Гранулирование материалов

ГРАНУЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ НА ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ

1. Механизм гранулообразования

Процесс гранулирования методом окатывания со­стоит из четырех стадий: 1) смешение исходного по­рошка с частицами ретура и связующим; 2) образова­ние гранул из мелких частиц и дробление комков; 3) окатывание и уплотнение гранул в результате их перемещения по поверхности аппарата; 4) упрочнение связей в результате перехода жидкой фазы в твердую, т. е. стабилизация структуры гранулы. На всех стадиях происходит изменение распределения частиц по разме­рам, т. е. идет процесс гранулообразования, интенсив­ность которого зависит от технологии, аппаратурного оформления процесса гранулирования и свойств про­дукта.

Стадии смешения и образования гранул. В качестве _ связующего применяют различные жидкости, способст­вующие сцеплению частиц. Чаще всего — это дешевые доступные вещества, используемые в технологии полу­чения данного продукта (вода, раствор продукта, плав одного из компонентов и т. п.). Иногда используют смо­лы, бентонит, глину, гипс и другие инертные связующие или вещества, способствующие затвердеванию (крис­таллизации, полимеризации и т. п.).

Характер капиллярного взаимодействия в слое сы­пучего материала определяется количеством воды в точке контакта, формой контакта и числом контактов в единице объема материала. Поскольку в слое, состо­ящем из реальных частиц, возможны самые различные контакты, теоретически можно предсказать лишь общий характер влияния влажности материала на прочность сцепления частиц. Эта зависимость должна иметь экст­ремальный характер. Показано [76], что сила капил­лярного сцепления в объеме увлажненного сыпучего материала тем выше, чем из более мелких зерен он со­стоит.

Общая схема взаимодействия жидкости с частичка­ми материала может быть представлена следующим образом. При небольшом содержании в сыпучем мате­риале мелких фракций зазоры между крупными зерна­ми остаются практически свободными. Поэтому срав­нительно высокое среднеэффективное расстояние между частицами обусловливает пониженную прочность сцеп­ления.

При увеличении содержания мелких фракций струк­тура материала становится более плотной, прочность гранул' возрастает (рис. III-1) [6]. Положительная роль крупных фракций заключается в том, что они создают своеобразный скелет образца, обладающий значитель­ным сопротивлением воздействию статических и дина­мических нагрузок, а определенное количество мелких частичек уменьшает среднее расстояние между крупны­ми зернами, и возникает сила, обеспечивающая сцеп­ление последних и препятствующая изменению жесткой структуры слоя. Только при определенном соотношении крупных и мелких частиц получается наиболее плотная упаковка и достигается наиболее высокая сила сцеп­ления их в увлажненном материале.

Рис. III-1. Зависимость проч­ности гранул железорудных материалов от содержания мелких фракций:

! — 0,04 мм; 2 — 0,05 мм; 3 —

0,053 мм.

Порошок, подаваемый на гранулирование, как пра­вило, имеет однородный гранулометрический состав. Крупные частицы поступают с ретуром, отсеянным от продукта, прошедшего обкатку и сушку. Имея разную структуру, частицы ретура и порошка по-разному сма­чиваются связующим. В общем случае скорость капил­лярного всасывания определяется свойствами жидкости (вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением) и материала (радиусом капилляров, природой вещест­ва, состоянием его поверхности).

Процесс образования зародыша и формирования гранулы при подаче в гранулятор жидкости можно представить следующим образом [76]. Капля воды, по­павшая .в слой материала, под воздействием капилляр­ных сил сразу же начинает распространяться во все стороны, заполняя поры между отдельными частицами. Предельный размер образующихся комочков прямо пропорционален величине капли и обратно пропорцио­нален пористости слоя материала. Вода перестает рас­пространяться в сыпучем материале, как только комо­чек достигнет максимальной капиллярной влагоемко - сти. Это время измеряется несколькими секундами.

