Способ гранулирования дисперсных сред на тарельчатом грануляторе
Владельцы патента RU 2410152:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет инженерной экологии" (RU)
Изобретение относится к способу гранулирования дисперсных сред на тарельчатом грануляторе и может быть использовано для гранулирования минеральных удобрений, комбикормов и биологически активных препаратов. Гранулирование осуществляют в две стадии, первая стадия - это стадия увлажнения со связующим, которую проводят до влажности 40-70% от оптимальной влажности смеси. При этом первую стадию совмещают с одновременным гранулированием с получением центров гранулообразования, которые затем вводят на площадь поверхности тарели, составляющую 50-80% ее общей поверхности. Вторая стадия - это гранулирование, которое осуществляют со скоростью, превышающей критическую скорость вращения тарели. Отношение площади факела распыла связующего в зоне контакта с материалом составляет 0,4-0,7 рабочей поверхности тарели. Угол подъема материала на периферийной области относительно поверхности дна тарели равен 3-10°. Изобретение позволяет увеличить производительность гранулятора, прочность гранул, а также повысить однородность гранулометрического состава продукта. 1 табл.
Изобретение относится к технике гранулирования зернистых, мелкодисперсных и пылевидных материалов и, в частности, может быть использовано для гранулирования минеральных удобрений, комбикормов и биологически активных препаратов.
Известен способ гранулирования окатыванием, по которому порошкообразный продукт через загрузочный штуцер подают на наклонную вращающуюся тарель, где он увлажняется связующей жидкостью (например, водой) из форсунок и окатывается до гранул заданного размера. На гранулы, находящиеся на вращающейся тарели, действуют сила тяжести, центробежная сила и сила трения. При вращении наклоненной тарели благодаря действию центробежной силы и силы трения гранулы прижимаются к борту и днищу тарели и поднимаются на определенную высоту, а затем под действием силы тяжести скатываются по днищу вниз. Форма траектории движения гранул приближается к спирали.
Процесс гранулообразования в общем случае представляется следующим образом. Диспергируемая вода дополнительно дробится о слой материала. За счет сил поверхностного натяжения и капиллярного давления движущихся жидких пленок частицы материала стягиваются и образуют первичные агломераты. Под действием этих же сил в слое движущегося материала агломераты стремятся принять сферическую форму. Размер первичных агломератов определяется размером капли воды, попадающей в слой материала. Большинство таких агломератов расположено близко друг к другу, и они частично соединены водными пленками. При движении увлажненного агломерата избыточная влага выдавливается на его поверхность, а структура гранулы становится более плотной. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении гранулятора, и сил поверхностного натяжения жидкостных пленок мелкие агломераты вырастают в более крупные и при определенных условиях становятся ядрами (источниками гранулообразования). В дальнейшем неувлажненные (сухие) частицы материала наслаиваются на смоченные частицы ретура. Если размеры диспергируемых капель велики, то образуются частицы внутреннего ретура диаметром 3-5 мм, но при этом механизм укрупнения гранул остается тот же. Дальнейшее уплотнение структуры гранул происходит в плотных динамических слоях за счет сил взаимодействия частиц между собой (П.В.Классен, И.Г.Гришаев, И.П.Шомин. Гранулирование. М.: Химия, 1991, 240 с.).
Недостатком данного способа является жесткое регламентирование процесса гранулирования по угловой скорости вращения тарели ω, углу ее наклона α, месту подачи связующего и ввода материала. Существует критическая угловая скорость или частота вращения тарели n, при которой возникают большие центробежные силы, прижимающие слой частиц к борту тарели и препятствующие скатыванию частиц вниз. В этом случае для работы гранулятора увеличивают угол наклона тарели к горизонту. Критическая частота вращения тарели определяется по зависимости:
,
где φ0 - угол естественного откоса материала, DT - диаметр тарели.
Так как критическая скорость вращения зависит от многих факторов, то на практике для каждого материала эту скорость определяют экспериментально.
При скоростях меньше критической оптимальным считается режим, когда отрыв мелких фракций от борта вращающейся тарели происходит в верхней точке их подъема по поверхности гранулятора. В этом случае эффективно используется половина или чуть больше половины площади дна тарели. Существует предельное значение угла наклона тарели α=45-55°, которое также определяется свойствами материала и требуемым размером гранул.
Кроме того, недостатками этого способа являются ограниченность зоны естественного скатывания, низкий коэффициент использования объема тарели и широкий гранулометрический состав готового продукта.
