Гранулирование

Кинетика аммонизации гранул

Интенсивность химического взаимодействия между газом и гранулой зависит от характера их контакта, который определя­ется в начальный момент гидродинамической обстановкой у по­верхности гранулы, а затем диффузией в ней газа. Реакция в грануле протекает послойно, и при равномерном распределе­нии по объему реагирующих веществ движущей силой процес­са будет их относительная концентрация. Кинетическое уравне­ние запишется в виде:

— dC/dT=Ko(C/C„)'1, (6.9)

где С, С„ — текущая и начальная концентрация реагирующего вещества в твердой фазе; п — условный порядок реакции, учитывающий ее замедление в процессе диффузии; Ко — коэффициент, численно равный максимальной скорости изменения концентрации в начальный момент времени контакта зерна с газом, т. е. при С=С„.

Для определения значений п и Ко проведены (125] исследования аммо­низации гранул двойного суперфосфата, содержащего свободную фосфорную кислоту, в потоке аммиака, движущегося с постоянной скоростью. Установ­лено, что степень влияния движущей силы процесса С/С„ на его скорость за­висит от структуры материала, т. е. от числа, размера и состояния пор в грануле. Показателем качества структуры выбран предел прочности гранул при сжатии о, с повышением которой увеличивается плотность вещества, а число открытых пор уменьшается, что затрудняет диффузию газа. Скорость аммонизации максимальна у гранул, полученных методом окатывания [126]. Гранулы, образованные методом сушки пульпы на их поверхности в БГС или псевдоожиженном слое, более плотны, имеют больше закрытых пор и труднее поддаются аммонизации.

При гранулировании методом окатывания структура гранул зависит от их размера, который в свою очередь влияет на скорость реакции. Методы гранулирования путем послойного нанесения пульпы на поверхность частиц позволяют получить однородную структуру материала, независимо от разме­ра гранул. Но и в этом случае диаметр частиц также влияет на интенсив­ность химического взаимодействия, поскольку скорость движения фронта аммонизации вглубь вещества при прочих равных условиях не зависит от размера гранул. В разных по размеру частицах при одинаковой глубине про­никновения аммиака достигается различная степень аммонизации. Таким об­разом, и=((о, d).

Увеличение скорости аммонизации с уменьшением размера частиц следует учитывать при осуществлении реальных процес­сов. Так, частицы размером 0,5 мм полностью нейтрализуются за несколько секунд с выделением большого количества тепла, что приводит к их слипанию и нарушению процесса. Большая неоднородность гранулометрического состава также приводит к неравномерной нейтрализации, налипанию продукта на стен­ки аппарата, ухудшению его качества.

Наибольшее влияние на скорость аммонизации гранул ока­зывает их влагосодержание и. На диффузионные процессы оно
влияет, приводя к изменению количества растворенного реаги­рующего вещества в жидкой фазе и размеров капилляров в зер­не. Анализ экспериментальных данных показывает, что в диапа­зоне изменения влагосодержания гранул в реальных процессах влиянием на изменение пористой структуры можно пренебречь. Влияние влагосодержания на скорость аммонизации происходит в основном из-за дополнительного растворения фосфорной кис­лоты, в результате чего процесс массообмена переходит в жид­кую фазу, что резко ускоряет его. Изменению растворимости способствуют также температурные условия. Следовательно, Ko=f(u, Т).

Обработкой экспериментальных данных для двойного супер­фосфата получено:

Ао=9,5- 105ч3-6 ехр(— 22 000/RT),
и=7,2- 10~2o°-2Sd-0'25.

Зависимости (6.10) и (6.11) справедливы при ы=0,03— 0,11 кг/кг; о=2,7—5,6 МПа; d=0,25—3,5 мм.

Скорость аммонизации зависит не только от влагосодержа­ния, но и от способа введения влаги в гранулу. Так, при одина­ковом среднем влагосодержании аммонизация с одновременным увлажнением поверхности гранул резко интенсифицирует про­цесс. Это объясняется тем, что в первый период химическое взаимодействие идет на поверхности при влагосодержании, зна­чительно большем, чем среднее его значение по объему. По­верхностное влагосодержание может быть близким к единице, однако практически, во избежание слипания частиц при нерав­номерном распределении аммиака в слое, орошение поддержи­вают на более низком уровне. Устойчивое ведение процесса в промышленном аппарате возможно при поверхностном влаго­содержании 0,06—0,1 кг/кг. При этом выделяющееся тепло пол­ностью расходуется на испарение влаги, что позволяет поддер­живать оптимальный температурный режим (65—70 °С) и ис­ключить досушку гранул после аммонизации.

Мгновенная скорость реакции в структуре, имеющей преиму­щественно открытые поры (например, полученная методом окатывания) рассчитывается при Ко = 0,06 и л из выражения (6.11). Для структур, полученных методом послойного нанесе­ния пленок и имеющих больше закрытых пор, обнаружено бо­лее резкое, чем для сухой аммонизации, замедление скорости реакции по мере уменьшения движущей силы. Это объясняется тем, что скорость диффузии внутри гранул не зависит от по­верхностного увлажнения, а определяется структурой гранул, для которой постоянный член уравнения (6.11) равен 16,2-10-2.

Аммонизация гранул с одновременным гранулированием всегда проходит при поверхностном увлажнении, режим которо­го следует регулировать с учетом способности материала к по­глощению влаги.