Барабанный гранулятор-сушилка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Удобрения - это органические и неорганические соединения естественного или искусственного происхождения, позволяющие улучшить питание растений и повысить плодородие почвы. Основными компонентами, необходимыми для минерального питания растений, являются азот, фосфор и калий, которые называют основными питательными элементами.

Единственным источником фосфора для растений является почва. Его запасы не могут пополнятся из воздуха, как это происходит с азотом. Длительное время получать высокие и устойчивые урожаи за счет почвенных запасов фосфора невозможно. Необходимо систематически пополнять эти запасы. Для обеспечения нормального питания растений необходимо на ряду с органическими удобрениями вносить минеральные фосфорные удобрения.

В настоящее время фосфаты аммония (аммофос и диаммофос) являются самыми распространенными фосфорсодержащими удобрениями как в нашей стране, так и в мировом балансе.

Последнее время сохраняются тенденции роста производства минеральных удобрений в России. За 2012 год рост производства неорганических удобрений в пересчете на 100% питательных веществ в России составил 10%. Рост производства азотных и фосфатных удобрений в 2012 году в целом по России составил 4,6%. Аммофос является одним из самых перспективных видов удобрений и его производство и, как следствие, объем продаж постоянно увеличиваются. Связано это с достаточно высоким содержанием необходимых питательных веществ в продукте, его хорошими физико-химическими свойствами.

Российские предприятия рассматривают внутренний рынок как достаточно перспективный. Планируется увеличивать продажи минеральных удобрений ежегодно. Также данная продукция поставляется и на экспорт. Удобрения продаются в страны Европы, Латинской Америки, Азии, Африки. В связи с этим необходимо обеспечивать качество продукции, удовлетворяющее требования потребителей.

1. Литературный обзор

1.1 Методы гранулирования минеральных удобрений

Гранулирование-это совокупность физико-химических и физико-механических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенных размеров, формы, структуры и физических свойств. В общем случае гранулирование включает следующие стадии:

подготовку исходного сырья (дозирование и распределение компонентов);

собственно гранулирование (агрегирование, кристаллизация и др.);

выделение товарного продукта (классификация по размерам, дробление крупных фракций).

Гранулирование осуществляют из жидкой, твердой, газообразной фаз, а также из любой их комбинации. Образование частиц необходимого размера при гранулировании происходит либо мгновенно, либо постепенно. Поэтому различают процессы гранулирования, протекающие без изменения размеров частиц во времени, с изменением частиц во времени и смешанного типа. В зависимости от требований, предъявляемых к гранулометрическому составу продукта, получаемые при гранулировании мелкие частицы либо возвращают на переработку (ретурный процесс), либо не возвращают (безретурный процесс).

Для гранулирования материалов применяют различные методы, которые можно классифицировать следующим образом:

1. окатывание (формирование гранул, достигаемое агрегированием и наслаиванием частиц с уплотнением структуры);

2. диспергирование жидкости в свободный объем или нейтральную среду (образование и отвердевание капель жидкости при охлаждении в газе или жидкости);

3. диспергирование жидкости на поверхность гранул во взвешенном состоянии (кристаллизация тонких пленок в результате их обезвоживания или охлаждения на поверхности гранул);

4. диспергирование жидкости в активную среду (формирование и отвердевание частиц в результате образования нового вещества в свободном объеме или на поверхности гранул);

5. чешуирование (охлаждение жидкости на инородной поверхности с последующим дроблением полученной пленки);

6. прессование (получение плиток, брикетов, таблеток из сухих порошков с последующим дроблением и рассевом прессата);

7. формование, или экструзия (продавливание пастообразной массы через отверстия, дробление и упрочнение жгута);

8. спекание (нагрев с образованием агломератов, их охлаждение, дробление и рассев);

9. конденсация, или десублимация (образование твердых частиц из газа, их наслаивание и агрегирование).

1.2 Гранулирование окатыванием

Механизм гранулообразования

Процесс состоит из ряда стадий: смешение исходного порошка с частицами ретура и связующим; образование гранул из мелких частиц; окатывание и уплотнение гранул; стабилизация структуры гранулы.

На всех стадиях происходит изменение распределения частиц по размерам, т.е. идет процесс формирования гранул, интенсивность которого зависит от технологии, аппаратурного 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, 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. 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 определенном 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.

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.

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. 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, частицы будут вдавливаться, если их размер в 12,5 и более раз меньше радиуса катящейся гранулы, в противном случае диаметр гранулы увеличивается.

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.

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.

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 изменением температуры, также приводит к нарушению начальной структуры.

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

Аппараты для гранулирования методом окатывания

Грануляторы, в которых происходит окатывание материала, по типу движения рабочей поверхности делятся на ротационные и вибрационные. Ротационные аппараты бывают барабанные, тарельчатые (дисковые, чаше-вые), центробежные, лопастные.

