ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

Гранулирование окатыванием в грануляторах барабанного типа и планетарных грануляторах

Гранулирование в аппаратах барабанного и тарельчатого типов осуществляется в присутствии жидкой фазы, которая вносится в виде растворов и плавов.

На образование и рост гранул большое влияние оказывает соот­ношение между жидкой и твердой фазами. В зависимости от содер­жания жидкости и твердых дисперсных частиц наблюдаются различ­ные механизмы гранулообразования. При недостаточном количестве связующего (влаги), когда жидкость находится только в зоне контак­та частиц, преобладающим является механизм разрушения частиц с последующим их взаимным наслоением. По мере увеличения со­держания влаги происходит заполнение пор, образуется жидкостная сетка в агломерате твердых частиц, объединенных в гранулу. В этом случае агломерирование частиц происходит под действием капил­лярных сил сцепления, действующих по поверхности гранул.

Когда твердые частицы полностью покрываются влагой, преоб­ладающим является механизм агломерации, при котором происходит соединение гранул примерно одинакового размера в агломераты.

Гранулирование, например минеральных удобрений, в барабан­ных аппаратах обычно проводят при t = 50-100 оС. В этих условиях часть вводимой влаги испаряется, на поверхности твердых частиц и сформировавшихся гранул происходит кристаллизация солей. В результате образуются более крупные гранулы. Таким образом, в барабанных и тарельчатых грануляторах гранулообразование опре­деляется одновременным действием капиллярных сил сцепления, сил поверхностного напряжения и кристаллизации солей из пересыщен­ных растворов и плавов. При гранулировании методом окатывания для большинства продуктов характерна очень узкая область опти­мальных отношений жидкой и твердой фаз [4]. За ее пределами либо не происходит формирование гранулы, либо идет спонтанная агло­мерация частиц.

Уплотнение частиц методом окатывания достигается, в основ­ном, при ударе о неподвижный слой материала или о стенку грану­лятора. В этот момент большая часть кинетической энергии, которую приобрел комок при скатывании вниз, расходуется на перемещение зерен и уплотнение гранулы. Величина кинетической энергии опре­деляется не только скоростью скатывания, но и массой комка [11].

Поэтому должен существовать минимальный размер влажного комка, при котором он приобретает достаточную кинетическую энергию во время осыпания. Если масса комка меньше критической величины, то накопленной энергии не хватит для совершения работы уплотнения, и этот комок не сможет стать зародышевым центром. С увеличением диаметра и соотношения зародыши-порошок время, необходимое для достижения определенной плотности комков, уменьшается.

Комки в результате многократных ссыпаний и ударов уплотня­ются, отдельные частицы, перемещаясь, укладываются более плотно. При этом избыточная влага выдавливается на поверхность комка, в результате чего становится возможным дальнейшее присоединение к такому комку сухих частиц. По мере приближения частиц друг к другу толщина пленок связанной воды становится все меньше, прочность сцепления увеличивается.

Сближение частиц вследствие уменьшения толщины адсорби­рованных пленок возможно только в том случае, когда избыток влаги поглощается, например, в результате присоединения новых частиц к поверхности или поступления влаги внутрь гранулы. При гранули­ровании внутри комка создается определенная минимальная толщи­на водных пленок, соответствующая величине динамических нагру­зок. Как только эта толщина достигается, дальнейшее выделение во­ды на поверхность комка прекращается, гранула перестает расти, ее прочность становится максимальной для данного режима [11].

Помимо динамических нагрузок при ударе уплотнению гранул способствуют и другие силы. В момент перекатки гранулы через зерно мелкого материала происходит толчок в направлении центра гранулы. Развивающееся при этом давление способствует формиро­ванию гранул в сферы. На поверхности перекатывающегося шарика возникает не только толчок, но и срезывающее усилие. Часть неров­ностей гранулы не выдерживает этих напряжений и разрушается, а прочно прилипшие зерна вдавливаются внутрь.

Структура гранулы уплотняется постепенно под действием большого числа ударов различного направления, в результате чего взаимное перемещение частиц происходит только на тех участках, где в данный момент сила сцепления имеет минимальное значение. Очевидно, что динамические нагрузки в грануляторе не должны пре­вышать допустимые, т. е. напряжения в комке не должны быть раз­рушающими.

Предел прочности агломератов на разрыв при данной величине сил сцепления F может быть определен следующим образом:

где s - пористость агломерата;

d — размер агломерата, м3.

Грануляторы барабанного типа широко используются в химиче­ской, металлургической, пищевой и других отраслях промышленно­сти.

Гранулятор представляет собой вращающуюся цилиндрическую обечайку 4 с закрепленными на ней бандажами 3 (рис. 1.2), которы­ми она опирается на роликовые опорные станции 2. Для предотвра­щения осевого сдвига гранулятора предусмотрены упорные ролики. Для уменьшения налипания влажного материала внутреннюю стенку барабана футеруют резиной. Гранулированный материал выгружают через узел 1.

