МАШИНОСТРОЕНИЕ

КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАСПЛАВОВ

Отверждение расплавов является одним из распространенных видов процесса кристал­лизации [14]. Отверждению подвергаются рас­плавы как отдельных веществ, так и многоком­понентных смесей. В последнем случае при от­верждении расплава возможно неравномерное распределение компонентов по объему отвер - жденного продукта. Это обстоятельство может оказывать заметное влияние на структурные, механические, физические и другие свойства получаемых продуктов.

При отверждении расплавов в формах продукты получаются в виде отдельных блоков (отливок) той или иной конфигурации. В про­стейшем случае форма представляет собой ко­нический сосуд, охлаждение которого произ­водится путем естественного теплообмена с окружающей средой или подачей хладагента в охлаждающую рубашку. Такие формы часто используют для получения продуктов в виде крупных блоков. Например, при получении блочного льда применяют формы объемом до 500 л. При этом в промышленных ледогенера­торах одновременно охлаждается до 1000 та­ких форм. Продолжительность процесса зави­сит от объема формы и нередко достигает 10...20 ч.

При получении продуктов в виде плит (пластин) применяют секционированные охла­дители (рис. 5.3.1), состоящие из комплекта вертикальных охлаждаемых плит 2, располо­женных на двух горизонтальных цилиндриче­ских опорах 3 и двух массивных опорных стойках 7, и зажимного механизма 4.

Перед заливкой расплава плиты прижи­маются друг к другу с помощью винтового или гидравлического механизма. При этом охлаж­даемые плиты образуют прямоугольные полос­ти, в которые сверху заливается расплав. Пли­ты снабжены внутренними каналами, по кото­рым циркулирует охлаждающая жидкость. По­сле охлаждения плиты разжимают и извлекают образовавшиеся блоки твердого материала. Толщина получаемых блоков составляет обыч­но 40... 100 мм. Продолжительность процесса охлаждения составляет 1...4 ч. С целью меха­низации и автоматизации этого процесса его часто осуществляют на установках конвейер­ного или карусельного типа.

Установка конвейерного типа (рис. 5.3.2) представляет собою конвейер, между привод­ными цепями которого расположены формы 7. Цепи надеты на приводные звездочки 3. Под верхней ветвью конвейера расположена охла­ждающая ванна 4 с проточной водой, в кото­рую при движении формы погружаются ниж­ней своей частью. Заливка расплава из бункера 2 производится на входе формы в охлаждаю­щую ванну. После отверждения расплава фор­мы опрокидываются и из них выпадает образо­вавшийся блок. В некоторых случаях для об­легчения извлечения отливок из форм преду­сматривается специальный выталкиватель или ударный механизм.

При использовании карусельных устано­вок формы устанавливают на круглый вра­щающийся стол, при повороте которого на оп­ределенные позиции происходит последова­тельное их заполнение расплавом, охлаждение и извлечение отливок.

Установки конвейерного типа наиболее часто используются для получения в виде бло­ков парафина, нафталина, серы, а установки карусельного типа - для отверждения цветных металлов и их сплавов [14].

Для отверждения расплавов с целью по­лучения различных отливок (заготовок, гото­вых изделий и др.) часто используют литьевые машины [14]. В этом случае кристаллизацию расплава обычно осуществляют в разъемных формах.

Трубчатые охладители являются высо­копроизводительными аппаратами, применяе­мыми для отверждения расплавов низкоплав­ких веществ. Трубчатые кристаллизаторы по конструкции напоминают вертикальные кожу­хотрубчатые теплообменники, причем каждая трубка является металлической формой, в ко­торой отверждается расплав. Процесс является периодическим, и рабочий цикл состоит из следующих операций: заполнения кристалли­затора; кристаллизации расплава; слива хлад­агента; подплавления отвержденных стержней; разгрузки кристаллизатора.

