Гранулирование материалов

Влияние технологических параметров на процесс гранулирования

Основные конструктивные размеры гранулятора (диаметр, длина обечайки или высота борта, угол на­йлона), а также режим его работы (коэффициент за­полнения и скорость вращения аппарата, время пребы­вания в нем материала) определяют, в конечном итоге, скорость и число соударений гранул, т. е. являются ди­намической характеристикой процесса окатывания. Чем больше число соударений, т. е. фактически больше вре­мя пребывания, при допустимой скорости скатывания, тем плотнее и больше гранулы. С увеличением скорости скатывания размер гранул вначале растет, а затем, когда скорость превысит допустимую для данного раз­мера гранул, происходит их измельчение. Так, скорость скатывания на тарельчатом грануляторе возрастает с ростом частоты вращения и угла наклона, что приво­дит к соответствующему изменению диаметра гранул (рис. Ш-14 и Ш-15) [132]. На рис. III-16 показана зависимость удельного объема сажи от времени грану­лирования. С увеличением скорости вращения бараба­на скорость уплотнения сажи возрастает. Иными слова­ми, влияние динамических факторов на плотность и размер гранул определяется их влиянием на скорость скатывания и число соударений гранул.

При одинаковых динамических нагрузках грануло­метрический состав различных продуктов не одинаков, что объясняется их физическими свойствами. Размер rip а ну л зависит от технологического режима гранулиро­вания, а именно, от химических составов материала и связующего, их количественного соотношения, темпе­ратуры и гранулометрического состава шихты.

Поскольку движущая сила процесса гранулообразо - вания определяется наличием жидкой фазы, изменение ее содержания, очевидно, существенно влияет на про­цесс гранулирования. С увеличением количества связу­ющего возрастают плотность и прочность гранул, умень­шаются требуемые динамические нагрузки и время ока-
рис. Ill-14. Зависимость сред­него диаметра частиц известня­ка от угла наклона чаши при различной влажности гранул:

/ — 9%; 2 — 10%; 3—11%.

йср, т

Рис. Ш-16. Зависимость удельного объема сажи от времени гранулирова­ния в барабане диамет­ром 117 мм при частоте его вращения, сб/с:

' - 0,45; 2 — 0,88; 3 — 1.32;

4 — 2,31; 5 — 6,66.

йМПа Рис. ІІІ-17. Зависимость проч­

ности сухих гранул от темпе­ратуры гранулирования карбо - аммофоски при различной влажности шихты:

/ — Б—7%; 2 — 3%; 3—1.5%.

тывания, что объясняется большей пластичностью, позволяющей частицам смещаться одна относи­тельно другой и перест­раивать структуру. Зави­симость прочности сухих гранул различных материалов от влажности и темпе­ратуры шихты при гранулировании приведена на рис. ІІІ-17. Как отмечается во многих работах [76, 129, 150 и др.], основное влияние на размер получаемых гранул оказывает соотношение жидкость: твердое ве­щество (Ж:Т=Р). Величина Р складывается из жид­кой фазы, вводимой извне, и образующейся внутри сис­темы. Для веществ, нерастворимых в связующем, Р це­ликом определяется содержанием последнего в шихте. Если связующее — вода, то P=W, где W — влагосодер - жание. Для растворимых веществ величина Р зависит - от коэффициента растворимости s

Р“-Т=¥Г (ш'49>

Интервал значений Р, при которых возможно окаты - - вание, для каждого материала вполне определенный. С увеличением растворимости уменьшается необходи­мое для гранулирования влагосодержание. Измерение растворимости смеси солей связано со значительными трудностями. На практике целесообразнее эксперимен­тально определять не растворимость смеси солей, а технологические показатели (влажность, температуру и т. п.), обеспечивающие гранулообразование данного - продукта.

Оптимальные значения Р, т. е. такие, при которых наблюдается максимальный выход целевой фракции, имеют очень узкий интервал, за пределами которого ли­бо окатывания не происходит, либо идет спонтанное

слипание. Как видно из графика (рис. III-18), незна­чительное изменение влажности шихты различных удоб­рений приводит к резкому снижению выхода целевой фракции. При гранулировании железорудных концент­ратов допускаются колебания влажности не более 0,2— 0,25% -[6].

