ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ

1.1. Классификация методов гранулирования и особенности уплотнения гранул

Для гранулирования материалов в отечественной и зарубежной практике применяются различные методы и аппаратура. Гранулиро­вание связано с изменением агрегатного состояния сред. По этому признаку гранулирование можно классифицировать следующим об­разом:

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

- из твердой фазы - прессование 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 (десублимацией) 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 размеров частиц во времени, с образованием новых и ростом имеющихся частиц. В зависимости от требований, предъявляемых к грануло­метрическому составу продукта, получаемые при гранулировании мелкие частицы либо возвращаются в процесс (ретурный процесс) [6], либо постоянно выводят из процесса (безретурный процесс).

Эффективность процесса гранулирования зависит от механизма гранулообразования, который, в свою очередь, определяется 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) [7];

- 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) [3].

Гранулирование методом окатывания является в настоящее вре­мя наиболее перспективным и 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 [3].

Из приведенного описания процесса следует, что гранулирова­ние химических продуктов происходит при возникновении физико­механических связей. Следствием действия этих связей является увеличение плотности (снижение пористости) гранулируемого веще­ства, достигаемое уплотнением структуры капиллярно-пористых тел при их окатывании.

Уплотнение структуры материала в процессе гранулирования характеризуется зависимостью изменения относительной плотности гранулируемого материала р/ро (где р, ро - соответственно текущая и начальная плотность материала) от прочности связей Р между час­тицами [3].

Для процесса гранулирования окатыванием напряжения в гра­нуле вызываются, как правило, действием капиллярно-адсорб­ционных сил сцепления и напряжением в пленочных контактах, а уплотнение структуры гранулы во времени происходит под влия­нием сил взаимодействия между частицами при их движении в плот­ном вращающемся слое. В процессе гранулирования прессованием напряжения в дисперсной фазе обусловлены в основном когезион­ными связями между частицами, которые возникают под действием сил внешнего давления.

Аутогезия множества частиц, составляющих сыпучий материал, складывается из сил аутогезии, проявляющихся в индивидуальных контактах между частицами, и зависит от величины этих сил. Кроме того, она определяется взаимным расположением, размерами и фор­мой частиц, которые, в свою очередь, обуславливают число контак­тов между частицами [2].

Аутогезия множества частиц не может определяться лишь прочностью индивидуальных контактов Fj. Для ее оценки требуются данные, характеризующие суммарную величину сил аутогезии в кон­тактах множества частиц. Эта величина представляет собой проч­ность на разрыв T тела, образованного сыпучим материалом:

Т = Х F (1.1)

Силы когезионного взаимодействия Fk имеют ту же природу, что и силы, действующие между молекулами внутри частиц. Для возникновения когезионных сил недостаточно непосредственного соприкосновения частиц, так как на их поверхности могут быть ад­сорбционные и окисные пленки, мешающие проявлению когезии. Поэтому необходимо внешнее усилие, вызывающее деформацию частиц и возникновение ювенильных (свежеобразованных) поверх­ностей. Когезионные силы действуют также при образовании мости­ков твердых веществ между частицами. Эти мостики образуются в результате спекания, кристаллизации и других физико-химических превращений в зоне контакта. Величина когезионных сил значитель­но больше ван-дер-ваальсового взаимодействия и может изменяться от 0,01 до 100 мкН [1].

Аутогезия может быть обусловлена несколькими одновременно действующими силами; взаимно исключается действие лишь капил­лярных и электрических сил.

В зависимости от природы сил аутогезию можно разделить на равновесную Fр и неравновесную F^. Равновесная возникает до со­прикосновения частиц между собой, достигает максимального зна­чения при их непосредственном контакте и зависит от свойств кон­тактирующих тел; к ней относится взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми и кулоновскими силами.

К неравновесному следует отнести взаимодействие, возникаю­щее в результате контакта частиц между собой и обуславливающее рост аутогезии. Вне контакта это взаимодействие не существует. Оно вызывается капиллярными и электрическими силами за счет кон­тактной разности потенциалов, а также силами когезии и механиче­ского зацепления.

Материал частиц определяет величину ван-дер-ваальсовых и ко­гезионных сил. От упругопластических свойств частиц зависят пло­щадь и, следовательно, прочность контакта, а также возможность возникновения когезионных сил.

