Гранулирование материалов

Модель уплотнения при гранулировании

Гранулирование методом окатывания состоит в предварительном образовании агломератов из равно­мерно смоченных частиц или в наслаивании сухих час­тиц на омоченные ядра — центры гранулообразования. Этот процесс обусловлен действием капиллярно-адсорб­ционных сил сцепления между частицами и последую­щим уплотнением структуры, вызванным силами взаи­модействия между частицами в плотном динамическом слое, например в грануляторе барабанного типа.

Гранулирование методом диспергирования жидкости в свободный объем заключается в разбрызгивании жид­кости, например безводного плава гранулируемого ве­щества, на капли, приближенно однородные по разме­ру, и последующей их кристаллизации при охлаждении в нейтральной среде (воздухе, масле и т. п.).

Гранулирование сухих порошков методом прессова­ния, т. е. уплотнения под действием внешних сил, осно­вано на формировании плотной структуры вещества, что обусловлено прочными когезионными связями между частицами при их сжатии. Полученный в результате уплотнения брикет (плитка, лента) дробится и направ­ляется на рассев для отбора кондиционной фракции, являющейся готовым продуктом.

Гранулирование методом диспергирования жидкости (пульп, растворов, суспензий и плавов) на поверхность частиц во взвешенном состоянии заключается в им­пульсном нанесении на твердые частицы тонких пленок исходного вещества и кристаллизации его за счет теп­ла, подводимого извне, или за счет отвода выделяюще­гося тепла.

Гранулирование методом формования, или экструзии состоит в продавливании пастообразной массы, пред­ставляющей собой либо увлажненную шихту, либо смесь порошка с легкоплавким компонентом, через перфорированные приспособления с последующей суш­кой гранул или их охлаждением.

Методы гранулирования формованием (экструзией) применяют лишь для узкого класса химических ве­ществ; они являются относительно малопроизводитель­ными, не находят широкого распространения при массо­вом получении гранулированных продуктов и поэтому рассматриваются ниже в самых общих чертах.

Из описания приведенных особенностей процессов, осуществляемых различными методами, следует, что гранулирование химических продуктов происходит при возникновении в основном следующих видов физико­механических связей:

капиллярно-адсорбционных сил сцепления между частицами, вызванных действием отрицательного гид­ростатического давления жидкой фазы в порах (капил­лярах) и натяжением жидкостных пленок в месте кон­такта частиц (пленочные контакты);

связей, возникающих при кристаллизации жидкой фазы;

межчастичных когезионных связей, обусловленных формой частиц и отдельных криста. ллов.

Следствием действия всех видов физико-механиче­ских связей при гранулировании является увеличение плотности (снижение пористости) гранулируемого ве­щества, достигаемое либо уплотнением структуры ка­пиллярно-пористых тел при их окатывании, прессовании и т. д., либо изменением агрегатного состояния гранули­руемого материала в результате кристаллизации капель плава или тонких пленок на поверхности частиц.

Уплотнение структуры материала в процессах гра­нулирования, осуществляемых различными методами, характеризуется зависимостью относительной плотности гранулируемого материала (у/уо), где у, уо — текущая и начальная плотности материала соответственно) от прочности физико-механических связей (Р). Для про­цесса гранулирования окатыванием (рис. II-1,с) напря­жения в грануле вызываются, как правило, действием капиллярно-абсорбционных сил сцепления и натяже­нием в пленочных контактах Ри, а уплотнение структу­ры гранулы во времени происходит под действием сил взаимодействия между частицами при их движении в плотном вращающемся слое. В процессе гранулирова­ния прессованием (рис. 11-1,6) напряжения в дисперс­ной фазе обусловлены в основном когезионными связя-

ми между частицами, которые возникают под действи­ем сил внешнего давления Ра. При гранулировании плава разбрызгиванием >в свободный объем или на по­верхность частиц (рис. Н-1,в) напряжения в грануле определяются кристаллическими связями, мостиками и срастаниями Рк.

