5.2.1. МЕХАНИЗМ ГРАНУЛООБРАЗОВАНИЯ

Процесс гранулирования методом окатывания состоит из ря­да стадий: смешение исходного порошка с частицами ретура и связующим; образование гранул из мелких частиц (с участием жидкой фазы связующего) и при дроблении комков; окатывание и уплотнение гранул в результате их перемещения по поверх­ности аппарата; упрочнение связей в результате перехода жид­кой фазы в твердую, т. е. стабилизация структуры гранулы.

РИС. 5-1. Зависимость прочности гранул железорудных материалов а от содержания мелких фракций а различных размеров d

ратурного оформления процесса гранулирования и свойств продукта.

Стадии смешения компонентов и образования гранул. При

смешении порошка и ретура в качестве связующего применяют различные жидкости, способствующие сцеплению частиц. Чаще всего это дешевые доступные вещества, используемые в техно­логии данного продукта (вода, раствор продукта, плав одного из компонентов и т. п.). Иногда используют смолы, бентонит, гипс и другие инертные связующие или вещества, способствую­щие затвердеванию (кристаллизации, полимеризации и т. п.).

Характер капиллярного взаимодействия в слое сыпучего материала определяется количеством воды в точке контакта частиц и числом контактов в единице объема материала. По­скольку в слое, состоящем из реальных частиц, возможны самые различные формы контактов, теоретически можно предсказать лишь общий характер влияния влажности материала на проч­ность сцепления частиц. Эта зависимость должна иметь экст­ремальный характер. Показано [148], что сила капиллярного сцепления частиц в объеме увлажненного сыпучего материала тем выше, чем они мельче.

Общая схема взаимодействия жидкости с частицами материа­ла может быть представлена следующим образом. При неболь­шом содержании мелких фракций в сыпучем материале зазоры между крупными частицами 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 (рис. 5-1) [149]. Положительная роль крупных фракций заклю­чается в том, что они создают своеобразный скелет образца, обладающий значительным сопротивлением воздействию ста­тических и динамических нагрузок. Определенное количество мелких частиц, заполняя промежутки между крупными частица­ми, уменьшает среднее расстояние между ними. Возникает сила, обеспечивающая сцепление последних и препятствующая изменению жесткой структуры гранулы. Только при определен­

ие

ном соотношении крупных и мелких частиц получается наиболее плотная упаковка и достигается наиболее высокая сила сцепле­ния их в увлажненном материале.

Порошок, подаваемый на гранулирование, имеет, как прави­ло, однородный гранулометрический состав. Крупные частицы поступают с ретуром, отсеянным от продукта, прошедшего об­катку и сушку. Имея разные структуры, частицы ретура и по­рошка по-разному смачиваются связующим. В общем случае скорость капиллярного всасывания определяется свойствами жидкости (вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением)' и материала (радиусом капилляров, природой вещества, состоя­нием его поверхности).

Процесс формирования гранулы при подаче в гранулятор жидкости можно представить следующим образом. Капля воды, попавшая в слой материала, под воздействием капиллярных сил сразу же начинает распространяться во все стороны, заполняя поры между отдельными частицами. Предельный размер обра­зующихся комочков (зародышей гранул) прямо пропорционален величине капли и обратно пропорционален пористости слоя материала. Влага перестает распространяться в сыпучем мате­риале, как только влажность зародыша достигнет максимальной капиллярной влагоемкости. Это время измеряется несколькими секундами.

Для увлажнения частиц ретура требуется значительно боль­ше времени. Характерные кривые поглощения влаги гранулами двойного суперфосфата диаметром 2—4 мм, помещенными в слой шихты различной влажности с размером частиц 0,1—0,3 мм, приведены на рис. 5-2. Как видно из рисунка, скорость прираще-

РИС. 5-3. Зависимость времени гранулирования т от размера частиц ретура сажи d при различном содержании его в шихте £

ния влагосодержания гранулы тем больше, чем выше влажность порошка и меньше прочность гранул, характеризующая их плот­ность. Наиболее интенсивно влага поглощается гранулами в на­чальный период.

Из сопоставления времени насыщения влагой порошка и ре­тура видно, что для ретура оно почти на порядок больше. Сле­довательно, именно время увлажнения ретура и является определяющим при расчете времени смешения.

При увлажнении одновременно происходит и уплотнение по­рошка под действием капиллярных сил. Чем мельче частицы и больше поверхностное натяжение жидкости, тем плотнее агре­гат. Так, при увлажнении порошка двойного суперфосфата по­ристость зародыша, образованного вокруг капли, такая же, как и гранулы. Образовавшийся зародыш далее уплотняется при окатывании.

