Гранулирование

Процессы гранулирования в псевдоожиженном слое

4.2.1. Механизм и кинетика гранулообразования

При сушке растворов или охлаждении плавов в псевдоожи­женном слое часть исходного вещества не достигает либо не укрепляется на поверхности гранул слоя и образует новые цент­ры гранулообразования. Процесс импульсного нанесения тон­ких пленок на поверхность частиц сопровождается кристалли­зацией на частицах тонких слоев вещества. Рост гранул тем ве­роятнее, чем больше силы сцепления капли жидкости с тверды­ми частицами слоя.

Адгезионная способность капли зависит от шероховатости поверхности гранул и свойств распыливаемой жидкости, наибо­лее важным из которых является соотношение в капле жидкой и твердой фаз. Это соотношение по мере движения капли в фа­келе распыла непрерывно изменяется, так как изменяется ее температура и влажность. При попадании диспергированной жидкости в псевдоожиженный слой с более низкой температу­рой происходит быстрое охлаждение насыщенного раствора или плава с выделением в капле твердой фазы, что понижает ее способность к адгезии.

Существуют и другие возможности образования новых цент­ров гранулообразования, например в результате механического или теплового дробления гранул. В последнем случае процесс сводится к следующему. Частицы крупнее определенного разме­ра, циркулируя между зоной активного теплообмена (приреше - точная зона высотой 20—30 мм) и основным объемом слоя, имеющим более низкую температуру, не успевают прогреваться на всю толщину. В результате возникают термические напря­жения, способные расколоть гранулу [89].

Наряду с образованием новых частиц — центров гранулооб­разования— и ростом размеров гранул по мере наслаивания на их поверхность тонких пленок в псевдоожиженном слое возмо­жен рост гранул путем агломерации отдельных частиц под дей­ствием достаточно больших сил сцепления между частицами в момент их соударения. При избытке жидкости на поверхности частиц (причиной этого может быть высокая локальная влаж­ность либо состояние, когда температура поверхностного слоя гранулы превышает температуру плавления вещества) адгезн- рнно-когезионные силы сцепления оказываются больше инерци­онных сил движения частиц, что приводит к образованию агло­мератов. При последующей кристаллизации вещества из жид­кой фазы образуются кристаллические мостики, прочно связы­вающие частицы агломерата между собой. Если мостики, обра­зовавшие агломерат, недостаточно прочны, то при интенсивном движении частиц в слое происходит разрушение агломератов с образованием частиц исходного или меньшего размера.

Как следует из сказанного, гранулирование в псевдоожижен­ном слое сопровождается сложными тепломассообменными и гидродинамическими процессами роста гранул, осложненными образованием новых частиц-—центров гранулообразования. Для практических расчетов грануляторов с псевдоожиженным слоем важно знать закономерности изменения гранулометрического состава продукта во времени, выявить способы достижения мак­симального выхода целевой фракции.

Изучению закономерностей изменения гранулометрического состава продукта в зависимости от технологических показателей процесса посвящен ряд исследований. Из многообразия предло­женных методик расчета гранулометрического состава продук­та, получаемого в псевдоожиженном слое, можно выделить не­сколько основных подходов.

Ряд авторов определяют гранулометрический состав продук­та путем совместного решения уравнения скорости роста от­дельной частицы и распределения гранул по времени пребыва­ния их в аппарате.

Так, для полидисперсного ретура при экспоненциальном законе роста частиц н идеальном перемешивании в слое гранулометрический состав рас­считывается:

К=л

F{dt)=* 2 F (dt, dp)PK, (4.22)

/С=1

F(di, do) = 1 — exp[— 3(<2м+<2р)/К<2р(1п di/do)], (4.23)

где d0, di, dp — начальный и текущий диаметры частиц слоя, диаметр частиц ретура; QM, Qp — расходы сухого материала, вводимого в слой с жидкостью, и ретура; К — коэффициент гранулообразования; Рк — содержание к-й фракции в ретуре.

Коэффициент К. показывает, какая доля от введенного с жидкой фазой вещества распределяется на поверхности частиц. При К<-1 образуются но­вые частицы—центры гранулообразования, при К>1 происходит агломе­рация. Для случая, когда К=1, процесс гранулообразования характеризует­ся нормальным ростом. Это означает, что диспергируемый продукт, вводи­мый в слой, полностью распределяется на поверхности частиц слоя.

Другой подход к расчету фракционного состава продукта в процессе гранулирования заключается в использовании уравне­ния, учитывающего массу и размер образующихся (источники) и выгружаемых (стоки) частиц [89].

Основываясь на этом, уравнение для изменения функции распределения гранул по размерам можно записать:

(dp/dt) + [d(?,p)/dx] =<р(х)+ф(р) — б(х), (4.24)

где ф(х), ф(р), G(x) —распределения по размерам вводимых в слой, об­разующихся в слое и выгружаемых из слоя частиц; Ь=дх/дт:— линейная скорость роста частиц; р(х, т) —распределение частиц по размерам.