В промышленности применяются два ти­па трубчатых кристаллизаторов: с откидной нижней крышкой и поворотного типа. Трубча­тый кристаллизатор первого типа имеет верти­кальный пучок труб 7, закрытых снизу откид­ной крышкой б, которая уплотняется с помо­щью винтового механизма, состоящего из чер­вячного привода 2, тяги 3 и траверсы 5, или посредством гидравлических цилиндров (рис. 5.3.3). В нижней части аппарата располо -

Жена кулачковая дробилка 7 для измельчения получаемых стержней.

Исходный расплав / при закрытой ниж­ней крышке заливается в трубчатку через шту­цер 4. В межтрубное пространство подается охлаждающий агент //. Охлаждение продолжа­ется до полного отверждения расплава в труб­ках. После этого прекращается подача хлад­агента, сливают его остатки из межтрубного пространства и туда подают греющий пар (горя­чую воду). После некоторого подплавления стержней открывается нижняя крышка аппара­та и они выпадают из трубок кристаллизатора, попадая в дробилку. Из последней измельчен­ный продукт III в кусках требуемых размеров выводится из аппарата через бункер 8.

Трубчатый кристаллизатор поворотного типа (рис. 5.3.4) состоит из вертикального пуч­ка трубок 7, один конец которых заварен, кор­пуса 5 и поворотного механизма 3. Трубчатка опирается на полуоси 2 и 6, вокруг которых поворачивается на 180° с помощью поворотно­го механизма. Полуось 6 имеет каналы для подвода и отвода охлаждающего или нагре­вающего агента. В нижней части кристаллиза­тора может быть установлена дробилка. В вер­тикальном положении трубчатки через штуцер 7 трубы наполняются расплавом, после чего в межтрубное пространство подается охлаж­дающий агент. По окончании процесса отвер­ждения расплава подача хладагента прекра­щается, кристаллизатор поворачивается на 180° и включается нагрев. Стержни в трубках оп -

Лавляются и падают в приемный бункер 4 или в дробилку. Затем кристаллизатор возвращается в исходное положение и процесс повторяется.

Отверждение расплавов часто осуще­ствляют в тонком слое, что позволяет произ­водить процесс в непрерывном режиме, суще­ственно повышающем производительность оборудования [14]. В этом случае продукты получаются в виде тонких пластинок, чешуек и полусфер. Для осуществления такого процесса используются ленточные, барабанные (вальце­вые) и дисковые кристаллизаторы.

Ленточные кристаллизаторы применяют для отверждения нафталина, серы, парафина, различных смол, пека и др. [14]. Основным ра­бочим органом аппаратов этого типа является тонкая металлическая лента, натянутая на два барабана, из которых один является привод­ным. Расплав на ленту подается в виде сплош­ного слоя, в виде полосок определенной шири­ны или отдельными тонкими струйками и даже в виде капель.

Охлаждение расплава может произво­диться по-разному, в зависимости от свойств охлаждаемого вещества, толщины слоя распла­ва и требований к готовому продукту. Если продукт должен быть сухим после затвердева­ния или не допускает контакта с влагой, то лента снизу орошается струей охлаждающей воды. В некоторых случаях охлаждение про­изводят путем обдува холодным воздухом ма­териала на ленте или обратной стороны ленты. Наиболее эффективным является непосредст­венное орошение охлаждаемого продукта хо­лодной водой, если их контакт допустим.

В ленточном кристаллизаторе с нижним охлаждением исходный расплав непрерывно стекает на ленту 8. натянутую между бараба­нами 7, 5 из бункера 2, а продукт собирается в бункер б (рис. 5.3.5, а). Нижняя поверхность ленты с охлаждаемым слоем 4 орошается ох­лаждающей водой через разбрызгивающие со­пла. Во избежание растекания расплава лента окаймлена с обеих сторон резиновыми борти­ками 3, к которым она плотно прижата при движении. Съем отвержденного продукта бла­годаря изгибу ленты на натяжном барабане 5, как правило, происходит без применения но­жей. В некоторых случаях для очистки ленты устанавливают специальные вращающиеся щетки 7. Толщина отверждаемого слоя зависит от теплофизических свойств продукта, интен­сивности охлаждения, длины и скорости дви­жения ленты и т п. На практике она обычно со­ставляет 1... 10 мм, скорость ленты 0,1...0,3 м/с.

