Грануляторы кипящего слоя

Гранулирование в кипящем слое с распылением растворов или пульпы форсунками происходит следующим образом.

Механизм и кинетика гранулообразования

Твердое вещество, вводимое в псевдоожиженный слой с жидкой фазой, частично откладывается на поверхности частиц в слое. Часть его не укрепляется на поверхности гранул слоя и образует самостоятельные частицы, т.е. новые центры гранулообразования. Рост гранул на поверхности тем вероятнее, чем больше силы сцепления капли жидкости с твердыми частицами. Адгезионная способность капли зависит от шероховатости материала поверхности гранул, а также от свойств жидкости, наболев важным из которых является соотношение в капле жидкой и твердой фаз Р . Величина Р для капли зависит от температуры, влажности, химического состава пульпы. При попадании горячей жидкости в псевдоожиженный слой с более низкой температурой происходит быстрое охлаждение насыщенного раствора с выделением порции кристаллов, что понижает способность пульпы к адгезии. С уменьшением влажности пульпы адгезия также уменьшается и возрастает количество образующихся из пульпы частиц.

Существуют и другие возможности образования новых гранул, например, при дроблении как механическом, так и тепловом. В последнем случав частицы размером более определенного, циркулируя между зоной активного теплообмена (в прирешеточной зоне высотой 20 - 30 мм) и основным объемом псевдоожиженного слоя, имеющего значительно более низкую температуру, не успевают прогреваться на всю толщину. В результате этого возникают термические напряжения, способные расколоть гранулу.

Другой механизм растрескивания поверхности частиц заключается в том, что при температуре слоя, на много превышающей температуру кипения раствора, последний при контакте с гранулой интенсивно кипит с выделением большого количества растворителя в паровую фазу. Создающееся при этом давление разрывает пленку твердого вещества.

Помимо образования новых гранул, в псевдоожижвнном 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. Агломерация возможна при достаточно больших силах 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 кусочки агломерата между собой. Если кристаллизации не происходит, т.е. пульпа содержит нерастворимое вещество, то при достаточно интенсивном движении частиц агломераты разрушаются с образованием исходных частиц. Аналогичный процесс происходит, если образуется недостаточное количество кристаллов и связи между кусочками агломерата непрочные.

Как следует из сказанного, гранулирование в псевдоожиженном слое представляет собой сложный комплексный процесс увеличения размера существующих гранул и образования новых. На практике важно по параметрам процесса гранулирования уметь рассчитывать фракционный состав продукта и выявлять способы достижения максимального выхода целевой фракции.

Характер гранулообразования, а следовательно, и размер гранул зависит от свойств гранулируемых веществ, режимных параметров и конструктивных особенностей гранулятора. В случае роста гранул по поверхности, их диаметр тем больше, чем больше производительность, диаметр частиц рецикла и меньше его расход. Однако такой режим возможен лишь в определенных условиях, при отклонении от которых в слое образуются новые мелкие частицы или идет агломерация.

Анализ результатов исследований различных авторов показывает, что на диаметр гранул существенно влияет температура псевдоожиженного слоя. При сушке пульп и растворов термолабильных веществ в слое с температурой до 100 ° С наблюдается уменьшение диаметра гранул с понижением температуры слоя, поскольку при этом уменьшается количество жидкой фазы в пульпе и возрастает вероятность образования самостоятельных частиц. Термостабильные вещества гранулируют при более высоких температурах, при которых наблюдается тепловое дробление. Интенсивность дробления зависит не от самой температуры слоя, а от перепада температур в зоне действия форсунки (зона охлаждения) и прирешеточной зоне (зона перегрева). Поскольку перепад температур в этих зонах определяет температуру слоя, в реальном процессе увеличение температуры слоя приводит к уменьшению размеров гранул, поскольку увеличиваются температурные напряжения, т.е. приводит к усилению процессов дробления.

Чем меньше жидкой фазы в пульпе, тем меньше ее адгезионная способность и тем больше вероятность образования мелких частиц в слое. При постоянной концентрации пульпы увеличение удельного орошения приводит к укрупнению гранул.

