Сравнивая работу барабанных и тарельчатых грануляторов, следует отдать предпочтение тарельчатым, поскольку они обладают лучшим классифицирующим действием, для их нормальной работы требуется меньше ретура, они удобны в эксплуатации (поскольку возможно визуальное наблюдение и облегчено регулирование параметров работы), сравнительно легко поддаются наладке при переходе на другой продукт, имеют меньшую массу и габариты. Однако тарельчатый гранулятор неэффективен при проведении процесса, сопровождаемого химическими реакциями (например, аммонизации), и менее удобен для организации удаления пыли и испарений.
Гранулирование методом окатывания можно производить в лопастном грануляторе. Конструктивной особенностью таких аппаратов является наличие одного или двух вращающихся валов с лопастями, расположенными по винтовой линии.
Валы заключены в неподвижный корпус в виде корыта или образованный пересечением двух параллельных цилиндров. В корпус подают сухой материал, жидкость, а при необходимости и другие компоненты (пар, аммиак и др.).
Принцип гранулирования основан на интенсивном перемешивании при наличии градиента скоростей материала и лопастей.
В двухвальном аппарате валы вращаются в противоположные стороны так, что лопатки опускаются по периферии и поднимаются, касаясь друг друга и очищаясь при этом, по центру. Сухие компоненты подают в верхнюю часть аппарата между валами. В нижней части по центру аппарата под слоем материала располагают распределители жидких и газообразных реагентов. Для создания требуемой высоты слоя перед выгрузочной трубой устанавливают переливные пороги. Иногда эти пороги препятствуют выгрузке крупных комков, что приводит к заклиниванию валов. Во избежание этого высоту слоя поддерживают на определенном уровне, создавая подпор неравномерным расположением лопаток, расстояние между которыми сокращается от места загрузки к месту выгрузки. Стенки гранулятора очищаются концами лопаток; зазор между ними и стенкой должен составлять не более 5% от диаметра корпуса.[2]
В лопастном грануляторе обеспечиваются хорошее смешение материала и однородность получаемого продукта, вязкость которого может быть значительно больше, чем в барабанных или тарельчатых грануляторах. Другим его преимуществом является возможность отклонения от рабочего режима в большей степени, чем в других аппаратах, что обусловлено самоочисткой движущихся элементов. К недостаткам лопастных грануляторов следует отнести сложность подачи компонентов под слой и трудность визуальных наблюдений.
Окружная скорость на конце лопаток гранулятора обычно не превышает 1,0-'1,5 м/с. Увеличение скорости до 15-30 м/с изменяет механизм гранулообразования - преобладает ударный эффект и процесс агрегирования интенсифицируется. В вертикальном корпусе происходит добавочное окатывание за счет трения о стенку гранул, движущихся после удара по инерции по спиральной траектории вниз.
Такие грануляторы, названные скоростными, отличаются высокой производительностью. Для работы на этих аппаратах требуется меньше связующего, они пригодны для гранулирования очень вязких материалов. Однако износ гранулирующих элементов и энергозатраты несколько выше, чем в обычных грануляторах. Кроме того, нужны специальные приспособления для очистки корпуса от налипающего материала, а также точные дозирующие устройства ввиду малой инерционности процесса.
Рис. 3 Лотковый виброгранулятор
1-наклонноя плоская пружина; 2-газораспределительная решетка; 3-корпус; 4-амортизатор; 5-основание; 6-вибратор; 7-ребро жесткости.
Для виброгранулирования применяют аппараты с вибрирующим корпусом или отдельными деталями, помещенными в слой материала. Широкое применение получили аппараты с цилиндрической горизонтальной рабочей камерой, совершающей круговые или эллиптические колебания в вертикальной плоскости, существуют однокорпусные и двух корпусные аппараты такого типа.
Применяют также лотковые аппараты, имеющие небольшую высоту и позволяющие организовать любой характер потока реагентов или фаз (прямо-, противо- или перекрестный ток).[4]
На рис. 3 показана принципиальная схема такого гранулятора, представляющего собой лоток, закрепленный пружинами на тяжелом основании. Вдоль почти всего лотка с нижней его стороны проходит ребро жесткости, к которому на шарнире прикреплен шатун эксцентрикового вибратора. Определенный наклон пружин при работе вибратора обеспечивает возвратно-поступательный характер движения лотка в направлении, нормальном к оси пружин, обеспечивая заданный угол подбрасывания материала относительно поверхности лотка. Лоток имеет двойное дно, образующее короб для подачи теплоносителя. Аппарат снабжен патрубками для подвода и отвода теплоносителя и твердого материала, а также распределителем жидкой фазы. Тяжелое основание опирается на пол через резиновые амортизаторы. В зависимости от конкретных условий конструктивное оформление отдельных узлов может изменяться.