Оптимальное содержание жидкой фазы изменяется в зависимости от фракционного состава исходного сырья. С уменьшением тонины помола уменьшаются по­ристость материала и количество жидкости, необходи­мой для заполнения пор. Для гранулирования при гру­бом помоле необходимо больше связующего, чем при тонком. Экспериментально установлено [169], что с уве­личением удельной поверхности на 100 см2/г оптималь­ная влажность уменьшается на 1,45%.

Большое значение для процесса гранулирования имеет состояние поверхности частиц. При измельчении поверхность имеет неупорядоченное расположение мо­лекул, аморфна и активна в отношении явлений адге­зии. Поверхностная активность снижается в присутст­вии примесей, во время сушки или длительного хра­нения. При одинаковом влагосодержании шихты размер гранул зависит от равномерности распределения свя­зующего. Локальное переувлажнение шихты приводит - к образованию крупных гранул и комков, в то время как часть шихты выгружается в виде порошка, т. е. возрастает неравномерность гранулометрического со­става.

На равномерность увлажнения в большой мере влия­ет метод распыливания жидкости. При грубом диспер­гировании образуются крупные капли, вокруг которых. возникают комки. При хорошем перемешивании и мел­кодисперсном распиливании жидкости происходит хо­рошая гомогенизация шихты, что обеспечивает узкий гранулометрический состав продукта. Иногда, в отсут­ствие центров гранулообразования — зародышей в ших­те на начальной стадии увлажняют крупными каплями при влажности, на 3—4% меньшей оптимальной, а ос­тальную часть влаги вводят по длине барабана или на мелкую фракцию при гранулировании на тарелке. .Жидкая фаза образуется внутри системы в виде раство­ра или плава. Суммарное количество жидкости в систе­ме рассчитывают по уравнению

„ W+Ws + i 1 — Ws — і

где і — доля твердой фазы, перешедшей в плав.

На растворимость и содержание плава влияет тем­пература, поэтому для поддержания постоянной величи­ны Р чем выше температура, тем меньше требуется вво­дить жидкой фазы извне, поскольку она образуется внутри системы. Следовательно, влажность и темпера­тура взаимосвязаны. Для получения одинакового коли­чества целевой фракции при различных температурах следует менять влажность. Так, с повышением темпера­туры аммофоса от 50 до 85 °С оптимальная влажность уменьшается с 10,5 до 4%. Аналогичные зависимости, полученные для ряда других продуктов, видны из рис. III-19.

Повышение температуры шихты приводит к увели­чению доли жидкой фазы в общем объеме материала, независимо от внешних факторов (качества дисперги­рования жидкости и перемешивания материала). В ре­зультате получается более узкий гранулометрический состав продукта, т. е. увеличение доли жидкой фазы, образуемой внутри системы, приводит к увеличению выхода товарной фракции (рис. Ш-20).

С повышением температуры изменяются не только количество, но и такие свойства жидкой фазы, как вяз­кость и поверхностное натяжение. С уменьшением вяз-

Рис. ІІІ-19. Зависимость оптимальной влажности от температуры гранулирования:

і — карбоаммофоска; 2 — нитроаммофоска; 3 — аммофос; 4 — суперфосфат.

Рис. Ш-20. Зависимость выхода товарной фракции аммофоса от температуры гранулирования.

кости текучесть жидкости увеличивается, а ее удельный расход на смачивание поверхности для получения гра­нул заданного размера уменьшается. С уменьшением поверхностного натяжения уменьшается удельная сила связи между частицами. Суммарный эффект от этих явлений приводит к увеличению сил связи между части­цами при повышении температуры и уменьшению тре­буемого для данного гранулометрического состава ко­личества жидкой фазы.

Уменьшение вязкости и поверхностного натяжения жидкости облегчает взаимное перемещение частиц при механическом воздействии на агломерат. В результате этого с повышением температуры при окатывании об­разуются более плотные гранулы, о чем косвенно сви­детельствует увеличение их прочности. Так, при увели­чении температуры с 40 до 70 °С при прочих равных условиях прочность гранул аммофоса влажностью 0,8% возрастает с 3,5 до 6,0 МПа, а прочность гранул супер­фосфата при влажности 3,5% —с 1,0 до 2,0 МПа.

Таким образом, повышение температуры при грану­лировании позволяет получить более прочные гранулы и снизить содержание влаги в шихте, поступающей на сушку. Последнее приводит к увеличению производи-
гельности всей технологической линии без изменения влагосъема в сушильном барабане и конечной влажно­сти продукта.