Стадия окатывания. Уплотнение частиц методом окатывания достигается в основном при ударах об относительно неподвиж­ный слой материала или стенку гранулятора. В этот момент большая часть кинетической энергии, которую приобрел агрегат при скатывании вниз, расходуется на перемещение частиц и уп­лотнение гранулы. Очевидно, что величина кинетической энергии определяется не только скоростью скатывания, но и массой гранулы.

Поэтому должен существовать минимальный размер влажного агрегата частиц, при котором он приобретает достаточную кине­тическую энергию во время осыпания. Если масса агрегата меньше критической величины, то накопленной энергии не хватит для совершения работы уплотнения, и этот агрегат не сможет стать зародышем гранулы. Влияние размера и числа зародышей на интенсивность уплотнения видно из рис. 5-3 [150].

С увеличением диаметра зародыша и соотношения зароды­ши— порошок время, необходимое для достижения определен­ной плотности гранул, уменьшается.

Агрегаты в результате многократных осыпаний и ударов уплотняются, отдельные частицы, перемещаясь, укладываются в них более плотно. При этом избыточная влага выдавливается на поверхность гранулы, в результате чего становится возмож­ным дальнейшее присоединение к ней сухих частиц. По мере приближения частиц друг к другу толщина пленок связанной воды становится все меньше, прочность сцепления возрастает.

Сближение частиц вследствие уменьшения толщины адсорби­рованных пленок возможно только в том случае, когда избыток воды поглощается, например, в результате присоединения но­вых частиц к поверхности или поступления влаги внутрь грану­лы. При работе гранулятора внутри гранулы образуются водные пленки определенной минимальной толщины, соответствующей величине динамических нагрузок. Как только эта величина

достигается, дальнейшее выделение жидкости на поверхность гранулы прекращается, и она перестает расти, а прочность ста­новится максимальной для данного режима.

Присутствие в шихте сухих плотных частиц ретура приводит к тому, что влага не только выдавливается на поверхность, но и всасывается внутрь гранулы. При одинаковой интенсивности этих процессов гранулы не растут, а при преобладании всасы­вания над другими процессами может происходить измельчение гранул, поскольку ослабляются связи между ее частицами. Для дальнейшего увеличения размера гранул наслаиванием следует извне вводить на их поверхность дополнительное количество жидкости. При значительном содержании ретура в шихте и одноразовом увлажнении на его поверхности создается времен­ный избыток жидкой фазы, в результате чего происходит рост гранул, хотя данного количества жидкости явно не хватает для устойчивого ведения процесса гранулирования. В дальнейшем частицы ретура продолжают поглощать жидкость. По истечении определенного времени на поверхности частиц ретура жидкости уже не хватает, и агломераты разрушаются.

Одноразовое введение требуемого количества жидкости при­водит к чрезмерному увеличению влажности шихты и образова­нию крупных комков. Следовательно, для получения гранул тре­буемого размера шихту надо увлажнять постепенно с учетом кинетики влагопоглощения.

Как правило, время насыщения гранул влагой значительно превышает время, необходимое для окатывания гранул при выб­ранных динамических нагрузках. Для поддержания на поверх­ности гранул оптимальной влажности следует увлажнять шихту в течение всего периода окатывания.

В момент переката гранулы через частицу порошка происхо­дит толчок в направлении центра гранулы. Развивающееся при этом давление достигает десятков мегапаскалей (сотен атмос­фер) и способствует формированию плотных гранул [151]. На поверхности перекатывающейся гранулы возникает не только толчок, но и срезывающее усилие. Часть неровностей гранулы не выдерживает этих напряжений и разрушается, а прочно при­липшие зерна вдавливаются внутрь, что способствует образова­нию сферических гранул. Как показали расчеты )[ 151 ], частицы будут вдавливаться, если их размер в 12,5 и более раз меньше радиуса катящейся гранулы, в противном случае диаметр гра­нулы увеличивается.

Максимальный размер частиц, увлекаемых катящейся грану­лой, определяется из следующих соображений. Обязательным условием наслаивания частиц на ретур является вращательное движение последнего по окатывающей поверхности. Прекратить вращение гранулы может сила, равная силе, или большая, чем сила скатывания (Fcк). Последняя при движении по наклонной поверхности с углом к горизонту Рд равна піц, g sin (ід. С учетом силы трения FcK = mrpg(sin рд—sin iprp), где рд=[Н-ргр (Р—угол трения в покое, Ргр — дополнительный угол наклона, обеспечи­вающий гранулирование материала и поддерживаемый режимом вращения гранулятора).

При точечном контакте сферической гранулы с поверхностью материала и вращательном движении по ней без проскальзыва­ния, тормозящая сила создается за счет тангенциальной к по­верхности гранулы составляющей сил тяжести налипающих частиц порошка.