Барабанный гранулятор (рис. 1.1) представляет собой горизонтальный или наклоненный под углом 1-2° в сторону выгрузки цилиндра с закрепленными на нем бандажами и венцовой шестерней, через которую передается крутящий момент от электродвигателя. С торцов барабан снабжен загрузочной и разгрузочной камерами, герметизирующими объем гранулятора.

При вращении барабана материал за счет трения о его стенки поднимается на некоторую высоту. Как только наклон поверхности слоя превысит угол естественного откоса, избыток материала начнет осыпаться вниз, стремясь расположиться под первоначальным углом. При этом центр тяжести слоя остается на одном месте, а вокруг него вращается материал: около стенки он поднимается вверх, а по свободной поверхности ссыпается вниз.

Характерной особенностью такого движения (в режиме переката) является отсутствие у частичек параболического участка траектории, т.е. движение частиц с режима кругового перемещения сразу переходит на режим ссыпания. Объем материала при движении в этом режиме примерно на 10% больше объема в неподвижном состоянии.

Кроме режима переката различают также водопадный и циклический режимы, характеризующиеся наличием участков траектории свободного полета. Оба эти режима непригодны для смешивания и гранулирования ввиду небольшого градиента скорости отдельных элементарных потоков. Для гранулирования наиболее эффективен режим переката, в котором основная масса сыпучего материала движется по круговым траекториям со скоростью, равной угловой скорости вращения самого барабана.

Достигнув высшей точки, материал, слоем определенной толщины, начинает ссыпаться вниз. Нижележащие слои переходят на круговые траектории, расположенные ближе к центру барабана, а верхние слои переходят на траектории большего радиуса. Такое распределение потока ссыпающихся частиц создает условия для повторения описанной картины, т.е. каждый элементарный слой как бы вращается вокруг неподвижной точки. Совокупность этих точек образует линию раздела поднимающегося и скатывающегося слоев.

Чем больший коэффициент трения имеет частица, тем быстрее она теряет свою скорость при ссыпании и тем быстрее переходит на круговой участок пути, т.е. переходит на траекторию вращения меньшего радиуса. Вследствие этого вблизи линии раздела зон подъема и скатывания происходит постепенное накопление наиболее мелких фракций.

Рис. 1.1 Барабанный гранулятор

1-обечайка; 2-течка; 3-форсунки для распыления пульпы; 4-бондаж; 5-венцовая шестерня; 6-патрубок для отсоса газов; 7-выгрузочная камера; 8-окно для подсветки; 9-смотровое окно; 10-патрубок для выгрузки гранул; 11-опорный ролик; 12-бетонные основания; 13-редуктор; 14-электродвигатель.

Для процесса окатывания большое значение имеет толщина слоя ссыпающегося материала.

Для устранения налипания влажного порошка на стенки барабана кроме шаров используют и ряд внутренних приспособлений: шнеки, ножи, скребки, штанги, цепи и др.

Например, погружение в слой материала шнека позволяет не только очищать внутреннюю поверхность барабана, но и интенсифицировать перемешивание. Нож-обдиратель насаживают на трубу, торцы которой закреплены в пневмоцилиндрах. Ножам придается колебательное движение параллельно стенке барабана с периодическим поворотом вокруг оси для изменения зазора со стенкой.

Налипания материала можно избежать, если внутрь основного барабана поместить вращающийся сетчатый барабан или покрыть внутреннюю поверхность листовой резиной, которая под действием собственного веса может отвисать и разрушать слой налипшего материала.

Подпорные кольца на концах и в середине барабана обеспечивают равномерную его загрузку, что особенно важно при проведении в слое химической реакции. Для этой цели используют барабаны специальной конструкции (рис. 1.2), получившие в производстве минеральных удобрений название «аммонизаторы-грануляторы» (АГ). Отличительной чертой АГ является. наличие распределителей нескольких реагентов (кислоты, аммиака, пара, плава и т.п.).

Наиболее эффективны распределители продольного типа, представляющие собой заглубленные в слой материала трубы с отверстиями, расположенными по спирали. К недостаткам таких распределителей относятся: неполное использование всех отверстий, возможность увеличения отверстий в результате коррозии и, как следствие, локальное перенасыщение слоя одним из компонентов.

Принцип работы барабанного гранулятора сохраняется и в шнеке, представляющем собой закрытый короб, навитый по винтовой линии и образующий цилиндр, ось которого можно устанавливать под любым углом. При вращении цилиндра материал пересыпается внутри шнека и окатывается. Такая конструкция позволяет регулировать и строго ограничивать время пребывания продукта в аппарате, получать материал однородного фракционного состава. Недостатками этого аппарата являются невозможность дополнительного орошения шихты в процессе окатывания и визуального наблюдения за процессом, усложнение узла загрузки.