Полагая, что в 'некоторых процессах гранулирования проявляются одновременно все виды физико-механиче­ских связей, общую интенсивность уплотнения гранулы можно определить как

Р'=~Ри+'Ра + Рк (П-1)

Примером процесса, в котором проявляется дейст­вие всех указанных видов физико-механических связей, является гранулирование смесей, содержащих легко­плавкий компонент, методом прессования (получение карбозммофоски смешением порошкообразных аммо­фоса и хлористого калия с плавом мочевины)!

При гранулировании увлажненных порошков окаты­ванием поровое пространство в агломерате, как прави­ло, частично заполнено газом, и деформирование струк­туры может начаться при сколь угодно малой нагрузке. Этот процесс не будет сопровождаться выходом из пор жидкой фазы на поверхность агломерата до тех пор, пока давление защемленного газа не возрастет на­столько, чтобы создать положительное гидростатическое давление во всей гидроаэростатической структуре. Со­отношение давлений газа и жидкости (растворов), об­разующих в порах агломерата гидроаэростатическую смесь, зависит от кривизны мениска жидкости. Защем­ленный газ содержится в отдельных небольших пузырь­ках криволинейной формы, соответствующей равновес­ному состоянию окружающей его поверхность жидкой фазы, которая образуется из вогнутых менисков, стре­мящихся навстречу друг к другу по капиллярам.

При гранулировании методом прессования в на­чальный момент уплотнения происходят структурные деформации, т. е. взаимные перемещения, переупаков­ка частиц, разрушение самых слабых агрегатов. При этом развиваются практически только упругие дефор­мации. С ростом нагрузки величина структурных де­формаций снижается и преобладает взаимное переме­щение (сдвиг) частиц, сопровождающееся их частичным разрушением, изменением формы и внутренней пори­стости, увеличением числа контактов и величины меж­молекулярного сцепления структурных элементов.

В конце процесса прессования разрушение практи­чески заканчивается, но происходит упругое и упруго - эластическое сжатие всей системы. Кроме того, резко возрастает число контактов между хаотически располо­женными осколками частиц, что вызывает объемное упрочнение материала [20].

При выходе плитки из зоны прессования происходят упругое расширение материала и разрыв отдельных связей (контактов), что и приводит к некоторому сни­жению плотности и прочности спрессованного про­дукта.

Кроме механического сближения и образования кон­тактов между частицами, в процессе прессования при определенных условиях могут протекать обменные ре­акции с образованием новых химических связей. Высо­кие давления и температуры в зоне деформации могут приводить также к образованию расплава в местах контакта однородных частиц либо к полному расплав­лению легкоплавкого компонента прессуемой смеси.

При охлаждении спрессованного продукта происхо­дит кристаллизация пленок расплава, что и обеспечива­ет значительно большую прочность межчастичным кон­тактным связям. Готовый гранулированный продукт по­лучается в результате дробления спрессованной ленты и рассева дробленого материала с отводом товарной фракции.

При гранулировании плавов кристаллические связи образуются в начальный период формирования гранул из капель при охлаждении поверхностного слоя капли. В этот период связи немногочисленны, не обладают жесткостью и не препятствуют взаимодействию друг с другом содержащихся в капле отдельных минеральных частиц. Они лишь способствуют образованию дополни­тельных связей между частицами.

При охлаждении по мере кристаллизации вещества в капле происходит уплотнение структуры с образова­нием жестких кристаллических связей. Если при охлаж­дении продукт претерпевает несколько стадий поли­морфных превращений, то зависимость у/уо=/(Тк) но­сит ступенчатый характер (см. рис. Н-1,е) [56].

Из рассмотрения изложенных выше основ структу - рообразования при гранулировании, осуществляемом различными методами, можно заключить, что этот процесс независимо от принципа его осуществления со­провождается обычно уплотнением структуры под дей­ствием деформаций, вызываемых внешними силами (прессование) или капиллярно-адсорбционными силами (окатывание), а также силами, определяемыми внут­ренней энергией вещества (кристаллизация).

Рассмотрим общую схему сжатия трехфазной струк­туры гранулируемого вещества безотносительно к конк­ретному методу гранулирования [64].

