Одноразовое введение требуемого количества жидкости приводит к чрезмерному увеличению влажности шихты и образованию крупных комков. Следовательно, для получения гранул требуемого размера шихту надо увлажнять постепенно с учетом кинетики влагопоглощения [13].
Как правило, время насыщения гранул влагой значительно превышает время, необходимое для окатывания гранул при выбранных динамических нагрузках. Для поддержания на поверхности гранул оптимальной влажности следует увлажнять шихту в течение всего периода окатывания.
В момент переката гранулы через частицу порошка происходит толчок в направлении центра гранулы. Развивающееся при этом давление достигает десятков мегапаскалей (сотен атмосфер) и способствует формированию плотных гранул. На поверхности перекатывающейся гранулы возникает не только толчок, но и срезывающее усилие. Часть неровностей гранулы не выдерживает этих напряжений и разрушается, а прочно прилипшие зерна вдавливаются внутрь, что способствует образованию сферических гранул. Как показали расчеты, частицы будут вдавливаться, если их размер в 12,5 и более раз меньше радиуса катящейся гранулы, в противном случае диаметр гранулы увеличивается.
Необходимым условием действия механизма наслоения при достаточной когезии частиц является определенное соотношение размеров гранул и частиц. Его уменьшение приводит к прекращению окатывания и к комкованию сползающих по наклонной поверхности слипшихся частиц.
Структура гранулы уплотняется постепенно под действием большого числа ударов с разных сторон, в результате чего взаимное перемещение частиц происходит только на тех участках, где в данный момент сила сцепления имеет минимальное значение. Другими словами, работа уплотнения совершается весьма экономично. Очевидно, что динамические нагрузки в грануляторе не должны превышать допустимые, т.е. напряжения в грануле не должны быть разрушающими [1].
Стадия стабилизации структуры гранулы
Связи между частицами, уплотненными в процессе окатывания, в значительной мере обусловлены силами поверхностного натяжения жидкости. Эти связи обеспечивают достаточную пластичность материалу и позволяют в широких пределах изменять форму гранулы без ее разрушения. Для получения готового продукта необходимо упрочнить связи, придав большую жесткость полученной структуре, что достигается удалением жидкой фазы или переводом ее в твердую фазу.
Одним из наиболее распространенных способов упрочнения гранул является сушка. При удалении влаги из растворимых в ней материалов одновременно происходит и кристаллизация твердой фазы. Сушка может проходить за счет тепла химической реакции. В этом случае кристаллы образуются не только в результате сушки, но и вследствие образования нового вещества. Твердая фаза может образовываться и без изменения массы шихты, например при охлаждении или полимеризации жидкости.
В процессе удаления из гранулы жидкой фазы может происходить не только упрочнение структуры, но и ее разрушение. При интенсивной сушке и некоторых химических реакциях образуется большое количество газовой фазы. Газ, выходя наружу, значительно изменяет структуру материала, увеличивает пористость, разрушает образовавшиеся связи. Возникновение новых кристаллов и перекристаллизация веществ, вызванная изменением температуры, также приводит к нарушению начальной структуры.
Таким образом, завершающая стадия гранулообразования при окатывании сопровождается тепломассообменными процессами, приводящими к стабилизации структуры гранул [3].
Аппараты для гранулирования методом окатывания
Грануляторы, в которых происходит окатывание материала, по типу движения рабочей поверхности делятся на ротационные и вибрационные. Ротационные аппараты бывают барабанные, тарельчатые (дисковые, чаше-вые), центробежные, лопастные.
Барабанный гранулятор (рис. 1) представляет собой горизонтальный или наклоненный под углом 1-2° в сторону выгрузки цилиндра с закрепленными на нем бандажами и венцовой шестерней, через которую передается крутящий момент от электродвигателя. С торцов барабан снабжен загрузочной и разгрузочной камерами, герметизирующими объем гранулятора.
При вращении барабана материал за счет трения о его стенки поднимается на некоторую высоту. Как только наклон поверхности слоя превысит угол естественного откоса, избыток материала начнет осыпаться вниз, стремясь расположиться под первоначальным углом. При этом центр тяжести слоя остается на одном месте, а вокруг него вращается материал: около стенки он поднимается вверх, а по свободной поверхности ссыпается вниз.