нірШр

Рис. 4.3. Схема материальных потоков процесса гранулирования в псевдоожи-
женном слое с селективной выгрузкой частиц:

/ — гранулятор с псевдоожиженным слоем; 2 — устройство для выгрузки (затзор — пита-
тель); 3 — сепаратор (классификатор)

Рис. 4.4. Характеристики идеального сепаратора

При стационарном непрерывном процессе, отсутствии внутренних источ­ников частиц и неселективной выгрузке уравнение имеет вид:

(d/dx) (р>.) =— fcp+<p(x),

где £=1/тср.

Рассмотренные выше закономерности не учитывают явление сепарации (классификации) частиц по размерам при выгрузке продукта из аппарата.

Известны лишь некоторые попытки учесть явление селектив­ной выгрузки продукта в общих моделях гранулообразования [89]. Эта модель основана на допущении об идеальности рабо­ты сепаратора (внутреннего или внешнего) и дает общее пред­ставление о совместном рассмотрении процессов гранулирова­ния и классификации (рис. 4.3).

Принят следующий режим работы сепарирующего устройства (рис. 4.4.): все частицы размером х<а возвращаются в аппарат, а размером х»а вы­водятся нз системы.

Для обеспечения непрерывного процесса гранулирования в аппарат (см. рис. 4.3) подают определенное количество Qp мелких частиц ретура N со­става <р(х). При этом допускается, что образование новых центров за счет дробления частиц и испарения жидкости не происходит, а также отсутству­ет агломерация частиц в слое.

Тогда система уравнений, описывающих поведение функции распреде­ления р(х, т) в ретуре с учетом роста частиц за счет подаваемого с раство­ром твердого вещества QM, выгрузки частиц и идеальной работы сепарато­ра, имеет вид [Я,(т) —линейная скорость роста гранул]:

<3р (х, г)/дт+?. (г)др(х, т)/дх=— кО (х — а)р (х, г) +Мр(х), (4.26)

Подобный подход весьма далек от реально протекающих процессов гра­нулирования и классификации, часто совмещенных в одном аппарате.

Известно также [21] уравнение для весового распределения частиц по размерам с учетом скорости их роста Я. (/?) =Q„/F рт для монодисперсного ретура:

g (г) = (FpT/QM) (г/го)3 [1 /(QJQV+1) 1 exp [ (FpTp/QM) (г0 — г) ], (4.29)

где F — общая поверхность частиц, находящихся в псевдоожиженном состоя­нии; рт—плотность материала твердых частиц; Qm—расход твердого ма­териала) с раствором; Qp — расход ретура; г0 — радиус частиц ретура; g(r)—плотность распределения частиц по радиусам; P=(Qm+Qp)/G сл» ГДЄ Gc. i — масса слоя.

Предложенные уравнения для расчета гранулометрического состава (4.25) — (4.28) включают в себя скорость роста частиц, относительно которой существуют различные мнения [21]. При­нято, что скорость роста пропорциональна поверхности слоя и не зависит от размера частиц, т. е. закон роста частиц описыва­ется уравнениями:

d=de+Kx (4.30)

или

X = dd/dt=Qp/fpi=const. (4.31)

Отсюда теоретически выводится зависимость скорости роста от диаметра частиц, имеющая вид:

d/d„=exp (<3м/30сл)т. (4.32)

Аналогичное выражение получено при условии, что исход­ное вещество распределяется в слое пропорционально поверхно­сти частиц:

dd/dT= (2<2„/рДсл) (A+Bd). (4.33)

Некоторые авторы [89], исходя из анализа эксперименталь­ных данных, считают, что закон роста гранул может быть ли­нейным— при отсутствии сепарации частиц в слое и нелиней­ным— в случае сепарации частиц по размерам в зоне ороше­ния слоя жидкостью, т. е.

%=adm. (4.34)

Экспериментальные исследования кинетики роста частиц в псевдоожи­женном слое подтверждают степенной характер зависимости скорости роста от размера гранул. Однако мнения о степени этого влияния противоречивы. Так, в одних работах указывается на монотонный характер зависимости скорости роста от диаметра, а в других обнаружен экстремальный харак­тер этой зависимости, объясняемый разной вероятностью выхода гранул различного размера в зону орошения и в выгрузку.

Для уточнения закона роста проведено исследование [90] процесса гра - нулообразования в широком диапазоне изменения параметров при исполь­зовании методики, позволяющей определять размеры отдельных гранул.

Согласно этой методике, в слой подавалась навеска окрашенных ча стиц (ядер). Через определенные интервалы времени из непрерывно выгру­жаемого продукта отбирали пробы и изготовляли диаметральные шлифы гранул. Меченые ядра и образовавшиеся на ннх оболочки измеряли под микроскопом.

Обнаружено, что математические ожидания распределений по размерам гранул, отобранных в каждый момент времени, изменяются во времени по экспоненциальному закону независимо от производительности, массы слоя и других параметров.