Анализируя конструкции грануляторов, в которых реализуется принцип окатывания частиц, следует отметить, что каждый аппарат имеет свои преимущества и недостатки. Выбор той или иной конструкции зависит от особенностей перерабатываемого материала, технических возможностей изготовления и монтажа аппарата, подготовленности производства к эксплуатации гранулятора.
Например для производства минеральных удобрений наиболее широко применяют барабанные грануляторы, поскольку они являются высокопроизводительными, обеспечивают сравнительно высокий выход целевой фракции, возможность проведения химической реакции одновременно с гранулированием и возможность проведения процесса без загрязнения помещения. Однако следует совершенствовать и конструкции аппаратов других типов, особенно вибро- и скоростных грануляторов, позволяющих интенсифицировать процесс и улучшить качество продукта.
1.2 Гранулирование распыливанием жидкости на поверхность частиц
Механизм гранулообразования и кинетика сушки пульп на поверхности гранул
В отличие от гранулирования окатыванием в рассматриваемом в этом разделе методе процесс кристаллизации вещества происходит не на заключительной стадии гранулообразования, а одновременно с формированием гранул. Этот механизм гранулообразования реализуется как в аппаратах с псевдоожиженным слоем, так и с падающим слоем три его орошении диспергированной жидкостью и интенсивном перемешивании.
Твердое вещество, вводимое во взвешенный слой с жидкой1 фазой, частично откладывается на поверхности частиц в слое. Другая его часть образует самостоятельные частицы, т.е. новые центры гранулообразования. Рост гранул по поверхности тем вероятнее, чем больше силы сцепления капли жидкости с твердыми; частицами.
Адгезионная способность капли зависит от шероховатости поверхности гранул, а также от свойств жидкости, наиболее важным из которых является соотношение в капле жидкой и твердой фаз.
Существуют и другие возможности образования новых гранул, например при дроблении как механическом, так и тепловом. В последнем случае частицы, размером, более определенного, циркулируя между зоной активного теплообмена и основным объемом слоя, имеющего значительно более низкую температуру, неуспевают прогреваться на всю толщину. В результате возникают термические напряжения, способные расколоть гранулу.
Другой механизм растрескивания поверхности частиц заключается в том, что при температуре слоя, намного превышающей температуру кипения жидкости, последняя при контакте с гранулой интенсивно кипит с выделением большого количества растворителя в паровую фазу. Создающееся при этом давление разрывает пленку твердого вещества.[1]
Помимо образования новых гранул во взвешенном слое происходит рост существующих гранул. Как указано выше, это возможно при отложении на поверхности частиц вещества, выделяемого из жидкости. Другой путь роста гранул - срастание их между собой. Агрегирование возможно при достаточно больших сипах сцепления между частицами в момент их столкновения. Источником таких сил является жидкая фаза. При избытке жидкости на поверхности частиц (причиной может быть большая локальная влажность или высокая температура материала) силы поверхностного натяжения оказываются больше сил, обеспечивающих взаимное движение частиц, и происходит слипание. При последующем исчезновении жидкой фазы (сушка, охлаждение и т.п.) образуются кристаллические мостики, прочно связывающие частицы между собой. Если кристаллизации не происходит, г. е. пульпа содержит нерастворимое вещество, то при достаточно интенсивном движении частиц агрегаты разрушаются с образованием исходных частиц. Аналогичный процесс происходит, когда образуется недостаточное число кристаллов и связи в агрегате частиц непрочные.
1.3 Грануляторы с псевдоожиженным слоем
Для гранулирования в псевдоожиженном слое используют аппараты различных конструкций. По форме, корпуса грануляторы подразделяют на цилиндрические, конические с малым (до 20°) и большим (30-60°) углом раскрытия стенок корпуса, цилиндроконические, прямоугольные, квадратные. Форма аппарата определяет его гидродинамические особенности. Так, в аппаратах с углом раскрытия до 20° происходит равномерное псевдоожижение по всему сечению, тогда как при большем угле раскрытия возникает разреженное центральное ядро и образуется более плотный, сползающий у стенок слой, т.е. происходит фонтанирование. Известны аппараты с несколькими зонами локального фонтанирования. В цилиндрических аппаратах, как правило, режим псевдоожижения таков, что в цилиндрической части слой твердых частиц отсутствует. Аппараты прямоугольной формы используют обычно для направленного перемещения твердых частиц при перекрестном токе теплоносителя. Квадратное сечение наиболее удобно для отработки процесса в полу промышленных условиях с последующим использованием полученных данных для конструирования прямоугольных аппаратов большой производительности.[6]
Рис. 4 Цилиндрический аппарат
1-корпус аппарата; 2-калорифер; 3-форсунка
Рис. 5 Конические аппараты: а) со встроенной топкой; б) с фонтанирующем слоем. 1-встроенная топка; 2-газовая горелка; 3-корпус аппарата; 4-газораспределительная решетка.