К числу внешних факторов, влияющих на аутогезию, следует отнести силу поджима Nb с которой частицы прижимаются друг к другу при формировании контактов. Под действием силы поджима прочность индивидуальных контактов может возрастать, что объяс­няется увеличением молекулярных сил в результате сближения час­тиц, а также увеличением площади контакта между частицами. По­следнее зависит от упругопластических свойств частиц.

Упрочнение контактов при поджиме характерно в большей сте­пени для пластичных и в меньшей степени проявляется у упругих и твердых частиц.

Зависимость прочности контактов от силы поджима можно представить в следующем виде [1]:

F = BN1, (1.2)

где B и p - эмпирические коэффициенты (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Значения коэффициентов B и p для некоторых материалов

[2]

Материал

B

Р

Кварц

0,03

0,06

Глинозем

0,09

0,20

Известняк Ленинградского цементного завода

0,4

0,25

Известняк цементного завода «Спартак»

1,0

0,30

Стеклянные шарообразные частицы диаметром 20-40 мкм

0,8

0,50

Мергель

6,0

0,60

Доломит

50

0,60

Коэффициент р (показатель степени силы поджима) определяет­ся природой материала частиц, и в первую очередь - упруго­пластическими свойствами этого материала.

Аутогезия проявляется в чистом виде, когда исключено влияние внутреннего трения, при разрушении сыпучего материала под дейст­вием растягивающего усилия. Тогда прочность структуры T на еди­ницу площади будет определяться средней прочностью единичного контакта между частицами этой структуры F1 и числом контактов на единицу площади сечения v:

Т = F1v. (1.3)

Число контактов определяется размером частиц и способом упаковки: чем плотнее упаковка и меньше частицы, тем больше чис­ло контактов на единицу сечения.

Уравнение (1.3) является основным, связывающим между собой прочность индивидуальных контактов F1 и прочность сыпучего ма­териала (структуры) в целом. Это уравнение основано на предполо­жении об аддитивности работы контактов при разрушении сыпучего материала. Справедливость уравнения (1.3) подтверждена экспери­ментально [1].

Аутогезия целиком определяет прочность сыпучего материала, если разрушение вызвано растягивающими усилиями. В условиях сложного напряженного состояния разрушение сыпучего материала происходит в виде сдвигов. При сдвиговом разрушении сыпучего материала под действием напряжения т, направленного тангенциаль­но сечению разрушения, в каждом контакте действует сила сопро­тивления сдвигу т1. Величина этой силы зависит от коэффициента трения между частицами рч, сжимающего усилия N1, действующего на контакт, и силы аутогезии частиц F1. Прочность структуры при сдвиге т выражается уравнением

т = TiV. (1.4)

При сдвиге преодолевается не только аутогезия, но и внутрен­нее трение. Поэтому прочность сыпучего материала при этом виде разрушения всегда выше прочности его на разрыв.

Число контактов V в первом приближении определяется числом частиц z, заключенных в единице объема, и числом контактов, при­ходящихся на одну частицу. Размер частиц служит своеобразным масштабным фактором. При одной и той же плотности упаковки число частиц в объеме пропорционально 1/d3, а в поперечном сече­нии - 1/d2. Координационное число К определяет количество контак­тов, приходящихся на каждую частицу; оно зависит от пористости и порядка расположения частиц в структуре.

У реальных сыпучих материалов координационное число пред­ставляет собой среднестатистическую величину, учитывающую со­вокупность частиц.

Координационное число полидисперсного сыпучего материала, в котором крупные частицы окружены более мелкими, больше, чем монодисперсного. Благодаря более высоким значениям общего числа частиц, координационного числа и плотности упаковки частиц поли­дисперсный материал характеризуется большим числом контактов, а значит, и большей прочностью по сравнению с монодисперсным.

В реальных сыпучих материалах с уменьшением размеров частиц пористость увеличивается. Для частиц с диаметром менее 10 мкм дан­ная закономерность наиболее заметна. Это объясняется тем, что с уменьшением среднего диаметра частиц силы аутогезии и внутренне­го трения возрастают и препятствуют более плотной упаковке частиц.

Любая деформация сыпучего материала сопровождается сдви­гом, т. е. скольжением частиц друг относительно друга. В отличие от жидкости сыпучие материалы в состоянии покоя способны переда­вать определенные сдвигающие усилия. Деформация в сыпучих ма­териалах не наступает до тех пор, пока не преодолено предельное сопротивление сдвигу. Эти особенности реологии сыпучих материа­лов обусловлены не только аутогезией, но и трением между частица­ми. Наличие аутогезии и трения не позволяет провести аналогию между течением сыпучих материалов и жидкости.

