Гранулирование материалов

Барабанные грануляторы-сушилки

Барабанный гранулятор-сушилка (БГС) предназна­чен для гранулирования и сушки, а также в зависимо­сти от конструкции для классификации и охлаждения продукта. БГС (рис. VII-17) представляет собой на­клоненный в сторону выгрузки барабан, опирающийся бандажами на две опорные станции, одна из которых опорно-упорная, и вращающийся со скоростью 3— 5 об/мин (промышленные аппараты). Привод осуще­ствляется от электродвигателя через редуктор и откры­тую зубчатую передачу. Барабан снабжен загрузочной и разгрузочной камерами, для герметизации которых предусмотрено ленточное или секторное уплотнение. Во избежание пыления и для устойчивой работы топок

аппарат работает под разрежением 10—50 Па на входе. БГС, хотя и похож внешне на барабанный гранулятор, но в нем осуществляется совершенно иной механизм гранулообразования, что достигается дополнительными конструктивными элементами.

Загрузочная камера имеет патрубки для подвода теплоносителя, ввода внешнего рецикла, чистки камеры. На передней стенке установлены пневматические фор сунки, смотровое окно и элементы освещения. РаВНО мерное по сечению барабана распределение теплоносите­ля достигается расположением газоввода по оси бара­бана с установкой направляющей лопатки, делящей поток на две части. Применяют также тангенциальный ввод теплоносителя с распределением его направляю­щими лопатками. В обоих случаях форсунка пульпы расположена вдоль оси барабана. Подвод сушильного агента с передней стенки загрузочной камеры ниже центральной оси барабана может привести к локально­му перегреву стенок и материала, а также к ухудшению тепло - и массообмена в головной части аппарата.

В процессе гранулообразования определяющей явля­ется работа форсунки, распыливающей пульпу. При­меняемые конструкции форсунок внутреннего смешения е завихрителями потоков различаются местом ввода сжатого воздуха (по внутренней или внешней трубке),

способами регулирования дисперсности распыла и чистки жидкостного канала. Наиболее простая кон­струкция форсунки производительностью до 15 т/ч при­ведена на рис. VII-18.

Для диспергирования пульп обычно используют хо­лодный сжатый воздух при давлении 0,2—0,4 МПа, расход воздуха составляет 60—70 м3/м3 жидкости. При этом площадь орошения завесы в поперечной плоскости факела невелика, что обусловлено небольшим углом раскрытия факела. Основной контакт жидкости и ма­териала происходит вдоль оси факела, глубоко разви­вающегося в завесе. Поскольку контакт факела форсун­ки с частицами завесы осуществляется по его поверх­ности, форсунку настраивают так, чтобы максимальное количество жидкости в факеле также находилось в этой зоне (рис. VII-19). Размер зоны орошения и дисперсию распыла регулируют изменением давления распыли - вающего воздуха и места расположения жидкостных и воздушных патрубков в форсунке.

Разгрузочная камера в БГС снабжена вверху пат­рубками для отвода отработанного сушильного агента, внизу—патрубком для продукта. В зависимости от кон­струкции хвостовой части БГС по патрубку идет круп­ная или товарная фракция, разделяемые во встроенном классификаторе.

Классификаторы являются продолжением вращаю­щегося барабана и представляют собой либо конус дли­ной 2—5 м, либо шнек, либо цилиндрический грохот, в котором мелкая фракция отделяется и обратным шне­ком возвращается в головную часть БГС.

я

Обратный шнек представляет собой открытый или закрытый короб, расположенный по винтовой линии и делающий 1,5—2 витка по внутренней стенке барабана. Транспортирующая способность шнека зависит от его сечения, коэффициента заполнения барабана и кон­струкции зачерпывающего устройства. Эксперименталь­но показано, что более эффективны закрытые шнеки с несколькими приемными воронками в зоне зачерпыва­ния. Применение обратного шнека позволяет значи­тельно сократить количество внешнего рецикла.

Основное отличие иностранных аппаратов типа «сферодайзер» от БГС заключается в отсутствии обрат-, ного шнека, что ухудшает условия гранулирования и усложняет транспортирование внешнего рецикла. От­сутствие внутреннего рецикла приводит к необходимо-, сти более тонкого диспергирования при давлении воз­духа 0,6—1,1 МПа, что увеличивает энергетические затраты.