Характерной особенностью такого движения (в режиме переката) является отсутствие у частичек параболического участка траектории, т.е. движение частиц с режима кругового перемещения сразу переходит на режим ссыпания. Объем материала при движении в этом режиме примерно на 10% больше объема в неподвижном состоянии.
Кроме режима переката различают также водопадный и циклический режимы, характеризующиеся наличием участков траектории свободного полета. Оба эти режима непригодны для смешивания и гранулирования ввиду небольшого градиента скорости отдельных элементарных потоков. Для гранулирования наиболее эффективен режим переката, в котором основная масса сыпучего материала движется по круговым траекториям со скоростью, равной угловой скорости вращения самого барабана.
Достигнув высшей точки, материал, слоем определенной толщины, начинает ссыпаться вниз. Нижележащие слои переходят на круговые траектории, расположенные ближе к центру барабана, а верхние слои переходят на траектории большего радиуса. Такое распределение потока ссыпающихся частиц создает условия для повторения описанной картины, т.е. каждый элементарный слой как бы вращается вокруг неподвижной точки. Совокупность этих точек образует линию раздела поднимающегося и скатывающегося слоев.
Чем больший коэффициент трения имеет частица, тем быстрее она теряет свою скорость при ссыпании и тем быстрее переходит на круговой участок пути, т.е. переходит на траекторию вращения меньшего радиуса. Вследствие этого вблизи линии раздела зон подъема и скатывания происходит постепенное накопление наиболее мелких фракций.[8]
Рис. 1 Барабанный гранулятор
1-обечайка; 2-течка; 3-форсунки для распыления пульпы; 4-бондаж; 5-венцовая шестерня; 6-патрубок для отсоса газов; 7-выгрузочная камера; 8-окно для подсветки; 9-смотровое окно; 10-патрубок для выгрузки гранул; 11-опорный ролик; 12-бетонные основания; 13-редуктор; 14-электродвигатель.
Для процесса окатывания большое значение имеет толщина слоя ссыпающегося материала.
Для устранения налипания влажного порошка на стенки барабана кроме шаров используют и ряд внутренних приспособлений: шнеки, ножи, скребки, штанги, цепи и др.
Например, погружение в слой материала шнека позволяет не только очищать внутреннюю поверхность барабана, но и интенсифицировать перемешивание. Нож-обдиратель насаживают на трубу, торцы которой закреплены в пневмоцилиндрах. Ножам придается колебательное движение параллельно стенке барабана с периодическим поворотом вокруг оси для изменения зазора со стенкой.
Налипания материала можно избежать, если внутрь основного барабана поместить вращающийся сетчатый барабан или покрыть внутреннюю поверхность листовой резиной, которая под действием собственного веса может отвисать и разрушать слой налипшего материала.
Подпорные кольца на концах и в середине барабана обеспечивают равномерную его загрузку, что особенно важно при проведении в слое химической реакции. Для этой цели используют барабаны специальной конструкции (рис. 2), получившие в производстве название «аммонизаторы-грануляторы» (АГ). Отличительной чертой АГ является. наличие распределителей нескольких реагентов (кислоты, аммиака, пара, плава и т.п.).
Наиболее эффективны распределители продольного типа, представляющие собой заглубленные в слой материала трубы с отверстиями, расположенными по спирали. К недостаткам таких распределителей относятся: неполное использование всех отверстий, возможность увеличения отверстий в результате коррозии и, как следствие, локальное перенасыщение слоя одним из компонентов.
Принцип работы барабанного гранулятора сохраняется и в шнеке, представляющем собой закрытый короб, навитый по винтовой линии и образующий цилиндр, ось которого можно устанавливать под любым углом. При вращении цилиндра материал пересыпается внутри шнека и окатывается. Такая конструкция позволяет регулировать и строго ограничивать время пребывания продукта в аппарате, получать материал однородного фракционного состава. Недостатками этого аппарата являются невозможность дополнительного орошения шихты в процессе окатывания и визуального наблюдения за процессом, усложнение узла загрузки.[10]
Таким образом, конструктивные решения барабанных грануляторов направлены на увеличение коэффициента заполнения, создание различных внутренних устройств, интенсифицирующих процесс и предотвращающих налипание продукта, совмещение нескольких технологических операций в одном аппарате. Наиболее широкое применение в промышленности находят, хотя и менее производительные, громоздкие, но конструктивно более простые и, следовательно, более надежные грануляторы без внутренней насадки с соотношением длины к диаметру от 1 до 3.