Существуют две различные точки зрения на механические свойст­ва сыпучих материалов. Согласно первой сыпучие материалы рассмат­ривают как сплошое тело, т. е. с позиции классической механики.

Другой подход основан на дискретности свойств сыпучих ма­териалов с учетом взаимодействия частиц в массе этого материала. Наличие множества частиц, разнообразие их размеров и форм при­водят к тому, что на основе теоретических представлений не удает­ся получить общее решение, характеризующее течение сыпучих материалов. Поэтому при изучении свойств сыпучих материалов обычно принимают жесткопластическую модель, которой присущи следующие характерные свойства: 1) сыпучий материал обладает предельным напряжением сдвига (при напряжениях меньше пре­дельных деформация в сыпучем материале не происходит); 2) пре­дельные напряжения сдвига вызывают разрушения сыпучего мате­риала; 3) в сыпучем материале не могут возникнуть напряжения больше предельного значения [8].

Трение и аутогезия в конечном счете зависят от того, с какой силой прижимаются друг к другу частицы, между которыми проис­ходит сдвиг. Основной закон движения сыпучих материалов, сфор­мулированный Кулоном, гласит: предельное сопротивление сыпуче­го материала сдвигу пропорционально нормальному давлению на плоскость скольжения.

Для таких материалов, которые называют несвязными, закон Кулона выражается уравнением

т = рст„, (1.5)

где стп - нормальное давление, Па;

р - коэффициент пропорциональности, называемый коэффи­циентом трения.

Закон Кулона для связных, т. е. обладающих сцеплением, сыпу­чих материалов выражается уравнением

т = С + рстп, (1.6)

где С - сопротивление сдвигу, называемое сцеплением, представляет собой внутреннее трение, обусловленное исключительно аутогезией частиц.

При отсутствии сил сцепления коэффициент трения

Р = 1§Фт, (1.7)

где фт - угол наклона поверхности сдвига в момент начала сдвига. Если поверхность сдвига образуется внутри сыпучего тела, то угол трения носит название угла внутреннего трения.

Следует иметь в виду, что угол трения фт связан со сдвигом большого числа частиц. Нельзя отождествлять угол внутреннего тре­ния для массы частиц с действительным углом трения, который ха­рактерен для относительного сдвига только двух частиц фч [1].

Связь между углом внутреннего трения и действительным уг­лом трения может быть аппроксимирована выражением [8]

п

Фт = -&Фч. (1.8)

Закон Кулона может быть представлен в следующем виде:

х = С + tgфт ап (1.9)

Угол наклона прямой, выражающей закон Кулона в декартовых координатах, равен углу внутреннего трения.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что увели­чение прочности большинства исследованных материалов при уп­лотняющей нагрузке, вызванное только ростом числа контактов, со­ставляет от 5 до 40 % от общего прироста прочности. Поэтому ре­шающую роль в повышении прочности всего сыпучего материала играет увеличение прочности индивидуальных контактов [1].

Возрастание уплотняющего усилия приводит к сравнительно небольшому увеличению плотности упаковки частиц, поэтому число контактов при этом увеличивается в меньшей степени, чем величина уплотняющей нагрузки. В результате этого сила поджима частиц друг к другу, приходящаяся на один контакт, при уплотнении мате­риала возрастает вместе с увеличением уплотняющей нагрузки, при­чем возрастание N1 тем больше, чем в меньшей степени изменяется степень заполнения объема ф, что характерно прежде всего для гру­бодисперсных материалов. В результате увеличения силы N1 повы­шается прочность контактов.

Изменение прочности индивидуальных контактов при поджиме зависит от упругопластических свойств частиц.

С увеличением прочности индивидуальных контактов возрастает сопротивление сыпучих материалов сжатию. Когда прочность сыпу­чих материалов на сжатие достигает величины уплотняющей нагруз­ки, уплотнение сыпучего материала прекращается. Чем выше проч­ность индивидуальных контактов, тем меньше изменяется плотность упаковки в результате одного и того же воздействия на материал.

При условии сохранения неизменными упаковки и прочности индивидуальных контактов прочность сыпучего материала должна изменяться пропорционально 1/d2. В действительности при измене­нии размеров частиц изменяются и другие свойства сыпучего мате­риала: прочность индивидуальных контактов и плотность упаковки частиц. Поэтому зависимость между прочностью сыпучего материа­ла и размерами частиц более сложна.

