Гранулирование

Гранулирование

Гранулирование — это совокупность физических и физико­химических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенного спектра размеров, формы, необходимой структу­ры и физических свойств. Этот процесс — один из наиболее многообразных и широко применяемых в химической, пищевой, фармацевтической, металлургической и других отраслях про­мышленности.

Гранулирование проводят с целью улучшения качества как промежуточных, так и готовых продуктов. Показатели качест­ва зависят от специфики продукта и его назначения. В общем случае гранулирование позволяет существенно уменьшить склон­ность продукта к слеживанию, а следовательно, упростить хра­нение, транспортирование и дозирование; повысить сыпучесть при одновременном устранении пылнмости и тем самым улуч­шить условия труда в сферах производства, обращения и ис­пользования. Наряду с этим гранулирование открывает воз­можность гомогенизировать смесь в отношении физико-химиче­ских свойств; увеличивать поверхность тепломассообмена; регу­лировать структуру гранул и связанные с ней свойства. Вое Это способствует интенсификации процессов, в которых использу­ются гранулированные продукты, повышению производитель­ности труда и культуры производства.

Цели и способы гранулирования, их аппаратурное оформ­ление, свойства сырья и продуктов, требования к качеству по­следних настолько разнообразны, что не представляется воз­можным без научной систематизации использовать результаты, полученные в условиях, отличающихся от требуемых. Изучение сущности, механизма и средств реализации разнообразных про­цессов гранулирования входит в науку о процессах и аппара­тах химической технологии и базируется на общих законах физической химии, гидродинамики дисперсных материалов и тепломассоиереноса в капиллярно-пористых телах. Становле­нию науки о процессах гранулирования предшествовала дли­тельная стадия эмпирического развития техники и технологии гранулированных материалов. Наиболее полно накопленные данные обобщены в книге «Основы техники гранулирования», вышедшей в издательстве «Химия» в 1982 г.

В последнее десятилетне в ряде отечественных научных школ активно проводились исследования, направленные на познание физической сущности явлений, создание кинетических моделей, разработку математического описания процессов гра­нулирования, на их обобщение и систематизацию. Это позволи­ло создать теорию отдельных методов гранулирования, выявить взаимосвязь этого процесса с другими процессами конкретной технологии, выработать общие концепции создания и эксплуа­

тации технологических линий, важным элементом которых яв­ляются узлы гранулирования.

В настоящей монографии рассмотрены общие закономерно­сти процессов гранулирования, обусловленные взаимодействи­ем частиц в местах их контакта, предложена классификация методов гранулирования по принципу механизма гранулообра - зовання, даны теоретические представления о физической сущ­ности этих явлений, отмечены особенности методов окатывания, прессовании и формования, кристаллизации на поверхности гранул и в инертной среде. Впервые освещены новые аспекты гидродинамики дисперсных материалов при механическом и пневматическом смешении, а также процессы гранулирования, осложненные химическим взаимодействием и сопровождаемые тепломассообменом, с учетом стадий классификации и дробле­ния. Теоретические разработки и экспериментальные данные использованы при создании методик расчета режимов работы и основных размеров грануляторов. Рассмотрены также прин­ципы их конструирования и опыт эксплуатации.

Особое внимание обращено на выбор способа гранулирова­ния и оптимизацию режимов его осуществления в зависимости от качества сырья, требований к продукту, специфики сопутст­вующих процессов, производительности технологической линии, эффективности ее функционирования. Комплексное рассмотре­ние, анализ и сопоставление современных данных по теории и практике различных методов гранулирования способствуют формированию полного представления об этом процессе в це­лом, что значительно облегчает и повышает эффективность ис­пользования этих данных как научными и инженерно-техниче­скими работниками НИИ, проектных институтов, промышлен­ных предприятий, так и преподавателями, аспирантами и сту­дентами вузов.

Главы 1 (кроме разд. 1.3), 2 (разд. 2.4), 3 (разд. 3.4), 4 (разд. 4.2, 4.3), 5, 9 (разд. 9.3, 9.5, 9.6) и 11 написаны П. В. Классеном; предисловие, введение и главы 6—8, 9 (разд. 9.8), 10 и Приложение — И. Г. Гришаевым; главы 1 (разд. 1.3), 2 (кроме разд. 2.4), 3 (кроме разд. 3.4), 4 (разд. 4.1), 9 (разд. 9.1, 9.2, 9.4, 9.7) — И. П. Шоминым.

Авторы глубоко признательны рецензенту доктору техниче­ских наук профессору В. И. Коновалову за рекомендации, уч­тенные при окончательной подготовке монографии к изданию. Замечания и пожелания читателей авторы также примут с благодарностью.

