Особенности процесса виброгранулирования
Движение поверхности, на которой происходит окатывание гранул, может быть не только равномерным, как в барабанах, на тарелках, шнеках и в других аппаратах, но и ускоренным, как, например, в виброгрануляторах. Требуемый режим перемешивания и соударений частиц в виброаппарате может быть достигнут изменением частоты и амплитуды колебаний. При увеличении частоты колебаний снижается надежность работы узлов установки, а при уменьшении частоты необходимы большие амплитуды колебаний, для создания которых требуются громозкие 'вибраторы. Поэтому рабочая частота вибрации составляет 5—50 Гц.
Основное влияние на перемешивание в плоском вибролотке оказывает амплитуда вибрации. Чем она больше, тем меньше время смешения. При круговой траектории колебаний перемешивание улучшается с повышением скорости и ускорения вибрации. Обычно ускорение вибрации таких аппаратов лежит в пределах 50— 500 м/с [137]. Степень перемешивания зависит также от массы слоя, размера и свойств частиц. В непрерывно действующих аппаратах скорость перемещения материала от места загрузки к месту выгрузки зависит от параметров вибрационного воздействия, углов направления колебаний, наклона лотка, высоты слоя, направления продувки газа и от других факторов. При движении материала по перфорированному лотку с принудительной или свободной подачей газа под слой скорость перемещения увеличивается в 1,5—3 раза по сравнению со скоростью при сплошном лотке. Встречное дутье замедляет скорость перемещения материала.
В результате соударений и трения частиц в виброкипящем слое материал нагревается. Экспериментально установлено [137], что за 3—4 мин перемещения песка влажностью 5% в камерах диаметром 309 мм и длиной 1300 мм, совершающих колебания по круговой траектории с частотой 25 Гц и аплитудой 3 мм (производительность 500 кг/ч), температура песка повышается в среднем на 4—5 °С. На поверхности же частиц, где совершаются основные межфазовые процессы, температура на 20—50 °С превышает исходную, что существенно сказывается на тепло - и массообмене со средой.
Возрастание поверхностной активности материала и изменение его физико-химических свойств при воздействии вибраций обусловлены также нарушением кристаллической структуры частиц и изменением энергетического состояния, поверхностных слоев. Графит, например, при виброизмельчении обогащается ромбической модификацией, а при длительном измельчении аморфизуется. Аморфизация поверхности наблюдается как на частицах неорганических материалов, так и органических. При вибрационном измельчении органических материалов, особенно совместно с неорганическими, на поверхности частиц образуются достаточно стабильные во времени свободные радикалы. Все это активизирует поверхностные процессы, в частности, слипание-частиц. Агломерации частиц виброкипящего слоя способствует также образование на них электрических зарядов.
Анализ свойств виброкипящего слоя показывает, что в нем могут быть созданы все условия для формирования гранул. Вибрационные воздействия, распространяясь в материале, приводят на отдельных участках слоя к соударению частиц, что может вызвать их слипание. Образовавшиеся зародыши окатываются, т. е. происходит налипание на них порошка и уплотнение агломерата. Эффект окатывания гранул наиболее активно проявляется при циркуляции материала по круговой и эллиптической траекториям колебательного движения аппарата и менее — при вертикально направленной вибрации. Сила сцепления, а следовательно, прочность агломерата, зависят от свойств материала и связующего, а также от параметров вибрации.
Динамическое воздействие виброгранулятора приводит к образованию отдельных агломератов твердых частиц, между которыми расположены жидкостные прослойки. В работе [35] рассмотрено воздействие вибраций на жидкость, защемленную между плоско-параллельными круговыми площадками поверхности двух частиц. Выведены формулы для расчета амплитуды и частоты колебаний, а также для расчета максимального размера гранул.
В работе [96] отмечается, что для передачи обрабатываемой среде максимума энергии частота колебаний вибратора должна совпадать с одной из собственна
ных частот материала. Поскольку загружаемый материал представляет собой упруго-вязкое тело, имеется бесконечное множество собственных частот. Из этого множества следует выбрать первую основную собственную частоту, так как работа на более высоких частотах отрицательно сказывается на прочности машины. Следует отметить, что в процессе виброгранулирования упругие и вязкие характеристики системы непрерывно изменяются вследствие изменения размера, формы и структуры частиц, поэтому основная собственная частота также будет величиной переменной. Следовательно, оптимальная частота виброгранулирования в рабочем режиме непрерывно изменяется.
Приведенные в работах [35] и [96] формулы позволяют лишь приблизительно оценить основные параметры виброгранулирования, что обусловлено допущениями, принятыми при их выводе. Кроме того, в указанные формулы входит ряд эмпирических трудно определяемых величин, относящихся к физико-механическим свойствам материалов. Наконец, в формулы не входят технологические параметры: размер и количество частиц ретура, дисперсность капель жидкости, способ ее введения в слой, характер вибраций и прочие показатели, влияющие на формирование гранул. Поэтому для определения оптимального режима виброгранулирования данного материала необходимы экспериментальные исследования.