При одинаковой уплотняющей нагрузке N сила поджима N1 снижается с уменьшением размеров частиц, снижается и прочность индивидуальных контактов. Это снижение связано с ростом числа
контактов v. Поэтому прочность сыпучего материала Т при умень­шении размеров частиц изменяется не пропорционально числу кон­тактов v, а в несколько меньшей степени. Насколько ощутим эффект от снижения прочности контактов, можно увидеть на рис. 1.1.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯЭкспериментальное соот­ношение между Т и d для до­ломитового порошка можно со­поставить с расчетным при ус­ловии F1 = const, обеспечиваю­щем пропорциональную зави­симость между Т и v. Разница ординат между расчетной и экс­периментальной линиями харак­теризует снижение прочности

сыпучего материала за счет уменьшения прочности индиви­дуальных контактов.

При уменьшении размеров частиц снижается плотность

упаковки сыпучего материала,

поэтому рост числа контактов и прочности сыпучего материа­ла оказывается меньшим, чем Рис. 1.1. Зависимость прочности на можно было бы ожидать, пред - разрыв от среднег° размера частиц

полагая плотность упаковки порошков, уплотненных та^кот

50 кПа: 1 - глинозем; 2 - стеклян-

частиц неизменной. Если кон - ные шарики; 5, 4, 5, б - доломит; такт формируется в результате 4 - f = const, ф = const; 5 - F1 = пластической деформации и со - = const; б - ф = const. 1, 2, 3 - экс- ответствует когезионной проч - периментальные данные; 4, 5, б -

ности, а также при наличии кри - расчетные данные

сталлизационных контактов, зависимость прочности от размеров частиц может носить более сложный и специфический характер.

При прессовании металлических порошков в условиях сильной пластической деформации частиц прочность прессовок в ряде случа­ев возрастает с увеличением размеров частиц. Это обусловлено уве­личением силы поджима Nb что способствует деформации зоны кон­такта частиц и увеличивает площадь и прочность когезионных кон­тактов [1].

Экспериментально установлено [1], что при возрастании сред­неквадратического отклонения распределения частиц по размерам увеличивается прочность материала. Рост среднеквадратического отклонения при сохранении неизменным медианного диаметра при­водит к увеличению общего числа частиц в единице массы материа­ла. Появление относительно небольшого числа крупных частиц со­провождается значительно большим числом мелких. Наличие частиц различного размера создает благоприятные условия для повышения плотности упаковки. Увеличение общего числа частиц в единице массы материала обуславливает рост числа контактов, а следова­тельно, и увеличение прочности сыпучего материала. Прочность по­лидисперсного сыпучего материала не может быть выше прочности для самой мелкой фракции составляющих его частиц. С ростом сте­пени полидисперсности прочность материала приближается к проч­ности материала, состоящего из фракции самых мелких частиц.

Наличие влаги в сыпучем материале влияет на прочность инди­видуальных контактов, а также на прочность сыпучего материала на отрыв и сдвиг. Капиллярные силы в значительной степени опреде­ляют величину разрывной прочности. При сдвиге жидкость может явиться своеобразной смазкой, что будет способствовать снижению трения между слоями сыпучего материала. Чем более гидрофильна поверхность частиц, тем значительнее доля капиллярных сил в фор­мировании аутогезии. Капиллярное взаимодействие изменяется в зависимости от отношения объема жидкости к объему частиц, с увеличением отношения аутогезионное взаимодействие снижается или даже прекращается при некотором предельном насыщении сы­пучего материала водой. В этих условиях прекращается действие ка­пиллярных сил. Прочность сыпучего материала, обусловленная ка­пиллярными силами, обратно пропорциональна размерам частиц [1].

Одной из причин изменения прочности сыпучих материалов яв­ляется температура. При нагреве может происходить пластическая деформация в зоне контакта, изменение площади соприкосновения двух частиц и прочности системы в целом. Температура влияет на прочность материала только в тех случаях, когда в результате нагре­вания изменяются упругопластические свойства материала самих частиц или обволакивающих их пленок. Расчеты показывают [1], что прочность при нагреве возрастает вследствие увеличения средней прочности индивидуальных контактов. Полученные значения проч­ности индивидуальных контактов дают основание утверждать, что при нагревании возникают когезионные контакты. Такие контакты необратимы: после разрушения они не восстанавливаются. Образо­ванию когезионных контактов способствует уплотняющая нагрузка. Если прочность неуплотненных образцов известняка при нагревании до 900 °С составляет 3 кПа, то образцы, нагретые до этой же темпе­ратуры и подвергшиеся уплотнению, имели прочность 85 кПа.