Таким образом, конструктивные решения барабанных грануляторов направлены на увеличение коэффициента заполнения, создание различных внутренних устройств, интенсифицирующих процесс и предотвращающих налипание продукта, совмещение нескольких технологических операций в одном аппарате. Наиболее широкое применение в промышленности находят, хотя и менее производительные, громоздкие, но конструктивно более простые и, следовательно, более надежные грануляторы без внутренней насадки с соотношением длины к диаметру от 1 до 3.

По принципу окатывания работают также тарельчатые (чашевые, дисковые) грануляторы. Основной частью такого аппарата является диск, вращающийся вокруг оси, угол наклона которой к вертикали регулируется. Диск снабжен бортом, что обеспечивает требуемое заполнение аппарата.

Для подачи связующего над тарелкой устанавливают форсунки, для очистки от налипающего материала - скребки. Аппарат заключен в кожух, имеющий патрубки для отвода продукта и паров и для. подвода порошка. Визуальное наблюдение за процессом ведут через смотровое окно. По сути дела, дисковый гранулятор - это барабан большого диаметра (1-7 м) и малой длины (0,02-0,80 м), ось которого наклонена под большим углом к; вертикали (45-75°). Рабочая поверхность такого аппарата в отличие от барабана не боковая поверхность цилиндра, а торцовая, т.е. дно тарелки.

По форме днища тарельчатые грануляторы делятся на плоские, конические, сферические, эллиптические. Применение неплоских днищ позволяет избежать образования мертвого пространства в месте стыка с бортом и увеличить путь окатывания, т.е. производительность аппарата.

Максимальная эффективность работы тарельчатого гранулятора достигается при определенной высоте слоя, поэтому, оставляя этот показатель неизменным, стремятся увеличить площадь окатывания. Предложен гранулятор, имеющий на диске несколько кольцевых перегородок равной высоты.

Рис. 1.2 Барабанный аммонизатор-гранулятор.

1-корпус; 2-бондажи; 3-венцовая шестерня; 4-разгрузочная камера; 5-опорные ролики

Исходный порошок подают по центральной трубе на поверхность внутренней тарелки где он окатывается, постепенно пересыпаясь в смежное кольцевое пространство. Далее окатывание происходит последовательно во всех кольцевых секциях до достижения гранулами требуемого размера при узком фракционном составе. Связующее подают в центральную часть, тарелки, но можно дополнительно подавать жидкость разного состава в кольцеобразные пространства и получать многослойные гранулы.

Место ввода сухих и жидких компонентов определяется требованиями к гранулометрическому составу продукта. Для получения крупных комков орошение ведут в верхней части поднимающегося слоя, а порошок загружают в нижнюю часть тарелки. Для получения более мелких гранул поднимают место ввода порошка и опускают место ввода жидкости, - причем поток жидкости разделяют на две части. Большую часть подают в слой Для образования зародышей гранул, а меньшую - на участок пересыпания крупных комков, что способствует росту гранул. В результате большого числа экспериментов предложены различные варианты подачи сырья на тарельчатый гранулятор.

Гранулирование возможно и на горизонтальном диске, эксцентрично и параллельно которому установлен дополнительный диск меньшего диаметра. Диски вращают в противоположные стороны с разной скоростью, создавая встречные потоки и интенсифицируя агрегирование материала.

Конструктивно сходны с тарельчатым центробежные грануляторы. Принципиальным отличием последних является то, что движение окатываемых гранул осуществляется не гравитационными, а центробежными силами.

Материал и связующее подают в центр горизонтального диска, вращающегося с частотой 300-1500 1/мин и имеющего рифленую поверхность. Продвигаясь от центра к периферии, порошок агрегируется и окатывается. Для увеличения времени окатывания диск снабжают неподвижными концентрическими перегородками с отверстиями. Для получения частиц заданного размера над основным диском устанавливают пластины, медленно вращающиеся в противоположную сторону. Поскольку в центробежном грануляторе динамическое воздействие на частицы больше, чем в тарельчатом, количество связующего, необходимого для получения гранул данного размера, меньше, чем в тарельчатом. Однако это же воздействие способствует более интенсивному налипанию материала на рабочую поверхность, а установка скребков препятствует нормальному окатыванию.

Сравнивая работу барабанных и тарельчатых грануляторов_, следует отдать предпочтение тарельчатым, поскольку они обладают лучшим классифицирующим действием, для их нормальной работы требуется меньше ретура, они удобны в эксплуатации (поскольку возможно визуальное наблюдение и облегчено регулирование параметров работы), сравнительно легко поддаются наладке при переходе на другой продукт, имеют меньшую массу и габариты. Однако тарельчатый гранулятор неэффективен при проведении процесса, сопровождаемого химическими реакциями (например, аммонизации), и менее удобен для организации удаления пыли и испарений.