Отсос паров и пыли из гранулятора производят вентиляционной установкой, подсоединенной к патрубку, установленному в верхней части узла выгрузки. В процессе гранулирования шихту увлажняют с помощью форсунки, установленной на расстоянии 1,0—1,5 м от за­грузочного устройства гранулятора.

Исходную шихту (например, нейтрализованный суперфосфат) дозируют из промежуточного бункера и через загрузочное устройст­во подают в гранулятор. Через форсунку сюда же дозируют жид­кость на увлажнение (вода, сточные воды, связующие добавки, пуль­па). Увлажненная шихта гранулируется, а влажный гранулируемый материал через узел выгрузки 1 направляется на сушку. При этом выход товарной фракции составляет 50-55 %, а прочность гранул, в зависимости от используемой нейтрализующей добавки, изменяет­ся от 1,5 до 2,8-3,0 МПа.

Для снижения влажности шихты, а следовательно, увеличения производительности действующих технологических линий произ­водства суперфосфата предлагается производить подогрев шихты в процессе гранулирования до температуры 60-80 оС. Шихту можно подогревать горящими стоками или водой, подаваемыми через фор­сунку, или паром, подаваемым под слой материала специальным распределителем.

Для грануляторов данного типа характерны такие преимущест­ва, как простота конструкции и эксплуатации, большая единичная мощность.

К недостаткам следует отнести:

- неравномерный гранулометрический состав продукта на вы­ходе из гранулятора, обусловленный неравномерностью увлажнения гранулируемой шихты;

- необходимость периодической чистки налипшего материала на стенки гранулятора и узла выгрузки.

Опыт эксплуатации грануляторов показывает, что наиболее частые остановки вызываются необходимостью очистки узла вы­грузки. Предположенные технические решения, направленные на устранение залипания узлов выгрузки (например, установка цепей, вибраторов) оказались малоэффективными. Для уменьшения на­липания влажного материала узел выгрузки материала облицовы­вают фторопластом.

Для устранения налипания влажных материалов на стенки бара­бана используют различные приспособления: скребки, шнеки, очист­ные ножи различных конструкций.

Для увеличения коэффициента заполнения окаточного барабана и интенсификации процесса гранулообразования предлагаются раз­личные решения. Разработаны конструкции многоконусного бараба­на, барабана с внутренней фигурной насадкой, гранулятора, состоя­щего из двух вращающихся один внутри другого барабанов. Такие конструкции позволяют увеличить поверхность окатывания, а следо­вательно, сократить диаметр и длину гранулятора. Существуют гра­нуляторы, совмещающие процессы гранулирования и классификации (рис. 1.3).

Гранулятор представляет собой обечайку 5, установленную на опорной и опорно-упорной станциях 3 (см. рис. 1.3). Ковшовое уст­ройство 6 захватывает предварительную шихту и транспортирует ее в барабан.

Рабочие поверхности барабана и ковшей покрыты резиной 8. Объем между обечайкой 5 и резиновой обкладкой 8 заполняют лег­котекучим материалом (водой, песком, дробью и т. п.), при вращении барабана резина под действием, например, воды прогибается, и на­липший на резину материал отрывается. Исходную шихту подают
в загрузочное устройство транспортером 7, сюда же поступает мел­кая фракция, которую отделяют на кольцевом сите 4. Товарную фракцию гранулируемого продукта направляют на сушку. Выход товарной фракции из гранулята зависит от размера ячейки кольцево­го сита.

Анализируя рассмотренные конструкции грануляторов барабан­ного типа, следует заметить, что установка внутри барабана допол­нительных устройств, как правило, усложняет их эксплуатацию.

Тарельчатые грануляторы относятся также к грануляторам ока­тывания. Гранулирование в таком грануляторе происходит на на­клонной вращающейся тарелке. Здесь конструкции тарельчатых гра­нуляторов подробно не рассматриваются, так как процесс гранули­рования в тарельчатом грануляторе отличается от процесса, проис­ходящего в барабанном грануляторе.

В планетарном грануляторе ось вращения барабана движется по круговой траектории. Барабан вращается в роторе (водиле). Обычно ось вращения барабана параллельна оси вращения ротора либо эти

оси пересекаются под углом не более 20° [12-14].

Исследование процессов гранулирования в грануляторе планетарного типа примеча­тельно тем, что сила давления между частицами на порядок выше благодаря дополнитель­ной центробежной силе Fc (рис. 1.5) и силе Кориолиса FH, поэтому процесс гранулирования бо­лее эффективен. Сила Кориолиса на рис. 1.5 не показана, так как имеет в разных точках сектора материала различное направление, потому что направление движения материала в относительной сис­теме координат в разных точках также различно (рис. 1.7). В некото­рых случаях, когда гранулируемый материал достаточно пластич­ный, может быть применено сухое гранулирование. Это намного уп­рощает процесс гранулирования, так как отпадает необходимость

равномерного смачивания материала, а затем его сушки; тем более что для некоторых материалов смачивание и смешение со связую­щими неприемлемо.