По принципу окатывания работают также тарельчатые (чашевые, дисковые) грануляторы. Основной частью такого аппарата является диск, вращающийся вокруг оси, угол наклона которой к вертикали регулируется. Диск снабжен бортом, что обеспечивает требуемое заполнение аппарата.
Для подачи связующего над тарелкой устанавливают форсунки, для очистки от налипающего материала - скребки. Аппарат заключен в кожух, имеющий патрубки для отвода продукта и паров и для. подвода порошка. Визуальное наблюдение за процессом ведут через смотровое окно. По сути дела, дисковый гранулятор - это барабан большого диаметра (1-7 м) и малой длины (0,02-0,80 м), ось которого наклонена под большим углом к; вертикали (45-75°). Рабочая поверхность такого аппарата в отличие от барабана не боковая поверхность цилиндра, а торцовая, т.е. дно тарелки.
По форме днища тарельчатые грануляторы делятся на плоские, конические, сферические, эллиптические. Применение неплоских днищ позволяет избежать образования мертвого пространства в месте стыка с бортом и увеличить путь окатывания, т.е. производительность аппарата.
Максимальная эффективность работы тарельчатого гранулятора достигается при определенной высоте слоя, поэтому, оставляя этот показатель неизменным, стремятся увеличить площадь окатывания. Предложен гранулятор, имеющий на диске несколько кольцевых перегородок равной высоты.[9]
Рис. 2 Барабанный аммонизатор-гранулятор.
1-корпус; 2-бондажи; 3-венцовая шестерня; 4-разгрузочная камера; 5-опорные ролики
барабанный гранулятор сушилка
Исходный порошок подают по центральной трубе на поверхность внутренней тарелки где он окатывается, постепенно пересыпаясь в смежное кольцевое пространство. Далее окатывание происходит последовательно во всех кольцевых секциях до достижения гранулами требуемого размера при узком фракционном составе. Связующее подают в центральную часть, тарелки, но можно дополнительно подавать жидкость разного состава в кольцеобразные пространства и получать многослойные гранулы.
Место ввода сухих и жидких компонентов определяется требованиями к гранулометрическому составу продукта. Для получения крупных комков орошение ведут в верхней части поднимающегося слоя, а порошок загружают в нижнюю часть тарелки. Для получения более мелких гранул поднимают место ввода порошка и опускают место ввода жидкости, - причем поток жидкости разделяют на две части. Большую часть подают в слой для образования зародышей гранул, а меньшую - на участок пересыпания крупных комков, что способствует росту гранул. В результате большого числа экспериментов предложены различные варианты подачи сырья на тарельчатый гранулятор.
Гранулирование возможно и на горизонтальном диске, эксцентрично и параллельно которому установлен дополнительный диск меньшего диаметра. Диски вращают в противоположные стороны с разной скоростью, создавая встречные потоки и интенсифицируя агрегирование материала.
Конструктивно сходны с тарельчатым центробежные грануляторы. Принципиальным отличием последних является то, что движение окатываемых гранул осуществляется не гравитационными, а центробежными силами.
Материал и связующее подают в центр горизонтального диска, вращающегося с частотой 300-1500 1/мин и имеющего рифленую поверхность. Продвигаясь от центра к периферии, порошок агрегируется и окатывается. Для увеличения времени окатывания диск снабжают неподвижными концентрическими перегородками с отверстиями. Для получения частиц заданного размера над основным диском устанавливают пластины, медленно вращающиеся в противоположную сторону. Поскольку в центробежном грануляторе динамическое воздействие на частицы больше, чем в тарельчатом, количество связующего, необходимого для получения гранул данного размера, меньше, чем в тарельчатом. Однако это же воздействие способствует более интенсивному налипанию материала на рабочую поверхность, а установка скребков препятствует нормальному окатыванию.[9]