Агломерирование окатыванием

Гранулирование порошкообразных материалов в присутствии растворов и суспензии широко применяется в наиболее многотоннажных производствах. Гранулирование сыпучих компонентов в присутствии влаги осуществляют в аммонизаторах–грануляторах, шнеках–грануляторах, дисковых и барабанных грануляторах, сушильно–распылительных агрегатах.

Гранулирование порошкообразных материалов осуществляется в присутствии жидкой фазы, которая вводится с исходными сыпучими компонентами.

Образование и рост гранул в грануляторе происходит благодаря увлажнению раствором отдельных частиц смеси при их сближении. Большое влияние на этот процесс оказывает содержание жидкой фазы , которая представляет собой раствор солей входящих в состав гранулируемой смеси. Частицы, покрытые раствором, обладают способностью агломерироваться. Образование гранул минеральных удобрений и рост их в зависимости от влажности в гранулируемой смеси можно представить следующим образом (рисунок 89).

а) при незначительном содержании влаги; б) при полном заполнении пор жидкостью; в) при полном покрытии твердых частиц пленкой жидкости.

Рисунок 89- Распределение раствора в гранулируемой смеси при различном соотношении жидкой и твердой фазы.

Гранулирование сыпучих компонентов начинается уже при незначительном содержании влаги, но мере введения влаги происходит частичное заполнение пор свободного объема смеси в результате чего между частицами образуются подвижные прослойки жидкой фазы (рисунок 89а).

По мере дальнейшего увлажнения жидкость постепенно заполняет свободный объем между частицами, достигает края пор и там образует вогнутую поверхность. В этом случав агломерирование частиц осуществляется под действием капиллярных сил сцепления, действующих только на поверхности гранул (рисунок 89б).

Когда твердые частицы полностью покрываются пленкой жидкости, то возникают условия для слипания частиц путем слияния близ лежащих "капель" (рисунок 89в).

Способ гранулирования порошкообразных продуктов в грануляторах барабанного типа (аммонизаторы–грануляторы, барабанно–грануляционные сушилки), шнеках–грануляторах .Получил широкое развитие в связи с быстрым увеличением производства и расширением ассортимента.

Гранулирование в аппаратах этого типа осуществляется двумя путями: из пульпы а без пульпы.

Процесс гранулирования из пульпы имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом полутвердой грануляции: быстрота взаимодействия исходных материалов в растворе, простота регулирования производственного процесса ,возможность широкого варьирования состава получаемых продуктов, однородность гранул по размеру и форме, хорошие физические свойства конечных продуктов.

Недостатки грануляции из пульпы: потребность в дополнительном оборудовании для приготовления пульпы и высокая стоимость удаления воды при грануляции и сушке гранул.

Силы взаимодействия при гранулировании окатыванием

В процессах гранулирования проявляются почти все известные виды физико–механических и физико–химических связей между частицами: 1) капиллярные, поверхностно–активные силы на границе раздела твердой и жидкой фаз; 2) адгезионные силы, возникающие в адсорбированных слоях; силы притяжения между твердыми частицами (мономолекулярные силы Вандер–Ваальса и силы электростатического притяжения}; 3) силы связи, обусловленные образованием материальных мостиков, возникающих при спекании, химической реакции, затвердевания связующего, плавлении и кристаллизации растворенного вещества при сушке.

На процесс агломерирования откаткой влияют следующие факторы: 1) соотношение твердой и жидкой фаз, т.к. процесс образования гранул, их рост и прочность в основном определяется этим фактором; 2) фракционный состав исходного сырья, который определяет оптимальное содержание жидкой фазы, фракционный состав и форма частиц исходного материала также влияют на прочность гранул; 3) химический состав исходных компонентов, а именно их растворимость, высокорастворимые соединения легко гранулируются при небольшом содержании влаги и наоборот, продукты в состав которых входят малорастворимые соли, трудно поддаются гранулированию; 4) пластичность гранулируемого материала; 5) способ увлажнения, т.к. он определяет механизм образования и роста гранул; 6) температура процесса, чем она выше, тем больше растворимость солей, тем при более низкой влажности можно вести процесс; 7) высота слоя гранулируемого материала; 8) частота вращения барабана, т.к. этот параметр в основном определяет кинетический режим работы гранулятора и подвижность частиц материала в барабане; 9) конструктивные особенности гранулятора.

