Гранулирование материалов

Аппараты для гранулирования методом окатывания

Грануляторы, в которых происходит окатывание ма­териала, по типу движения поверхности делятся на ро­тационные, ленточные и вибрационные. Ротационные аппараты бывают барабанные, тарельчатые (дисковые), центробежные, лопастные. Барабанный гранулятор (рис. VII-1) представляет собой горизонтальный или наклоненный под углом 1—3° в сторону выгрузки ци­линдр с закрепленными на нем бандажами и венцовой шестерней, через которую передается крутящий момент

от электродвигателя. С торцов барабан снабжен загру-j зочной и разгрузочной камерами, герметизирующими рабочий объем гранулятора. Через загрузочную течку вводится исходная шихта или сухой порошок. В послед-* нем случае для подачи связующего в головной части ба­рабана над слоем материала установлены распределите­ли жидкости.

К распределителям жидкости предъявляют следую­щие требования: простота конструкции, равномерность распределения, возможность регулирования дисперсно­сти распыла, возможность очистки во время эксплуата­ции. В туковой промышленности широко применяют распределитель типа «пила» (рис. VII-2), представляю­щий собой трубу с зубчатым желобом. Желоб снабжают крышкой, предотвращающей попадание в него мате­риала. Недостатком таких распределителей является необходимость строго горизонтальной их установки и невозможность регулирования размера капель.

Рис. VII-3. Многосекционный гранулятор:

/ — обечайка барабана; 2— стенка секции; 3 — бандаж; 4 — шары; 5 — упор; 6 — опорный ролик.

Для диспергирования жидкости применяют пневматические форсун­ки внутреннего и внеш­него смешения, работу которых регулируют из­менением давления - рас­пиливающего агента. Это давление, однако/ограничено, так как происходит размывание слоя материала струей. Поскольку для гранулирования окатыванием не требу­ется особенно тонкого и однородного распыливания жидкости, часто используют механические форсунки.

Для создания нормальных условий окатывания и подъема материала на заданную высоту обычно доста­точно трения о гладкие стенки барабана. Однако коэф­фициент заполнения барабана при хорошем перемеши­вании невелик, а габариты аппарата значительны. С целью увеличения коэффициента заполнения предло­жены различные конструктивные решения. Так, внутри барабана диаметром 1,83 м и длиной 3,66 м приварива­ют продольные листы, изогнутые в виде открытой циф­ры шесть (рис. VII-3) и образующие несколько отделе­ний, каждое из которых имеет плоскую и цилиндриче­скую стенки и разделено поперечными секторными пе­регородками. Для устранения налипания продукта на внутренние стенки отделения в пространство между НИ­МИ помещены металлические шары, которые удержи­ваются от падения упорами. При определенном положе­нии барабана шары освобождаются от упоров и ударя­ются о стенки, способствуя очистке их от налипшего материала [77].

В промышленности для агломерации окатышей при­меняют аппарат, состоящий из 17 конусов, образующие которых составляют угол 68°; ось барабана горизон­тальна. Диаметры узких оснований конусов постепенно уменьшаются по направлению к месту загрузки шихты (рис. VII-4). Ступенчатое продвижение материала к

месту выгрузки позволяет увеличить площадь окатыва­ния по сравнению с площадью окатывания в гладком барабане [109].

В производстве нитроаммофоски используют аппа­рат диаметром 4,6 м и длиной 11 м, состоящий из двух концентрических барабанов (рис. VII-5). Реагенты по­даются во внутренний барабан, из которого материал поступает во внешнюю обечайку, где также происходит] окатывание. Гранулы выгружают из аппарата, мелкие частицы элеваторным устройством возвращаются во внутренний барабан. В результате многократного про­хождения по двум барабанам увеличивается время пребывания материала в грануляторе и исключается сложная схема наружного транспорта рецикла [121]. Описанные конструкции позволяют при тех же габари­тах гранулятора увеличить поверхность окатывания, а следовательно повысить удельную производительность.

194

Для устранения налипания влажного порошка на стенки барабана используют ряд приспособлений: скреб­ки, шнеки, цепи, штанги. Введение в слой материала шпека позволяет не только очищать внутреннюю по­верхность барабана, но и интенсифицировать перемеши­вание (рис. VII-6). Нож-обдиратель насаживают на тру­бу, торцы которой закреплены в пневмоцилиндрах. Но­жам придается колебательное движение параллельно стенке барабана (амплитуда 150 мм, частота 20 коле - баний/ч). Нож можно поворачивать вокруг оси, изменяя таким образом зазор между ним и стенкой.