Известен способ производства гранулированных удобрений, включающий дозирование тонкодисперсных материалов, их смешивание, увлажнение и гранулирование окатыванием с добавками или без них в барабанном или тарельчатом грануляторе (RU 2084276, С1 6 В01J 2/14, 2/28, 1995). В качестве жидкой фазы при гранулировании используется водная вытяжка растворимых компонентов из этих же удобрений при температуре 80-90°C. Из частиц с микронной крупностью получают гранулы размером 1-4 мм. За счет ввода водной вытяжки растворимых компонентов этих же удобрений повышается содержание полезных веществ и прочность гранул благодаря кристаллизации введенных в них солей. Недостатками этого способа являются необходимость введения дополнительной энергоемкой операции получения водной вытяжки растворимых компонентов, высокая чувствительность процесса к дисперсности распыла связующего, широкий гранулометрический состав получаемых гранул и низкая производительность гранулятора. Кроме того, температура нагрева связующего 80-90°C не позволяет проводить гранулирование термолабильных продуктов (например, ферментных препаратов, премиксов и некоторых компонентов комбикормов).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ гранулирования мелкодисперсных материалов на тарельчатом грануляторе, включающий их дозирование, смешивание, последующее увлажнение со связующим и гранулирование окатыванием на вращающейся наклонной тарели с одновременным увлажнением посредством распыла связующего (RU 2082491, С1 6 В01J 2/14, 1994). По известному способу на тарель гранулятора подают увлажненный материал, причем перед его подачей в процессе перемешивания к смеси добавляют зародышевые частицы фракции 5-300 мкм в количестве 25-30% от объема материала. При этом оптимальный результат по производительности и по грансоставу (dэкв=10-20 мм) достигается при диаметре тарели 0,7 м, угле наклона α=55° и частоте вращения n=22 мин-1. Из описания заявки следует, что увлажнение мелкодисперсного материала при смешивании с ретуром ведут до влажности 10-25%, а гранулирование смеси проводят в течение 5 минут с дополнительным увлажнением на 2-5%.
Недостатками данного способа являются использование внешнего крупного ретура (например, мраморной крошки), ввод ограниченного количества связующего, что не позволяет гранулировать тонкодисперсные порошки с получением мелких гранул узкого гранулометрического состава. Этим способом невозможно гранулировать тонкодисперсные ферментные препараты и премиксы с малой насыпной плотностью.
Технической задачей изобретения является увеличение производительности гранулятора, прочности гранул, получаемых как из тонкодисперсных материалов, так и зернистых сред, а также повышение однородности гранулометрического состава продукта. Такой технический результат достигается при использовании совокупности существенных признаков, характеризующих предлагаемый способ гранулирования многокомпонентных, полидисперсных материалов на тарельчатом грануляторе.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе гранулирования дисперсных материалов, включающем их дозирование, смешивание, последующее увлажнение со связующим и гранулирование окатыванием на вращающейся наклонной тарели с одновременным увлажнением посредством распыла связующего, дополнительно введены следующие операции с измененными режимными параметрами. Гранулирование осуществляют в две стадии, при этом стадию увлажнения со связующим проводят до влажности 40-70% от оптимальной влажности смеси и совмещают с одновременным предварительным гранулированием с получением центров гранулообразования и последующим вводом этих центров на площадь поверхности тарели, составляющую 50-80% ее общей поверхности. Дальнейшее гранулирование осуществляют со скоростью вращения тарели, превышающей критическую скорость. При этом отношение площади факела распыла связующего в зоне контакта с материалом составляет 0,4-0,7 рабочей поверхности днища тарели, а угол подъема материала на периферийной области относительно поверхности дна тарели составляет 3-10°.
Заявленный способ позволяет гранулировать как тонкодисперсные порошки (dэкв=5-30 мкм), так и зернистые смеси с размером частиц 3-5 мм. Гранулирование осуществляют на центрах гранулообразования, получаемых при увлажнении исходного материала в предгрануляторе. При заявленных режимных параметрах образуется 70-90% микрогранул от загружаемой смеси. При их подаче на тарель и веерном движении по ее поверхности осуществляется одновременный рост и уплотнение большего количества гранул. В результате использования значительной части рабочей поверхности дна тарели, большей удельной плотности и поверхности орошения связующим движущихся гранул и больших скоростей движения частиц материала через факел распыла процесс гранулирования протекает интенсивней. В результате увеличиваются коэффициент использования объема гранулятора, удельный выход кондиционной товарной фракции узкого гранулометрического состава. Оптимальное соотношение между количествами связующего, подаваемого при увлажнении в предгрануляторе и гранулировании на тарели, при высоких уплотняющих нагрузках также обеспечивает получение прочных гранул.
Таким образом, при совокупности заявленных существенных признаков обеспечивается заявленная цель.