Увеличение температуры гранулирования имеет пре­дел, определяемый для каждого вида продукта темпе­ратурой его разложения. Так, сложные минеральные удобрения гранулируют при 75—110 °С, выше которой наблюдаются значительные потери аммиака.

Поскольку целесообразность увеличения температуры гранулирования очевидна, представляет интерес способ нагрева шихты. Установлено, что нагрев наиболее эф­фективен на стадии окатывания, так как на стадии увлажнения жидкая фаза присутствует в основном на поверхности частиц, и повышение температуры приво­дит к комкованию. При последующем окатывании об­разовавшихся гранул влага частично уходит с поверх­ности частиц, и недостаток ее хорошо компенсируется нагревом [40].

При гранулировании осуществляется нагрев либо стенки гранулятора, либо самой шихты. Наиболее прост и эффективен метод подвода тепла с твердой и жидкой фазами гранулируемого продукта. Так, в технологии получения аммофоса требуемая температура гранули­рования может быть достигнута поддержанием макси­мально возможных температур пульпы (100°С), по­рошкообразного аммофоса из распылительных сушилок (90°С) и ретура. Однако в промышленных условиях в отсутствие стабильного режима поддерживать такие условия трудно, поэтому температуру можно повысить до 80—85 °С, вводя под слой гранулируемого аммофоса пар в количестве, необходимом для создания оптималь­ных условий гранулообразования ([10].

Пар, смешиваемый с гранулируемым материалом, конденсируется и, нагревая шихту, одновременно увлажняет ее. Введение дополнительного количества влаги с паром наиболее целесообразно в том случае,, если по технологии связующим является вода. При гра­нулировании суперфосфата шихту в грануляторе обыч­но увлажняют водой до влажности 16—18%. Темпера­тура гранулирования 20—40 °С. Вводя в гранулятор пар, удается уменьшить расход воды на увлажнение, повысить температуру шихты до 60—70 °С и снизить ее оптимальную влажность до 11—13% [68, 166]. Это

приводит к повышению производительности технологи­ческой линии на 15—207о и увеличению прочности гра­нул.

Для повышения температуры в зону гранулирования вместо пара подают также горячую воду, стоки от аб­сорбции, дымовые газы, вещества, реагирующие с вы­делением тепла. Наиболее эффективно проведение эк­зотермической реакции, поскольку тепло выделяется равномерно по всей шихте и в момент воздействия ди­намических нагрузок, что исключает локальные пере­гревы и потери тепла. В производстве минеральных удобрений широко используют реакцию аммонизации кислот и кислых солей.

В результате химической реакции не только повы­шается температура, но и меняется химический состав материала шихты, а следовательно, и условия гранули­рования. В качестве примера рассмотрим влияние хи­мического состава аммофоса, характеризуемого соот­ношением аммиака и фосфорной кислоты, т. е. кислот­ностью, определяемой pH, на его гранулируемость. / С ростом pH увеличивается растворимость твердой фа-S зы, что делает шихту более пластичной. Однако приме - ) нение пульпы с рН>5,3 неоправдано, что обусловлено^ возможными потерями аммиака при сушке и, как след - I ствие, ослаблением межчастичных связей внутри гра-' нулы. Как видно Из рис. 111-21, прочность сухих гранул возрастает при увеличении pH с 4,4 до 5,0; а затем уменьшается.

Технология получения аммофоса заключается в суш­ке части пульпы в распылительной сушилке с последу­ющим увлажнением полученного порошка другой частью пульпы и окатыванием этой смеси в барабане. Экспериментально установлено, что с увеличением pH пульпы процесс сушки в распылительной сушилке ухудшается. Аммофос налипает на стенки и пересуши­вается, порошок выходит повышенной крупности с большим количеством комков. Это затрудняет экс­плуатацию распылительных сушилок и осложняет даль­нейшее использование порошка, так как необходимо отделять и измельчать комки [10].

Сушка пульпы аммофоса с pH = 4,4—4,7 позволяет стабилизировать работу распылительных сушилок. Од­нако увеличение кислотности готового продукта приво-

Рис. ІІІ-21. Зависимость прочности гранул аммофоса от его кислот­ности.

Рис. Ш-22. Зависимость связующей способности от мольного соот­ношения N : Р в суспензиях фосфатов аммония, полученных из раз­личного фосфатного сырья:

/ — из термической фосфорной кислоты: 2 —из израильского фосфорита; 3 — нз мароканского фосфорита; 4 — из сенегальского фосфорита.