Тепло–массообмен и режимы гранулирования в псевдоожиженном слое

Характер гранулообразования и скорость роста частиц в псевдоожиженном слое в значительной мере зависят от условий тепло–массообмена, т.е. от интенсивности удаления жидкой фазы из гранулируемого вещества. При гранулировании в псевдоожижвнном слое капли жидкости контактируют с сушильным (охлаждающим) агентом, обмениваются теплом с отдельными гранулами и превращаются в твердое вещество.

Естественно предположить, что в зависимости от соотношения времени испарения и времени растекания капли будет изменяться и характер гранулообразования. При очень быстром подводе тепла жидкость удаляется из капли, не успевшей растечься по грануле. По мере уменьшения количества тепла, подводимого к капле, последняя растекается по все большей поверхности, пока не покроет всю гранулу. При недостатке тепла для испарения капли гранула остается влажной. Очевидно, что характер гранулообразования зависит не только от скорости удаления влаги, но и от скорости растекания пленки, определяемой в свою очередь, свойствами жидкости и поверхности гранулы. Схема возможных взаимодействий единичных капель и гранул приведена на рисунке 99.

Рисунок 99- Схема возможных взаимодействий единичных капель и гранул.

Интересны результаты экспериментальных исследований процесса испарения капель раствора на поверхности гранул различных размеров при варьировании первоначальной температуры гранулы t_гр .

При t_гр = 135 ⁰С происходит некоторое растекание капли, медленный ее нагрев и испарение, а процессе которого плавно снижается температура гранулы, причем максимальная разность начальной и текущей температур составляет 5 ⁰С. После испарения раствора образуется прочный нарост, совпадающий по форме с растекшейся каплей.

При t_гр = 215 ⁰С капля не растекается, а интенсивно испаряется. Образующиеся наросты состоят из тонкой, прочной подложки и отдельных выступов самой разнообразной формы, которые легко скалываются. Полное испарение капли происходит за короткий промежуток времени ( ~ 15 с), = 20 ⁰С.

С повышением температуры толщина прочной подложки и размеры отдельных наростов уменьшаются. При t_гр = 350 ⁰С происходит еще более интенсивное кипение (время испарения 23 с, 40 ⁰С).Вновь образованная поверхность изрыта трещинами и непрочно прилегает к грануле: наросты имеют вид пылевидных крупинок. При соотношении размеров капли и гранулы 1:1 происходит обтекание гранулы раствором для всех исследованных t_гр . При t_гр = 200 ⁰С образуется тонкая твердая пленка, а избыточное количество раствора стекает с гранулы. Повышение t_гр до 350 ⁰С вызывает увеличение количества наросшего на грануле вещества и образование изрытой, легко очищаемой поверхности.

Таким образом, характер гранулообразования зависит от количества тепла, аккумулированного гранулой, т.е. от ее теплоемкости и температуры. С увеличением последней в исследованных условиях рост поверхности гранул замедляется, поскольку наросшее вещество имеет непрочные связи с гранулой. При контакте с гранулой не раствора, а пульпы, имеющей более высокую температуру, чем гранула, происходит кристаллизация дополнительного количества твердой фазы, что уменьшает силы связи. Следовательно, возможны условия, при которых замедление роста гранулы по поверхности происходит при понижении температуры самой гранулы.

Размер и форма нароста зависят от текучести жидкости, т.е. от ее вязкости и поверхностного натяжения, соотношения размеров капли и гранулы, шероховатости и смачиваемости ее поверхности. Чем крупнее капля, больше ее текучесть, глаже поверхность гранулы, меньше интенсивность удаления жидкости, тем более вероятен рост гранул по поверхности.

Сушка жидкости имеет специфические особенности, связанные с кристаллизацией твердой фазы в процессе обезвоживания. Дифференциальные уравнения тепломассопереноса при сушке капиллярно пористых тел имеют вид:

, (8.43)

где u – влагосодержание; a ,a – коэффициенты температуропроводности, потенциалопроводности; t – температура; t _c –время сушки; r – теплота испарения; С_p –теплоемкость; d – коэффициент влагопереноса.