За одноразовое прокатывание на гранулу налипает один. ряд частиц. Часть их, расположенная на задней полусфере гранулы, вызывает тормозя­щую силу:

Я

/Чор = J rn4g sinKdY=2m, g, (5.1)

о

где y — угол поворота гранулы при вращении; mrp, ш, — масса гранулы и частицы.

Условие вращения гранулы, т. е. процесса наслаивания:

Fтор

или

/Пгр/^Цч^2/[sin —sin Р]. (5.2)

Для минеральных удобрений в условиях промышленного гранулирования тГр/тч>8—25 из расчета с привлечением данных по углам скатывания в ба­рабане [148].

Максимально возможный размер увлекаемых катящейся гранулой час­тиц зависит от их числа. Центральный угол охвата одной налипшей на гра­нулу частицы равен

7=2 arcsin[d4/(drp+d4)]. (5.3)

Число налипших частиц: я=я/к, а их общая присоединенная к грануле

масса: рлгіч3п/6.

С учетом уравнения (5.2)

mrp/m.,> (drl)/d4)3{2 arcsin [dj (drP--d4) ] }/я, (5.4)

где rfrp, d4—эквивалентный размер частиц ретура и порошка.

Из уравнения (5.4) по заданному drp определяют d4. Для промышлен­ного производства удобрений по расчету drp/d4=7—8. В действительности из-за неточечного контакта гранул и порошка эта величина еще больше.

Таким образом, необходимым условием действия механизма наслоения при достаточной когезии частиц является определен­ное соотношение размеров гранул и частиц. Его уменьшение приводит к прекращению окатывания и к комкованию сползаю­щих по наклонной поверхности слипшихся частиц.

Минимально необходимое для наслаивания количество ретура с части­цами размером, рассчитанным по уравнению (5.4), определяется из предполо­жения, что скатывающийся в барабане слой материала сплошь покрыт рету­ром, объем монослоя которого равен

Уск. р= [2Ле sin(<p/2)/fl! rp] (лДгр3/6), (5.5)

т. е. содержание ретура в скатывающемся слое, а следовательно, и в бара­бане равно |мин= ІЛж. р/їскйгр, где Rs — радиус вращающегося барабана;

<р — центральный угол охвата засыпки материала в барабане (рад); sc* — площадь поперечного сечения скатывающегося в барабане материала.

Из работы [152] следует, что sck=Sog(1—ф), где s0g=(1?o2/2) (<р—sirup) — площадь заполненного сечения барабана; ф — коэффициент, зависящий от ре­жима вращения барабана.

Тогда

1мин= [2jidrp sin(ф/2)] /3#6(ф — sin ср) (1 — ф). (5.6)

Из анализа уравнения (5.6) видно, что необходимое для наслаивания ми­нимально допустимое содержание ретура возрастает с уменьшением диамет­ра и увеличением частоты вращения барабана, а также с увеличением раз­мера частиц ретура.

Структура гранулы уплотняется постепенно под действием большого числа ударов с разных сторон, в результате чего взаимное перемещение частиц происходит только на тех участ­ках, где в данный момент сила сцепления имеет минимальное значение. Другими словами, работа уплотнения совершается весьма экономично. Очевидно, что динамические нагрузки в грануляторе не должны превышать допустимые, т. е. напряже­ния в грануле не должны быть разрушающими. Показано [153], что предел прочности агломератов на разрыв при данной вели­чине сил сцепления F может быть определен соотношением Gz= = (1—г) FI Ed2, где є и d — пористость и размер агломерата.

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

Одним из наиболее распространенных способов упрочнения гранул является сушка. При удалении влаги из растворимых в ней материалов одновременно происходит и кристаллизация твердой фазы. Сушка может проходить за счет тепла химической реакции. В этом случае кристаллы образуются не только в ре­зультате сушки, но и вследствие образования нового вещества. Твердая фаза может образовываться и без изменения массы шихты, например при охлаждении или полимеризации жидкости.

В процессе удаления из гранулы жидкой фазы может проис­ходить не только упрочнение структуры, но и ее разрушение. При интенсивной сушке и некоторых химических реакциях об­разуется большое количество газовой фазы. Газ, выходя наружу, значительно изменяет структуру материала, увеличивает пори­стость, разрушает образовавшиеся связи. Возникновение новых кристаллов и перекристаллизация веществ, вызванная изменени-

ем температуры, также приводит к нарушению начальной струк - туры. Следовательно, не всегда оправданы повышенные требо­вания к структуре гранул, образуемых на стадии уплотнения, поскольку при последующей операции удаления жидкой фазы происходит перестройка структуры. В этом случае целесообраз­но обе операции совмещать, причем особенно важно, чтобы пре­дыдущие стадии смешения и образования гранул были закон­чены.

Таким образом, завершающая стадия гранулообразования при окатывании сопровождается тепломассообменными процес­сами, приводящими к стабилизации структуры гранул.