Основные конструктивные размеры гранулятора (диаметр, длина обечайки или высота борта, угол наклона), а также ре­жим его работы (коэффициент заполнения и частота вращения аппарата, время пребывания в нем материала) определяют в конечном итоге скорость и число соударений гранул, т. е. явля­ются динамической характеристикой процесса окатывания. Чем больше число соударений, т. е. фактически больше время пребы­вания при допустимой скорости скатывания, тем плотнее и боль­ше гранулы. С увеличением скорости скатывания размер гранул вначале растет, а затем, когда скорость превысит допустимую для данного размера гранул, происходит их измельчение.

Так, скорость скатывания на тарельчатом грануляторе возрастает с рос­том частоты вращения и угла наклона, что приводит к соответствующему изменению диаметра гранул (рис, 5-4а, б) [154]. На рис. 5-5 показана зави­

симость удельного объема сажи от времени гранулирования. С увеличением частоты вращения барабана скорость уплотнения сажи возрастает. Иными словами, влияние динамических факторов на плотность и размер гранул оп­ределяется их влиянием на скорость скатывания и число соударений гранул.

При одинаковых динамических нагрузках гранулометриче­ский состав различных продуктов неодинаков, что объясняется их физическими свойствами. Размер гранул зависит от техноло­гического режима гранулирования, а именно — от химического состава материала и связующего, их количественного соотноше­ния, температуры и гранулометрического состава шихты.

Поскольку движущая сила процесса гранулообразования [Р—Р0 в уравнении (5.9)] определяется наличием жидкой фазы, изменение ее содержания, очевидно, существенно влияет на про­цесс гранулирования. С увеличением содержания связующего возрастает плотность и прочность гранул, уменьшаются требуе­мые динамические нагрузки и время окатывания, что объясняется большей пластичностью материала, позволяющей частицам смещаться одна относительно другой и перестраивать структуру. Зависимость прочности сухих гранул от влажности и темпера­туры шихты при гранулировании приведена на рис. 5-6.

Как отмечается во многих работах 148, 155, 156 и др.], основное влияние на размер получаемых гранул оказывает соот­ношение жидкость: твердое вещество (Ж:Т = Р). Значение Ж складывается из количества жидкой фазы, вводимой извне и образующейся внутри системы. Для веществ, нерастворимых в связующем, Р целиком определяется содержанием последнего в шихте. Если связующее — вода, то P — U, где U — влагосодер-

РИС. 5-6. Зависимость прочности на сжатие сухих гранул а от температуры гранулирования карбоаммофоски t при различной влажности шихты w

РИС. 5-7. Зависимость выхода товарной фракции QT от влажности а» гранулируемой при температуре 65 °С шихты для различных удобрений: 1 — карбоаммофоска; 2 — аммофос; 3 — суперфосфат

РИС. 5-8. Зависимость оптимальной влажности w от температуры гранулирования t для различных удобрений:

/ — карбоаммофоска; 2 — нитроаммофоска; 3 —аммофос; 4 — суперфосфат жание. Для растворимых веществ величина Р зависит о г коэф­фициента растворимости sp:

P=t/(l+sP)/(l-£/sp); (5.7)

Интервал значений Р, при которых возможно окатывание, для каждого материала вполне определенный. С увеличением растворимости уменьшается необходимое для гранулирования влагосодержание. Измерение растворимости связано со значи­тельными трудностями. На практике целесообразнее определять не растворимость смеси солей, а технологические показатели (влагосодержание, температуру и т. п.), обеспечивающие грану- лообразование данного продукта.

Оптимальные значения Р (такие, когда наблюдается макси­мальный выход целевой фракции) имеют очень узкий интервал, за пределами которого либо окатывания не происходит, либо идет спонтанное слипание. Как видно из графика (рис. 5-7), незначительное изменение влажности шихты различных удобре­ний приводит к резкому снижению выхода целевой фракции.

Оптимальное содержание жидкой фазы изменяется в зависи­мости от фракционного состава исходного сырья. С уменьшени­ем тонины помола уменьшаются пористость материала и коли­чество жидкости, необходимой для заполнения пор. Для грану­лирования при грубом помоле необходимо больше связующего, чем при тонком. Экспериментально установлено [157], что с увеличением удельной поверхности на 10 м2/кг оптимальная влажность уменьшается на 1,45%.