При гранулировании жидкую фазу наносят в виде тонкой пленки на поверхность гранул, находящихся в слое. Поскольку интенсивность процесса сушки достаточная, можно предположить, что испарение влаги происходит из поверхностного слоя гранул, а следовательно, число внутреннего испарения e , градиент влагосодержания и изменение влагосодержания во времени внутри гранулы близки к нулю. Таким образом, уравнение массопереноса внутри гранулы теряет смысл, а уравнение теплопереноса имеет вид уравнения Фурье–Кирхгофа

, (8.44)

Краевое условие для процесса сушки жидкости в псевдоожиженном слов представляет собой уравнение теплового баланса одной гранулы за бесконечно малый промежуток времени

, (8.45)

где i– теплосодержание; d– диаметр гранулы; r – плотность; a – коэффициент теплоотдачи; l – коэффициент теплопроводности; индексы С, М , П слой, материал, пульпа.

В результате преобразования системы дифференциальных уравнений методами теории подобия получено выражение

, (8.46)

где E– относительное влагосодержание; Pr, Re, Gu, Fo, Au – числа Прандтля, Рейнольдса, Гухмана, Фурье, автотермичности; Кo^’ –модифицированное число Коссовича; индексы эк , г –эквивалентный газ.

Данное выражение при рассмотрении конкретных условий проведения процесса можно несколько упростить. Так, если сушильным агентом является воздух, то влияние Pr и учитывается постоянным членом уравнения. При небольших разностях температур слоя и поверхности гранул числа К_o и принимают очень большие значения, и процесс становится автомодельным по отношению к этим числам.

При сушке происходит кристаллизация раствора с выделением тепла, что изменяет энтальпию на поверхности гранулы и учитывается числом автотермичности . Установлено, что при гранулировании из пульп влияние Au незначительно и может быть учтено постоянным членом уравнения.

Обезвоживание растворов при напылении их на частицы осуществляется в комбинированных сушилках–грануляторах. Так, в аппарате (рисунок 100) раствор или суспензию минеральных солей вводят в верхнюю распылительную камеру 4. На распыление в форсунку по дают до 15 - 20 % общего расхода воздуха, нагретого до 700 - 800 С, что позволяет удалить до 60 - 70 % всей влаги. Материал досушивают и гранулируют в нижней части аппарата, где создается кипящий слой на площади решетки 0,5 м². При производительности по сухой нитрофоске 400 - 500 кг/( м² ч ), объемное влагонапряжение 35 - 4О кг/(м³ ч), расход тепла 5760 - 7540 кДж/(кг влаги).

Для сушки растворов органических солей и пастообразных красителей используют аппараты, представленные на рисунке 101. 3 сушилке раствор или "разработанная паста" вводятся с помощью тангенциально расположенных в слое пневматических форсунок, сухой материал выгружается через центральную трубу. Высоту слоя можно регулировать с помощью подвижного стакана.

Для обезвоживания паст и суспензий внедрена в производство У 49установка, предназначенная для сушки на инертных телах оптических отбеливающих препаратов (рисунок 102). Сушилка представляет собой цилиндроконический аппарат с газораспределительной решеткой, установленной в нижнем основании конуса. На решетке находится слой инертных тел (фторопластовая крошка с диаметром частиц 10 мм) высотой 400 мм при сушке суспензий и 100 мм при сушке паст. На верхней крышке сушилки расположены два Г–образных отводящих патрубка, в которые вставлены подвижные в осевом направлении отбойные решетки, выполненные в виде перфорированных стаканов с глухим днищем и перемещаясь вдоль аппарата пневматическая форсунка для подачи суспензий, которая при подаче паст заменяется секторным питателем

1 - слой,; 2 - сепарационное пространство; 3 - форсунка; 4 - распылительная камера. Рисунок 100 - Установка для грануляции при обезвоживании растворов и пульп удобрений	Рисунок 101 -Схема гранулятора для растворов, суспензий и паст.	1 - газораспределительная решетка; 2 - слой фторопластовых частиц; 3 -люк; 4 - корпус; 5 - пневматическая форсунка; 6 - отбойные решетки. Рисунок 102 -Установка для обезвоживания паст и суспензий во взвешенном слое инертного носителя.

Основные размеры сушильной камеры: диаметр цилиндрической части 1,6 м, высота 0,45 м, диаметр нижнего основания конуса 0,3 м, высота конической части 1,8 м.