Гранулирование как природное явление наблюдается в ат­мосфере (образование града), в недрах Земли (извержения вулканов) и на ее поверхности (образование гравия при по­движке льда и грунта, лавинных процессах). Человечество из­давна использует пронесе гранулирования при обработке поч­вы для придания ей более плодородной комковатой структуры или при формовании минерального сырья с целью его исполь­зования в строительстве. Начало промышленного применения процесса гранулирования положено, по-видимому, в прошлом веке при изготовлении свинцовой дроби и обработке пищевых продуктов.

Поистине массовое и повсеместное применение этот процесс получил в середине XX в., тогда и начали создавать крупные промышленные грануляторы. Наряду с расширением ассорти­мента выпускаемых гранулированных продуктов появились но­вые способы гранулирования и аппараты для их осуществле­ния. Так, в СССР минеральные удобрения начали гранулиро­вать в башнях с 1937 г., в окаточных барабанах — с 1950 г., в грануляторах-сушилках — с 1968 г., в прессах — с 1970 г. Таким образом, за 30 лет освоены практически все принципы гранулирования, для последних 20 лет характерно непрерыв­ное совершенствование конкретных способов и их технологиче­ского оформления.

Общая тенденция развития техники гранулирования хими­ческих и других продуктов непосредственно направлена на по­вышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции. Правильно выбранные для конкретных условий способы гранулирования в основном обеспечивают получение готового продукта с заданными качественными показателями (гранулометрический состав, прочность гранул, слеживаемость, сыпучесть, пылимостъ и т. п.). В случае ужесточения требова­ний к ним следует изыскивать приемы и методы совершенство­вания известных процессов гранулирования, создания новых более эффективных способов с целью достижения необходимо­го улучшения качества готового продукта.

Направления развития техники гранулирования непосред­ственно связаны с общими тенденциями совершенствования технологии того или иного продукта. Исходя из особенностей развития технологии конкретного производства отдают пред­почтение тем или иным методам гранулирования. Иными сло­вами, то, что может быть перспективным для гранулирования полимерных материалов, неприемлемо, например, для гранули­рования минеральных удобрений, и наоборот.

Тем не менее в настоящее время имеются общие принципы подхода к выбору наиболее целесообразных методов гранули­рования в зависимости от агрегатного состояния и физических свойств исходных веществ.

Так, для гранулирования пластичных порошкообразных и пастообразных материалов более пригодны методы формова­ния и экструднрования. Для непластичных сыпучих материалов могут быть рекомендованы методы гранулирования прессова­нием или окатыванием с одновременным пластифицированием смеси жидкостью. При гранулировании из пульп, суспензий или растворов предпочтителен метод распыливания их на поверх­ность частиц скатывающегося, падающего, вращающегося или псевдоожиженного слоя с одновременной сушкой продукта до требуемой влажности. Безводные расплавы целесообразнее гранулировать разбрызгиванием в инертную среду или на по­верхность частиц движущегося слоя с одновременным его ох­лаждением.

В общем случае гранулирование включает следующие тех­нологические стадии переработки:

подготовку исходного сырья, дозирование, смешение компо­нентов;

собственно гранулообразованне (агломерация, наслаивание, кристаллизация, уплотнение и др.);

стабилизацию структуры (упрочнение связей между части­цами сушкой, охлаждением, полимеризацией и др.);

выделение товарной фракции (классификация по размерам, дробление крупных частиц).

В реальных процессах чаще всего эти стадии сочетаются во времени и (или) в пространстве в самых различных комбина­циях. Им сопутствуют другие процессы, например химического превращения. Целесообразность этих сочетаний обусловлена требованиями конкретной технологии.

Ниже рассмотрены варианты применения методов гранули­рования в различных производствах.

Активный уголь получают смешением пылевидного угля с хлорцинко- вым или другим активатором. Смесь увлажняют связующим. Образующую­ся пластичную пасту охлаждают и формуют в экструдере. Влажные грану­лы сушат во вращающейся печи, а затем активируют с одновременным удалением активатора. Углеродные адсорбенты получают и без добавления связующего: термической пластификацией природного угля с последующей полимеризацией. Для этого исходное сырье дробят, гранулируют при увлаж­нении водой на тарельчатом грануляторе, сушат и карбонизируют во вра­щающейся печи, а затем активируют смесью дымовых газов и водяного па­ра в псевдоожиженном слое [І].