Большое значение для процесса гранулирования имеет со­стояние поверхности частиц. При измельчении поверхность име­ет неупорядоченное расположение молекул, аморфна и активна в отношении явлений адгезии. Поверхностная активность снижа­ется в присутствии примесей, во время сушки или длительного хранения.

При одинаковой влажности шихты размер гранул зависит от равномерности распределения связующего. Локальное переув­лажнение шихты приводит к образованию крупных гранул и комков, в то время как часть шихты выгружается в виде порош­ка, т. е. возрастает неравномерность гранулометрического со­става.

На равномерность увлажнения в большой мере влияет метод распыливания жидкости. При грубом диспергировании образу­ются крупные капли, вокруг которых возникают комочки. При хорошем перемешивании и мелкодисперсном распыливании жид­кости происходит гомогенизация шихты, что обеспечивает узкий гранулометрический состав продукта. Иногда, в отсутствие центров гранулообразования — зародышей гранул, шихту на начальной стадии увлажняют крупными каплями при расчетной влажности, на 3—4% меньшей оптимальной, а остальную часть влаги вводят по длине барабана или в область, где преоблада­ет мелкая фракция при гранулировании на тарелке.

Жидкая фаза образуется внутри системы в виде раствора или плава. Суммарное количество жидкости в системе рассчи­тывают по значению Р:

р= (U+UsP+i)/(l — UsP — і) (5.8)

(где і — доля твердой фазы, перешедшей в плав).

На растворимость и содержание плава влияет температура,, поэтому для поддержания постоянной величины Р с ростом тем­пературы требуется снижать подачу жидкой фазы извне, по­скольку она образуется внутри системы. Следовательно, влаж­ность и температура при гранулировании взаимосвязаны. Так, с повышением температуры аммофоса от 50 до 85°С оптималь­ная влажность уменьшается с 10,5 до 4%. Аналогичные зависи­мости, полученные для ряда других продуктов, видны из рис. 5-8.

Повышение температуры шихты приводит к увеличению до­ли жидкой фазы в общем объеме материала независимо от внешних факторов (качества диспергирования жидкости и пере­мешивания материала). В результате получается более узкий гранулометрический состав продукта, т. е. увеличение доли жидкой фазы, образуемой внутри системы, приводит к повыше­нию выхода товарной фракции (рис. 5-9).

С повышением температуры изменяются не только оптималь­ное содержание, но и такие свойства жидкой фазы, как вязкость и поверхностное натяжение. С уменьшением вязкости текучесть

жидкости увеличивается, а ее удельный расход на смачивание поверхности для получения гранул заданного размера уменьша­ется. С уменьшением поверхностного натяжения уменьшается удельная сила связи между частицами. Суммарный эффект от этих явлений приводит к увеличению сил связи между частица­ми при повышении температуры и уменьшению требуемого для данного гранулометрического состава количества жидкой фазы.

Уменьшение вязкости и поверхностного натяжения жидкости облегчает взаимное перемещение частиц при механическом воз­действии на гранулу. В результате этого с повышением темпера­туры при окатывании образуются более плотные гранулы, о чем косвенно свидетельствует увеличение их прочности. Так, при увеличении температуры с 40 до 70 °С при прочих равных усло­виях прочность гранул аммофоса влажностью 0,8% возрастает с 3,5 до 6,0 МПа, а прочность гранул суперфосфата при влажно­сти 3,5% —'с 1 до 2 МПа.

Таким образом, повышение температуры при гранулировании позволяет получить более прочные гранулы и снизить содержа­ние влаги в шихте, поступающей на сушку. Последнее приводит к увеличению производительности всей технологической линии без изменения влагосъема в сушильном барабане.

Увеличение температуры гранулирования имеет предел, оп­ределяемый для каждого вида продукта температурой его раз­ложения. Так, сложные минеральные удобрения гранулируют при 75—ПО °С, выше которой наблюдаются значительные поте­ри аммиака.

Поскольку целесообразность увеличения температуры грану­лирования очевидна, представляет интерес способ нагрева ших­ты. Установлено, что нагрев наиболее эффективен на стадии ока­тывания, так как на стадии увлажнения жидкая фаза присутст­вует в основном на поверхности частиц и повышение температу­ры приводит к комкованию. При последующем окатывании об­разовавшихся гранул влага частично уходит с поверхности частиц и недостаток ее хорошо компенсируется нагревом [158].