Ниже приводится пример осуществления заявленного способа гранулирования тонкодисперсных материалов. В качестве исходного материала использовали порошкообразный ферментный препарат ГлюкоЛюкс F со средним размером частиц dэкв=5 мкм. Гранулирование осуществляли следующим образом. В качестве связующего использовали воду и раствор поливинилпирролидона. Исходную смесь увлажняли и одновременно гранулировали в смесителе рамочного типа при влажности Wпр=12-40%. Эта влажность составляла 40-70% от оптимальной влажности смеси перед ее сушкой. Затем смесь, состоящую в основном из микрогранул (центров гранулообразования), перегружали на тарельчатый гранулятор, а затем осуществляли процесс гранулирования, вводя дополнительно связующее в количестве 7-20%. После получения гранул заданного размера 1-3 мм смесь выгружали, затем сушили и определяли гранулометрический состав методом рассева на ситах, а также прочность гранул. В таблице приведены результаты лабораторных исследований процесса гранулирования на тарельчатом грануляторе с DT=350 мм в зависимости от режимных параметров процесса.
Из приведенных в таблице данных видно, что при заявленных соотношениях показателей процесса минимальные выход товарной фракции и прочность гранул достигаются в опытах №1 и №4.
Максимальные данные по выходу товарной фракции (91 и 93%), по производительности (9,3 и 9,6 кг/ч), прочности гранул (0,18 и 0,25 МПа) и однородности (коэффициент вариации 0,42 и 0,36) достигаются в опытах №2 и №3 соответственно. При этом максимально используется рабочая поверхность и объем тарели (60 и 80%). Также были проведены опыты при режимных параметрах прототипа (№5), показавшие худшие результаты по сравнению с заявленным способом.
Предлагаемый способ гранулирования мелкодисперсных и зернистых материалов может применяться как при гранулировании ферментных препаратов, комбикормов, премиксов, так и при утилизации отходов пивных производств (высушенная пивная дробина).
| Таблица | ||||||
| № | Показатели процесса гранулирования | Номера опытов по изобретению | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | Прототип | ||
| 1 | Производительность по исходной смеси G, кг/ч | 8,0 | 9,3 | 9,6 | 10 | 5 |
| 2 | Количество связующего, подаваемого в предгранулятор, % от оптим. влажности | 40 | 50 | 65 | 70 | 75 |
| 3 | Влажность смеси после предгранулятора Wnp, мас.% | 12 | 17,7 | 26,2 | 37,5 | 12 |
| 4 | Количество связующего, подаваемое на тарель WT, мас.% | 18 | 18 | 14 | 7,5 | 4 |
| 5 | Влажность гранул перед сушкой W, мас.% | 30 | 35,7 | 40,2 | 45 | 16 |
| 6 | Рабочая поверхность дна тарели, % от общей поверхности | 50 | 60 | 80 | 75 | 50 |
| 7 | Угол наклона тарели α, град. | 40 | 42 | 48 | 50 | 55 |
| 8 | Частота вращения тарели n, об/мин | 37 | 50 | 62 | 67 | 30 |
| 9 | Площадь факела распыла связующего, в долях от рабочей поверхности дна тарели | 0,4 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 |
| 10 | Выход товарной фракции (1-3 мм), % | 75 | 91 | 93 | 87 | 70 |
| 11 | Эквивалентный диаметр гранул,dэкв, мм | 1,8 | 2,1 | 2,2 | 2,0 | 1,4 |
| 12 | Коэффициент вариации распределения гранул по размерам, V, % | 53 | 42 | 36 | 44 | 75 |
| 13 | Прочность высушенных гранул σсж, МПа | 0,16 | 0,18 | 0.25 | 0,2 | 0,15 |
| 14 | Угол подъема материала, град. | 3 | 6 | 8 | 10 | 2 |
Способ гранулирования дисперсных сред на тарельчатом грануляторе, включающий их дозирование, смешивание, последующее увлажнение со связующим и гранулирование скатыванием на вращающейся наклонной тарели с одновременным увлажнением посредством распыла связующего, отличающийся тем, что гранулирование осуществляют в две стадии, стадию увлажнения со связующим проводят до влажности 40-70% от оптимальной влажности смеси с одновременным предварительным гранулированием с получением центров гранулообразования, и последующим вводом полученных микрогранул на площадь поверхности тарели, составляющую 50-80% ее общей поверхности, и гранулирование осуществляют со скоростью, превышающей критическую скорость вращения тарели, при этом отношение площади факела распыла связующего в зоне контакта с материалом составляет 0,4-0,7 рабочей поверхности тарели, а угол подъема материала на периферийной области относительно поверхности дна тарели равен 3-10°.
