., Субботин К. Ю. Пеностекло и проблемы энергосбережения // Стекло и керамика. — 2008. — № 4. — С. 3-6.
2. Бабушкин В. И., Матвеев Г. М, Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика силикатов. — М.: Стройиздат, 1965. — 351 с.
3. Агроскин А. А., Глейбман В. Б. Теплофизика твердого топлива. — М: Недра, 1980. — 255 с.
4. ФальбеЮ. Химические вещества из угля. — М: Химия, 1980. —613 с.
5. Термические основы формирования стекла / Л. С. Эйгенсон, Т. И. Белобородова, Б. И. Борисов, Е. Г. Фролова — М.: Стройиздат, 1959. — 268 с.

 
 
© 2018 ООО «Стромизмеритель»
Карта сайта
Система
менеджмента
качества
603086 г. Нижний Новгород, ул. Совнаркомовская, 34-А
+7 (831) 435-13-70