Налипания материала можно избежать, если внутрь / барабана поместить вращающийся сетчатый барабан или покрыть внутреннюю поверхность листовой рези-4 ной, которая под действием собственного веса может от­висать и разрушать слой налипшего материала.

Для устранения просыпи и создания требуемого ко­эффициента заполнения барабана применяют подпор­ные кольца и специальные загрузочные устройства, включающие кольцевую упругую манжету, конец ко­торой покрыт антифрикционным материалом, скользя­щим по обойме, на которой закреплена течка для за­грузки порошка (рис. VII-7). Манжета поглощает бие­ние барабана при его вращении и перекрывает зазор между загрузочным устройством и подпорным кольцом барабана [14].

Рис. VI1-7. Загрузочное устройство барабанного гранулятора:

/ — обечайка барабана; 2 — упругая мембрана; 3 — загрузочная течка; 4 — обойма; 5 — втулка.

Подпорные кольца на концах и в середине барабана обеспечивают равномерную его загрузку, что особенно важно при проведении в слое химической реакции. Для этой цели используют барабаны специальной конструк-j ции, получившие в производстве минеральных удобре­ний название аммоннзаторы-гранулятора (АГ). Отличи­тельной чертой АГ являются распределители нескольких реагентов (кислоты, аммиака, пара, плава и т. п.). Наиболее эффективны распределители продольного ти­па, представляющие собой заглубленные в слой мате­риала трубы с отверстиями, расположенными по спира­ли (рис. VII-8). К недостаткам таких распределителей относятся: неполное использование всех отверстий, воз­можность увеличения отверстий в результате коррозии и, как следствие, локальное перенасыщение слоя одним, из компонентов.

Для устранения указанных недостатков предложен распределитель с переточными трубками. Распредели­тель с отверстиями установлен над слоем, а трубки! приваренные к краям отверстий, заглублены в слой} Для равномерного распределения жидкости сумма плої щадей отверстий не должна превышать половины плеч щади поперечного сечения распределителя. Таким ж€ образом подают и газообразные реагенты. Чтобы уменм шить динамическое воздействие слоя на патрубки, ил концы изготавливают из эластичного материала (риш VII-9).

Для лучшего распределения аммиак рекомендуется направлять в скатывающийся слой. Наименьшее коли­чество дыма выделяется в барабане, когда распредели­тели кислоты и аммиака направлены в противополож­ные стороны. Чтобы уменьшить коррозию распредели­теля, поток кислоты подают в направлении вращения слоя.

Хорошее поглощение аммиака без образования ок­сидов азота и требуемый режим окатывания материала достигаются при соотношении длины барабана к его диаметру 1 :1 и высоте подпорного кольца на выходе продукта, равной 0,25 диаметра. При соотношении дли­ны к диаметру 2: 1 для улучшения процессов гранули­рования и аммонизации дополнительно устанавливают кольца-перегородки высотой 5 см на расстоянии 60 см одно от другого по длине аппарата. Распределительные устройства при этом должны находиться на высоте 5—7 см над промежуточными перегородками. Система промежуточных перегородок позволяет устранить мерт­вые зоны в барабане. Для этого используют также скребки с зубчатой кромкой, которые вырезают пазы на твердой поверхности налипшего слоя. Гребни между пазами играют роль небольших перегородок.

Принцип работы барабанного гранулятора сохра­няется в шнеке, представляющем собой закрытый ко­роб, навитый по винтовой линии и образующий цилиндр, ось которого может устанавливаться под любым углом [78]. При вращении цилиндра материал пересыпается внутри шнека и окатывается. Такая конструкция по­зволяет регулировать и строго ограничивать время пре­бывания продукта в аппарате, получать однородный фракционный состав. Недостатком этого аппарата яв­ляется невозможность дополнительного орошения ших-

ты в процессе окатывания и визуального наблюдения за процессом, усложнение узла загрузки.

Таким образом, конструктивные решения барабан­ных грануляторов направлены на увеличение коэффи­циента заполнения, создание различных внутренних устройств, интенсифицирующих процесс и предотвра­щающих налипание продукта, совмещение нескольких технологических операций в одном аппарате. Характе­ристика некоторых промышленных барабанных грану­ляторов приведена в табл. VII-1.

Как видно из таблицы, удельная производительность гранулятора зависит от продукта и требований к его гранулометрическому составу. Наиболее широкое при­менение в промышленности находят, хотя и менее про­изводительные, громоздкие, но конструктивно более простые и, следовательно, более надежные грануляторы без внутренней насадки с соотношением длины к диа­метру от 1 до 3.