В ленточном кристаллизаторе с непо­средственным орошением расплава водой из коллектора 9 вода отводится из лотка 10 (рис. 5.3.5, б).

Если расплав обладает большой адгезией к металлической ленте (например, смолы, пе­ки), то его подают тонкими струйками на пред­варительно смоченную ленту или через слой воды. В последнем случае ленту кристаллиза­тора погружают частично в ванну с водой.

Барабанные кристаллизаторы применя­ют для получения чешуированных продуктов: аммиачной селитры, карбамида, калиевой се­литры, едкого натра, нафталина, парафина, ка - пролактама, серы, льда, ядохимикатов, жиров, мыла и др. Существует ряд конструктивных модификаций барабанных кристаллизаторов, основным узлом которых является полый ба­рабан, охлаждаемый изнутри водой, холодным рассолом или кипящим хладагентом (аммиа­ком, фреоном и др.).

Охлаждение барабанов жидкими хлад­агентами осуществляют по двум вариантам:

охлаждающий агент подается через одну полую цапфу в полость барабана и выво­дится оттуда через другую цапфу;

охлаждающий агент поступает в бара­бан по неподвижной трубе, проходящей через полую цапфу, и разбрызгивается форсунками. Омывая тонкой пленкой всю внутреннюю по­верхность барабана, хладагент собирается в нижней части барабана и отводится оттуда с помощью сифона или вакуум-насоса.

Для создания высокой интенсивности от­вода теплоты охлаждение барабана часто про­изводится за счет непосредственного испаре­ния жидкого аммиака или фреона в полости барабана.

По способу питания исходным расплавом барабанные кристаллизаторы разделяются на четыре группы: с нижним питанием; с верхним питанием; с боковым питанием; двухбарабан- ные кристаллизаторы.

В нашей стране наибольшее распростра­нение получили барабанные кристаллизаторы с нижним питанием (рис. 5.3.6). Исходный рас­плав непрерывно подается по трубе 76 в ванну кристаллизатора, где поддерживается постоян­ный уровень. В ванну на определенную глуби­ну погружен охлаждаемый барабан 7, медлен­но вращающийся вокруг оси. При контакте ох­лаждаемой поверхности барабана с расплавом на ней образуется кристаллический слой. При выходе из ванны вращающийся барабан увле­кает и пленку расплава, которая также кри­сталлизуется. Образующийся слой твердого продукта непрерывно снимается с барабана ножом 14 и сбрасывается в приемный бункер 15, откуда шнеком 5 непрерывно выводится через патрубок 6.

Ванна снабжена рубашкой для поддержа­ния требуемой температуры расплава. Аппарат может быть полностью герметизирован; выде­ляющиеся из расплава пары отсасываются вен­тилятором через патрубок 72. В кожухе аппа­рата предусмотрены смотровые окна 13 для наблюдения за срезом отвержденного слоя. Частота вращения барабана находится в преде­лах 0,01 ...20 мин"1.

Поверхность барабана может быть глад­кой или ребристой. Кристаллизаторы с гладкой поверхностью барабана применяют в тех слу­чаях, когда затвердевшая корка лимитирована по толщине, не откалывается от поверхности барабана. Кристаллизаторы с ребристой по­верхностью предпочтительны, когда затвер­девшая корка не лимитирована по толщине, легко скалывается с поверхности барабана и по условиям производства требуются минималь­ные размеры аппарата.