Рис. 6. Прямоугольный аппарат.
1-корпус аппарата; 2-газораспределительная решетка;
1.4 Гранулирование диспергированием расплавов во встречном потоке воздуха
Теплообмен и кристаллизация капель расплава в потоке воздуха
Механизм гранулообразования заключается в распаде истекающих из гранулирующего устройства струй на капли, которые, охлаждаясь во встречном потоке воздуха, превращаются в гранулы. При падении капля (гранула) отдает тепло потоку охлаждающего воздуха. При этом охлаждение я кристаллизация плава начинаются с поверхности, а при достижении температуры кристаллизации происходит образование твердой оболочки, толщина которой по мере движения капли (гранулы) увеличивается. Таким образом, фронт кристаллизации продвигается в центр гранулы по радиусу с соответствующим выделением тепла кристаллизации. При достижении поверхностью гранулы температуры следующего модификационного перехода фронт этого перехода с соответствующим тепловыделением начинает перемещаться вслед за фронтом кристаллизации. Аналогично происходят и дальнейшие модификационные превращения в структуре гранулы, которые осложняют процесс теплопередачи.
Формирование структуры гранул из капель расплава во время их полета в башне является следствием процессов нестационарного теплообмена, осложненного действием внутреннего источника тепла в виде теплоты кристаллизации.[5]
1.5 Гранулирование прессованием
Технологический процесс получения гранулированных продуктов методом прессования состоит из следующих основных стадий: получение порошкообразных продуктов, смешение порошков, прессование (прокатка смеси порошков), дробление и рассев продукта. Определяющей стадией этого технологического цикла является операция непрерывного прессования, характеризуемая уплотнением порошка от начальной насыпной плотности до конечной.
Этот процесс в отличие от описанных выше не предусматривает кристаллизацию из жидкой фазы, поскольку она проходит в подготовительных процессах получения порошков. Однако перекристаллизация, механическое сцепление и измельчение кристаллов происходят на всех стадиях гранулирования методом прессования. Закономерности уплотнения порошкообразных материалов на валковых прессах освещены в ряде работ, где отмечается существенное влияние на процесс свойств порошков, в частности их сыпучести.
2. Классификация аппаратов
Гранулятор содержит рабочую камеру, в которой через загрузочную воронку подается влажный материал, подлежащий гранулированию. В камере на двух параллельных валах установлены шнеки, снабженные продольными стержнями и лопастными колесами, смонтированными на противоположных концах валов. Шнеки перемещают и протирают материал через перфорированную пластину, образующую дно рабочей камеры.
2.1. Гранулятор модели 3027
Имеет два рабочих органа и используется для влажного и сухого гранулирования. Рабочий орган механизма для влажного гранулирования состоит из цилиндра, снабженного тремя спиральными лопастями эвольвентного профиля (угол подъема спирали 80°), расположенными под углом к оси цилиндра. Они ликвидируют комкование.
Рис. 7 Гранулятор модели 3027
1 - бункер; 2 - рабочие органы механизма; 3 - направляющий бункер; 4 - гранулирующая сетка; 5 - передвижная ёмкость.
Установка работает следующим образом: в бункер (1) загружают влажную массу или брикеты, которые, попадая в рабочую зону, с помощью рабочих органов (2) механизма, вращающихся в противоположных направлениях, продавливаются через жестко установленную гранулирующую сетку (4). При этом важно, чтобы зазор между рабочим органом механизма и гранулирующей сеткой был оптимальным и находился в пределах 1,1 -1,5 мм. Установлено, что чем больше этот зазор, тем больше пылевидных фракций будет в гранулометрическом составе полученного гранулята и тем медленнее он будет заполнять матрицу, т. е. снизится производительность роторного пресс-автомата и точность массы таблетки. Протертый гранулят по направляющему бункеру (3) падает вниз в передвижную емкость (5), герметизированную в процессе работы с корпусом гранулятора.