Для осуществления метода окатывания применяют, помимо барабанных, тарельчатые (чашевые, дисковые) грануляторы. Основной частью такого аппарата являет­ся диск, вращающийся вокруг оси, угол наклона кото­рой к вертикали регулируется. Диск снабжен бортом,

что обеспечивает требуемое заполнение аппарата (рис. VU-10). Для подачи связующего над тарелкой устанавливают форсунки: для очистки от налипающего материала — скребки. Аппарат для герметизации за­ключен в кожух, имеющий патрубки для отвода про­дукта и паров и подвода порошка. Для визуального наблюдения за процессом служит смотровое окно. По сути дела, дисковый гранулятор — это барабан боль­шого (1—5 м) диаметра и малой (0,02—0,80 м) длины, ось которого наклонена под большим (45—75°) углом к вертикали. Рабочая поверхность такого аппарата, в отличие от рабочей поверхности барабана, не боковая поверхность цилиндра, а торцовая, т. е. дно тарелки.

По форме днища грануляторы делятся на плоские, конические, сферические, эллиптические. Применение неплоских днищ позволяет избежать мертвого простран­ства в месте стыка с бортом и увеличить путь окатыва­ния, т. е. производительность аппарата.

Максимальная эффективность работы тарельчатого гранулятора достигается при определенной высоте слоя, поэтому, оставляя этот показатель неизменным, стре­мятся увеличить площадь окатывания. Предложен гра­нулятор, имеющий на диске несколько кольцевых пере­городок равной высоты [109]. Исходный порошок по­дается по центральной трубе на поверхность внутренней тарелки и окатывается там, постепенно пересыпаясь в смежное кольцевое пространство. Далее окатывание происходит последовательно во всех кольцевых секци­ях до достижения гранулами требуемого размера при узком фракционном составе. Связующее подается в центральную часть тарелки, но можно дополнительно подавать жидкость разного состава в кольцеобразные пространства и получать многослойные гранулы.

Место ввода сухих и жидких компонентов определя­ется требованиями к гранулометрическому составу про­дукта. Для получения крупных комков орошение ведут в верхней части поднимающегося слоя, а порошок за­гружают в нижнюю часть тарелки. Для получения бо­лее мелких гранул поднимают место ввода порошка и опускают место ввода жидкости, причем поток жидкости делят на две части. Большую часть дают в слой для образования зародышей, а меньшую на участок пере­сыпания крупных комков, способствуя накатке гранул.

В результате большого числа экспериментов предложе­ны различные варианты подачи сырья на тарельчатый гранулятор (рис. VII-11) [6, 177].

Гранулирование возможно и на горизонтальном дис­ке, эксцентрично и параллельно которому установлен дополнительный диск меньшего диаметра. Диски вра­щают в противоположные стороны с разной скоростью, создавая встречные потоки и интенсифицируя агломе­рацию материала. (

Конструктивно сходны с тарельчатыми центробеж­ные грануляторы. Принципиальным отличием последних является то, что движение окатываемых гранул осуще­ствляется не гравитационными, а центробежными сила­ми. Материал и связующее подают в центр горизонталь­ного диска, вращающегося со скоростью 300— 1500 об/мин и имеющего рифленую поверхность. Про­двигаясь от центра к периферии, порошок комкуется и

Рис. VII-12. Центробежные грануляторы:

-О. — с неподвижными перегородками; 1 — корпус; 2 — вал; 3 •— выгрузочный желоб; 4 — концентрические неподвижные перегородки; 5 — крышка; 6 — за* грузочная воронка; 7 — отверстия, соединяющие камеры; 8 — ступенчатый вра­щающийся диск; б — с вращающимися пластинами; 1— корпус; 2—вращаю» щийся диск; 3 — редуктор; 4— втулка; 5 —канавки; 6 —бункер для выгрузки;; 7 —крышка; 8 — загрузочная воронка; 9 — регулирующая планка с гайкой; 10 - ij ребро жесткости; 11 — перегородка; 12 — вращающаяся пластина; 13 — вал.

окатывается. Для увеличения времени окатывания диск) снабжают неподвижными концентрическими перегород­ками с отверстиями (рис. VII-12,а) [101]. Для получе-' ния частиц заданного размера над основным диском устанавливают пластины, медленно вращающиеся в противоположную сторону (рис. VII-12,6) [103]. По­скольку в центробежном грануляторе динамическое воз-! действие на частицы больше, чем в тарельчатом, коли-; чество связующего, необходимого для получения гранул’ данного размера, меньше, чем в тарельчатом. Однако это же воздействие способствует более интенсивному налипанию материала на рабочую поверхность. Уста­новка скребков препятствует нормальному окатыванию.