Уравнения (4.21) и (4.22) применены только для наиболее простого случая, когда рост гранул пропорционален поверхности частиц слоя (нор­мальный рост). Реальные процессы гранулирования протекают с отклонением от нормального роста. В этом случае определение гранулометрического со­става требует уточнения эмпирических коэффициентов. И коэффициент гра - нулообразовання в уравнении (4.22), и функции распределения образующих­ся в слое частиц в уравнении (4.23) для каждого материала должны опреде­ляться из эксперимента.

Особенности формирования гранул определяют свойства гранулируемых материалов, режимные параметры н конструктивные характеристики грану­лятора с псевдоожиженным слоем.

Как видно из уравнений (4.32) и (4.33), в случае роста гранул про­порционально поверхности частиц слоя, диаметр гранул увеличивается с уве­личением производительности (Q„), диаметра частиц ретура (d0) и умень­шением расхода ретура (Qp). Однако такой режим возможен лишь в опре­деленных условиях ведения процесса, при отклонении от которых в слое образуются новые мелкие частицы, наблюдается агломерация частиц.

Анализ результатов исследований различных авторов пока­зывает, что на размер гранул существенно влияет температура псевдоожиженного слоя. При сушке пульпы и растворов термо - лабильных веществ в слое при температуре до 100 °С наблюда­ется уменьшение среднего диаметра гранул с понижением тем­пературы слоя. Это связано с тем, что гранулирование происхо­дит при использовании более концентрированных растворов и пульп, поэтому увеличивается вероятность образования новых частиц в слое.

Термостабильные вещества гранулируют при более высоких температурах, при которых наблюдается тепловое дробление гранул. На интенсивность термического разрушения гранул влияет не столько температура слоя, сколько перепад темпера­тур между зоной орошения (зона более низких температур) и прирешеточной зоной слоя (зона повышенных температур). В реальных условиях увеличение температуры слоя приводит к уменьшению размеров гранул вследствие повышения перепа­да температур между зонами орошения и прирешеточной зоной и к увеличению вероятности образования мелких частиц в ре­зультате термического разрушения более крупных гранул Г891 -

Чем меньше жидкой фазы в исходном растворе (пульпе), тем меньше адгезионная способность капель в зоне орошения и тем больше вероятность образования мелких частиц в слое. При постоянной концентрации пульпы к укрупнению гранул приводит увеличение удельного орошения. Чем меньше поверх­ность зоны орошения (факела распыла), тем более толстая пленка образуется на грануле за однократное прохождение зоны орошения. Кроме того, при этом повышается влагонапряжен - ность факела распыла, увеличивается вероятность переувлажне­ния отдельных гранул и образования агломератов.

При распыливании жидкости пневматическими и комбини­рованными пневмомеханическими форсунками размеры зоны

орошения зависят от количества и давления распиливающего агента, а удельное орошение — от соотношения количеств рас­пиливающего агента и пульпы: чем больше это соотношение,

тем меньше размер получаемых гранул. Диаметр гранул увели­чивается с укрупнением размеров капель диспергируемого рас­твора.

Характер гранулообразования зависит от количества тепла, подводимого к факелу распыла с распиливающим агентом и жидкостью. Чем больше тепловой потенциал факела распыла, тем с большей интенсивностью обезвоживается диспергирован­ная пульпа (от места ее истечения до соприкосновения капель с гранулами в зоне орошения), тем меньше силы сцепления гра­нул и больше вероятность образования новых частиц. При по­даче в факел распыла избытка тепла (сверх необходимого для первого периода сушки) происходит разогрев, размягчение и слипание гранул. Следовательно, изменение диаметра гранул слоя в зависимости от количества тепла, подводимого в зону орошения, носит экстремальный характер.

В зависимости от специфических особенностей процесса, в частности от механизма гранулообразования, различные пара­метры процесса влияют на размер гранул в неодинаковой степе­ни. Так, влияние скорости ожижающего агента и среднего вре мени пребывания гранул в слое в условиях непрерывного про цесса практически не наблюдаются. Однако при наличии тер­мического разрушения гранул с уменьшением времени их пре­бывания число образующихся новых частиц также уменьшает­ся, а с уменьшением скорости псевдоожижения несколько сни­жается интенсивность перемешивания в слое, т. е. вероятно уменьшение числа циклов нагрев — охлаждение. Все это может привести к росту диаметра гранул.

Таким образом, для осуществления непрерывного процесса гранулирования требуется, в конечном итоге, регулирование количества мелкой фракции, образуемой в слое. Совершенно очевидно, что для поддержания оптимальных показателей про­цесса гранулирования различных минеральных удобрений необ­ходимы разные режимы. О влиянии даже незначительных из­менений химического состава на гранулометрический состав продукта можно судить по результатам исследований процессов гранулирования сложно-смешанных удобрений и нитратно-фос­фатных смесей. Диаметр гранул слоя увеличивается при умень­шении кислотности пульпы аммофоса и увеличении концентра­ции добавочной патоки в нитратно-фосфатных растворах.