石膏凝固过程热力学研究.doc

石膏凝固过程热力学研究幸苑娜杨志涌谢进军左传为（中山大学化学与化学工程学院，2023级，广州510275）指导老师：陈六平专家余小岚高级实验师摘要:提出了通过测定石膏凝固过程体系温度随时间的变化来鉴定石膏初凝温度和终凝温度的方法，获得了石膏凝固过程中的温度变化及其反映热效应数据。这些研究结果为石膏砌块生产设备的设计与自动化控制提供了理论依据。关键词:石膏砌块石膏凝固初凝点终凝点反映焓变一前言石膏砌块是一种新型的建筑材料，其生产能耗低、污染小，且具有质轻、防火、隔热、吸音、收缩率小、可钉、可锯、可粘结等突出优点，是取代红砖的抱负材料，具有广阔的开发前景[1]。我国自1981年开始生产石膏砌块，至今虽有20数年的时间，但目前石膏生产仍处在较低技术水平的阶段。绝大部分生产厂家仍使用各种单模结构、手工及半机械化设备。这些设备虽然投资少、上马快、能迅速取得经济效益，但由于设备简陋、工人劳动强度大、劳动条件差、产品质量和性能不稳定、生产效率低、难以形成规模效益，从长远看，很难在剧烈的市场竞争中取得优势。我们从工厂生产实际了解到，在石膏砌块生产线自动控制设计中需要石膏凝固过程中温度随时间变化的数据，特别是需要初凝和终凝温度，这样能合理地拟定石膏在成型模具中停留的时间，使生产达成节能、省时的目的。石膏砌块生产的重要原料有熟石膏粉即半水石膏粉，外加剂和水等，也可加一些其它的增强材料。原料计量称重后进入搅拌机，通过搅拌混合的料浆进入石膏砌块连续成型机的模具内，成型机连续回转的同时，料浆快速凝固，达成预定终凝点时再从成型机中取出。由于石膏砌块凝固时温度随时间不断变化，假如在成型机的模具的适当位置上设立测温点，根据温度的变化情况判断石膏砌块的凝固状态，使之能在合适的时间从成型机中取出石膏砌块，从而实现自动化生产[2]。针对上述问题，本文探讨了如何通过温度随时间变化关系的测定来鉴定石膏凝固过程的初凝点和终凝点，获得了石膏凝固的热效应数据，这些结果对于实现石膏砌块成型过程的连续控制具有一定的指导意义。二理论部分半水石膏(CaSO4.0.5H2O)溶于水，它先是溶解成半水石膏水溶液，然后发生水化作用生成二水石膏(CaSO4.2H2O)。由于水化反映的进行，相对减少了溶剂的量，同时二水石膏的溶解度比半水石膏要小，二水石膏溶液出现过饱和，当达成一定过饱和限度时，二水石膏从石膏浆中均匀成核，然后逐步生长至带稳定晶核的临界尺寸，石膏浆于是开始稠化。在生产中，石膏浆开始稠化时是注入母模的极限时刻，亦常称之为初凝时间，此时测得的温度为其初凝温度。随后，晶核继续长大，并放出大量的热（重要来自结晶相变热）；待晶体长成其固有形态时，石膏浆亦变成具有一定硬度和强度的多孔固体。实际生产中，可以脱模时刻，即常说的终凝时间，此时测得的温度即为其终凝温度。通过温度的测定可以拟定初凝和终凝时刻，从而控制生产流程以便实现生产的自动化。半水石膏溶于水的化学转变过程如下：CaSO4.0.5H2O(s)CaSO4.0.5H2O(aq)（1）CaSO4.0.5H2O(aq)+1.5H2O(l)CaSO4.2H2O(aq)（2）CaSO4.2H2O(aq)CaSO4.2H2O(s)（3）总反映式为：CaSO4.0.5H2O(s)+1.5H2O(l)CaSO4.2H2O(s)（4）根据文献[3]提供的数据，在298.15K和101.325kPa时，1mol半水石膏（固体粉末）和1.5mol水（液态）反映生成1mol二水石膏（固体粉末）所放出的热量为：△H=(-2023.63-(-1576.74)–1.5(-285.83))kJmol-1=-17.15kJmol-1石膏凝固过程的热效应（焓变）计算公式如下：在实验条件下，体系中石膏凝固过程是一个绝热升温过程，初态时体系中的所有物质处在同一较低温度下，半水石膏凝固放热，体系中的所有物质均吸取热量一起升温并最终达成终凝温度。因此根据能量守恒，有如下关系式：(石膏凝固放热)+（外桶水吸热）+（二水石膏吸热）+（仪器吸热）+（二水石膏吸附水吸热）=0（5）以上各未知的均可按：（即热容、质量及温度差的乘积）来计算。所以由上式可求得：石膏凝固过程的热效应（石膏凝固放热），它涉及了半水石膏溶解、半水石膏与水反映生成二水石膏、二水石膏从水溶液中结晶析出并形成多孔固体等总过程的热效应。本研究所用实验装置的平均仪器热容可通过不同温度的水的热互换来测定。在内桶（反映器）内加入一定质量的温度较高的水，而外桶则加入温度较低的水（以模拟石膏凝固过程的放热过程），然后测定其温度随时间的变化，由温度随时间的变化曲线可拟定热互换达成平衡时的温度。平均仪器热容的计算[4]：上述热互换过程是一个绝热过程（内桶，反映器）和外桶置于一绝热的系统中），因此有：(+)(-)+(-