Гранулирование методом окатывания можно производить в лопастном грануляторе. Конструктивной особенностью таких аппаратов является наличие одного или двух вращающихся валов с лопастями, расположенными по винтовой линии.

Валы заключены в неподвижный корпус в виде корыта или образованный пересечением двух параллельных цилиндров. В корпус подают сухой материал, жидкость, а при необходимости и другие компоненты (пар, аммиак и др.).

Принцип гранулирования основан на интенсивном перемешивании при наличии градиента скоростей материала и лопастей.

В двухвальном аппарате валы вращаются в противоположные стороны так, что лопатки опускаются по периферии и поднимаются, касаясь друг друга и очищаясь при этом, по центру. Сухие компоненты подают в верхнюю часть аппарата между валами. В нижней части по центру аппарата под слоем материала располагают распределители жидких и газообразных реагентов. Для создания требуемой высоты слоя перед выгрузочной трубой устанавливают переливные пороги. Иногда эти пороги препятствуют выгрузке крупных комков, что приводит к заклиниванию валов. Во избежание этого высоту слоя поддерживают на определенном уровне, создавая подпор неравномерным расположением лопаток, расстояние между которыми сокращается от места загрузки к месту выгрузки. Стенки гранулятора очищаются концами лопаток; зазор между ними и стенкой должен составлять не более 5% от диаметра корпуса.

В лопастном грануляторе обеспечиваются хорошее смешение материала и однородность получаемого продукта, вязкость которого может быть значительно больше, чем в барабанных или тарельчатых грануляторах. Другим его преимуществом является возможность отклонения от рабочего режима в большей степени, чем в других аппаратах, что обусловлено самоочисткой движущихся элементов. К недостаткам лопастных грануляторов следует отнести сложность подачи компонентов под слой и трудность визуальных наблюдений.

Окружная скорость на конце лопаток гранулятора обычно не превышает 1,0-'1,5 м/с. Увеличение скорости до 15-30 м/с изменяет механизм гранулообразования - преобладает ударный эффект и процесс агрегирования интенсифицируется. В вертикальном корпусе происходит добавочное окатывание за счет трения о стенку гранул, движущихся после удара по инерции по спиральной траектории вниз.

Такие грануляторы, названные скоростными, отличаются высокой производительностью. Для работы на этих аппаратах требуется меньше связующего, они пригодны для гранулирования очень вязких материалов. Однако износ гранулирующих элементов и энергозатраты несколько выше, чем в обычных грануляторах. Кроме того, нужны специальные приспособления для очистки корпуса от налипающего материала, а также точные дозирующие устройства ввиду малой инерционности процесса.

Рис. 1.3 Лотковый виброгранулятор

1-наклонноя плоская пружина; 2-газораспределительная решетка; 3-корпус; 4-амортизатор; 5-основание; 6-вибратор; 7-ребро жесткости.

Для виброгранулирования применяют аппараты с вибрирующим корпусом или отдельными деталями, помещенными в слой материала. Широкое применение получили аппараты с цилиндрической горизонтальной рабочей камерой, совершающей круговые или эллиптические колебания в вертикальной плоскости, существуют однокорпусные и двух корпусные аппараты такого типа.

Применяют также лотковые аппараты, имеющие небольшую высоту и позволяющие организовать любой характер потока реагентов или фаз (прямо-, противо- или перекрестный ток).

На рис. 1.3 показана принципиальная схема такого гранулятора, представляющего собой лоток, закрепленный пружинами на тяжелом основании. Вдоль почти всего лотка с нижней его стороны проходит ребро жесткости, к которому на шарнире прикреплен шатун эксцентрикового вибратора. Определенный наклон пружин при работе вибратора обеспечивает возвратно-поступательный характер движения лотка в направлении, нормальном к оси пружин, обеспечивая заданный угол подбрасывания материала относительно поверхности лотка. Лоток имеет двойное дно, образующее короб для подачи теплоносителя. Аппарат снабжен патрубками для подвода и отвода теплоносителя и твердого материала, а также распределителем жидкой фазы. Тяжелое основание опирается на пол через резиновые амортизаторы. В зависимости от конкретных условий конструктивное оформление отдельных узлов может изменяться.

Анализируя конструкции грануляторов, в которых реализуется принцип окатывания частиц, следует отметить, что каждый аппарат имеет свои преимущества и недостатки. Выбор той или иной конструкции зависит от особенностей перерабатываемого материала, технических возможностей изготовления и монтажа аппарата, подготовленности производства к эксплуатации гранулятора.

Для производства минеральных удобрений наиболее широко применяют барабанные грануляторы, поскольку они являются высокопроизводительными, обеспечивают сравнительно высокий выход целевой фракции, возможность проведения химической реакции одновременно с гранулированием и возможность проведения процесса без загрязнения помещения. Однако следует совершенствовать и конструкции аппаратов других типов, особенно вибро- и скоростных грануляторов, позволяющих интенсифицировать процесс и улучшить качество продукта.