Конструкцию и производительность тарельчатого гранулятора выбирают в соответствии с видом продук­та. В табл. VII-2 представлены характеристики про­мышленных грануляторов для некоторых продуктов.

Производительность тарельчатого гранулятора, ис­пользуемого в химической промышленности, достигает 50 т/ч или, считая на поверхность тарелки, 0,5— 3,0 т/(м2-ч) при удельных энергозатратах 1—5 кВт-ч/т. В металлургической промышленности работают еще бо­лее производительные аппараты. Для получения 125 т/ч гранул магнетита диаметром 10—15 мм или 20—25 мм используют тарелки диаметром 6 м.

Сравнивая работу барабанных и тарельчатых гра­нуляторов, следует отдать предпочтение тарельчатым, поскольку они обладают лучшим классифицирующим действием, требуют меньше рецикла, удобны в эксплуа­тации, так как допускают визуальное наблюдение, воз­можность регулирования параметров, сравнительно легко поддаются наладке при переходе на другой про­дукт, имеют меньшую массу и габариты. Однако та­рельчатый гранулятор не эффективен при проведении процесса, сопровождаемого химическими реакциями (например, аммонизации), и менее удобен для удале­ния пыли и испарений.

Гранулирование методом окатывания можно произ­водить в лопастном грануляторе. Конструктивной осо­бенностью таких аппаратов является наличие одного или двух вращающихся валов с лопастями, располо­женными по винтовой линии (рис. VII-13). Валы заклю­чены в неподвижный корпус в виде корыта или обра­зованный пересечением двух параллельных цилиндров. В корпус подводится сухой материал, жидкость, а при необходимости и другие компоненты (пар, аммиак и др.).

Принцип гранулирования основан на интенсивном перемешивании и разности скоростей материала и ло­пастей. В двухвальном аппарате валы вращаются в про­тивоположные стороны так, что лопатки опускаются но периферии и поднимаются, касаясь друг друга и очи-

щаясь при этом в центре. Сухие компоненты подают в верхнюю часть аппарата между валами. В нижней части по центру аппарата под слоем материала располагают распределители реагентов. Для создания требуемой высоты слоя перед выгрузной течкой устанавливают переливные пороги. Иногда эти пороги препятствуют выгрузке крупных комков, что приводит к заклиниванию валов. Во избежание этого явления высоту слоя под­держивают, создавая подпор неравномерным располо­жением лопаток, расстояние между которыми сокра­щается от места загрузки к месту выгрузки. Стенки гранулятора очищаются концами лопаток; зазор между ними и стенкой должен составлять не более 5% от диа­метра корпуса.

В лопастном грануляторе обеспечивается хорошее смешение материала и однородность получаемого про­дукта, вязкость которого может быть значительно боль­ше, чем в барабанных или тарельчатых грануляторах. Другим преимуществом лопастного гранулятора явля­ется возможность отклонения от рабочего режима в большей степени, чем в других аппаратах, что обуслов­лено самоочисткой движущихся элементов. К недостат­кам лопастных грануляторов следует отнести сложность подачи компонентов под слой и трудность визуальных наблюдений. Характеристика лопастных грануляторов, применяемых для гранулирования некоторых продуктов, приведена в табл. VII-3.

Окружная скорость вращения лопаток гранулятора обычно не превышает 1,0—1,5 м/с. При увеличении ско-

Рис. VI I-14. Схема ленточного гр пул ятop а:

/ — лента; 2 — уплотняющие борта; З* направляющие ролики.

рости концов лопаток до 15- ЗО м/с резко изменяется меха н'изм гранул ообр а зо в а нші

преобладает ударный зффекі и процесе агломерации интен сифицируется: возрастает с ко рость роста гранул, фракционный состав становится бо­лее однородным, меньше расходуется связующего. Та­кие грануляторы, названные скоростными, имеют высо кие производительности, пригодны для очень вязки материалов. Однако износ гранулирующих элемент и энергозатраты на гранулирование несколько выше, че в обычных грануляторах.

