Измельчение твердого материала
В производстве катализаторов процесс измельчения включен во многие технологические схемы, так как от величины удельной поверхности твердых материалов зависят скорость гетерогенных химических процессов и интенсивность многих операций, сопровождающихся массообменом. Например, плавленый катализатор синтеза аммиака дробят перед использованием. Рабочую фракцию отделяют грохочением на виброситах или в барабанных сепараторах. При этом частицы имеют неправильную форму, наблюдается большое количество отходов в виде мелочи и пыли, но интервал получаемых размеров зерна может быть очень широк. Кроме того, при дроблении появляются повреждения зерен в виде трещин, что значительно ослабляет стойкость зерен к истиранию в процессе использования и транспортировки. От размера частиц во многом зависит однородность смешения при подготовке различных формовочных смесей, а также условия таблетирования и гранулирования катализаторов. Перед формованием прокаленный порошкообразный катализатор необходимо дополнительно измельчать до тонкодисперсного состояния. С той же целью частицы суспензии высушиваемой при распылении, иногда предварительно размалывают на мельницах. Образующиеся при сушке сферические агломераты имеют более плотную упаковку кристаллитов. Измельчение приводит также к однородному перемешиванию порошков катализаторов со связующим, что облегчает процесс формования.
Для измельчения используют различные машины, выбор которых для конкретных процессов определяется необходимой степенью измельчения, размером исходных кусков материала, его физико-химическими свойствами. В производстве катализаторов исходный кусковой материал, как правило, имеет размеры не более 150 мм, а в большинстве продуктов после конечного измельчения должен преобладать класс частиц с размерами менее 100 мкм. С учетом этого в производстве катализаторов процессы измельчения условно делят на дробление и помол. Для измельчения используют различные типы дробилок, обеспечивающие получение целевой фракции 0,5-5 мм, для помола применяют мельницы. В технологических операциях приготовления катализаторов наибольшую роль играет помол. При грубом помоле целевые фракции содержат частицы с размером 50-500 мкм, при тонком – 10-50 мкм. Для некоторых процессов необходимо обеспечить сверх тонкий (коллоидный) помол с целевой фракцией менее 10 мкм. Физические свойства измельчаемого материала особенно влияют на выбор оборудования для процесса помола.
Твердое тело можно разрушить и измельчить до желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, истиранием, ударом и различными комбинациями этих способов. При ударе тело распадается на части под действием динамической нагрузки. Если динамическая нагрузка сосредоточенная, то происходит раскалывание, если распределена по всей поверхности – раздавливание. При стесненном ударе тело разрушается между рабочими органами измельчителя. Чаще всего стесненный удар, наряду с истирание и раздавливанием, используют при помоле в барабанных мельницах в процессе подготовке сырья к гранулированию. Свободный удар имеет место при взаимодействии частиц с вращающимися пальцами дезинтегратора или неподвижной стенкой струйной мельницы.
При истирании тело измельчается под действием сжимающих, растягивающих и срезающих сил. При этом получается мелкий порошкообразный продукт.
Раскалывание – разрушение тела на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими инструментами измельчителя.
Разламывание происходит под действием изгибающей нагрузки. Этот способ применяют для твердых хрупких материалов, он позволяет выдерживать размер частиц в определенных пределах. Дробление раскалыванием осуществляют в конусных дробилках, обеспечивающих измельчение кускового материала с максимальным размером 40-100 мм до конечного размера 3-10 мм, их производительность 0,5-1 м3/ч.
Раздавливание – разрушение тела в процессе деформации при превышении предела прочности на сжатие. Наиболее часто этот метод реализуют дроблением между вращающимися валками, зазор между которыми определяет максимальный размер частиц. Малый выход переизмельченной фракции является одним из преимуществ валковых дробилок. К их недостаткам относятся: низкая удельная производительность, невысокая степень измельчения, образование плоских зерен. На дробилках с гладкими валками можно дробить продукты любой твердости и абразивности, если подобрать соответствующий материал валков. Износ валков, изготовленных из твердого чугуна или стали, составляет 5-100 г на 1 т дробленого материала. В производстве плавленых катализаторов нашли применение валковые зубчатые дробилки, валки которых образованы набором на вал колец с зубьями. Кольца изготовлены из марганцовистой стали, содержащей 10-14 % марганца. Производительность 100-200 кг/ч. Размер исходных кусков 50-150 мм, конечных 2-3 мм. Удельный расход энергии, затрачиваемый на дробление твердых материалов составляет 1-2 кВтч на 1 т продукта, а для хрупких и мягких материалов – 0,5-1,5 1-2 кВтч/т.
Щековые дробилки используют для операций крупного дробления, необходимых для подготовки исходных материалов при производстве катализаторов, например, при дроблении горных пород и кусков силиката натрия для алюмосиликатных катализаторов и носителей, для измельчения магнетита и др. При начальной крупности кусков 20-400 мм целевая фракция составляет 5-30 мм.
В молотковых дробилках материал измельчается ударом быстровращающихся молотков, закрепленных на роторе, а также ударом о броневые плиты корпуса, на которые отбрасывается материал. Частота вращения ротора 750-4500 об/мин. Окружная скорость молотков достигает 50 м/с. Крупные и твердые абразивные частицы вызывают быстрый износ ударных тел и корпуса. Это основной недостаток молотковых дробилок. Их преимущества – компактность, высокая интенсивность, надежность в работе.
Наибольшее распространение в катализаторных производствах получили мельницы. Они бывают шаровые, дезинтеграторные, дисмембраторные, трубчатые вибрационные, струйно-противоточные и др.
Шаровые мельницы – наиболее распространенные машины из всех известных для тонкого измельчения. В них можно проводить помол не только сухих материалов, но и суспензий. Измельчаемый порошок помещают в мельницу (барабан) вместе с мелющими телами (стальные, чугунные, фарфоровые, керамические шары), а саму мельницу помещают на валы и вращают в течение некоторого времени. За счет ударов и истирания обеспечивается получение целевой фракции практически для любых материалов, обычно 0,04-0,1 мм. Производительность мельниц непрерывного действия до 150 кг/ч. При сухом способе помола, измельченный материл выводится из барабана током воздуха. Мельница работает в замкнутом цикле с сепаратором, в котором происходит разделение на классы. Грубые классы зерен возвращаются в мельницу, а тонкие выносятся в циклон, где отделяются от воздуха. В мельницах не удается получить частицы размером менее 10 мкм. Это обусловлено главным образом тем, что мелкие частицы слипаются при давлениях размалывания. Вследствие простоты замены мелющих тел при их износе в шаровых мельницах можно использовать очень твердые и абразивные материалы. При истирании размалывающих шаров может происходить нежелательно загрязнение катализатора. Или, например, при измельчении ферритовой шихты в стальных шаровых барабанных мельницах происходит дополнительный намол железа, который составляет до 1-1,5% от общего количества взятого для синтеза, для корректировки состава исходно берут некоторый недостаток оксида железа. Измельчение порошков других составов в аппаратах данного типа требует по возможности использования соответствующих материалов, например ванадиевой футеровки мельниц и таких же мелющих тел при получении ванадатов и т.д. Если по техническим условиям недопустим примол металла к измельчаемому материалу, корпус мельницы футеруют фарфоровой или диабазовой плиткой, а мелющие тела изготавливают из фарфора, диабаза, корунда и других твердых материалов. Объем мельниц, используемых в катализаторных производствах – 1-3 м3.