1.3 Гранулирование распыливанием жидкости на поверхность частиц

Механизм гранулообразования и кинетика сушки пульп на поверхности гранул

В отличие от гранулирования окатыванием в рассматриваемом в этом разделе методе процесс кристаллизации вещества происходит не на заключительной стадии гранулообразования, а одновременно с формированием гранул. Этот механизм гранулообразования реализуется как в аппаратах с псевдоожиженным слоем, так и с падающим слоем три его орошении диспергированной жидкостью и интенсивном перемешивании.

Твердое вещество, вводимое во взвешенный слой с жидкой¹ фазой, частично откладывается на поверхности частиц в слое. Другая его часть образует самостоятельные частицы, т.е. новые центры гранулообразования. Рост гранул по поверхности тем вероятнее, чем больше силы сцепления капли жидкости с твердыми; частицами.

Адгезионная способность капли зависит от шероховатости поверхности гранул, а также от свойств жидкости, наиболее важным из которых является соотношение в капле жидкой и твердой фаз.

Существуют и другие возможности образования новых гранул, например при дроблении как механическом, так и тепловом. В последнем случае частицы. размером, более определенного, циркулируя между зоной активного теплообмена и основным объемом слоя, имеющего значительно более низкую температуру, неуспевают прогреваться на всю толщину. В результате возникают термические напряжения, способные расколоть гранулу.

Другой механизм растрескивания поверхности частиц заключается в том, что при температуре слоя, намного превышающей температуру кипения жидкости, последняя при контакте с грану лой интенсивно кипит с выделением большого количества растворителя в паровую фазу. Создающееся при этом давление разрывает пленку твердого вещества.

Помимо образования новых гранул во взвешенном 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. Агрегирование возможно при достаточно больших сипах 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 частицы между собой. Если кристаллизации не происходит, г. е. пульпа содержит нерастворимое вещество, то при достаточно интенсивном движении частиц агрегаты разрушаются с образованием исходных частиц. Аналогичный процесс происходит, когда образуется недостаточное число кристаллов и связи в агрегате частиц непрочные.

Грануляторы с псевдоожиженным слоем

Для гранулирования в псевдоожиженном слое используют аппараты различных конструкций. По форме, корпуса грануляторы подразделяют на цилиндрические, конические с малым (до 20°) и большим (30-60°) углом раскрытия стенок корпуса, цилиндроконические, прямоугольные, квадратные. Форма аппарата определяет его гидродинамические особенности. Так, в аппаратах с углом раскрытия до 20° происходит равномерное псевдоожижение по всему сечению, тогда как при большем угле раскрытия возникает разреженное центральное ядро и образуется более плотный, сползающий у стенок слой, т.е. происходит фонтанирование. Известны аппараты с несколькими зонами локального фонтанирования. В цилиндрических аппаратах, как правило, режим псевдоожижения таков, что в цилиндрической части слой твердых частиц отсутствует. Аппараты прямоугольной формы используют обычно для направленного перемещения твердых частиц при перекрестном токе теплоносителя. Квадратное сечение наиболее удобно для отработки процесса в полу промышленных условиях с последующим использованием полученных данных для конструирования прямоугольных аппаратов большой производительности.

Рис. 1.4 Цилиндрический аппарат

1-корпус аппарата; 2-калорифер; 3-форсунка



Рис. 1.5 Конические аппараты:

а) со встроенной топкой;

б) с фонтанирующем слоем.

1-встроенная топка; 2-газовая горелка; 3-корпус аппарата;

4-газораспределительная решетка.

Рис. 1.6 Прямоугольный аппарат.

1-корпус аппарата;

2-газораспределительная решетка;

1.4 Гранулирование диспергированием расплавов во встречном потоке воздуха

Теплообмен и кристаллизация капель расплава в потоке воздуха

Механизм гранулообразования заключается в распаде истекающих из гранулирующего устройства струй на капли, которые, охлаждаясь во встречном потоке воздуха, превращаются в гранулы. При падении капля (гранула) отдает тепло потоку охлаждающего воздуха. При этом охлаждение я кристаллизация плава начинаются с поверхности, а при достижении температуры кристаллизации происходит образование твердой оболочки, толщина которой по мере движения капли (гранулы) увеличивается. Таким образом, фронт кристаллизации продвигается в центр гранулы по радиусу с соответствующим выделением тепла кристаллизации. При достижении поверхностью гранулы температуры следующего модификационного перехода фронт этого перехода с соответствующим тепловыделением начинает перемещаться вслед за фронтом кристаллизации. Аналогично происходят и дальнейшие модификационные превращения в структуре гранулы, которые осложняют процесс теплопередачи.