Двухбарабанные кристаллизаторы состо­ят из двух соприкасающихся барабанов 7 и 7 (рис. 5.3.7). Торцовыми стенками зумпфа 6 яв­ляются щеки, опирающиеся на поверхность ба­рабанов. Исходный расплав подается непо­средственно в зумпф, где он непрерывно пере­мешивается горизонтальной лопастной мешал­кой 5. Перемешивание предотвращает засты­вание всей массы расплава в зумпфе. Барабаны устанавливают с некоторым зазором, не допус­кающим протекания расплава из зумпфа, кото­рый регулируется перемещением ведомого ба­рабана. Отвержденный слой продукта снимает­ся ножами 12, установлейными в нижней части барабанов. Готовый продукт выгружается из аппарата шнеком 9.

Двухбарабанные кристаллизаторы изго­товляют только с гладкими поверхностями ох­лаждаемых барабанов. Их обычно применяют в тех случаях, когда расплав не допускает дли­тельного воздействия высокой температуры или содержит твердые включения, которые должны попасть в отверждаемый продукт. Ба­рабанные кристаллизаторы с верхним и боко­вым питанием предназначены в основном для охлаждения вязких расплавов. Конструкции таких аппаратов и принципы их действия опи­саны в монографии [14].

В дисковых кристаллизаторах верти­кального и горизонтального типов отвержде­ние расплавов происходит на поверхностях вращающихся, охлаждаемых изнутри дисков. Отвержденный продукт снимается неподвиж­ными ножами. По сравнению с ленточными и барабанными аппаратами они используются реже ввиду более сложной конструкции.

Отверждение расплавов в диспергиро­ванном виде получило довольно широкое рас­пространение. При этом капли расплава охла­ждаются в воздушной или жидкой среде. Дис­пергирование производится с помощью форсу­нок, вращающихся дисков и др. Гранулы, по­лучаемые при отверждении диспергированных

Расплавов, чаще всего имеют сферическую форму, соответствующую минимуму поверх­ностей энергии на границе раздела фаз. Пред­ложены разнообразные методы гранулирова­ния веществ путем диспергирования их рас­плавов, которые можно разделить на две груп­пы: гранулирование в жидкой среде и гранули­рование в потоке газа.

Гранулирование путем охлаждения дис - пергированого расплава в жидкой среде воз­можно в тех случаях, когда последняя инертна по отношению к отвержденному продукту. Один из способов такого гранулирования за­ключается в том, что расплав диспергируется непосредственно над поверхностью охлаж­дающей жидкости, движущейся в желобе. Об­разующиеся капли расплава подхватываются потоком, в процессе транспортирования от- верждаются и отделяются от жидкости на на­клонном грохоте.

Иногда гранулирование производится в колонных аппаратах, в верхней части которых непосредственно в охлаждающей жидкости располагается питательная тарелка, через от­верстия которой происходит истечение рас­плава. Для предотвращения забивания отвер­стий тарелка подогревается. Охлаждающая жидкость движется в колонне навстречу опус­кающимся каплям. Затвердевшие гранулы на­капливаются в нижней части колонны, откуда они периодически или непрерывно выводятся.

Диспергирование расплава можно также производить с помощью инжектора, используя охлаждающую жидкость в качестве инжекти­рующего потока.

Широкое распространение в промышлен­ности получил метод гранулирования распла­вов путем их диспергирования во встречном потоке газа (воздуха). Этим методом получают гранулированные продукты из расплавов ам­миачной селитры, карбамида, шлаков, серы, смол и др.

Грануляционные башни представляют со­бой массивные сооружения. Так, высота башни для гранулирования аммиачной селитры или карбамида достигает 45 м, а диаметр 16 м. Диспергированный расплав падает вниз в виде капель и охлаждается встречным потоком воз­духа. Скорость воздуха в башне составляет 0,4...2,5 м/с, диаметр получаемых гранул 1...3 мм. Расплав подается в башню обычно при температуре на 5... 10 °С выше точки плав­ления. Выходящие из башни гранулы нагреты до 60...80 °С, поэтому перед упаковкой их до­полнительно охлаждают либо путем обдува холодным воздухом на конвейере, либо в псев - доожиженном слое.