Пластическая деформация в зоне контакта может возникнуть под действием внешней уплотняющей нагрузки. При этом происхо­дит упрочнение контактов с одновременным спеканием частиц в точках контактов. Подобный процесс иногда называют холодной сваркой. Причиной спекания частиц является выделение тепла в ре­зультате трения в точках контактов. Увеличение температуры, вы­званное трением при сжатии порошка, незначительно. Однако тепло­та трения выделяется только в точках непосредственного контакта частиц. Площадь этих контактов чрезвычайно мала, поэтому локаль­ный нагрев частиц в зоне контакта может быть значителен. В зави­симости от теплопроводности материала частиц температура в этих точках может достигнуть температуры плавления материала.

Агрегация частиц является основой процесса окомкования. Наиболее распространенным способом окомкования и гранулирова­ния является окатывание материала во вращающихся барабанах и чашах (тарелках).

Сущность процесса окомкования или гранулирования заключа­ется в том, что сыпучий материал приводится в непрерывное движе­ние, благодаря чему постоянно возникают новые контакты между частицами. Поскольку контакты характеризуются широким распре­делением по прочности, то часть их разрушается, а наиболее проч­ные остаются и связывают частицы в агрегаты. При перекатывании образовавшейся гранулы через частицу возникает толчок, который способствует внедрению частицы в гранулу и увеличению прочности связи между ними. Таким образом, при окатывании реализуются наиболее прочные аутогезионные связи и происходит уплотнение получаемых гранул [1].

Некоторые материалы достаточно хорошо гранулируются в су­хом виде, без добавления связующих компонентов. Однако в боль­шинстве случаев необходимо введение связующей жидкости. При наличии капиллярных сил аутогезии гранулирование идет значительно интенсивнее и дает более прочные гранулы. Жид­кость вводят форсунками внутрь гранулятора, капли смачивают частицы и соединяют их в небольшие комочки, которые являются зародышами гранул.

Процесс обработки сыпучих материалов давлением называют прессованием. В результате прессования изменяется плотность упа­ковки частиц, прочность контактов и прочность сыпучего материала в целом. При прессовании могут происходить также деформация, дробление частиц, их спекание и срастание. С увеличением давления прессования прочность индивидуальных контактов повышается вследствие развития необратимых пластических деформаций частиц в зоне контакта. Это было подтверждено, например, результатами рентгенографических исследований прессовок двуводного гипса [1].

Необходимым и достаточным условием прессуемости сыпучих материалов является рост прочности индивидуальных контактов F1 по мере увеличения силы поджима М. При этом величина М должна быть достаточной для развития пластической деформации и возник­новения когезионных связей.

Наиболее полная характеристика различных межчастичных свя­зей в процессе образования гранул приведена в работе [9]. 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 адсорбционных слоях; силы притяжения между твердыми частицами (мономолекулярные 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 в общую классификационную схему (табл. 1.2) [10].

Таблица 1.2

Классификация связей между частицами при росте и формировании гранул

п/п

Вид связей

Причины образования связей

1

Жидкофазные

мостики

Поверхностное натяжение пленки жидкости; молекулярное притяжение в адсорбированных тонких слоях

2

Твердофазные

мостики

Диффузия молекул или атомов в точке контакта между частицами; химическая реакция; плавление и затвердевание вещества в точках контакта между частицами; кристаллизация растворенных веществ при сушке

3

Притяжение между

твердыми

частицами

Молекулярное притяжение (силы Ван-дер - Ваальса); электростатическое притяжение

4

Механические

связи

Сцепление шероховатых поверхностей; заклинивание между частицами

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 при использовании жидкофазного связующего.

При гранулировании методом окатывания в процессе агрегации или наслаивания материала на твердые частицы порошкообразного материала возникают твердофазные мостики вследствие диффузии молекул или атомов в точке соприкосновения частиц. При этом ско­рость диффузии, как правило, увеличивается с повышением темпера­туры. Для большинства твердых тел образование твердофазных мос­тиков происходит при температурах выше 1/2 или 2/3 температуры плавления.