Формирование структуры гранул из капель расплава во время их полета в башне является следствием процессов нестационарного теплообмена, осложненного действием внутреннего источника тепла в виде теплоты кристаллизации.

1.5 Гранулирование прессованием

Технологический процесс получения гранулированных продуктов методом прессования состоит из следующих основных стадий: получение порошкообразных продуктов, смешение порошков, прессование (прокатка смеси порошков), дробление и рассев продукта. Определяющей стадией этого технологического цикла является операция непрерывного прессования, характеризуемая уплотнением порошка от начальной насыпной плотности до конечной.

Этот процесс в отличие от описанных выше не предусматривает кристаллизацию из жидкой фазы, поскольку она проходит в подготовительных процессах получения порошков. Однако перекристаллизация, механическое сцепление и измельчение кристаллов происходят на всех стадиях гранулирования методом прессования. Закономерности уплотнения порошкообразных материалов на валковых прессах освещены в ряде работ, где отмечается существенное влияние на процесс свойств порошков, в частности их сыпучести.

2. Технологическая часть

2.1 Технологическая схема

Рис. 2.1 Технологическая схема

В настоящее время в химической промышленности производства сложных минеральных удобрений известна технологическая схема, включающая в себя следующие операции: грануляцию, сушку, охлаждение, рассев готового продукта на грохотах и дробление крупных фракций на дробилках и мельницах.

На Рис. 2.1 представлена схема грануляции, сушки и рассева сложных гранулированных удобрением с применением аппарата БГС.

Ретур с весового дозатора(1) по течке поступает в аппарат БГС (3), захватывается внутренней лопастной насадкой и осыпается, создавая сложную завесу. Пульпа насосом через форсунки (2) напыляется на завесу, обволакивая и укрупняя частицы ретура. Топочные газы из топки(9) поступают в БГС, где осуществляется сушка продукта. Далее сухой продукт поступает в холодильный барабан (4).

Охлажденный продукт рассеивается на виброгрохоте (5), откуда крупная фракция направляется в молотковую дробилку (6), а мелкая фракция и готовый продукт поступают на вибротранспортер (7). Готовый продукт отсеивается и транспортируется на склад, а мелкая фракция подается элеватором (8) на весовой дозатор (1) и далее возвращается в гранулятор в виде ретура.

2.2 Материальный баланс барабанного гранулятора-сушилки.

Исходные данные:

Производительность по сухому материалу (G₂) - 22.2т/ч

Начальная влажность (щ_н) - 7%

Конечная влажность (щ_к) -1,5%



Рис. 2.2Схема материальных потоков

2.3 Расчет материального баланса

Производительность установки по влажному материалу:

Учитывая потери на пыль, которые составляют 1,35% от готового продукта,

то G₂=22499,7 кг/ч=6,25 кг/с

где - производительность по сухому материалу, кг/с

и - конечная и начальная влажность высушиваемого материала, %.:

Из уравнения материального баланса сушилки

G_нщ_н = G_кщ_к + W

определим расход влаги W, удаляемой в процессе сушки:

Таблица 2.1. Таблица материального баланса

Приход	Расход
Наименование продукта	Кол-во, кг/ч	%	Наименование продукта	Количество, кг/ч	%
Реакционная смесь	23830,3	79	Готовый продукт	22200	73,6
Ретур	6330	21	Влага(пар)	1330,6	4,4
			Ретур	6330	21
			Пыль	299,7	1
Итого	30160,3	100		30160,3	100

2.4 Тепловой баланс барабанного гранулятора-сушилки

В качестве топлива используется природный сухой газ следующего состава (% об): -92; -0,5; -5; -1; -1,5.

Теоретическое количество сухого воздуха , затрачиваемого на сжигание 1 кг топлива:

,

где: составы горючих газов выражены в объемных долях. Подставив соответствующие значения, получим:

Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся таблицей характеристики горения простых газов

Таблица 2.2. Характеристики горения простых газов

Газ	Реакция	Тепловой эффект реакции, кДж/
Водород Оксид углерода Метан Ацетилен Этилен Этан Пропан Бутан Сероводород		10810 12680 35741 58052 59108 63797 91321 118736 23401

Количество тепла , выделяющееся при сжигании 1 газа, равно:

Плотность газообразного топлива :

,

где: - мольная масса топлива, кмоль/кг;

- температура топлива, равная 20 ;

- мольный объем, равный 22.4 .

Количество тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива:

,

 кДж/кг.

Масса сухого воздуха подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха б, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси . Значения б находят из уравнений материального и теплового балансов.