Механизм гранулообразования

Процесс гранулирования методом окатывания состоит из четырех стадий: 1) смешение исходного порошка с частицами ретура и связующим; 2) образование гранул из мелких частиц и дробление комков; 3) окатывание и уплотнение гранул в результате их перемещения по поверхности аппарата; 4) упрочнение связей в результате перехода жидкой фазы в твердую, т.е. стабилизация структуры гранулы. На всех стадиях происходит изменение распределения частиц по размерам, т.е. идет гранулообразование, интенсивность которого зависит от технологии, аппаратурного оформления процесса гранулирования и свойств продукта. Стадии смешения и образования гранул. В качестве связующего применяют различные жидкости, способствующие сцеплению частиц. Чаще всего это дешевые доступные вещества, используемые в технологии получения данного продукта.

Характер капиллярного взаимодействия в слое сыпучего материала определяется количеством воды в точке контакта, формой контакта и числом контактов в единице объема материала. Поскольку в слое, состоящем из реальных частиц, возможны самые различные контакты, теоретически можно предсказать лишь общий характер влияния влажности материала на прочность сцепления частиц. При небольшом содержании в сыпучем материале мелких фракций зазоры между крупными зернами остаются практически свободными. Поэтому сравнительно высокое среднеэффективное расстояние между частицами обусловливает пониженную прочность сцепления.

При увеличении содержания мелких фракций структура материала становится более плотной, прочность гранул возрастает. Положительная роль крупных фракций заключается в том, что они создают своеобразный скелет образца, обладающий значительным сопротивлением воздействию статических и динамических нагрузок, а определенное количество мелких частичек уменьшает среднее расстояние между крупными зернами, и возникает сила, обеспечивающая сцепление последних и препятствующая изменению жесткой структуры слоя. Только при определенном соотношении крупных и мелких частиц получается наиболее плотная упаковка и достигается наиболее высокая сила сцепления их в увлажненном материале.

Процесс образования зародыша и формирования гранулы при подаче в гранулятор жидкости можно представить следующим образом. Капля воды, попадая в слой материала, под воздействием капиллярных сил сразу начинает распространяться во все стороны, заполняя поры между отдельными частицами . Предельный размер образующихся комочков прямо пропорционален величине капли и обратно пропорционален пористости слоя материала. Вода перестает распространяться в сыпучем материале, как только комочек достигает максимальной капиллярной влагоемкости. Это время измеряется не сколькими секундами.

Стадия окатывания. Уплотнение частиц методом окатывания достигается, в основном, при ударе о неподвижный слой материала или о стенку гранулятора. В этот момент большая часть кинетической энергии, которую приобрел комок при окатывании вниз, расходуется на перемещение зерен и уплотнение гранулы. Очевидно, что величина кинетической энергии определяется не только окатыванием, но и массой комочка. С увеличением диаметра и соотношения зародыши порошок, время необходимое для достижения определенной плотности комочков, уменьшается.

Комочки в результате многократных ссыпаний и ударов уплотняются, отдельные частицы, перемещаясь укладываются более плотно. При этом, избыточная влага выдавливается на поверхность комочка, в результате чего становится возможным дальнейшее присоединение к такому комку сухих частичек. По мере приближения частичек друг к другу толщина пленок связанной воды становится меньше, прочность сцепления увеличивается.

Помимо динамических нагрузок при ударе уплотнению гранул способствуют и другие силы. В момент перекатки гранулы через зерно мелкого материала происходит толчок в направлении центра гранулы.

Катящийся шарик до тех пор не присоединяет маленькие зерна (перекатывается по ним), пока

, (8.6)

где d – диаметр зерна; r– радиус гранулы; b – угол трения.

Стадия стабилизации структуры гранул. Связи между частицами, уплотненными в процессе окатывания в значительной мере обусловлены силами поверхностного натяжения жидкости. Эти связи обеспечивают достаточную пластичность материала 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.

Наибольшее распространение в настоящее время получили аппараты следующего типа: аммонизаторы – грануляторы, барабанные грануляторы, барабанные грануляционные сушилки.