дит к ухудшению его качества и способствует слеживае - мости. Кроме того, как видно из рис. Ш-22 [77], имен­но при этом соотношении N : Р связующая способность пульпы — минимальная.

Для стабилизации процессов сушки и гранулирова­ния аммофоса предложено [65] проводить сатурацию пульпы, поступающей на распылительные сушилки и на гранулирование, раздельно. На распылительные сушил­ки подают пульпу с pH = 4,4—4,7, а в смеситель грану­лятора— с рН = 5,0—5,3. Гранулированный продукт имеет pH = 4,7—5,0 и не слеживается при хранении и транспортировании.

Из рис. Ш-22 видно, что связующая способность пульпы, т. е. ее адгезионные свойства, зависят не только от мольного соотношения аммиака и фосфорной кисло­ты, но и от химического состава сырья. Чем больше примесей (Fe203, А1203 и др.) в кислоте, из которой по­лучены фосфаты аммония, тем лучше протекает грану - лообразование. Из-за отсутствия примесей в термиче­ской кислоте ее связующие свойства ухудшаются, что вызывает определенные трудности при гранулировании удобрений, в состав которых входят соли, полученные на основе этой кислоты.

Материальные и тепловые балансы получения про­дукта могут оказаться таковыми, что в зоне гранули­рования будут создаваться неоптимальные условия, на­пример избыток жидкой фазы. В производстве нитро­аммофоски одновременно используются связующие и сыпучие компоненты нескольких видов, соотношение которых регламентируется требованиями к химическо­му составу продукта. Поэтому регулирование количе­ства жидкой - фазы в гранулируемой шихте возможно только изменением ее температуры или добавлением сухого материала, которым может служить ретур. Од­нако возврат его на гранулирование в больших количе­ствах при высоких температурах нецелесообразен, так как это приводит к перегрузкам внутрицехового транс­порта. Как отмечается в ранее опубликованной работе [172], для создания оптимальных условий предпочтитель­нее снижать температуру гранулирования, охлаждая ретур.

При введении в шихту сухого ретура содержание жидкой фазы на поверхности его частиц значительно выше, чем в среднем по всему объему. Чем больше ре­тура и чем он крупнее, тем меньше поверхность частиц и выше ее влагосодержание в начальный момент, т. е. до того, как жидкость распределится по всему объему j гранулы. Влияние размера частиц и количества ретура на диаметр гранул особенно заметно при больших влагосодер'жаниях шихты, поскольку в этом случае не - значительное изменение влагосодержания приводит к существенному изменению диаметра. Продукт с опре - j деленным размером гранул можно получить при раз­личных влагосодержаниях шихты, варьируя размер час­тиц и количество ретура. При постоянном диаметре ре­тура для получения продукта заданного размера вла­госодержание шихты должно уменьшаться с увеличени­ем количества ретура. Чем больше диаметр частиц ре­тура, тем меньше должно быть его количество при по­стоянной средней влажности шихты.

Следует заметить, что полученные закономерности справедливы при введении сухого ретура во влажный порошок. Если же зародыши гранул состоят из предва­рительно увлажненного по всему объему материала, то влияние их количества на гранулометрический состав продукта иное, а именно: при прочих равных условиях

*

З 2 1

О

' чем больше ретура, тем меньше диаметр гранул про­дукта.

Гранулирование при повышенных температурах, со­провождаемое химической реакцией, характеризуется тепло - и массообменом. При этом удаление жидкой фазы обеспечивается испарением и кристаллизацией, изменяются условия гранулирования, образовавшиеся между частицами связи фиксируются, препятствуя раз­рушению гранул, и процесс гранулообразования завер­шается быстрее. Следовательно, при гранулировании, сопровождаемом тепло - и массообменом, сокращается время окатывания, что усложняет регулирование про­цесса.

Из рассмотрения зависимости гранулометрического состава продукта от различных технологических пока­зателей видно, что их влияние сводится к изменению соотношения жидкость: твердое в гранулируемом ма­териале, причем параметры рабочих режимов взаимо­связаны и имеют узкие пределы, что существенно за­трудняет эксплуатацию грануляторов в промышленно­сти. Большая чувствительность к содержанию жидкости в материале является основным и очень существенным недостатком метода гранулирования окатыванием. Ча­сто бывает очень трудно выдержать режим в требуемом интервале параметров. Да и в этом интервале выход целевой фракции не всегда соответствует предъявляе­мым требованиям. Поэтому целесообразно регулиро­вать процесс комплексным изменением нескольких па­раметров.