Другой адсорбент — силикагель перед коагуляцией гранулируют из золя кремневой кислоты в течение 4—10 с. За это время струю золя на формо­вочном конусе с желобками разбивают на струйки, которые стекают на по­верхность масла в формовочной колонке и диспергируются на капли. Здесь и происходит их коагуляция с образованием сферических гранул, которые гидротранспортом выносятся из колонны. После кислотного удаления катио­нов металлов и водной промывки гель в сепараторе отделяют от воды и сушат в шахтной или ленточной сушилке, рассеивают и затаривают.

При получении синтетических цеолитов кристаллы вещества выделяют в фильтр прессе или центрифуге, смешивают со связующим (каолином, бен­тонитом), а образующуюся пасту гранулируют на машинах различного типа (например, на таблеточном прессе). Гранулы сушат, рассеивают и прокали­вают. Для получения сферических гранул повышенной прочности цеолито - вьіґі порошок и связующее увлажняют и гранулируют на тарельчатом гра­нуляторе, а затем сушат и прокаливают. Сферические гранулы получают также диспергированием смеси цеолита и жидкого стекла в масло с после­дующей коагуляцией в растворе хлорида натрия.

В промышленности минеральных удобрений азотсодержащие продукты гранулируют в основном диспергированием и охлаждением расплава в по­лых грануляционных башнях. Так получают нитрат аммония, карбамид. Сульфат аммония гранулируют прессованием или в псевдоожиженном слое. Для гранулирования калийных удобрений до сих пор остается единствен­ным метод прессования. Новые способы, основанные на окатывании, на­ходятся в стадии разработки. Медленнодействующие микроудобрения ipa - нул ир уют спеканием или прессованием [2]. Фосфорсодержащие удобрения, включая и комплексные, гранулируют различными способами: окатыванием, в том числе одновременно с диспергированием пульпы на поверхность гра­нул (большая часть фосфорсодержащих удобрений); диспергированием пла­вов и охлаждением их в грануляционных башнях; прессованием сухих туко­смесей; диспергированием пульпы в псевдоожиженный слой.

В технологии пищевых продуктов [3] и кормов [4] применяют прессова­ние или брикетирование (сахар-рафинад, свекловичный жом, комбикорма), формование (рыбные мука, котлеты, фарш [5]). Дражирование кондитерских изделий производят методом окатывания.

Пищевые продукты и медицинские препараты гранулируют также ком­бинированными способами. В частности, для изготовления таблетированных лекарств, чая, кофе сырье вначале смешивают со связующим до определен­ной консистенции, затем протирают через перфорированную обечайку Полу­ченные гранулы сушат или сразу же прессуют. Таблетки окатывают в дра­жировочном котле с одновременной сушкой последовательно наносимых слоев оболочки [6]. Применяют также метод литья с последующим дробле­нием и брикетированием крошки на валковом прессе. При литье в формы после охлаждения получают готовый продукт в виде свечей (например, стеа­риновые свечи, лекарственные препараты на основе желатина или жира).

В производстве растительных масел [7] после отгонки растворителя об­разуется твердый остаток-шрот, который возможно хранить лишь при опре­деленном качестве, достигаемом гранулированием. Исходный материал сме­шивают в шнеке с водой и фосфатидной эмульсией, нагревают острым па­ром и подают в прессующую камеру. Гранулы, образующиеся после продав - ливания материала роликами через перфорированную матрицу, поступают на рассев и охлаждение.

Для гранулирования продуктов микробиологического синтеза [8, 9]: дрожжей, ферментных препаратов, аминокислот, антибиотиков, а также микробиологических средств защиты растений применяют практически все виды основного грануляционного оборудования: экструдеры, шнековые фор - мователи, центробежные окатыватели, вращающиеся барабаны, установки с аэро - и виброкипящим слоем, грануляционные башни и т. п.

Составляющие моющих веществ (триполифосфат натрия и др.), птичий помет, используемый в качестве удобрения, гранулируют окатыванием при одновременной сушке [10]. Перспективен также и метод экструзии [11].

В большинстве производств шин и резиновых технических изделий [12] исходные компоненты гранулируют окатыванием со связующим (например, сажи) или экструзией (например, каучуки, маточные смеси) с последующим охлаждением гранул водой и сушкой. Гранулы полимеров и других органи­ческих соединений получают в основном формованием, особенности проведе­ния которого зависят от свойств материала [13].