Уравнение материального баланса: [10]

,

где: -масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;

-массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

Уравнение теплового баланса: [10]

,

где: -общий КПД, учитывающий эффективность работы топки и потери тепла в окружающую среду, принимаемый равным 0.95;

-теплоемкость газообразного топлива при температуре 20, равная 1.34;

=41,9 - энтальпия свежего воздуха, кДж/кг;

-энтальпия сухих газов, кДж/кг; ;

,-соответственно теплоемкость и температура сухих газов: =1.05 , =350;

-влагосодержание свежего воздуха, кг/кг сухого воздуха, при температуре и относительной влажности ;

-энтальпия водяных паров, кДж/кг; ;

-теплота испарения воды при температуре 0 С, равная 2500кДж/кг;

-средняя теплоемкость водяных паров, равная 1.97 ;

-температура водяных паров;

Решая совместно уравнения теплового и материального баланса, получим:

,

Пересчитаем содержание компонентов топлива, при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые:

Количество влаги, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, равно:

Коэффициент избытка воздуха находится:

Общая удельная масса сухих газов, получаемая при сжигании 1 кг топлива и разбавления топочных газов воздухом до температуры смеси 350 ^оС, равна:

,

Удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1 кг топлива:

,

Влагосодержание газов на входе в сушилку () на 1 кг сухого воздуха равно:

откуда

Энтальпия газов на входе в сушилку:

,

Поскольку коэффициент избытка воздуха велик, физические свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента, практически не отличаются от физических свойств воздуха. Это дает возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного воздуха .

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

,

где: -разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере;

-теплоемкость влаги во влажном материале при температуре , ;

-удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту

-удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае

-удельный расход тепла в барабане с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги,

где -теплоемкость высушенного материала, равна 0,8 ;

-температура высушенного материала на выходе из сушилки.

При испарении поверхностной влаги принимается приблизительно равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах сушильного агента. ,

-удельные потери тепла в окружающую среду на 1 кг испаренной влаги, кДж/кг влаги.

Согласно справочной литературе, ориентировочно можно принять

=65 кДж/кг

кДж/кг влаги;

Для построения рабочей линии сушки на диаграмме необходимо знать координаты ( и ) минимум двух точек. Координаты одной точки известны: и . Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением и определим соответствующее значение. Пусть кг влаги/кг сухого воздуха. Тогда:

кДж/кг сух. воздуха.

Через две точки на диаграмме с координатами, и , проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром В точке пересечения линии сушки с изотермой находим параметры отработанного сушильного агента кг/кг, кДж/кг.

Расход сухого газа:

,

 кг/c.

Определим удельный расход теплоты на нагрев материала:

кДж/кг влаги;

Определим удельный расход сухих газов на 1 кг испаренной влаги:

кг/кг влаги

Удельный расход теплоты на 1 кг испаренной влаги:

кДж/кг влаги

Полные расходы сухих газов и тепла:

кДж/с

кВт

Расход топлива, сжигаемого в топке составляет:

кг/c.

Тепловой баланс составляется из статей прихода и расхода теплоты.

Приход теплоты.

1. Физическая теплота топлива:

Q_{T =} Bс_t · t_t=0,059· 1,34 · 20=1,6 кВт,

2. Теплота, вносимая топливом при его сжигании:

Q_t^сж=В · Q^p_в=0,059 · 51945=3064,7 кВт,

3. Теплота, вносимая атмосферным воздухом, подаваемым, на горение топлива:

Q^гор_в=б_т·L₀·B·c_в·t₀=6,82·17.68·0.059·1.05·18=134,5 кВт,

4. Теплота, вносимая атмосферным воздухом, подаваемым на смешение с дымовыми газами:

Q_в^см=I₀ ·L_ст^см ·В=41,9 ·119,4 ·0,059=295,2 кВт,

5. Теплота, вносимая с реакционной смесью:

Q_м1=G₂·c_м·и₁=6,25 ·0.43·18=48,1 кВт,

Расход теплоты.

1. Теплота с отходящими газами:

Q_2см=L_cг^cм·I₂·B=119,4·380·0,059=2810,5 кВт,

2. Теплота, с высушенным материалом:

Q_м2=G₂ ·c_м·и₂=6,25 ·0,8·65=325 кВт,

3. Потери теплоты в топке:

Q_т=B·0.059·51945·(1-0.95)=153,24 кВт,

4. Теплота, унесённая с водяным паром:

Q_п=q_п·W=65·0.36=23,4 кВт,

Таблица. 2.3. Тепловой баланс барабанной сушилки

Приход	Расход
Наименование статей	Кол-во, кВт	%	Наименование статей	Кол-во, кВт	%
1. Физическая теплота топлива	1,6	0,05	1. Теплота с отходящими газами	2810,5	78,4
2. Теплота, вносимая топливом при его сжигании	3064,7	85,5	2. Теплота с высушенным материалом	325	16,16
3. Теплота, вносимая атмосферным воздухом, подаваемым на горение топлива	134,5	3,75	3. Потери теплоты в топке	153,2	4,26
4. Теплота, вносимая атмосферным воздухом, подаваемым на смешение с дымовыми газами	295,2	8,23	4. Теплота, унесённая с водяным паром	23,4	1,18
5. Телота, вносимая реационной смесью	48,1	2,47
Итого	3312,1	100	Итого	3312,1	100