Для увлажнения частиц ретура требуется значитель­но больше времени. Характерные кривые поглощения влаги гранулами двойного суперфосфата диаметром 2— 4 мм, помещенными в слой шихты различной влажности с размером частиц 0,1—0,3 мм, приведены на рис. Ш-2. Как видно из рисунка, скорость приращения влагосо - держания в грануле тем больше, чем выше влагосодер - жание порошка и меньше прочность гранул, характери­зующая их плотность. Наиболее интенсивно влага по­глощается гранулами в начальный период. Обработка полученных данных в полулогарифмических координа-

дах позволила получить уравнение для расчета времени увлажнения, справедливое для начальных участков Кривых

т = -£1п(1 — £) (III-1)

где Е= (Ир— «р0)/(ппор — гд0); Мр, «р0—влагосодержание ретура текущее, исходное; «пор — влагосодержание порошка; k — коэффи­циент пропорциональности; для фосфорсодержащих удобрений /г= -0,52 [40].

Изменение характера влагопоглощения с течением времени объясняется, по-видимому, тем, что вначале влага поглощается поверхностным слоем гранул под воздействием капиллярных сил. По мере насыщения этого слоя влага продвигается внутрь гранулы, где имеются не только открытые, но и закрытые поры, за­полненные воздухом. Дальнейшее поглощение влаги резко замедляется и лимитируется растворением возду­ха в жидкой фазе. Чем выше влагосодержание порош­ка, тем быстрее насыщается поверхностный слой гранул
и тем ■быстрее наступает переход от одного характере влагопоглощения к другому.

Из сопоставления времени влагонасыщения порошка и ретура видно, что для ретура оно почти на порядок больше. Следовательно, именно время увлажнения ре­тура является определяющим при расчете времени сме­шения.

При увлажнении одновременно происходит и уплот­нение порошка под действием капиллярных сил. Чем мельче частицы и больше поверхностное натяжение жидкости, тем плотнее агломерат. Так, при увлажне­нии порошка двойного суперфосфата пористость агло­мерата, образованного вокруг капли, такая же, как и гранулы. Образовавшийся агломерат далее уплотняет­ся при окатывании.

Стадия окатывания. 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. Оче­видно, что величина кинетической энергии определяет­ся не только скоростью окатывания, но и массой ко­мочка.

Поэтому должен существовать минимальный размер влажного комочка, при котором он приобретает доста­точную кинетическую энергию во время осыпания. Если масса комочка меньше критической величины, то на­копленной энергии не хватит уплотнения, и этот комочек не вым центром. Влияние размера и числа зародышей на интен­сивность уплотнения видно из рис. Ш-З [120]. С увеличени­ем диаметра и соотношения зародыши — порошок • время,

Рис. III-3. Зависимость времени гра­нулирования от размера частиц рету­ра сажи при его содержании в ших­те:

1 — 1:5; 2—1:3; 3—1:1; 4 — 3:1.

необходимое для достижения определенной плотности комочков, уменьшается.

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

Сближение частичек вследствие уменьшения толщи­ны адсорбированных пленок возможно только в том случае, когда избыток воды поглощается, например в результате присоединения новых частичек к поверхно­сти или поступления влаги во внутрь гранулы. При ра­боте гранулятора 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.

Присутствие в шихте сухих плотных частиц ретура приводит к тому, что влага не только выдавливается на поверхность, но и всасывается во внутрь. При одинако­вых интенсивностях этих процессов гранулы не растут, а при преобладании всасывания над другими процесса­ми может происходить измельчение гранул, поскольку ослабляются связи между частицами. Для дальнейшего увеличения размера гранул накатыванием следует вво­дить извне на их поверхность дополнительное количе­ство жидкости. При значительном содержании ретура в шихте и одноразовом увлажнении на его поверхности ■создается временный избыток жидкой фазы, в резуль­тате чего происходит рост гранул, хотя данного количе­ства жидкости явно недостаточно для устойчивого ве­дения процесса гранулирования. В дальнейшем частицы ретура продолжают поглощать жидкость; по истечении определенного времени на поверхности частиц ретура жидкости уже не хватает, и агломераты разрушаются.

Одноразовое введение требуемого количества жид­кости приводит к чрезмерному увеличению влажности

шихты и образованию крупных агломератов. Следова-■( телыю, для получения гранул требуемого размера ших­ту надо увлажнять постепенно с учетом кинетики влаго - поглощения. Как правило, время насыщения гранул влагой значительно превышает время, необходимое для окатывания гранул при выбранных динамических на­грузках. Для поддержания на поверхности гранул опти­мальной влажности следует увлажнять шихту весь пе­риод окатывания.