Порошковидные стекольные шихты с добавкой связующего и без него гранулируют прессованием на валковых прессах с последующими выдерж­кой для придания прочности, дроблением и рассевом [14]. Фигурные вальцы применяют для брикетирования таких продуктов, как медные, цинковые и другие концентраты, угольная и фосфоритная пыль, керамика, известь, ша­мот. Рудные, а также различные строительные материалы, в том числе из отходов производств (например, фосфогипс) гранулируют окатыванием, а затем сушат или спекают [15].

Для гранулирования высокотемпературных плавов металлов и шламов применяют охлаждение в инертной среде, преимущественно смешение с во­дой, которая, испаряясь, способствует диспергированию струй плава на кап­ли, окончательно застывающие в бассейне [16].

В технологии гранулирования особое место занимают процессы получе­ния смеси различных веществ с четкой границей разделения (многослойные гранулы). Для этого используют окатывание (дражирование) и прессование, а также методы нанесения жидкости или порошка на поверхность гранул во взвешенном слое. Принципиально эти методы не отличаются от методов получения однородных гранул. Специфика состоит в подборе свойств и режимов нанесения поверхностного вещества, что подробно рассмотрено, например, в работах [17, 18].

Перечисленные выше производства не исчерпывают сфер применения процесса гранулирования, но дают представление о многообразии перерабатываемых веществ и сравнительно ограниченном круге принципиально отличающихся методов гра­нулирования. В одной книге достаточно ограниченного объема невозможно проанализировать особенности всех стадий пере­работки материалов, связанных с получением их в гранулиро­ванном виде. Поэтому авторы не рассматривают технологии отдельных продуктов, а дают детальный анализ состояния тех­ники гранулирования тем или иным методом, сосредоточив ос­новное внимание на гранулообразованнн. Это позволяет выя­вить общие закономерности, определяющие способ гранулиро­вания и его аппаратурное оформление.

Однако оптимизация технологии гранулированного продук­та невозможна без выявления связей между отдельными ее элементами, т. е. без учета взаимовлияния всех процессов тех­нологического цикла. Поэтому изучение гранулирования осно­вано на единстве дифференциации и интеграции анализа ста­дий технологии продукта при доминировании комплексного под­хода, что и отразилось в построении данной монографии. Вна­чале изложены общие закономерности гранулирования, затем рассмотрено их проявление в принципиально различных мето­дах, т. е. проанализирована связь внешних и внутренних пара­метров каждого из них и, наконец, даны рекомендации по вы­бору способа образования гранул и оптимизации технологии гранулированного продукта применительно к конкретным ус­ловиям. Специфика различных методов гранулирования рас­смотрена главным образом на примере производства минераль­ных удобрений, для которых характерны наиболее крупные мощности по выпуску гранулированных продуктов (в мире еже­годно— не менее 200 млн. т. [19], причем половина из них в СССР).

Приводимые в предлагаемой читателю книге основные по­ложения расчета и конструирования аппаратуры, разработан­ные на основе современных теоретических представлений, дан­ных экспериментальных исследований и практики эксплуатации крупных промышленных систем, отражают основные тенденции развития техники гранулирования и технологии гранулирован­ных продуктов

Глава 1

Процессы гранулирования определяют физпко-механнче - ские свойства готового продукта: размер гранул, их прочность, слеживаемость и т. д. Эти показатели качества готового про­дукта изменяются в зависимости от метода гранулирования и особенностей уплотнения гранул.

1.1. Классификация методов гранулирования и особенности уплотнения гранул

Для гранулирования материалов в отечественной и зару­бежной практике применяют различные методы и аппаратуру [18, 20, 21]. Гранулирование связано с изменением агрегатно­го состояния сред. По этому признаку гранулирование можно классифицировать следующим образом:

из жидкой фазы — диспергированием ее на капли с после­дующей кристаллизацией растворенного вещества при обезво­живании или охлаждении этой фазы;

из твердой фазы — прессованием с последующим дроблени­ем брикетов до гранул требуемого размера;

из смеси жидкой и твердой фаз—агломерацией порошков с последующим окатыванием агломератов и упрочнением свя­зей между частицами при удалении жидкой фазы;

из газообразной фазы — конденсацией (десублимацней) с образованием твердых гранул;

из смеси жидкой и газообразной фаз при протекании хи­мической реакции;

из смеси жидкой, твердой и газообразной фаз при протека­нии химической реакции.

Образование твердых частиц необходимого размера при гранулировании происходит либо единовременно, либо посте­пенно. Поэтому различают процессы гранулирования, проте­кающие без изменения размеров частиц во времени, с измене­нием размера частиц во времени и с образованием новых час­тиц и ростом имеющихся частиц. В зависимости от требований, предъявляемых к гранулометрическому составу продукта, по­лучаемые при гранулировании мелкие частицы либо возвраща­ют в процесс (ретурный процесс), либо постоянно выводят из процесса (безретурный процесс).