Нагревают либо стенки гранулятора, либо саму шихту. Наиболее прост и эффективен метод подвода тепла с твердой и жидкой фазами гранулируе­мого продукта, а также с паром. Последний, смешиваясь с гранулируемым материалом, конденсируется и, нагревая шихту, одновременно увлажняет ее. Введение дополнительного количества влаги с паром наиболее целесообраз­но в случае, если по технологии связующим является вода.

При гранулировании суперфосфата шихту в грануляторе обычно увлаж­няют водой до содержания ее 16—18%. Температура гранулирования 20— 40 °С. Вводя в гранулятор пар, удается уменьшить расход воды, повысить температуру шихты до 60—70 °С и снизить ее влажность до 11—13% [159» 160]. Это приводит к повышению производительности технологической ли­нии на 15—20% и увеличению прочности гранул.

Для повышения температуры в зону гранулирования вместо пара пода­ют также горячую воду, стоки системы абсорбции, дымовые газы, вещества, реагирующие с выделением тепла. Наиболее эффективно проведение экзотер­мической реакции, поскольку тепло выделяется равномерно по всей шихте и в момент воздействия динамических нагрузок, что исключает локальные пе­регревы и потери тепла. В производстве минеральных удобрений широко ис­пользуют реакцию аммонизации кислот и гидросолей (кислых солей). В ре­зультате химической реакции, например в аммонизаторе-грануляторе (АГ), меняется химический состав материала шихты, а следовательно, и условия гранулирования.

Из рис. 5-10 [145] видно, что связующая способность пульпы, т. е. ее адгезионные свойства, зависят не только от молярного соотношения аммиака и фосфорной кислоты, но и от химического состава сырья. Чем больше при­месей (Fe2C>3, AI2O3 и др.) в кислоте, из которой получены фосфаты аммо­ния, тем лучше протекает гранулообразование. Из-за отсутствия примесей в термической фосфорной кислоте ее связующие свойства ухудшаются, что вы­зывает определенные трудности при гранулировании удобрений, в состав ко­торых входят соли, полученные на основе этой кислоты.

Материальные и тепловые балансы получения продукта могут быть такими, что в зоне гранулирования будут создаваться не­оптимальные условия, например избыток жидкой фазы. Так, в производстве нитроаммофоски одновременно используют связую­щие и сыпучие компоненты нескольких видов, соотношение кото­рых регламентируется требованиями к химическому составу про­дукта. Поэтому регулирование содержания жидкой фазы в гра­нулируемой шихте возможно только изменением ее температуры или добавлением сухого материала, которым может служить ре­тур. Однако возврат его на гранулирование в больших количе­ствах при высоких температурах нецелесообразен, так как это приводит к перегрузкам внутрицехового транспорта. Для созда­ния оптимальных условий предпочтительнее снижать температуру гранулирования, охлаждая ретур [161].

При введении в шихту сухого ретура содержание жидкой фазы на поверхности его частиц значительно выше, чем в среднем по всему объему материала. Чем больше ретура и чем он крупнее, тем меньше поверхность частиц шихты и выше ее влагосодержа - ние в начальный момент, т. е. до того, как жидкость перераспре­делится по всему объему гранулы. Влияние размера частиц и ко­личества ретура на диаметр гранул особенно заметно при боль­шом влагосодержании шихты, поскольку в этом случае незначи­тельное изменение влагосодержания приводит к существенному изменению диаметра гранул, заданную величину которого можно получить при различных влагосодержаниях шихты, варьируя раз­мер и число частиц ретура. При постоянных размерах гранул ретура и продукта с увеличением количества ретура влагосодер - жание шихты должно уменьшаться. Чем больше диаметр гранул ретура, тем меньше должно быть его количество при постоянной средней влажности шихты.

Следует заметить, что описанные закономерности справедли­вы при введении сухого ретура во влажный порошок. Если же зародыши гранул состоят из предварительно увлажненного по всему объему материала, то влияние их количества на грануло­метрический состав продукта иное, а именно — при прочих рав­ных условиях чем больше ретура, тем меньше диаметр гранул продукта.

Гранулирование при повышенных температурах, сопровож­даемое химической реакцией, характеризуется тепломассообме­ном. При этом удаление жидкой фазы обеспечивается испарением и кристаллизацией, изменяются условия гранулирования, обра­зовавшиеся между частицами связи фиксируются, препятствуя разрушению гранул, и процесс гранулообразования завершается быстрее. Следовательно, сокращается время окатывания, что усложняет регулирование процесса.