На рис. Ш-27 показаны графики, обобщающие результаты исследований [126] влияния времени вибро - гранулирования и влажности вельц-оксидов на прочность гранул. Прочность определяли по содержанию фракции у более 3 мм после сбрасывания гранул размером 3—5 мм с высоты 1 м. Как видно из графиков, с увеличением продолжительности гранулирования и влажности прочность необожженных гранул повышается. При влажности <20% выход гранул резко снижался, а ее увеличение до 40% не позволяло проводить гранулирование, так как материал превращался в пасту.
Сравнительные опыты показали, что удельная производительность лоткового виброгранулятора составляет 12 т/(м2-ч). Для тех же материалов удельная производительность барабана составляла 980 кг/ (м2 • ч). Удельный расход электроэнергии при гранулировании
в внброкипящем слое не превышал 1,5 кВт-ч, а в барабанном 5,3 кВт-ч на 1000 кг полученных гранул. Металлоемкость установки с виброкипящим слоем снижалась, прочность гранул повышалась в среднем на
55%.
В работе [34] исследован процесс виброгранулирования цеолитов с применением в качестве связующего глуховской каолинитовой глины. Внброгранулятор состоял из двух горизонтальных цилиндрических сменных камер диаметром 30, 50, 70 и 100 мм, симметрично расположенных относительно оси дебалансного вибратора. При вращении вибратора камеры совершали круговые колебания с частотой 20—50 Гц и амплитудой 1,5— 4 мм. Гранулировали предварительно виброперемешан - ный и увлажненный материал.
Как показали исследования, гранулы достигали наибольшей прочности и лучшей структуры при частоте 50 Гц и амплитуде 4 мм. Вибрационный метод гранулирования, обеспечивающий снижение вязкости системы, позволяет уменьшить количество воды в гранулируемом материале. Наибольшая прочность и лучший фракционный состав получены при объемной влажности 35%, что на 30% меньше, чем при гранулировании методом экструзии.
Прочность гранул, окатанных в виброгрануляторе, выше, чем полученных экструзионным методом. Так, прочность на сжатие гранул цеолита, формованных экструзионным методом со связующим (каолинитовой глиной), составила 8,8 МПа, на растяжение 2,9 МПа. Прочность гранул цеолита, приготовленных методом виброгранулирования с предварительным вибропереме - шиванием с тем же связующим, составила соответственно 26,2 и 11,8 МПа. В два раза повысилась прочность гранул на истирание.
В виброгрануляторе с круговой траекторией движения при частоте 50 Гц и амплитуде 3 мм гранулировали суперфосфат [25]. Наилучшие результаты по времени гранулирования, фракционному составу и прочности получены при введении порошковидного суперфосфата в несколько стадий, что объясняется, по-видимому, образованием зародышей, положительно влияющих на последующее формирование гранул. Так, при 3— 4-стадийном введении порошковидного суперфосфата за 2—4 мин виброгранулирования образовывалось 96— 97% товарных фракций. С увеличением времени виброгранулирования до 7—10 мин выход товарных фракций снижался до 91—95%, так как повышался выход мелких фракций, а оптимальная влажность уменьшалась с 15 до 11%.
Прочность гранул суперфосфата размером 2 мм и влажностью 3%, полученного методом виброгранулирования, составляла по условным растягивающим напряжениям в среднем 3,2 МПа. Прочность промышленных гранул, полученных в барабанном грануляторе, составила 2,0 МПа. Увеличение прочности гранул, полученных методом виброгранулировэия, объясняется более плотной структурой, что видно из определения пористости гранул. Так, после виброгранулирования объем пор суперфосфата составил 163 см3/кг, после гранулирования в барабане 189 см3/кг.
При виброгранулировании цементных сырьевых смесей также получены гранулы, обладающие лучшими структурно-механическими свойствами, чем гранулы, полученные в тарельчатых и барабанных грануляторах [34].
Анализ показателей процесса виброгранулирования различных продуктов свидетельствует о высокой интенсивности гранулообразования. Получаемый продукт имеет узкий гранулометрический состав, высокую прочность, низкую влажность. Сопоставление процесса виброгранулирования с традиционными методами окатывания на равномерно движущейся поверхности (в барабане, на тарелке и пр.) показывает, что использование вибраций позволяет сократить время гранулирования и необходимое количество связующего, обеспечивает необходимый для гранулирования растворимых материалов самонагрев. Все это приводит к уменьшению габаритов гранулятора, снижению удельных энергозатрат и увеличению удельной производительности как гранулятора, так и всей технологической линии.
Недостатки процесса виброгранулирования определяются, главным образом повышенным износом отдельных узлов гранулятора и узким интервалом рабочих режимов. Следует отметить, что процесс внброгранули - рования исследовался, в основном, при периодическом режиме в небольших лабораторных грануляторах. Поэтому без дальнейших детальных исследований метод виброгранулирования пока не может конкурировать с применяемыми в промышленности методами окатывания во вращающихся барабанах и на тарелках.