Грануляторы с псевдоожиженным слоем обычно представляют собой вертикальные ап­параты. Расплав с помощью форсунок подается непосредственно в псевдоожиженный слой или разбрызгивается над ним. Охлаждающий воздух поступает в нижнюю часть аппарата под газораспределительную решетку.

Рост гранул при этом происходит за счет кристаллизации мелких частиц расплава на по­верхности растущих гранул. Такой способ гра­нулирования по сравнению с башенным позво­ляет повысить удельную производительность гранулятора в несколько раз. Однако продукт получается неоднородным по размерам. Кроме того, мелкие частицы продукта выносятся из аппарата потоком ожижающего агента, что обусловливает его потери и необходимость ус­тановки мощных пылеулавливающих уст­ройств.

Смесительные кристаллизаторы предна­значены для отврждения вязких плохо кри­сталлизующихся расплавов [14]. Конструктив­но эти аппараты практически ничем не отли­чаются от обычных лопастных смесителей, снабженных охлаждающими рубашками; в не­которых случаях в них также охлаждаются пе­ремешивающие лопасти. В процессе охлажде­ния происходит одновременно кристаллизация и дробление получаемого продукта. В некото­рых случаях для улучшения процесса кристал­лизации к расплаву добавляются различные наполнители.

Расчет установок для отверждения расплава. Производительность установки для отверждения расплава в формах

Где Уф - объем формы; т - число форм; рк -

Плотность затвердевшего продукта; тц - про­должительность цикла охлаждения расплава в форме.

Величина тц может быть выражена сум­мой

Где т3- время заливки формы; тк - время полной кристаллизации расплава; т0 - время охлаждения отвержденного продукта до задан­ной температуры: ти - время извлечения от­ливки и подготовки формы к новой операции.

Расчет стадии кристаллизации обычно производят с использованием теоретических зависимостей, полученных при рассмотрении процесса кристаллизации расплавов на охлаж­даемых поверхностях плоской, цилиндриче­ской или сферической формы. Для расчета ста­дии доохлаждения используются уравнения нестационарной теплопроводности. Методики таких расчетов приведены в монографии [14].

Зависимость (5.3.1) можно также исполь­зовать для расчета производительности труб­чатых кристаллизаторов. При этом величина т равна числу труб кристаллизатора.

Производительность ленточных кристал­лизаторов при подаче расплава на ленту в виде сплошного слоя

G = лр к w5 .

Где s - ширина ленты; w - скорость движе­ния ленты; рк, 8 - соответственно плотность

И толщина затвердевшего слоя.

Время охлаждения расплава на ленте длиной /

Т = l/w.

Тогда

G = spKbl/x.

Величины бит взаимосвязаны. Время охлаждения должно быть таким, чтобы слой расплава на ленте успел полностью перейти в кристаллическое состояние. Для определения связи между толщиной кристаллического слоя 5 и временем охлаждения расплава т можно воспользоваться одним из теоретических мето­дов, приведенных в [14].

При отверждении расплава на барабан­ных кристаллизаторах с нижним питанием толщина слоя снимаемого ножом, склады­вается из двух слагаемых: толщины слоя 5, закристаллизовавшегося на погруженной части барабана, и толщины жидкого слоя 5Ж , увле­каемого вращающимся барабаном:

Методики расчета величин 5 и 5Ж при­ведены в монографии [14].

Производительность кристаллизатора

G = spKw5y,

Где s - ширина барабана; w - окружная ско­рость барабана; рк - плотность затвердевшего слоя.

Так как w = \20nRnб, то часовая произ­водительность барабанного кристаллизатора

Где R - радиус барабана; - частота враще­ния барабана, мин"1.