'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 достигает сотен атмосфер и способствует фррмированию гранул в сферы [190]. 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.

Катящийся шарик до тех пор не присоединяет ма - . ленькие зерна (перекатывается по ним), пока

■ ^ 2л (1 — cos 2ft) l+cos2p

где d — диаметр зерна; г — радиус гранулы; р — угол трения.

Для сухих минералов tgip = 0,3—0,6. Для сырого ма­териала при трении его о стенку tg'p = 0,2. В последнем случае, как показывают расчеты, гранулы могут расти, пока их радиус не станет больше 12,5 d. Частицы, меньшие г/12,5, будут проникать в скопление зерен на поверхностях гранул и уплотнять их. Так, предельная величина частиц, увлекаемых гранулами диаметром 2, 8 и 20 мм, составит соответственно 0,08; 0,32 и 0,8 мм. Более крупные зерна не увлекаются катящейся грану­лой.

Структура гранулы уплотняется постепенно под действием большого числа ударов различного направ­ления, в результате чего взаимное перемещение части­чек происходит только на тех участках, где в данный момент сила сцепления имеет минимальное значение. Другими словами, работа уплотнения совершается весь-

ма экономно. Очевидно, что динамические нагрузки в грануляторе не должны превышать допустимые, т. е. напряжения в комке не должны быть разрушающими. В работе [186] показано, что предел прочности агло­мератов на разрыв при данной величине сил сцепления F может быть определен соотношением Gz=(l—E)F/ed2, где є и d — пористость и размер агломерата. Определе­ние оптимальных условий работы гранулятора, обеспе­чивающего максимальную производительность при за­данном размере комочков, представляет значительный интерес.

Стадия стабилизации структуры гранул. Связи меж­ду частицами, уплотненными в процессе окатывания, в значительной мере обусловлены силами поверхност­ного натяжения жидкости. Эти связи обеспечивают до­статочную пластичность материалу и позволяют в ши­роких пределах изменять форму гранулы без ее раз­рушения. Для получения готового продукта необходимо упрочнить связи, придав большую жесткость получен - яой структуре, что достигается удалением жидкой фазы или переводом ее в твердую фазу.

Одним из наиболее распространенных способов упрочнения гранул является сушка. При удалении вла­ги из растворимых в ней материалов одновременно про­исходит и кристаллизация твердой фазы. Сушка может осуществляться за счет тепла химической реакции. В этом случае кристаллы образуются не только в ре­зультате сушки, но и вследствие образования нового ве­щества. Твердая фаза может образовываться и без из­менения массы шихты, например при охлаждении или полимеризации жидкости.

В процессе удаления из гранулы жидкой фазы мо­жет происходить не только упрочнение структуры, но и ее разрушение. При интенсивной сушке и некоторых химических реакциях образуется большое количество газовой фазы. Газ, выходя наружу, значительно изме­няет структуру материала, увеличивает пористость, раз­рушает образовавшиеся связи. Возникновение новых кристаллов и перекристаллизация веществ, вызванная изменением температуры, также приводят к нарушению начальной структуры. Следовательно, не всегда оправ­даны повышенные требования к структуре гранул, об­разуемых на стадии уплотнения, поскольку при после­дующей операции удаления жидкой фазы происходит перестройка структуры. В этом случае целесообразно - обе операции совмещать, причем особенно важно, что­бы предыдущие стадии смешения и образования гранул были закончены.

Цри необходимости после удаления из агломерата жидкой фазы можно провести дальнейшее упрочнение гранулы, переводя одно химическое соединение в дру­гое. Сущность химико-каталитического упрочнения, на­пример железорудных окатышей, заключается в обра­зовании прочного скелета кальцита, играющего роль связующего, и образующегося в результате карбониза­ции гидроксида кальция диоксидом углерода в присут­ствии катализатора. Железорудные окатыши упрочня­ют также обжигом, водотепловой обработкой, гидрати­рованием [6].

Таким образом, завершающая стадия гранулообра - зования при окатывании сопровождается тепло - и мас­сообменными процессами, приводящими к стабилизации структуры гранул.