Г л а в а 16

_______________________________________________________________

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

________________________________________________________________

Гранулирование – это совокупность физических и физико-химических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенного спектра размеров, формы, необходимой структуры и физических свойств. Этот процесс – один из наиболее многообразных и широко применяемых в химической, пищевой, фармацевтической, металлургической, стекольной и других отраслях промышленности.

Процессы гранулирования определяют физико-механические свойства готового продукта: размер гранул, их прочность, плотность, слеживаемость и т. д. Эти показатели качества готового продукта изменяются в зависимости от метода гранулирования и особенностей уплотнения гранул.

16.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ УПЛОТНЕНИЯ ГРАНУЛ

Для гранулирования материалов в отечественной и зарубежной практике применяют различные методы и аппаратуру.

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);

−диспергирование жидкости в свободный объем или нейтральную среду (образование и отвердение капель жидкости при охлаждении в газе или жидкости);

−диспергирование жидкости на поверхности 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);

341

Гранулирование методом окатывания 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 в плотном динамическом слое, например, в грануляторах барабанного или тарельчатого типов.

Гранулирование методом диспергирования жидкости в свободный объем заключается в разбрызгивании жидкости, например, безводного плава гранулируемого вещества на капли приближенно однородные по размеру и последующей их кристаллизации при охлаждении в нейтральной среде (воздух, масло и т. п.).

Гранулирование сухих порошков методом прессования, то есть уплотнение под действием внешних сил, основано на формировании плотной структуры вещества, что обусловлено возникновением прочных когезионных связей между частицами при их сжатии. Полученный в результате уплотнения брикет (плитка, лента) дробят и направляют на рассев для отбора кондиционной фракции гранул, являющихся готовым продуктом.

Гранулирование диспергированием жидкости (пульп, растворов, суспензий, плавов) на поверхность частиц во взвешенном состоянии заключается в импульсном нанесении на твердые частицы тонких пленок исходного вещества и последующей сушке (охлаждении) в потоке теплоносителя.

Гранулирование методом формования или экструзии состоит в продавливании пастообразной массы через перфорированные приспособления с последующей сушкой (охлаждением) гранул.

Современный уровень развития техники уплотнения позволяет получать продукт требуемой плотности и формы (гранулы, плитки, таблетки, брикеты и т. д.) из любых порошковых материалов или их композиций: паст, расплавов, суспензий и растворов.

16.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ

ОКАТЫВАНИЯ

Гранулирование методом окатывания получило широкое распространение во всех производствах, имеющих дело с дисперсными материалами. Получение гранул из тонкодисперсных частиц происходит при их увлажнении и одновременной обкатке в тарельчатых, барабанных, роторных и других грануляторах.

Процесс формирования гранулы можно представить следующим образом. Сухая или частично увлажненная шихта подается на вращающуюся вокруг своей оси тарель гранулятора, которая орошается водой. Вода, попадая в слой материала, под действием капиллярных сил начинает распространяться во все стороны, заполняя поры между отдельными частицами. Пре-

342

дельный размер образующегося комочка определяется, в первую очередь, размером капель воды. В дальнейшем комочки в результате многократных ссыпаний и ударов о неподвижный слой материала уплотняются, отдельные частицы, за счет взаимного перемещения, складываются более плотно. При этом избыточная влага выдавливается на поверхность комочка, в результате чего становится возможным дальнейшее присоединение к нему сухих частиц. По мере сближения частиц друг с другом толщина жидкой пленки становится все меньше, прочность сцепления возрастает. Размер гранул в значительной степени определяется числом ее прохождений через зону увлажнения и характером распределения влаги в агломерате.

В основе гранулообразования дисперсных материалов лежат процессы взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз, которые определяются силами различной природы, абсолютные величины и относительные значения которых зависят от количества влаги, природы фаз, гранулометрического состава и др.

Аппаратура для различных методов гранулирования отличается многообразием конструктивных решений, и ее выбор определяется характеристиками материала и механизмом его уплотнения.

Тарельчатые грануляторы. Тарельчатый гранулятор (рис.16.1) состоит из наклонно расположенной вращающейся тарели 1 с плоским или сферическим днищем, опирающейся на стойку 7, и привода. Наклон тарели регулируется с помощью регулятора 6.

Рис. 16.1. Тарельчатый гранулятор:

1 − тарелка; 2 − кожух; 3 − форсунка; 4 − смотровое окно; 5 − вал приводной; 6 − регулятор наклона тарели; 7 − станина

Очистка дна и бортов тарели осуществляется ножами, прикрепленными кронштейнами к центральной стойке. Дисперсный материал (шихта) подает-

343

ся через штуцер 4, связующее вещество через штуцер 2, пыль отводится через штуцер 3.

Гранулятор работает следующим образом. Порошкообразный материал подают на наклонную вращающуюся тарель, одновременно сверху на нее разбрызгивают дозированное количество воды или другого связующего. Центробежная сила прижимает материал к днищу и борту гранулятора, что предотвращает скольжение материала. Образующиеся гранулы поднимаются на некоторую высоту вместе с вращающейся тарелью, а затем под действием силы тяжести скатываются по поверхности слоя шихты под углом естественного откоса. Шихта на тарели орошается через распылительные форсунки. Гранулы, движущиеся по тарели, увеличиваются, а вследствие разницы коэффициента внутреннего трения между частицами различного размера (химического состава) и коэффициента внешнего трения частиц о поверхность тарели, происходит их классификация по размерам. Крупные гранулы движутся, концентрируясь у края выпускного лотка, а мелкие описывают большие дуги по окружности тарели. Гранулы, достигшие требуемых размеров, сбрасываются через борт в направляющий лоток.

В промышленности используют грануляторы с диаметром тарели 1–6 м, позволяющие получать гранулы заданных размеров. Удельная производительность тарельчатых грануляторов составляет 500–1000 кг/(м2·ч), время гранулирования 5−10 мин., выход товарной фракции – более 90 %.

Для получения гранул применяют воду или другие жидкие связующие, подаваемые в гранулятор диспергирующими устройствами. Установлено, что на размеры и прочность гранул оказывают влияние способ загрузки материала и подачи воды, количество подаваемой воды и угол наклона тарели. С увеличением количества подаваемой воды размер гранул возрастает. При превышении оптимума наблюдается существенное снижение прочности гранул, после чего начинают образовываться рыхлые комки. Чем больше удельная поверхность гранулируемого материала и чем меньше его пластичность, тем выше должна быть дисперсность распыления связующего. Повышение дисперсности связующего уменьшает размер гранул. При тонкодисперсном распылении гранулы образуются медленнее и меньших размеров, чем при грубодисперсном распылении. Установлено, что при сдвиге места подачи материала и влаги ближе к борту гранулятора получаются крупные гранулы, а при подаче их в центральную часть – мелкие. При относительно стабильной подаче воды размер гранул определяется углом наклона тарели гранулятора: чем больше угол, тем меньше размер образующихся гранул. Аналогичное явление наблюдалось при уменьшении количества загружаемой в гранулятор шихты.

При регулировании гранулятора необходимо обеспечить равномерное окатывание шихты на тарели. Для этого устанавливают определенную частоту вращения, после чего начинают медленно наклонять тарель до тех пор, пока материал не начнет равномерно скатываться. Таким образом определя-

344