Для структуры агломерата, норовое пространство которого заполнено газом и жидкостью, можно пред-, ставить модель сжатия, в которой каждая единица объема состоит из трех основных частей: А — объема твердой фазы, В — объема жидкой фазы в капиллярах и С — объема защемленного газа

Л+В+С=1

Так как жидкая фаза содержит долю твердого ком­понента, можно записать

B = W?+(pW? (П-2)

где ф — коэффициент растворимости твердого компонента в жидкой фазе при данной температуре; W — влажность агломерата.

В этом случае модель сжатия запишется в виде

(А— фй7)4-й7(1+Ф)+С= 1 (П-З)

Пористость агломерата при этом можно выразить

как

При деформации агломерата и изменении объемных соотношений необходимо иметь в виду, что равновесие защемленного газа связано также с явлениями газо - поглощения и газовыделения. Капиллярная жидкость, соприкасающаяся с защемленным газом, содержит воздух в растворенном виде. При этом количество рас­творенного в жидкости газа учитывается коэффициен­том растворимости газа Тогда общий объем газа Кг, содержащийся в свободном и растворенном состоя­ниях, будет равен

1/г = С + фВ (II-6)

При действии на агломерат сжимающей силы в про­цессе уплотнения давление газа возрастает до величины Р'„ , причем объем газа уменьшается на величину АС, равную полному изменению объема агломерата, по­скольку плотные частицы и жидкая фаза приняты не­сжимаемыми. Поэтому новый объем газа

//^С-ДС + ФВ (II-7)

соответствует прежней температуре и новому давлению Р'ит=Ри--АРи. Полагая температуру защемленного га­за неизменной в процессе гранулирования (изотермиче­ский процесс), можно применить закон Бойля —Мари - отта и, сделав соответствующие преобразования, из уравнений (II-5) — (П-7) получить

[С + ф (1 + ф) (е — С)] PUt =

= [С — ДС + ч>(1 + ф)(е — C)]P'„r (II-8)

Наиболее вероятной представляется структура агло­мерата, в которой газ при первоначальном давлении
является полностью растворенным в жидкой фазе, за­полняющей все пустоты агломерата, а объем защем­ленного газа равен нулю. В этом случае, приняв С=0, после 'интегрирования уравнения (II-8), записанного в дифференциальной форме, получим выражение

е= t|>(i +«р)1пР„~ (И'9)

которое показывает, что пористость агломерата умень­шается с увеличением растворимости газа и твердого компонента в жидкой фазе, смачивающей поры, а так­же с увеличением внешнего давления.

Изменение физических условий в обычных при гра­нулировании пределах существенно влияет на дефор­мируемость агломерата через газообразную составля­ющую его объема. Так, повышение температуры при гранулировании химических продуктов приводит к уве­личению растворимости твердой фазы и, как правило, снижению растворимости газа в жидкой фазе. В зави­симости от того, какое из этих явлений преобладает, повышение температуры гранулируемого слоя может привести как к уменьшению, так и к увеличению пори­стости гранул. Кроме того, изменение температуры аг­ломерата вызывает изменение таких свойств жидкой фазы, как вязкость и поверхностное натяжение, что, в свою очередь, изменяет характер вытеснения жидкой фазы из пор и капилляров при деформации агломера­тов.

Существенное влияние на характер уплотнения гра­нулируемых структур оказывают физико-механические свойства твердой фазы: коэффициент внутреннего тре­ния, сыпучесть, пластические и адгезионные свойства порошковидных частиц, составляющих твердую основу агломерата, их смачиваемость жидкой фазой и т. д.

В изложенной выше модели уплотнения не учитыва­ется влияние физико-механических и реологических факторов на уплотняемость вещества при гранулиро­вании, поскольку эти вопросы рассматриваются специ­ально в гл. I. ,

Из указанных выше особенностей гранулирования и общей модели уплотнения следует, что для всех ме­тодов, несмотря на различия механизмов гранулообра­

зования, характерным является уплотнение структуры исходного вещества, обусловленное силами взаимодей­ствия между отдельными частицами или кристаллами.