Из рассмотрения зависимости гранулометрического состава продукта от различных технологических показателей видно, что их влияние сводится к изменению соотношения Ж: Т в гранули­руемом материале, причем параметры рабочих режимов взаимо­связаны и имеют узкие пределы, что существенно затрудняет экс­плуатацию грануляторов в промышленности. Большая чувстви­тельность к содержанию жидкости в материале является основ­ным и очень существенным недостатком гранулирования методом окатывания. Часто бывает очень трудно выдержать режим в тре­буемом интервале параметров. Да и в этом интервале выход це­левой фракции не всегда соответствует предъявляемым требо­ваниям. Поэтому целесообразно регулировать процесс комплекс­ным изменением нескольких параметров (например, температу­ры и влажности шихты).

В технике гранулирования минеральных удобрений наиболее благоприятен режим, при котором средний размер гранул изме-

РИС. 5-11. Зависимость среднего л? я і I

диаметра гранул двойного и> „ : J

суперфосфата d от времени гранулирования т

РИС. 5-12. Зависимость пористости гранул аммофоса в от времени гранулирования т

мнется только в начальный момент, а затем при окатывании и уплотнении гранул он изменяется незначительно.

Так, при гранулировании двойного суперфосфата в промышленных усло­виях гранулометрический состав (средний размер гранул dcр) формируется в первые 2—3 мин, а затем рост dcp резко замедляется, хотя и происходит рост мелких и измельчение крупных гранул (рис. 5-11). Изменение dev, вы­званное уплотнением, также невелико (рис. 5-12). Необходимое для окаты­вания время определяется только динамическими усилиями, воздействующи­ми на гранулу, и требуемой их плотностью, а средний диаметр гранул про­дукта определяется технологическими параметрами процесса, т. е., в конеч­ном итоге, относительным содержанием жидкости Р. Изменение среднего размера гранул в зависимости от Р показано на рис. 5-13. Диаметр гранул растет вначале медленно, а затем все быстрее, и при влагосодержании, соот­ветствующем началу их массового слипания в комки, незначительное повы­шение Р приводит к резкому увеличению гранул.

Для расчета среднего диаметра образующихся гранул справедливо уравнение [162]

<J=d0 exp т(Р — Ро)п,

где d0 —средний диаметр частиц шихты при содержании жидкости Р0; Р0 — минимальное содержание жидкости, при котором начинается гранулообразо - вание; т — экспериментальный коэффициент для аммофоса, простого и двой­ного суперфосфата, при 20 °С равный соответственно 23, 68 и 129; п = = const=l,7. ,

Коэффициент т зависит от вещества, а коэффициент п характеризует свойства жидкой фазы, изменяющиеся с изменением температуры, что вид­но из рис. 5-14.

С учетом влияния количества 5 и размера гранул dp ретура уравнение (59) принимает вид:

По уравнению (5.10) рассчитывают средний диаметр гранул. Однако продукт характеризуется распределением гранул по размерам. При хаоти­ческом слипании частиц это распределение описывается уравнением вида

p(d)= [V/ Г fo) exp ( М),

где p(d) — плотность распределения гранул по размерам; d — диаметр гра­нул; }■., г]—параметры распределения; Г(т))-гамма-функция т].

Поскольку X=T!d, где З— математическое ожидание распределения p(d), из уравнения (5.11) получим

P(d) = [1Г/Г(т])] (1/3) (d/3)"-1 ехр(— т]3/3), (5.12)

где

т] = 1 /б2. (5.13)

Распределение гранул продукта по размерам характеризуется не только математическим ожиданием, но и коэффициентом вариации б. Эксперимен­тально установлено, что чем крупнее гранулы, тем более однороден фракци­онный состав, т. е. тем меньше значение б. Однако при диаметре гранул удобрений более 4,5 мм коэффициент вариации постоянен и равен 0,11.

При изменении среднего диаметра гранул от 0 до 4,5 мм, т. е. в преде­лах размеров товарной фракции удобрений, зависимость б от параметров процесса можно свести к влиянию среднего диаметра следующим образом:

б2=0,144 —0,0293. (5.14)

Решая совместно уравнения (5.10) — (5.14), гранулометрический состав - продукта рассчитывают в зависимости от параметров процесса.

Чтобы успешно вести процесс гранулирования, необходимо для каждого конкретного вещества экспериментально подобрать режим, руководствуясь изложенными выше данными. Для облег­чения подбора режима гранулирования аналогичных по свойст­вам веществ в табл. 5,1 приведены данные по окатыванию неко­торых минеральных удобрений.