Гранулирование

Силы межчастичного сцепления в гранулах

Наиболее полная характеристика различных межчастичных связей в процессе образования гранул приведена в рабо­те [22]. В ней рассмотрены следующие силы, действующие на частицы при росте и формировании гранул: капиллярные и по­верхностно-активные силы на границе раздела твердой и жид­кой фаз; адгезионные силы, возникающие в адсорбированных слоях; силы притяжения между твердыми частицами (мономо - лекулярные силы Ван-дер-Ваальса и силы электростатического притяжения); силы связей, обусловленные образованием ма­териальных мостиков, возникающих при спекании, химической реакции, затвердевании связующего, плавлении и кристаллиза­ции растворенного вещества при сушке. С учетом этого все известные виды связей при гранулировании сведены нами [23] в общую классификационную схему (табл. 1.1).

Для формирования гранул из исходных частиц порошкооб­разного материала необходимо обеспечить их сближение на такое расстояние, при котором проявляется действие указан­ных сил. В том случае, когда гранулы могут быть получены без добавления жидкой фазы (связующих жидкостей), применяют «сухое» гранулирование (например, методом прессования). При этом сцепление между отдельными частичками обеспечи­вается ван-дер-ваальсовыми, электростатическими и когезион­ными силами связи.

При гранулировании методом окатывания более результа­тивными оказываются связи между частицами, обусловленные капиллярными силами, что объясняется использованием жид-

Таблица 1.1. Классификация связей между частицами при росте
и формировании гранул

Причины образования связей

Рис. 1.2. Зависимость прочности свя-
зей Р между частицами от их разме-
ров d при различных механизмах
сцепления

кофазного связующего и обра­зованием кристаллических мостиков.

Сопоставление приведен­ных в табл. 1.1 видов связей, вызванных действием различ­ных механизмов межчастично­го сцепления, представлено на рис. 1.2.

Горизонтальной штриховой линией диаграмма разделена на две поло­вины: для области I характерны связи, образованные связующим при по­верхностном соприкосновении. Прочность связей между частицами при этом определяется в основном внешней энергией или давлением и в меньшей мере зависит от размера частиц исходного сыпучего материала.

Область II иллюстрирует более слабые связи, обусловленные капилляр­ным сцеплением и кристаллическими мостиками. Для этой области наблю­дается увеличение прочности связи с уменьшением размера частиц. Область значений электростатических связей, малозависящих от размера частиц, на­ходится в нижней части области II. Наклонные прямые разделяют диаграм­му на области различных механизмов связей, прочность которых не зависит от размера частиц. Для мелких частиц размером менее 10 мкм силы Ван - дер-Ваальса оказываются более эффективными, так как расстояния между частицами достаточно малы. Граничная прямая области А рассчитана для среднего расстояния между частицами 3 мкм. Область В соответствует си­лам сцепления, обеспечиваемым адсорбционными пленками. В этой области преобладают силы Ван-дер-Ваальса. Область С иллюстрирует прочность свя­зей, вызванных действием обоих механизмов: пленочного натяжения в жид­костных мостиках и отрицательного гидростатического давления в капил­лярах. Выше области С возможно образование еще более прочных связей, обеспечиваемых спеканием, а также добавлением клейких или связующих веществ (область D).

Рассмотрение видов связей и сопоставление их прочностных характеристик имеют особое значение при анализе механизма и кинетики процессов гранулирования, осуществляемых различ­ными методами.

Твердофазные мостики. При гранулировании методом ока­тывания в процессе агрегации или наслаивания материала на твердые частицы порошкообразного материала твердофазные мостики, или срастания между ними возникают вследствие диф­фузии молекул или атомов в точке соприкосновения частиц (рис. 1.3,а). При этом скорость диффузии, как правило, увели­чивается с повышением температуры. Для большинства твер­дых тел образование твердофазных мостиков происходит при температурах выше '/2 или 2/з температуры плавления.

При гранулировании некоторых веществ или продуктов, представляющих собой смесь солей, при определенных темпе-

03 W

а б в?.

Рис. 1.3. Схемы агрегатов частиц, образуемых при окатывании посредством
твердофазных (о) и жидкофазных (б) — (г) мостиков

ратурных условиях в местах контакта между частицами обра­зуются мостики нового вещества или комплексного соединения вследствие химической реакции.