Кроме ротационных в промышленности применяют, хотя и в меньшем масштабе, ленточные грануляторы, (рис. VII-14). Аппарат в виде наклонного ленточного транспортера, движущегося вверх навстречу скатываю­щимся под действием собственного веса частицам, рабо тает по принципу барабана, однако менее металлоемок. Известны качающиеся вперед — назад транспортеры," Транспортеры с вогнутой поверхностью и регулируе­мым углом наклона занимают меньшую площадь. При движении ленты гранулы по мере укрупнения скатыва-

ются вниз и, достигнув заданного размера, покидают окомкователь. Скатыванию вбок препятствуют непо­движные борта. Транспортеры часто применяют как приставку к дисковому гранулятору. Недостатком лен­точного гранулятора является трудность его герметиза­ции и необходимость частой наладки, так как лента растягивается.

Для виброгранулирования применяют аппараты с вибрирующими корпусом или отдельными деталями, по­мещенными в слой материала. Широкое применение по­лучили аппараты с цилиндрической горизонтальной ра­бочей камерой, совершающей круговые или эллиптические колебания в вертикальной плоскости. Эти аппараты выполняют однокорпусными или двухкорпусными. При­вод однокорпусных грануляторов осуществляют деба - лансными вибраторами, двухкорпусных — эксцентрико­выми.

Однокорпусные аппараты с одной камерой выполня­ют с центрально расположенным вибратором (рис.. 11-15,а), с несколькими вибраторами (рис. VII-15,6) и с вынесенным вибратором (рис. VII-l5,e). В гранулято­ре с двумя камерами вибратор устанавливают в центре тяжести подрессоренной части аппарата (рис. VII-15,a).

Выносной вибратор обычно крепят в точке, сдвину­той по окружности относительно вертикальной оси на 45°. Такое расположение вибратора вызывает движение камеры по траектории в виде эллипса. Дополнительные поворотные колебания камеры интенсифицируют цирку­ляционное движение слоя и способствуют его окаты­ванию.

Для гранулирования применяют также лотковые аппараты, имеющие небольшую высоту и позволяющие организовать любой характер потока реагентов или фаз.

На рис. VII-16 показана принципиальная схема таког гранулятора, состоящего из лотка, закрепленного пр^ жинами на тяжелом основании. Почти вдоль всего лої ка с нижней его стороны проходит ребро жесткости, которому на шарнире прикреплен шатун эксцентрик^ вого вибратора. Определенный наклон пружин при ра боте вибратора создает возвратно-поступательный ха рактер движения лотка в направлении, нормальном j оси пружин, обеспечивая заданный угол бросания Щ териала относительно поверхности лотка. Лоток имев двойное дно, образующее короб для подачи теплонося теля. Аппарат снабжен патрубками для подвода и отво да теплоносителя и твердого материала, а также ра<^ пределителем жидкой фазы. Тяжелое основание опира ется на пол через резиновые амортизаторы. В завис»! мости от конкретных условий конструктивное оформле-j ние отдельных узлов может изменяться.

Значительное сокращение занимаемой площади и1' возможность использования гранулятора как подъемно­го механизма побуждают к конструированию вертикаль­ных спиральных аппаратов. Такой аппарат состоит из трубы, снаружи или внутри которой по винтовой лини! проходит лоток. Вибропривод сообщает аппарату на­правленные под некоторым углом к поверхности лотка^ винтовые гармонические колебания, обеспечивающий определенный угол бросания и направленное перемещен ние материала, вверх по лотку. Отличительной особен^

ностью конструкций виброгрануляторов является нали­чие гибких соединений всех патрубков аппарата с це­ховыми коммуникациями, что при высоких температу­рах и агрессивных средах не всегда осуществимо. Вве­дение вибрирующих элементов в слой материала позво­ляет увеличить площадь контакта частиц и интенсифи­цировать процесс гранулообразования без вибрации корпуса и при жестких соединениях трубопроводов.

Анализируя конструкции грануляторов, в которых реализуется принцип окатывания частиц, следует отме­тить, что каждый аппарат имеет свои преимущества и недостатки. Выбор той или иной конструкции зависит от степени изученности процесса, технических возмож­ностей изготовления и монтажа аппарата, подготовлен­ности производства к эксплуатации гранулятора.

Для производства минеральных удобрений методом окатывания наиболее широко применяют барабанные грануляторы, поскольку' они являются высоко произво­дительными аппаратами, обеспечивают сравнительно высокий выход целевой фракции, возможность проведе­ния химической реакции одновременно с гранулирова­нием и возможность проведения процесса без загрязне­ния помещения. Однако следует совершенствовать и конструкции аппаратов других типов, особенно вибро­грануляторов и скоростных грануляторов, позволяющих - интенсифицировать процесс гранулирования и улучшать качество продукта.