Особое значение для работы БГС имеет качество) завесы материала. Равномерная и плотная завеса обес­печивает стабильную работу аппарата, предотвращая1! зарастание стенок барабана, пробой факела пульпы и унос материала. Между тем, очень плотная завеса пре­пятствует развитию факела, сокращает поверхность контакта фаз вследствие экранирования частиц в ло­
кальных уплотнениях, возникающих в падающем мате­риале. Равномерное распределение завесы по сечению барабана достигается использованием лопастной насад­ки с пилообразными вырезами, расположенной несколь­кими ярусами вдоль барабана. Лопатки расположены по образующим барабана, смещенным в каждом после­дующем ярусе на несколько градусов в поперечной пло­скости.

Для создания плотной завесы в барабане устанав­ливают подпорные кольца, что позволяет поддержи­вать коэффициент заполнения барабана 0,15—0,20. Это же способствует увеличению расхода материала через обратный шнек.

Внешний рецикл вводят в БГС как в головную, так и в хвостовую часть. В последнем случае рецикл посту­пает в приемное корыто, откуда черпается шнеком, укрепленным на барабане, и транспортируется через зону классификации в основной шнек БГС и по нему далее в головную часть аппарата. Такая конструкция позволяет упростить технологическую схему производ­ства, заменив внешний транспорт внутренним.

Наличие обратного шнека в барабане изменяет структуру потока материала, что видно из опытов, про­веденных на промышленном аппарате. В БГС диамет­ром 3,2 и длиной 22 м с закрытым шнеком вводили ме­ченые частицы, а в продукте на выходе из БГС анали­зировали их содержание. На рис. VII-20 приведены ти­пичные кривые распределения концентраций меченых частиц по времени их пребывания в БГС для проб про­дукта и отдельных их фракций. Как видно из рисунка, кривые вымывания меченого вещества полиэкстремаль - ны и имеют характер затухающих во времени колеба­ний с периодом повторения экстремумов ~40 мин.

Как показал анализ работы аппарата, периодичность появления экстремумов на концентрационных кривых совпадает со средним временем прохождения материа­ла по обратному шнеку к зоне орошения пульпой и от нее к выгрузке, что составляет один цикл времени пре­бывания частиц в аппарате (цикл орошения). Время одного цикла неодинаково для гранул различных раз­меров, Так, меченые частицы вначале появляются в более мелких фракциях (см. рис. YII-20), поскольку они отдуваются сушильным агентом в сторону выгруз­ки. Сепарационный эффект усиливается в коническом классификаторе, что объясняется сужением сечения Ни­же приводятся максимальные содержания меченых частиц по фракциям в продукте после первого цикла орошения:

Фракция, мм <1 1—3 3—5 >5

Qmax, % (масс.) ................................................ 38,6 36,2 28.5 53,5

Как видно из представленных данных, наибольшее количество меченых гранул находится во фракции >5 мм, т. е. из аппарата выгружаются преимуществен­но крупные гранулы, а в зону орошения через обратный шнек поступает фракция 3—5 мм. Следовательно, для поддержания стационарного процесса с высоким выхо­дом товарной фракции (2—2,5 мм) необходимо в зону орошения вводить мелкие частицы, которые можно по­давать или с внешним ретуром, или создать условия для их образования непосредственно из пульпы в факе­ле ее распыла, подбирая режимные параметры.

Распределение суммарной концентрации меченых частиц в пробах продукта (см. рис. VII-20, кривая 4) показывает, что гранулы проходят несколько циклов орошения, причем наибольшее количество гранул (65,5%) орошается один раз, 17% гранул — два раза, 9,3% гранул — три раза и 8,2% гранул — более трех раз. Частота циклов возрастает с уменьшением среднего времени пребывания частиц в аппарате и с увеличением производительности обратного шнека, т. е. с повышени­ем скорости движения материала вдоль барабана. Чис­ло циклов, необходимое для полного вывода меченого вещества, зависит от соотношения внешней нагрузки (производительность плюс ретур) и внутренней цирку­ляции.

Меченые частицы появлялись в выгружаемом про­дукте по истечении некоторого времени То, зависящего от линейной скорости перемещения материала вдоль ба­рабана. Поскольку наибольшая вероятность выхода ме­ченых частиц приходится на первый цикл орошения, экспериментальную кривую (2Сум=/(т) (см. рис. VII-20, кривая 4) с учетом времени запаздывания можно ап­проксимировать одномодальной кривой (рис. VII-21), описываемой уравнением

аа 1 / т—т0а ‘ ( г —т0

где т — математическое ожидание, т. е. среднее время пребывания! продукта в аппарате; а — параметр распределения, зависящий от продольного перемешивания материала в барабане, определяемого режимом его работы и конструкцией: Г (а)—гамма-функция.