Вещества с низкой температурой плавления, прежде всего органические вещества, термопласты, некоторые неорганиче­ские продукты (сера, карбамид и т. и.), в точках контакта меж­ду частицами легко переходят в расплавленное состояние, осо­бенно в процессе гранулирования с подводом тепла извне или выделения больших количеств тепла за счет трения. Чем ниже температура плавления легкоплавкого компонента в смеси, тем меньшие требуются давление и подвод тепла извне для обра­зования расплава в местах контакта частиц при их гранулиро­вании. При этом достаточно небольших количеств легкоплавко­го компонента, например битума — при гранулировании буро­го угля.

При гранулировании увлажненных продуктов и последую­щей сушке гранул в местах контакта твердых частиц выкри­сталлизовываются растворенные в жидкости вещества и обра­зуются твердофазные мостики.

Капиллярные связи. Жидкость, находящаяся между части­цами, по-разному может способствовать их сцеплению. Жид­кость, чаще всего вода, создает достаточно прочные связи меж­ду частицами. В жидкость могут вноситься небольшие коли­чества добавок, обеспечивающих лучшее смачивание частиц или повышающих растворимость веществ, что при последующей кристаллизации приводит к образованию твердофазных мос­тиков.

Для каждого из компонентов жидкой фазы, находящихся в местах контакта, порах или каналах между частицами, сущест­вует равновесие между поверхностным натяжением (о) и дав­лением (Р), между вогнутой радиусом гх и выпуклой радиу­сом г2, поверхностями раздела в соответствии с формулой Лап­ласа:

Р=о(1//т+1/т2).

Для гранул, образованных под действием капиллярных сил, рассмотрим следующие варианты связей:

между отдельными частицами образуются жидкостные мостики (рис. 1.3,6). В этом случае на линии соприкосновения твердое тело — жид­кость — газ действуют силы поверхностного натяжения. Внутри жидкостного мостика образуется пониженное капиллярное давление, обусловливающее

силу сцепления между частицами:

межчастичное пространство полностью заполнено жидкостью (рис. 1.3,в). При этом силы, действующие на поверхности раздела твердое — жидкость — газ и определяющие силы сцепления, находятся только иа поверхности аг­ломерата;

жидкость полностью обволакивает частицы твердого вещества и гранула принимает форму жидкостной капли (рис. 1.3,г). В этом случае жидкость находится под очень небольшим давлением, величина которого зависит от радиуса капли, а частицы удерживаются в капле благодаря поверхностному натяжению.

Связи, образующиеся при использовании связующего ве­щества. Большая вязкость связующего препятствует установле­нию постоянного давления в связующей жидкости по формуле Лапласа. Пластичные связующие вещества сохраняют иногда любую заданную им форму поверхности, так как энергия их де­формации намного превышает поверхностную энергию связи. Так или иначе при использовании связующих веществ помимо поверхностных сил сцепления проявляются более результатив­ные силы когезии в связующем.

Адсорбционные слои. Адсорбционные тонкие слои (толщи­ной менее 3 нм) обеспечивают молекулярную связь между час­тицами в местах их контакта. Активному проявлению действия этих сил может способствовать повышение давления в местах контакта, например при прессовании и брикетировании.

Связи под действием сил притяжения между частицами. Даже если между частицами нет жидкостных пленок или мос­тиков связующего, между ними могут действовать силы связи. Молекулярные силы сцепления всегда эффективны. Силы Ван - дер-Ваальеа начинают проявляться, когда расстояние между частицами составляет порядка 10 нм.

При движении частиц вследствие их трения и взаимодейст­вия на поверхности возникают электростатические заряды, ве­личина которых различна для разных продуктов, характера движения частиц и изменяется в зависимости от условий отво­да электричества. Естественно ожидать, что силы притяжения между положительно и отрицательно заряженными частицами участвуют в процессе агрегации и образования гранул.

Связи, обусловленные формой частиц. При взаимодействии частиц в процессе гранулирования методом окатывания доста­точно прочные связи между ними образуются также в резуль­тате механического сцепления шероховатостей поверхности.