2.5Определение основных параметров аппарата

Среднее влагосодержание газов в сушилке:

Средняя разность температур газа в сушилке:

Средняя температура газа в сушилке:

Средний удельный объем влажного газа, приходящегося на 1 кг сухого газа

Средний удельный вес газа:

Средний объем газов, проходящих через сушилку:

Количество сухих газов, проходящих через сушилку в течение 1 часа:

Удельный объем влажного газа, приходящегося на 1 кг сухого на выходе из сушилки:

Средний объем газа, выходящего из сушилки:

Принимаем: - скорость газа на выходе из сушилки

- коэффициент заполнение барабана материалом

Диаметр барабана:

Определим скорость движения частиц по барабану. Скорость агента:

где h-средняя высота падения, м (h=2 м, т.к. диаметр аппарата равен 4 м);

-конечная скорость падения частиц, м/сек;

-длина отлета частиц, м;

Расчет ведем на два диаметра частиц:

Для

Определяем :

Для

Определяем :

Угол наклона барабана =2⁰.

Перемещение частиц в зависимости от угла наклона за 1 падение:



Тогда общее перемещение частиц за 1 падение будет:

при

при

Определим время прохождения частиц по барабану.

Выбран барабан следующей характеристики: диаметр-4 м, длина-16 м, число оборотов n=3 об/мин.

Время прохождения частицы диаметром 0,5 мм:

Время прохождения частицы диаметром 1 мм:

3. Проектно-конструкторская проработка

3.1 Определение веса БГС

Определим массу барабана:

G=G+G_ап+G_н,

где

G_ап - масса основной части аппарата, кг;

G_н - масса насадок, кг;

G_н = m*n.

где

D_н - наружный диаметр барабана (4 м);

m - масса насадки, кг;

n - количество насадок

Выбираем материал обечайки: сталь марки В Ст 3Сп (ГОСТ 380-94).

Определим толщину обечайки:

S = (0.007ч0.11) D_н=0.0075*4000=30 мм

Принимаю толщину обечайки равной 30 мм.

Толщину обечайки под бандажом примем равной 60 мм, а ширину бандажа примем равной В=0,55 м. Длину упрочненной части аппарата (под бандажом) принимаем равную 1500 мм.

Тогда, наружный диаметр подбандажной части аппарата

внутренний диаметр аппарата составит:

Следовательно, для подбандажной части аппарата:

для основной части аппарата:

Найдем массу насадки:

Известно что масса 1 элемента насадки составляет 3 кг, а в барабане 430 элементов, следовательно получаем:

G_н=3*430=1290 кг.

Общая масса аппарата:

G = 8940+45681+1290 кг.

Масса материала:

где

где

Получаем,

Следовательно,

Масса барабана с материалом:

G_общ= G_ап+G'+G₀ G_н =45681+8940+42944 +1290=98855 кг.

3.2 Определение параметров зубчатого венца

Определим наружный диаметр венцовой шестерни:

где

D_н=(1.4ч1.7)*4;

D_н=1,5*4=6 м

Принимаем

Тогда, масса венца равна:

3.3 Расчет корпуса барабана на прочность

Барабан можно представить как балку кольцевого сечения, на которую действуют сосредоточенные и равномерно распределённые нагрузки.

Вес бандажей:

Вес венца:

P₃ = G_в *g;

P₃=18790*10 = 187900 Н = 0,188МН.

Принимаем, что нагрузка q равномерно распределена по всей длине барабана.

q =

где G_общ - масса корпуса барабана, кг;

L - длина барабана, м.

Получаем:

q= *10=61784 .



Рис. 3.1. Схема нагружения барабана

Опорные реакции определяем из уравнений равновесия.

Сумма моментов всех сил относительно опоры В равна 0:

Сумма моментов всех сил относительно опоры А равна 0:

Проверка

Сумма всех действующих на аппарат сил должна быть равна нулю:

Условие выполнено, следовательно, реакции определены правильно.

3.4 Определение перерезывающих сил и изгибающих моментов

а) участок от х=0 до х=3 м

При х=3

б) участок от х=0 до х=10,5 м

При х=10,5 м



Найдём при каком х м изгибающий момент является наибольшим.

Для нахождения сечения с максимальным изгибающим моментом необходимо взять первую производную по х и приравнять к нулю.

х = =

При х=8,65 м изгибающий момент является наибольшим.

M_мах=8,65P₁-8.65R_a+q*,

M_мах=8,65P₁-8.65R_a+61784*= -746628.9 Н*м