При гранулировании некоторых веществ или продуктов, пред­ставляющих собой смесь солей, при определенных температурных 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. п.), в точках контакта между частицами легко переходят в расплавленное состояние, особенно в процессе гранули­рования с подводом тепла извне или выделения большого количества тепла за счет трения. Чем ниже температура плавления легкоплавко­го компонента в смеси, тем меньше требуется давление и подвод те­пла извне для образования расплава в местах контакта частиц в про­цессе гранулирования. При этом достаточно небольших количеств легкоплавкого компонента, например битума, при гранулировании бурого угля.

Во время гранулирования увлажненных продуктов и последую­щей сушки гранул в местах контакта твердых частиц выкристаллизо­вываются растворенные в жидкости вещества и образуются твердо­фазные мостики [3].

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 8 и давлением Р, между вогнутой (радиусом r{) и выпуклой (радиусом r2) поверхностями раз­дела в соответствии с формулой Лапласа [1]:

Р = ст[— + —І. (1.10)

I r1 r2 )

Связи, образующиеся при использовании связующего вещества Большая вязкость связующего препятствует установлению постоян­ного давления в связующей жидкости по формуле Лапласа. Пластич­ные связующие вещества соединяют 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 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.

Даже если между частицами нет жидкостных пленок или мости­ков связующего, между ними могут действовать силы связи. Моле­кулярные силы сцепления всегда эффективны. Силы Ван-дер - Ваальса 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 образовании гранул и в процессе агрегации.

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

Поскольку гранулообразование сопровождается уплотнением структуры вещества, одним из показателей гранулируемости и мож­но считать уплотняемость, т. е. способность вещества к уплотнению под воздействием определенного давления [11]:

Подпись: Г =■Подпись: (111)d(Y / Y 0)

дР

Гранулируемость вещества характеризуется также его формуе - мостью, т. е. способностью сохранять форму, принятую в результате процесса гранулирования:

Подпись: (1.12)

Подпись: Г 2 =-

дст

дР '

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ Подпись: (1.13)

Гранулируемость различных продуктов практичнее сопостав­лять по коэффициентам гранулируемости:

К 2 = , (1.14)

^пл

где y и Yo— текущая и начальная плотности материала, т/м3; ст - прочность гранул на раздавливание, Па;

Рш - давление уплотнения, соответствующее началу упруго­пластической деформации, Па.

Для большинства веществ характерна следующая взаимосвязь между двумя параметрами гранулируемости: чем больше уплотняю­щая способность материала Кі, тем лучше его формуемость К2.

Оценка гранулируемости дает возможность не только класси­фицировать продукты по степени уплотняемости или формуемости, но и обоснованно рекомендовать наиболее пригодный и надежный для данного продукта метод гранулирования. Чем больше коэффици­енты К1 или К2, тем при меньших напряжениях обеспечивается одна и та же степень уплотнения, т. е. в этих случаях может быть рекомен­дован метод окатывания. Если вещество обладает малой гранулируе - мостью, то для его уплотнения требуются большие напряжения, т. е. необходимо принудительное уплотнение, например методом прессо­вания, или окатывание с добавлением связующего компонента.

Коэффициенты гранулируемости сухих порошкообразных мате­риалов имеют близкие значения при нормальных условиях, поэтому возможными методами их гранулирования являются прессование или окатывание с добавкой связующего. Увеличение влажности или температуры способствует росту пластичности ряда продуктов, при этом коэффициенты гранулируемости увеличиваются на 1-3 поряд­ка. В этих условиях большая гранулируемость позволяет применять методы гранулирования, в которых уплотнение и формирование гра­нул происходит при меньших напряжениях (окатывание, формова­ние) [11].

Добавить комментарий

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

Крутящий момент барабана гранулятора

Крутящий момент барабана получен экспериментально путем измерения момента тормозного механизма гранулятора (табл. 7.2). Тормозной механизм связан с барабаном ременной и цепной переда­чей. Крутящий момент барабана при моделировании находился пу­тем сложения …

Угол отклонения сыпучего материала в барабане гранулятора

При гранулировании изменяется гранулометрический состав материала и его текучесть, что влияет на крутящий момент барабана и угол отклонения материала. Для того чтобы гранулирование не влияло на измерение крутя­щего момента барабана …

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ И АНАЛИТИЧЕСКИМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ

7.1. Давление в сыпучем материале при гранулировании Для того чтобы исследовать влияние давления внутри сыпучего материала при работе планетарного гранулятора на процесс гранули­рования, были проведены испытания прочности на сжатие прессовок …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua