Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов гранулирования дисперсных сред с регулируемымиха рактеристиками 15
1.1 Существующие методы и способы гранулирования дисперсных материалов и сред на основе вторичных материальных ресурсов 15
1.2 Особенности структурообразования многокомпонентных дисперсных материалов 23
1.3 Вопросы теории и практики переработки дисперсных материалов с различными физико-механическими свойствами 32
1.4 Методы управления качеством гранул и прессовок за счёт использования технологических добавок и механоактивации 40
1.5 Особенности расчета силовых параметров в грануляторах различного типа...49 В
ыводы, цель работы и постановка задачи исследований 59
2. Теоретические основы управления структурой многокомпонентных полидисперсных материалов в процессах их переработки 63
2.1 Классификация многокомпонентных полидисперсных материалов по физико механическим характеристикам 63
2.2. Использование связующих и технологических добавок в процессах дополнительной подготовки многокомпонентных полидисперсных материалов при гранулировании 76
2.3. Использование механоактивации при гранулировании многокомпонентных полидисперсных материалов 82
2.4. Управление процессами гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов на основе реологических моделей 94
Выводы по второй главе 102
3. Теоретические исследования процессов уплотнения многокомпонентных полидисперсных материалов при компактировании на валковом прессе, прокатке на роторном грануляторе с плоской матрицей и в скоростном грануляторе окатывания 104
3.1 Анализ напряженного состояния материала в очаге деформации между гладкими валками пресса и расчёт силовых параметров 104
3.2 Теоретическая модель прокатки дисперсных сред в канале переменного сечения в роторном грануляторе с плоской матрицей 111
3.3.Особенности процесса гранулообразования многокомпонентных полидис персных материаловв скоростных и тарельчатых грануляторах окатывания 127
3.4 Механизмы гранулообразования и критерии гранулируемости многокомпо нентных полидисперсных шихт 138
Выводы по третьей главе 150
4. Разработка многостадийных процессов получения гранулированных продуктов из многокомпонентных полидисперсных материаловс использованием вторичных материальных ресурсов методами компактирования и прессования 152
4.1 Системный анализ химико-технологических процессов гранулирова ния 152
4.2 Разработка энергосберегающих процессов компактирования стеклообразую-щих и эмалевых шихт и физической модели их плавления в промышленных барабанных печах 162
4.3 Разработка процессов получения безобжигового силикатного гравия и гранулированных наполнителей 188
4.4 Влияние процессов дополнительной обработки наполнителей и пигментов методами механоактивации на качество стеклоэмалей и лакокрасочных покрытий 205
Выводы по четвертой главе 215
5. Процессы гранулирования различных материалов методами окатывания на скоростных грануляторах и прокатки на роторных грануляторах с использованием растительных, пищевых отходов и техногенного сырья 217
5.1 Исследования процесса скоростного гранулирования органоминеральных и калийно-магниевых удобрений 217
5.2 Разработка технологических процессов гранулирования ферментных препаратов 228
5.3 Особенности процессов гранулирования комбикормов, топливных гранул и отработанных бумажных масс методом прокатки на роторных грануляторах с плоской матрицей 243
Выводы по пятой главе 255
6. Разработка инженерных методов расчета процесса гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов на основе отходов и результаты реализации научно-технических разработок 258
6.1 Методика расчета технологических и энергосиловых параметров процесса компактирования с учетом процессов дополнительной подготовки сырья 259
6.2 Разработка метода расчёта гранулирования отходов растительного сырья и топливных композиций на роторных грануляторах с плоской матрицей 265
6.3 Методика расчёта энергосиловых параметров процесса гранулирования в скоростном грануляторе окатывания 268
6.4 Результаты реализации научно-технических разработок по получению целевых продуктов 2 6.4.1 Создание опытно-промышленной линии процесса компактирования эмалевых шихт для условий ОАО «Кировский завод» 274
6.4.2 Разработка участка гранулирования топливных гранул с прессовым гранулятором 276
6.4.3 Промышленное внедрение технологической схемы гранулирования ОМУ и калимагнезиидля условий ОАО «Буйский химический завод» 279
6.4.4 Разработка промышленной технологии производства гранулированного лак-тозима, абомина и сычужных ферментов 280
6.4.5 Разработка и внедрение технологической линии для производства товарных полупродуктов из вторичных полимернаполненных композиционных материалов (ВПКМ) 282 6.4.6 Разработка комплексных технологических процессов для промышленного производства наполнителей, пигментов и красочных паст 285
Выводы по шестой главе 289
Основные результаты и выводы 290
Основные условные обозначения 293
Список литературы 296
- Особенности структурообразования многокомпонентных дисперсных материалов
- Использование связующих и технологических добавок в процессах дополнительной подготовки многокомпонентных полидисперсных материалов при гранулировании
- Теоретическая модель прокатки дисперсных сред в канале переменного сечения в роторном грануляторе с плоской матрицей
- Разработка процессов получения безобжигового силикатного гравия и гранулированных наполнителей
Введение к работе
Актуальность работы. Многие вопросы повышения эффективности и интенсификации технологических процессов как в химической промышленности, так и в смежных отраслях решаются путем перевода сьшучих порошковых и зернистых сред в гранулированное состояние. При получении гранулированных продуктов широко используют вторичные материальные ресурсы (BMP), такие, например, как шлаки, отработанные наполнители и твердые отходы.
В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт в области комплексной переработки и гранулирования дисперсных систем на основе природного сырья. Значительный вклад в научное развитие процессов гранулирования внесли отечественные ученые: П. А. Ребиндер, М. Б. Генералов, П. В. Классен, О. С. Чехов, И. Г. Гришаев, О. В. Тиньков, В. С. Севостьянов, Л. М. Сулименко, Б. П. Грохольский, В. П. Каташинский, М. Ю. Ершов, А. Л. Таран, В. И. Назаров, В. Г. Калыгин, Т. Н. Ильина, Н. С. Крашенинникова и др. Однако в настоящее время, кроме природного исходного сырья, возрастает количество твердых отходов в виде техногенного сырья и BMP, используемых при получении гранулированных продуктов. Существующие задачи гранулирования таких многокомпонентных полидисперсных материалов (МПМ) до настоящего времени недостаточно изучены и требуют научных и технических решений. Разработка процессов гранулирования таких материалов позволит существенно повысить как качество целевого продукта, так и экологическую безопасность этих процессов.
При производстве стеклоизделий используются гранулированные стекло-образующие шихты на основе BMP (золы, шлаки, горелые пески, хвосты рудопромывки фосфоконцентрата и отработанные формовочные смеси), из которых можно выделить эмалевые и стекольные.
Тяжелые и легкие наполнители, как природные, так и искусственные, на основе кремнеземистых отходов в гранулированном виде, возможно использовать в промышленности строительных материалов.
В производстве удобрений, наряду с комплексными удобрениями типа NPK, появляются модернизированные рецептуры, например, органоминераль-ные удобрения (ОМУ). В составе ряда удобрений используют местные ресурсы, такие как торф, сапропель, отходы в виде золы, шламов и техногенного сырья.
Среди продуктов пищевой промышленности и твердых биотоплив особое место занимают гранулированные ферментные препараты (ФП), премиксы и топливные пеллеты на основе растительных, пищевых и древесных отходов.
Гранулирование таких дисперсных сред (ДС) связано со значительными энергозатратами. Существующие физические модели и математическое описание процессов гранулообразования основаны на большом объеме экспериментальных данных и не всегда учитывают физико-механические характеристики и реологические свойства ДС. Это не позволяет обоснованно выбрать тип гранулирующего оборудования и методы расчета технологических и конструктивных параметров.
Актуальной задачей является разработка энергосберегающих процессов гранулирования МПМ с регулируемыми характеристиками, выбор способа гранулирования и методов расчета прессового и окатывающего оборудования.
Работа проведена в рамках основных направлений научных исследований кафедры ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» за 2001 - 2008 гг., в соответствии с планами госбюджетных и договорных НИР МГУИЭ (2001 -2012 гг.), по бюджетной тематике МИТХТ им. М. В. Ломоносова 1Б-3-336 «Разработка энергосберегающих, массообменных процессов и технологий» за период с 2005 по 2008 гг. и с 01 января 2010 г. по 31 декабря 2012 г. Работы выполнялась также в рамках государственных контрактов № 16.525.11.5003 от 25.05.2011 г. (шифр 2011-2.5-525-003-002ц) и № 14.527.12.0023 от 20.10.2011 г. (шифр 2011-2.7-527-019), заключенных между Министерством образования и науки РФ и МГУИЭ; по ФЦП ФГУП «ИРЕА» «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.» № 16.552.11.7054 от 12 июля 2012 г. и ряда других.
Цель работы - разработка энергосберегающих процессов гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов на основе единой методологии уплотнения методами компактирования на валковых прессах, прокаткой на роторных грануляторах с плоской матрицей, с каналами переменного сечения и окатыванием в скоростных горизонтальных и тарельчатых грануляторах.
Для достижения поставленной цели необходимо:
исследовать физико-механические свойства многокомпонентных полидисперсных материалов в цикле гранулирования и оценить влияние ввода связующих и технологических добавок, механоактивации и термообработки на процесс структурообразования;
разработать теоретическое обоснование и методы управления структурой гранулируемых сред, позволяющих осуществлять процессы гранулирования при пониженных энергозатратах;
выявить количественные связи параметров процесса компактирования, прокатки на роторных грануляторах и окатывания с силовыми параметрами, основанные на постадийном рассмотрении технологии гранулирования;
исследовать процесс механоактивации шихт на стадиях смешения и помола: в смесителях бипланетарного типа, барабанных измельчителях, вибромельницах; исследовать процесс получения высокодисперсных суспензий в аппаратах с профильными мешалками;
разработать физическую и математическую модель процесса гранулирования при прокатке природного и техногенного сырья на роторном грануляторе; провести экспериментально-теоретическое исследование основных закономерностей процесса компактирования МПМ с техногенным сырьем на валковых прессах и прокатки на роторных грануляторах;
разработать физическую и математическую модель движения динамического слоя частиц в скоростных грануляторах различных типов; установить механизм гранулообразования органоминеральных удобрений с учетом взаимосвязей технологических и конструктивных параметров гранулятора и кинематики движения частиц по корпусу гранулятора;
разработать линии и аппаратурное оформление для гранулирования МПМ на основе природного и техногенного сырья компактированием, прокаткой и окатыванием;
систематизировать экспериментальные данные по процессам подготовки и гранулирования МПМ и разработать инженерные методы расчета основного оборудования;
провести опытно-промышленную апробацию научных разработок.
Научная концепция. Разработка и научное обеспечение методов интенсификации энергосберегающих процессов гранулирования МПМ; создание соответствующего аппаратурного оформления на основе комплексного анализа основных закономерностей подготовки шихт и механизмов гранулообразо-вания; учет физико-механических характеристик МПМ при постадийном анализе процессов смешения, механоактивации и гранулирования, обеспечивающий рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.
Достоверность результатов работы базируется на использовании стандартизированных и современных физико-химических методов исследования на базе аккредитованных испытательных лабораторий, воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности измерений, не противоречащих научным представлениям о закономерностях процессов грануло-образования дисперных сред, а также отсутствием противоречий с теми сведениями, которые ранее были известны.
Научные положения, выносимые на защиту:
разработка методологии комплексного анализа структурообразования гранул на стадиях подготовки (смешение, механоактивация) и гранулирования с учетом изменений, происходящих в гранулируемой системе;
физическая модель и математическое описание взаимодействия частиц при постадийном уплотнении в роторном грануляторе с плоской матрицей; разработанные на этой основе методы расчета энергосиловых параметров процесса прокатки;
инженерные методы расчета основных параметров процесса прокатки на роторном грануляторе, основанные на совместном анализе усилий, приложенных к гранулируемому слою материала, контактных напряжений на поверхности ролика и распределения напряжений по длине канала переменного сечения, при послойной и порционной запрессовке шихты в канал;
разработка физической модели процесса гранулирования механоакти-вированного техногенного сырья в роторном грануляторе с плоской матрицей с учетом его физико-механических характеристик;
физическая модель и математическое описание процесса скоростного гранулирования ОМУ в турболопастном горизонтальном грануляторе;
обоснование принципов энергосбережения, составляющих основу разрабатываемых процессов и способов производства гранулята; методы стабилизации параметров процессов компактирования, прокатки и окатывания за счет обработки МПМ на стадиях их дополнительной подготовки.
Научная новизна.
- Разработана классификация многокомпонентных полидисперсных
материалов на основе параметров, отражающих физико-механические харак
теристики гранулируемых материалов, таких как пластическая прочность,
удельная поверхность, число формуемости, боковое давление, внутреннее и
внешнее трение, сцепление, остаточное расширение, используемых для выбора метода гранулирования и расчета технологических параметров.
Разработаны способы воздействия на механизм гранулообразования МПМ путем ввода связующих, механоактивации и термонагрева, позволяющие при гранулировании методами прессования и окатывания получать целевой продукт при уменьшенных энергозатратах.
Предложено качественное описание процессов компактирования МПМ в виде последовательных стадий, используя комбинации механических моделей Гука, Бюргерса, Шведова и Максвелла-Томпсона. Показано, что стеклообразующие и эмалевые шихты, кремнеземистые пористые материалы в процессе уплотнения ведут себя как сыпучепластичные среды, а техногенные материалы (древесные, растительные и полимербумажные отходы) - как у пру го вязко пластичные и упруготвердеющие.
Механизм гранулообразования при прокатке на роторном грануляторе с плоской матрицей рассматривается как совокупность последовательных стадий: захват и предварительное уплотнение массы; деформирование в условиях сжатия и сжатия со сдвигом без разрыва сплошности движущейся массы через каналы переменного сечения.
Разработан процесс скоростного гранулирования ОМУ методом окатывания, основанный на количественном описании траектории движения «пакета» дисперсных частиц после его схода с лопатки и стесненного движения в динамическом слое.
- Для стадии подготовки разработан совмещенный процесс смешения с
механоактивацией и с пластификацией стеклообразующих и эмалевых шихт,
пористых порошков, ферментных препаратов, органоминеральных удобрений
и заполнителей на основе BMP. Установлены диапазоны скоростей смесителей
со шнековыми элементами, обеспечивающие обновление поверхности частиц
для различных типов МПМ. Обосновано использование параметра пластиче
ской прочности Рт для оценки качества подготовки МПМ.
Установлено, что при модификации частиц Ті02 методами компактирования и измельчения происходит их структурная перестройка с частичным образованием пигмента рутильной формы, что обеспечивает более высокие оптические свойства пигмента.
Создан комплексный процесс гранулирования ферментных препаратов методами таблетирования и скоростного окатывания, обеспечивающий получение конечного продукта с повышенной коагуляционной активностью в режиме предельных динамических нагрузок.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
- Разработаны и испытаны в опытных производствах процессы компак
тирования и окатывания МПМ и прокатки растительных и органических отхо
дов на роторных грануляторах с плоской матрицей, основанные на управлении
их физико-механическими свойствами на стадиях дополнительной подготов
ки; эти процессы используются при получении гранулированных строитель
ных композиций, эмалевых и стеклообразующих шихт, наполнителей, топлив
ных гранул, препаратов на основе ферментов, а также при утилизации про
мышленных и бытовых отходов.
Для вибрационных горообразных аппаратов с шарами получены уравнения регрессии для определения диаметра частиц, удельной поверхности и структурно-деформационных характеристик.
Созданы научно-обоснованные комплексные методики инженерного расчета процесса гранулирования на валковых прессах, роторных грануляторах с плоской матрицей и скоростных грануляторах турболопастного типа, учитывающие дополнительную подготовку МПМ различными методами.
На ОАО «Буйский химический завод» внедрен процесс гранулирования органоминеральных и калийно-магниевых удобрений с использованием скоростного турболопастного гранулятора.
Разработана комплексная минерально-химическая добавка КММ на основе пермаита и комплексный минеральный модификатор КМХМ на основе перлита, используемые фирмой ООО «Биотех» в производстве бетонов; создано опытно-промышленное производство для их получения.
Разработан процесс получения гранулированных эмалевых шихт методом компактирования применительно к условиям ОАО «Кировский завод». Способ варки из гранулированных шихт в барабанных печах обеспечивает сокращение времени варки и потерь легколетучих компонентов.
Разработан и реализован процесс компактирования механоактивиро-ванных техногенных пигментов на основе диоксида титана и микроталька, используемых при производстве пигментированных паст, суспензий и стекловидных эмалей.
Разработаны и прошли опытно-промышленную апробацию многостадийные процессы получения гранулированных молокосвертывающих ферментных препаратов и фармпрепарата «Абомин» для фирмы 000 «Штыков и К» и ОАО «Московский завод сычужного фермента».
Разработаны способы гранулирования дисперсных сред на тарельчатом грануляторе, состав твердотопливной гранулированной композиции и способ ее получения, метод гранулирования с использованием скоростного тарельчатого гранулятора, конструкции прессового гранулятора с плоской матрицей и бисерной мельницы с профильными мешалками, защищенные патентами РФ.
На ФГУП «ИРЕА» и смежных предприятиях внедрены многостадийные технологии получения ультрадисперсных пигментов и паст, в которых используется современное отечественное оборудование.
Абсолютный прирост выпуска от применения разработанных технологических процессов за счет внедрения и реализации новой продукции составил более 800 млн. р.
Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе при изучении дисциплин «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Переработка и обезвреживание твердых промышленных отходов» в Московском государственном машиностроительном университете (МАМИ).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на 18 научно-практических конференциях регионального, всероссийского и международного уровней.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 47 печатных работах, в том числе в 23 статьях, рекомендованных ВАК РФ, в одном учеб-
ном пособии Минобрнауки, в трех учебных пособиях вузов, в пяти патентах РФ на изобретение, одном патенте РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть глав, выводы, список использованной литературы из 344 наименований, основные условные обозначения, приложения. Работа изложена на 380 страницах, содержит 164 рисунка, 30 таблиц.
Особенности структурообразования многокомпонентных дисперсных материалов
Выбор метода и способа гранулирования зависит от свойств перерабатываемых сред и от требований к конечному продукту [40,49,64, 108-109, 120, 189, 293].
В настоящее время из дисперсных сред (ДС) методами компактирования и окатывания получают прессовки и гранулы заданной формы с требуемыми структурно-деформационными свойствами.Методы гранулирования и аппаратурное оформление для его проведения классифицируются следующим образом [50,290]: 1- стихийная агломерация в процессах измельчения (шаровые и вибрационные мельницы, элеваторы, конвейеры); 2-перемешивание в смесителях различного типа (шнековые, лопастные, вибрационные); 3- формование методом продавливания через фильеру с термообработкой (шнековые, плунжерные экс-трудеры, прокатка через фильеру); 4-окатывание на неподвижной или движущейся поверхности (грануляторы барабанного и тарельчатого типа, роторные, аппараты "КС"); 5- прессование и компактирование на таблеточных машинах, валковых и брикетных прессах. Получаемые при этом гранулы, таблетки и прессовки характеризуются уплотнением структуры.
Агломерация, происходящая в процессах измельчения порошковых и зернистых сред, вызвана за счет механического воздействия на тело и возникающих при этом дополнительных контактов между частицами [2,29,317, 338]. Коэффициент однородности в процессе агломерирования оценивается как, A=\-e-bDtF9 (1.1) где D - диаметр мельницы; d - размер мелющих тел; b и m - константы, зависящие от плотности измельчаемого материала и мелющих тел, а также природы агломерации. При этом, происходит резкое замедление прироста удельной поверхности, что связано со способом ввода в систему механической энергии и ее величиной. Процесс одновременного измельчения и грануляции осуществляется в шаровых мельницах, вибрационных аппаратах, элеваторах и конвейерах.
При вибрационном воздействии на дисперсную среду в аппаратах различного типа также возможен эффект стихийной агломерации. Колебания, которые распространяются в обрабатываемом порошке, вызывают соударения частиц, способствующие их агломерации. На возникающие зародыши налипают частицы порошка, происходит их окатывание и уплотнение агломератов.
Гранулирование формованием основано на способности увлажненных или пластичных материалов при определенных технологических условиях и силовом воздействии рабочих органов образовывать, вследствие пластических деформаций гранулы требуемых форм и размеров [1,65, 173, 252]. Метод формования включает стадии подготовки (пластификации) материала, формование и конвек 17
тивную обработку сформированных частиц. Формующие грануляторы условно подразделяют на четыре класса - шнековые, роторные, плунжерные и комбинированные [127]. Наиболее производительными из формующих устройств являются роторные грануляторы, которые подразделяются на протирочные и валковые (с плоской или кольцевой матрицей) [192,274,277]. Применение грануляторов с кольцевой матрицей предполагает такое состояние материала, при котором сформованные гранулы должны обладать текучестью, не слипаться и сохранять форму. При гранулировании пластифицированных дисперсных материалов целесообразно использовать валковые грануляторы с плоской матрицей. При экструзии в шнековых и роторных грануляторах в шихту вводят жидкую фазу (15 -18)% для перевода материала в пластичное состояние [34, 88, 110,305]. Ввод связующего, обеспечивает как относительное перемещение частиц при их уплотнении, так и появление сил поверхностного натяжения. Это увеличивает силу сцепления между частицами и облегчает их формование.
Кинетика гранулообразования в барабанныхи тарельчатых грануляторах описана в работах [45,93,94,100,111,125,171, 245,246,294,342,131, 132,326]. Гранулирование включает стадии: смешение исходных частиц шихты со связующим и ретуром, образование гранул из мелких частиц, их дробление, окатывание и уплотнение гранул и агломератов на движущейся поверхности аппарата. Упрочнение связей между отдельными частицами и гранулами происходит в результате термической или иной обработки.
В тарельчатом грануляторе порошковая шихта подается на наклонно вращающуюся поверхность с одновременной подачей дозированного количества связующего. Образующиеся в результате окатываниягранулы, движущиеся по тарели, укрупняются, а благодаря разнице между коэффициентом внутреннего трения частиц разного размера и коэффициентом внешнего трения частиц о поверхность тарели происходит их классификация по размерам. Недостатком является чувствительность процесса к количеству связующего и узкий диапазон изменения режимных параметров. В скоростных грануляторах окатывания перемещение частиц по цилиндрической поверхности осуществляется за счёт вращения ротора с лопатками, от зоны загрузки к выгрузке. Эти грануляторы обеспечивают высокую удельную производительность [24,67,72,130,327]. Гранулообразование в скоростном грануляторе происходит, при воздействии на гранулируемый порошок лопастей вала, вращающегося с высокой скоростью. Упрочнение гранул проводится на стадии сушкис получением гранул диаметром от 0,2 до 1,5 мм. При гранулировании происходит турбулизация потока частиц и связующего, что обеспечивает образование гомогенной трехфазной системы (твердое вещество - жидкость - газ). В некоторых аппаратах при гранулировании протекают реакциями междухимически активными компонентами, что обеспечивает получение прочных агломератов[ 16,40].
Кроме того, за счет интенсивного перемешивания происходит повышение температуры в гранулируемых слоях, что приводит к термопластификации или к фазовому переходу из твердого состояния в жидкое. За счет тепла экзотермических реакций может проходить подсушка гранулята и при уменьшенном количестве связующего можно обходиться без сушки. Этот процесс применяют при производстве сложно-смешанных удобрений на основе аммиачной селитры или карбамида [293,295].
Недостатком таких грануляторов является возрастание осевой скорости частиц от загрузки к выгрузке. Неравномерность движения потоков исходного сырья приводит к проскоку частиц, не прошедших стадию гранулирования в зоне интенсивного движения и, соответственно, к увеличению полидисперсности готового продукта.
Метод прессования, таблетирования, брикетирования и компактирования на валковых прессах позволяет гранулировать ДС в широком диапазоне соотношений исходных компонентов [9,31,36,37,42,91,117,185,288,304,314]. При прессовании стекольных и других дисперсных сред грануляция обеспечивает гомогенность смеси, равномерность распределение компонентов в гранулах и их высокую плотность и прочность. В ряде отраслей широко используется компактирование шихты на валковых прессах [25, 80, 96, 98, 138, 197,222,254]. В общем случае, процесс компактирова-ния происходит следующим образом. Исходная шихта подается в загрузочный бункер пресса, обеспечивающий непрерывную подачу шихты в зону силового воздействия вращающихся валков. Получаемый прессат имеет форму ячейки валка (гранулы, брикеты) или получается в виде плитки толщиной, соответствующей зазору между валками.
Использование связующих и технологических добавок в процессах дополнительной подготовки многокомпонентных полидисперсных материалов при гранулировании
Значительная полидисперсность исследуемых материалов затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможным, получения целевого продукта узкого грансостава. Применение механоактивации на стадиях дополнительной подготовки МПМ позволяет получать продукт с новыми физико-химическими свойствами, что интенсифицирует процессы гранулирования методами окатывания и прессования.
При интенсификации процесса гранулирования МПМ на стадии подготовки посредством механоактивации была принята известная гипотеза [137], по которой в процессе воздействия на материал часть подводимой энергии поглощается телом, вследствие чего активность последнего возрастает. Основой технологического воздействия при подготовке МПМ к процессам гранулирования окатыванием и компактированием являются стадии дробления, измельчения, помола и смешения. Применительно к исследуемым материалам эти процессы не являются чисто механическими и сопровождаются изменением гранулометрического состава и образованием новых фаз. Применение «мягкого механохимического синтеза» интенсифицирует твердофазные реакции, протекающие между компонентами шихт. Это увеличивает концентрацию усваиваемых компонентов в целевом продукте [218,219]. Кроме этого, такая подготовка МПМ позволяет получать гранулированный материал при меньших нагрузках (давлениях) в режиме энергосбережения при высоких технологических и потребительских свойствах [153,212].
Теоретическое описание кинетики химических реакций между твердофазными механоактивированными компонентами основано на использовании различных факторов. Это связано со сложным влиянием на скорость реакций - давления, температуры и степени превращения. Для ряда случаев скорость реакции будет пропорциональна скорости образования новой поверхности и подведенной энергии.
Механическая активация дисперсных сред может проводиться как в периодическом так и в непрерывном процессе на различном оборудовании [87,316]. Одни процессы протекают во времени под постоянным высоким полем напряжений с изменением реакционной способности твердых веществ, а другие -при периодическом воздействии серией механических импульсов. Следует заметить, что импульсное воздействие рабочих органов на частицы реализовано в скоростных горизонтальных смесителях-грануляторах [67,111]. Процессы механоактивации проводили также в шаровых барабанных, бисерных, вибромельницах с учетом природы материала.
На примере стеклообразующих и эмалевых шихт исследовали влияние механоактивации на протекание реакций между химически активными компонентами. Состав шихт содержал от 7 до 10 компонентов (Na2C03, KN03, К2С03 и Ca(N03)2 и др.) с различной реакционной способностью. Проведенный анализ процессов компактирования показал, что происходит увеличение удельной поверхности и изменение структуры частиц, что сопровождается протеканием твердофазных реакций [121,175,216]. Их оценка проводилась по кинетике изменения величины рН водной суспензии. В ряде стеклообразующих шихт после гранулирования в ком-пактированной шихте образуются кристаллогидраты THnaNa2CO3nH20, титанита, тоберморита. Рентгенофазовый анализ, выполненный в работах других авторов [96,249], подтверждает образование таких кристаллогидратов.
Механоактивация сопровождается образованием поля напряжений, приводящего к нагреву, диспергированию частиц, модифицированию и активированию поверхности за счет аморфизации или пластических деформаций. Эффективность процесса механоактивации, как фактор интенсифицирующий гранулирование МПМ зависит от времени воздействия поля напряжений, так и от времени его релаксации. При этом, реакции между химически активными комопнентами протекают в ограниченном промежутке времени.
Учитывая вышеизложенное, можно менять режим обработки материала и регулировать характер релаксации поля напряжений, т.е. активно использовать меха-нохимические процессы и механическую активацию в проведении процессов гранулирования. Это позволяет получать диспергированный материал с заданными физико-химическими свойствами и улучшеннымихарактеристиками, в частности у пигментов и наполнителей [153]. Так использование механической активации при подготовке пигментов (на примере оксида титана (IV)) приводит к сужению их дисперсного состава и к полиморфным превращениям (рис. 2.8). а) б) в)
Для всех стадий активации диспергированием происходит изменение энергии активации АЕ, которая позволяет прогнозировать время диспергирования, эффективность механической активации и прирост удельной поверхности. В процессах механоактивации при наложении внешней нагрузки необходимый грансо-став ((150=5- 10 мкм) и удельная поверхность достигаются после измельчения в шаровых измельчителях и вибромельницах. Удельную поверхность измельченного тела АУдОбычно определяют используя уравнение Чарльза, объединяющее энергетические законы измельчения Кирпичева-Кика, Ритингера и Бонда [100,218].
При измельчении МПМ в шаровых мельницах, происходит не только изменение размера частиц, но и сложный физико-химический процесс увеличения потенциальной энергии вещества [35,99,322].
Далее рассмотрены процессы гранулирования МПМ с применением механоактивации в барабанах и вибромельницах с помольными элементами. Схемы движения материала и шаров в этих мельницах представлены на рис.2.9-2.11. В циклическом режиме (рис. 2.9) сыпучий материал и шары двигаются по замкнутому циркуляционному контуру. При небольших скоростях, когда Ет EdEj и Е0 - работа шара и энергия, необходимая для разрушения частиц, соответственно) частицы находятся под действием шаров в зоне упругой деформации. Объем материала с частицами можно разделить на слой СВА поднимающийся и - ADC ска 86 тывающийся. Нижний слой вращается вместе с барабаном и неподвижен относительно его поверхности. Материал с верхнего слоя вместе с частью шаров перемещается по нижнему слою в противоположную сторону. При наличии шаров толщина верхнего и нижнего слоев одинакова.
Теоретическая модель прокатки дисперсных сред в канале переменного сечения в роторном грануляторе с плоской матрицей
Увеличение влажности приводит к уменьшению Рт материал становится подвижным в своем объеме, а процесс гранулирования в этих диапазонах влажностей нецелесообразен.
Небольшой рост величины Рт для шихт ЭСП-210, ЭСП-212 и С-2 в зависимости от влажности объясняется неравномерным распределением связующего в шихте и смазывающим эффектом действия влаги, адсорбированной на поверхности частиц, а также присутствием в шихте гигроскопичных и пластичных компонентов. Влажность этих шихт при проведении процесса компактирования для эмалей ЭСГ-26 и Т-16 должна быть не более (4-6)%, а для остальных типов -(7-10)%.
Эти данные согласуются с результатами проведения экспериментов по получению плитки на валковом прессе. В нашем случае плотно-прочные прессовки получаются при влажности (4-6)% [203-204].
В технологическом цикле шихту сначала перемешивают, а через некоторое время после хранения проводят варку. Установлено, что пластическая прочность в зависимости от времени хранения шихты. Необходимо отметить, что при подготовке шихты к процессу стекловарения её при смешении дополнительно увлажняют и до загрузки в стекловаренные печи проходит длительное время. Это приводит к слёживанию шихты, испарению влаги и рассеиванию энергии, затраченной на получение структуры. Из рис.4.6 видно, что для шихт Т-16 (W= 6,7%) и ЭСП-212 (W=5,6%) величина Рт изменяется в первые 6 часов хранения, а затем остается постоянной. Увеличение Рт для шихты ЭСГ-26 объясняется протеканием твердофазных реакций под действием связующего. При этом использовался «Лигнопан Б-3», в котором содержится до 30% сухих веществ, придающих ему вяжущие свойства. Его применение, по сравнению с водой, более эффективно, так как полученные прессовки обладают повышенными прочностными свойствами [150].
Из этих данных следует, что процесс гранулирования стеклообразующих и эмалевых шихт целесообразнее проводить за один временной цикл: смешение -компактирование. В противном случае, образующиеся при смешении шихты твердые солевые мостики, разрушаются, что приводит или кдеструкции системы, или к образованию агломератов.
Для исследованных типов шихт при использовании методов статистического планирования эксперимента получено уравнение для определения величины Рт Pm=5,45 + 0,49(0,273W-l,ll)-0,8(0,26-l,llW)(2,3E$-3,34)-l,l(0,26W-l,ll)2 -1,1-(2,ЗЕФ-3,35)2 , (4.2) WG(0,4-8,0)%; ЕФЄ(1,11-1,89). На основе экспериментальных данных установлено, что качество смешения дисперсных сред определяется конструкцией смесителей и, соответственно траекторией движения материала в объеме [20,236,261].
При подготовке шихт к процессам гранулирования оптимальным является совмещение процессов смешения и механоактивации [275,292,297,306].
Ранее нами было установлено [144], что используя смесители бипланетарно-го типас принудительным движением мешалок (БСП) и аппараты с мешалками рамочного типа можно обеспечить высокое качество смешения МПМ. Для ис 167 пользования их в технологических линиях гранулирования (рис. 4.7, 4.8) для стеклообразующих и эмалевых шихтбыли проведены комплексные исследования. Исследования качества смешения проводили в адаптивном циклоидальном смесители АЦС с самонастраивающимся режимом движения мешалок [20,301]. В конструкции (рис. 4.7) мешалки 9 вращаются от привода 3 с разными скоростями за счет разных сил трения материала, возникающих при взаимодействии дисперсной среды в центре аппарата и у стенок. Наличие шнеков обеспечивает транспортировку материал снизу вверх, что создает эффект псевдоожижения. Качество смешения материалов определяли по распределению влаги в объеме смесителя и химической однородности.
Адаптивный циклоидальный смеситель (а) и схема траекторий движения мешалок (б): 1- шатун; 2- кривошип; 3- электродвигатель; 4- вал электродвигателя; 5- крышка; 6- загрузочный патрубок; 7- корпус; 8- цилиндрический шарнир; 9-мешалка; 10- шибер: 11 - объем перемешиваемой массы
Методами кинофотосъёмки установлено, что перемешиваемая шихта движется в объёме аппарата в режиме псевдоожижения. Это связано с тем, что шнеки вращаются вокруг своей оси с большой скоростью и их наклонные лопасти взаимодействуют с частицами.В результате они транспортируют частицы и выбрасывают их из слоя вверх [198 -199]. При этом обеспечивается необходимая модификация поверхности частиц, приводящая к возникновению активных центров механоактивации.Болыпая скорость вращения, сложная траектория движения мешалок, охватывающая весь объём смесителя приводит к расширению слоя примерно в два раза.
Важным параметром стеклообразующих и эмалевых шихт является их химическая однородность [121].
Для модельной восьмикомпонентной стекольной шихты при высоте засыпанного слоя Нзс равной 0,3 высоты корпуса однородность («О») определяли по изменению её ключевых компонентов (Na20 и СаО) (рис. 4.10).Установлено, что при изменении частоты вращения выходного вала от 80 об/мин до 200 об/мин (при времени смешения от 2 мин до 10 мин) полученная химическая однородность шихты отвечает техническим условиям приготовления таких шихт.
Смеситель рамочного типа также обеспечивает смешение в режиме псевдо-дожижения, а траектории движения частиц шихты представлены на рис. 4.8. Высокие скорости вращения мешалок приводят к механоактивации поверхности частиц. При этом также определяли изменение пластической прочности Рт от влажности шихты и времени хранения (рис. 4.11). Из графиков видно, что изменение величины Рт происходит в три этапа. Там же приведены результаты исле-дования изменения пластической прочности МПМ, на примере десятикомпонент-ной смеси (типа ОМУ).
Разработка процессов получения безобжигового силикатного гравия и гранулированных наполнителей
Расчет технологических параметров процесса скоростного гранулирования приведен в гл. 3 и учитывает кинетику гранулообразования в движущемся динамическом слое. Энергосиловые характеристики процесса основаны на расчете энергии, затрачиваемой на перемещении пакетов частиц лопатками гранулятора.В обобщенном виде блок-схема расчета технологических и энергосиловых параметров скоростного гранулятора представлена на рис. 6.6.
Расчёт проводят в следующей последовательности: - определяют гранулометрический состав, тип шихты и её исходную влажность; - рассчитывают основные параметры процесса смешения, определяют качество смеси и ее пластическую прочность. По номограммам изменения пластической прочности (построены по уравнениюРт=ґ(\,т, п)) [198,199] определяют необходимое содержание связующего; - определяют скорость движения пакетов частиц в динамическом слое и величину сил, действующих на лопатку и основные технологические параметры процесса гранулирования с учётом физико-механических свойств исходной смеси; - рассчитывают энергосиловые параметры процесса скоростного гранулирования.
Далее приведен инженерный расчета процесса гранулирования на примере получения ОМУ и калимагнезии (КМ). Исходные данные: химический состав; тип связующего; физико -механические свойства материала; Go; нафі грансостав продукта на выходе; dcp Расчет процесса смешения и активации:
На первом этапе проводят анализ исходных и опытных данных по гранулированию в лабораторных условиях. По результатам гранулирования органомине-ральных и калий магниевых удобрений определяют основные режимные параметры процесса гранулирования W0, d0n опытные коэффициенты тип[ 198].
Исходными данными для расчета являются химический состав компонентов в шихте, тип связующего, физико-механические свойства исходных материалов, производительность гранулятора, конечный грансостав продукта, средний диаметр товарных гранул.
На втором этапе определяют скорость движения частиц в динамическом слое и величину сил действующих на лопатку со стороны перемещаемого слоя материала. Расчёт скоростей, траекторий движения и нагрузок, «пакетов» частиц определяют с использованием программы «RotorV.2». [78].
В грануляторе под действием центробежных сил материал отбрасывается от лопаток, прижимается к стенке корпуса гранулятора и движется по винтовой линии относительно поверхности.
В общем, виде движение смеси описывается уравнением(3.70) и происходит за счет взаимодействия веса G, сил FTPn F4n нормальной реакции N.
Использование программы «RotorV.2» позволяет определить перемещение, скорость и ускорение при движении пакета частиц по лопатке, в динамическом слое и по поверхности корпуса. При этом определяются значения сил действующих на лопатку, а по величине силы нормального давления можно рассчитать момент сопротивления движению лопасти. Расчет траекторий движения пакетов частиц приведен в главе 3.
На третьем этапе определяют основные технологические параметры про цесса гранулирования с учетом физико-механических свойств исходной смеси. Средний диаметр гранул определяют по известной зависимости [93,107] dcp=d0expw{w0-Wp)" (6.19) где Wp - влажность гранулируемой смеси, соответствующая началу гранулообра-зования; тип- экспериментальные коэффициенты. Для ОМУ и КМ т = 2\,6;п = 3,23 ит = 1,64; п = 0,53, соответственно[ ].
Далее рассчитывают производительность гранулятора и необходимое количество связующего [152,198].
Длина пути при гранулообразовании определяется следующим образом. За счет воздействия лопаток «пакеты» частиц движутся по винтовой линии корпуса гранулятора (рис 6.7) K3= 1,15 -+-1,25; К І - коэффициент характеризующий свойства материала; Кі= 1,1 -+- 1,2 - для легких мелкодисперсных порошков; К[= 1,2 -+-1,6- для зернистых материалов средней плотности; Kj= 1,8+2,0- для смеси порошков и гранулированного ретура. Коэффициенты Кги К3 получены экспериментально [67]
Такой расчет используется для предварительного подбора оборудования. Расчёт потребляемой мощности привода скоростного гранулятора с учетом кинематики движения динамического слоя шихты и кинетики гранулообразования проводят по аналогии с работой [56] при следующих допущениях. Принимается, что высокие скорости вращения вала с лопатками, обеспечивают создание кольцевого слоя частиц и транспортировку его вдоль корпуса. В каждой зоне гранулятора может размещаться определенный тип лопаток
Лопатка гранулятора, закреплённая на стержне, может иметь плоскую, прямоугольную, эллипсоидную или иную форму. Количество лопаток, шаг между ними и форма выбираются с учётом их функционального назначения. Расстояние от наиболее выступающих точек лопаток до внутренней поверхности корпуса выбирается в диапазоне от 5 до 8 мм.
Во время работы лопатки захватывают пакеты частиц тг которые при вращении вала перемещаются от лопатки к лопатке. Интенсивность движения «пакета» частиц описывается на основе расчета подводимой к нему кинетической энергии Ті (рис. 6.9). где I- момент инерции относительно оси вращения; о угловая скорость вращения, с"1; mi- масса «пакета» частиц, кг; г і - радиус лопаток, м; z-количество лопаток.
На основании комплексных исследований процесса гранулирования МПШ были разработаны и внедрены технологические линии получения гранулированных продуктов (эмалевых и стеклообразующих шихт; органоминеральных удобрений, топливных композиций, полимерных бумажных отходов) и высокодисперсных пигментов. На способы гранулирования и конструкции аппаратов получены патенты РФ [238+243]. Необходимо заметить, что в запатентованных способах и конструкциях реализованы научные идеи, выявленные при исследовании различных аспектов процессов гранулирования и дополнительной подготовки МПМ. Формулы изобретений объединяют технические идеи и отличительные признаки способов и конструкций, определяющих целевое использование грану-ляторов в энергосберегающих процессах.