Эффективность процесса гранулирования зависит от меха­низма гранулообразования, который, в свою очередь, определя-

Ч

ется способом гранулирования и его аппаратурным оформле­нием. В связи с этим методы гранулирования целесообразно классифицировать следующим образом:

окатывание (формирование гранул в процессе их агрегации или послойного роста с последующим уплотнением структуры);

диспергирование жидкости в свободный объем или нейт­ральную среду (образование и отвердевание капель жидкости при охлаждении в газе или жидкости);

диспергирование жидкости на поверхность гранул, находя­щихся во взвешенном состоянии (кристаллизация тонких пле­нок в результате их обезвоживания или охлаждения на поверх­ности гранул);

прессование сухих порошков (получение брикетов, плиток и т. п. с последующим их дроблением на гранулы требуемого размера);

формование или экструзия (продавливание вязкой жидко­сти или пастообразной массы через отверстия).

Гранулирование методом окатывания состоит в предвари­тельном образовании агрегатов из равномерно смоченных час­тиц или в наслаивании сухих частиц на смоченные ядра — центры гранулообразования. Этот процесс обусловлен действи­ем капиллярно-адсорбционных сил сцепления между частица­ми и последующим уплотнением структуры, вызванным силами взаимодействия между частицами в плотном динамическом слое, например в грануляторах барабанного или тарельчатого типов.

Гранулирование методом диспергирования жидкости в сво­бодный объем заключается в разбрызгивании жидкости, напри­мер безводного плава гранулируемого вещества, на капли, при­ближенно однородные по размеру и последующей их кристал лизации при охлаждении в нейтральной среде (воздухе, мас­ле и т. п.).

Гранулирование сухих порошков методом прессования, т. е. уплотнения под действием внешних сил, основано на формиро­вании плотной структуры вещества, что обусловлено возникно­вением прочных когезионных связей между частицами при их сжатии. Полученный в результате уплотнения брикет (плитка, лента) дробят и направляют на рассев для отбора кондицион­ной фракции гранул, являющихся готовым продуктом.

Гранулирование методом диспергирования жидкости (пульп, растворов, суспензий, плавов) на поверхность частиц во взвешенном состоянии заключается в импульсном нанесении на твердые частицы тонких пленок исходного вещества и по­следующей сушке (или охлаждении) в потоке теплоносителя.

Гранулирование методом формования или экструзии состо­ит в продавливании пастообразной массы, представляющей со­бой либо увлажненную шихту, либо смесь порошка с легкоплав­ким компонентом, через перфорированные приспособления с последующей сушкой гранул или их охлаждением.

Из описания приведенных особенностей процессов, осу­ществляемых различными методами, следует, что гранулирова­ние химических продуктов происходит при возникновении фи­зико-механических связей, следствием действия этих связей является увеличение плотности (снижение пористости) грану­лируемого вещества, достигаемое либо уплотнением структуры капиллярно-пористых тел при их окатывании, прессовании и т. д., либо изменением агрегатного состояния гранулируемого материала в результате кристаллизации капель плава или тон­ких пленок на поверхности частиц.

Уплотнение структуры материала в процессах гранулирова­ния, осуществляемых различными методами, характеризуется зависимостью изменения относительной плотности гранулируе­мого материала р/ро (где р, ро — соответственно текущая и на­чальная плотности материала) от прочности связей Р между частицами.

Для процесса гранулирования окатыванием (рнс. 1.1, а) напряжения в грануле вызываются, как правило, действием капиллярно-адсорбционных сил сцепления н натяжением в пленочных контактах Ри, а уплотнение струк­туры гранулы во времени происходит под влиянием сил взаимодействия между частицами при их движении в плотном вращающемся слое. В про­цессе гранулирования прессованием (рис. 1.1,6) напряжения в дисперсной фазе обусловлены в основном когезионными связями между частицами, ко­торые возникают под действием сил внешнего давления Ра■ При гранулиро­вании плава разбрызгиванием в свободный объем илн на поверхность ча­стиц (рис. 1.1, в) напряжения в грануле определяются кристаллическими связями, мостиками и срастаниями Рк.

Полагая, что в некоторых процессах гранулирования про­являются одновременно все виды связей, общую интенсивность уплотнения гранулы можно определить как

Примером процесса, в котором проявляется действие всех указанных видов связей, является гранулирование смесей, со­держащих легкоплавкий компонент методом прессования.