Рассмотренное распределение частиц по времени и: пребывания в аппарате БГС позволяет сделать выво; о том, что он относится к аппаратам промежуточной типа между аппаратами идеального вытеснения и иде ального смешения. Чем интенсивнее внутренняя цирку­ляция, тем больше структура потока отвечает режим; идеального смешения.

Полученные данные позволяют оценить работу об ратного шнека. Так, зная время прохождения гранул за один цикл орошения, расход материала Q и массу слоя GCJI по формуле

___ бел

тч~ <2 + бш

нетрудно рассчитать производительность шнека Gш Для опыта, результаты которого иллюстрируюто рис. VII-21, (?ш=Ю т/ч, т. е. отношение внутреннем ретура к производительности равно 1.

Найденное из рис. VII-21 среднее время пребывания продукта в аппарате БГС т=55 мин, что близко к рас считанному по производительности и массе слоя. Пара­метр распределения а=1,04. Для упрощения инженер­ных расчетов примем а=1, тогда распределение частиц по времени их пребывания в БГС будет соответство; вать аналогичному распределению в аппарате идеала ного смешения с учетом времени запаздывания т0

Кривая 2 на рис. VII-21, отвечающая этому уравне­нию, удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Таким образом, использование в БГС обратно­го шнека, возвращающего большее количество продук? та в зону орошения, позволяет приблизить барабанный

аппарат (в котором обычно движение материала соот­ветствует идеальному вытеснению) к аппарату идеаль­ного смешения.

Разработан барабанный гранулятор-сушилка-холо - дильник (БГСХ), в котором одновременно протекают процессы сушки, гранулирования, предварительной классификации и охлаждения (рис. VII-22). БГСХ пред­ставляет собой вращающийся барабан, передняя часть которого снабжена лопастной насадкой и обратным шнеком. На завесу материала распыливают пульпу и прямотоком подают топочные газы. Образовавшиеся гранулы, пройдя зону сушки, попадают на конический классификатор, с которого часть из них: возвращается шнеком в головную зону аппарата, а другая часть по­падает в хвостовую зону барабана, снабженную сектор­ной насадкой. В эту же зону противотоком подают хо­лодный воздух, охлаждающий продукт. Воздух смеши­вается затем с отработанным сушильным агентом и выводится по центральной трубе из БГСХ.

Описанный аппарат, хотя и позволяет совместить несколько процессов, но имеет ряд недостатков, ОСНОВ­НЫМ из которых, например при производстве удобрений, является необходимость мокрой очистки отработанных сушильного и охлаждающего агентов вследствие их смешения. При раздельном ведении процессов сушки и охлаждения для охлаждающего агента нужна лишь

сухая очистка. Кроме того, двухпоточная подача газа при одном отсосном вентиляторе осложняет регулиро­вание процесса и поддержание требуемого разрежения, в аппарате.

Анализ работы БГС показывает, что наибольшая интенсивность сушки приходится на зону распыливания пульпы. Так, влагосъем в этой зоне при сушке нитро - фоса составляет 39—51 кг/(м3-ч), а в пересчете на весь объем аппарата только 8—9 кг/(м3-ч). Влагосъем в зо­не контакта факела с завесой при тех же режимах на­ходится в пределах 70—85 кг/(м3-ч), что объясняется большой поверхностью контакта фаз. Следовательно, для дальнейшей интенсификации работы БГС, особен­но при переработке концентрированных пульп, целесо­образно максимально приближать форсунку к завесе. Это позволит уменьшить наименее активный (с учетом тепло-массообмена) участок свободной струи и увеличить дисперсность распыла без изменения гранулометриче­ского состава продукта и улучшить тем самым условия сушки.

Тот же эффект достигается при повышении степени равномерности и скорости смешения пульпы с тверды­ми частицами. Конструктивное решение этого приема видно из рис. VII-23. Внешний рецикл вводят в цилинд­рическую камеру, в которую тангенциально подают су­шильный агент, а по оси распыливают пульпу. Турбу - лизация потоков обеспечивает смешение жидкой и твер­дой фаз и равномерное смачивание последней, что по­зволяет улучшить тепло - и массообмен, полностью ис­пользовать подаваемый рецикл и тем самым сократить его расход. Поскольку процессы тепло - и массообмена полностью завершаются в зоне факела распыла, про­тяженность которого для промышленных аппаратов со­ставляет 2—3 м, длину БГС можно значительно умень­шить и, следовательно, улучшить удельные показатели по съему. продукта и влаги.