В технике гранулирования минеральных удобрений наиболее благоприятен режим, при котором средний

размер гранул изменяется только в начальный момент, а затем при окатывании и уплотнении гранул он изме­няется незначительно. Так, при гранулировании двой­ного суперфосфата в промышленных условиях средний размер гранул формируется в первые 2—3 мин, а за­тем его рост резко замедляется (рис. III-23), хотя и происходит рост мелких и измельчение крупных гранул (см. рис. II1-23). Изменение среднего размера, вызван­ное уплотнением, также невелико (рис. Ш-24). Необхо­димое для окатывания время определяется только ди­намическими усилиями, воздействующими на гранулу, и требуемой их плотностью, а средний диаметр гранул

Рис. III-25. Зависимость сред­него диаметра гранул от вла- госодержания шихты двойного суперфосфата при содержании в ней 30% ретура с размером частиц:

1 — 2—3 мм; 2 — 1—2 мм; 3 — 0,5— I мм.

Рис. ІІІ-26. Зависимость коэффи­циента п от температуры гранули­рования:

/ — аммофос; 2 — двойной суперфосфат; 3 — суперфосфат.

продукта определяется тех­нологическими параметрами 'процесса, т. е., в конечном итоге, содержанием жидко­сти Р. Изменение среднего размера гранул в зависи­мости от Р приведено на рис. II1-25. Диаметр гранул растет вначале медленно, а затем все быстрее и при влагосодержании, близком к массовому слипанию в комки, незначительное увеличение Р приводит к резко­му увеличению диаметра. Для расчета среднего диа­метра образующихся гранул справедливо уравнение [37]

d = d0 exp т (Р — Р0)п (III-51)

где d0 — средний диаметр частиц шихты при содержании жидкости Р0; Ро — минимальное содержание жидкости, при котором начина­ется гранулообразование; т, п — экспериментальные коэффициенты, значения которых для некоторых удобрений при 20 °С приведены ниже:

m п

Аммофос..................................................................... 23..... 1,7

Суперфосфат.............................................................. 68..... 1,7

Двойной суперфосфат......................................... 129 1,7

Коэффициент т зависит от вещества, а коэффици­ент п характеризует свойства жидкой фазы, изменяю­щиеся с изменением температуры, что видно из рис. II1-26.

С учетом влияния количества | и размера dv ретура уравнение (III-51) принимает вид

d = d0 exp т [iJ-E+g^dp) — ро] (Ш-52)

По уравнению (Ш-52) рассчитывают средний диа­метр гранул. Однако продукт характеризуется распре­делением гранул по размерам. При хаотическом слипа-

нии частиц это распределение описывается уравнением вида

(11Ь53)

где p(d) — плотность распределения гранул по размерам; d — диа­метр гранул; X, Т)—параметры распределения; Г(т))—гамма - функция.

Поскольку X=r/d, где d — математическое ожида­ние распределения p(d), из формулы (Ш-53) получим

p(d)~ТоГ т(tJ exp(-T1 т) (И1'54)

где

ТІ =-р - (ІІІ-55)

Распределение гранул продукта по размерам ха­рактеризуется не только математическим ожиданием, но и коэффициентом вариации б. Экспериментально установлено, что чем крупнее гранулы, тем более одно­роден фракционный состав, т. е. тем меньше величина б. Однако при диаметре гранул удобрений более 4,5 мм коэффициент вариации постоянен и равен 0,11.

При изменении среднего диаметра гранул от 0 до 4,5 мм, т. е. в пределах размеров товарной фракции удобрений, зависимость б от параметров процесса мож­но свести к влиянию среднего диаметра следующим об­разом:

ба *=0,144 — 0,029d (III-56)

Решая совместно уравнения (Ш-54) — (Ш-56), рас­считывают гранулометрический состав продукта в зави­симости от параметров процесса.

Чтобы успешно вести процесс гранулирования, не­обходимо для каждого конкретного вещества экспери­ментально подобрать режим, іруководствуясь изложен­ным в данной главе материалом. Для облегчения под­бора режима гранулирования аналогичных по свойст­вам веществ в табл. Ш-З приведены показатели рабо­ты грануляторов, работающих по методу окатывания.