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. Предельный 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) подается 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 определяют необходимый угол наклона тарели при различной частоте ее вращения. Обычно угол наклона находится в диапазоне от 46 до 54^о, а частота вращения тарели – от 7,5 до 15,5 мин^-1.

При гранулировании дисперсных материалов на тарельчатых грануляторах гранулы имеют высокую влажность и низкий предел прочности при сжатии. Последующая тепловая обработка гранул в сушильной камере позволяет улучшить их физико-механические характеристики.

Барабанный гранулятор. Грануляторпредставляет собой металлический цилиндр (конус), наклоненный в сторону выгрузки и вращающийся с определенной скоростью (рис. 16.2). Барабан снабжен венцовой шестерней и бандажами, которыми опирается на роликовые опоры опорно-упорной станции.

Рис. 16.2. Гранулятор барабанного типа конструкции НИИХиммаша

Гранулятор состоит из смесителя 5, барабана 7 для окатывания гранул, камеры охлаждения 8, привода 1 смесителя и привода 11 барабана. Смеситель имеет двойной кожух 2, в который через трубу 13 подается пар для подогрева шихты. Отработанный пар отводится через трубу 12. Через люк 3 в смеситель 5 поступает предварительно смешанная шихта, туда же подается вода или раствор связующего (жидкое стекло, раствор едкого натра или др.). При помощи лопастей 4 смесителя происходит равномерное перемешивание шихты с водой или раствором связующего. Перемешанная шихта поступает из смесителя в барабан, при вращении которого из шихты образуются гранулы. Гранулы через люк 10 непрерывно выгружаются из гранулятора. Для сушки гранул через люк 9 в камеру охлаждения подается воздух, который эвакуируется через отверстие 6. Например, барабанный гранулятор для окатывания стекольной шихты имеет следующие основные характеристики: производительность гранулятора до 6 т/ч, коэффициент заполнения смесителя шихтой 0,45, барабана 0,25. Начальная температура шихты в смесителе до 100 ^оС, конечная около 50 ^оС. Угол наклона барабана 2^о. Габариты гранулятора 9500´2400´2510 мм.

Гранулы, получаемые в барабанах, отличаются неоднородностью фракционного состава и малой прочностью. Для их классификации по фракциям используют виброгрохоты, сита и обратные шнеки, устанавливаемые в разгрузочной части барабана.

Для совмещения процессов гранулирования шихты и сушки гранул в барабанный гранулятор может быть вмонтирована инжекционная газовая горелка. Дымовые газы, температура которых 600-800 ^оС, направляются на слой гранул, выходящих из гранулятора. Перемешиваясь при вращении барабана, гранулы подвергаются воздействию высокой температуры и высушиваются. По мере дальнейшего продвижения в барабане дымовые газы соприкасаются с постоянно движущейся шихтой.

Роторный гранулятор. Вроторных грануляторах (иногда их называют винтовыми) протекает высокоскоростная грануляция. Под этим подразумевается процесс получения гранулированного продукта с помощью центробежных сил при интенсивном воздействии на гранулируемую смесь лопаток вращающегося рабочего органа, распределяющего обрабатываемый материал равномерным слоем по внутренней поверхности рабочей камеры гранулятора.

Конструкция гранулятора позволяет проводить грануляцию при горизонтальном или вертикальном расположении его корпуса. Корпус гранулятора выполнен в форме усеченного конуса (рис. 16.3), а шихта подается со стороны основания большого диаметра и движется в сторону рабочей камеры, которая имеет меньший диаметр. Интенсивность воздействия лопаток рабочего органа на частицы материала – величина переменная, уменьшающаяся по мере их удаления от загрузочной зоны корпуса.

Рис. 16.3.Скоростные роторные грануляторы: 1 – шихта; 2 – связующее; 3 – гранулированный продукт

Недостатком данных грануляторов является то, что осевая скорость частиц материла, по мере их продвижения к выгрузочной зоне корпуса, значительно возрастает. Неравномерность движения потоков обрабатываемого материала дает возможность отдельным его частицам, не прошедшим стадии грануляции, попадать в зону интенсивного движения и выходить из гранулятора вместе с готовым продуктом. Основным недостатком роторных грануляторов является налипание материала в виде колец на внутренней поверхности корпуса, ухудшающее условия его работы. Для предотвращения образования таких колец используют валы, на которых по винтовым линиям устанавливают лопатки так, чтобы они при своем вращении полностью перекрывали зону образования колец.