Гранулирование в дисковых (тарельчатых) грануляторах

Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений.
Глава 2.

ГРАНУЛИРОВАНИЕ ПОРОШКООБРАЗНЫХ УДОБРЕНИЙ В ПРИСУТСТВИИ РАСТВОРОВ И ПЛАВОВ

Гранулирование в дисковых (тарельчатых) грануляторах

В настоящее время дисковые грануляторы находят все более широкое применение для гранулирования сложных, сложно-смешанных и простых минеральных удобрений. Возросший интерес к дисковым грануляторам объясняется рядом их преимуществ, к которым относятся:

• значительная однородность гранулометрического состава на выходе из аппарата и снижение подачи ретура благодаря сегрегации гранул по размерам на поверхности диска. При этом гранулы получаются большой прочности и близкие по форме к сферическим;
• удобство наблюдения и управления процессом гранулирования, что позволяет оперативно устранять возможные отклонения от заданного режима;
• относительно невысокая стоимость аппаратуры, простота и надежность ее в работе;
• возможность гранулирования трудно и хорошо растворимых удобрений при небольшом содержании жидкой фазы, а также полное гранулирование дозируемой смеси;
• совмещение процессов гранулирования и сепарации частиц.

Дисковые грануляторы обладают также некоторыми недостатками. Важнейшие из них:

• большая чувствительность к содержанию жидкой фазы в гранулируемой смеси и, как следствие этого, узкие пределы рабочих режимов;
• значительные колебания технологического режима и выхода продукта заданного размера в связи с узким диапазоном устойчивых рабочих режимов в сочетании с воздействием на процесс большого числа случайных возмущений;
• зависимость производительности гранулятора от диаметра тарелки (поскольку с увеличением диаметра гранулятора значительно усложняется его конструкция).

Небольшое время пребывания материала в аппарате, а также конструктивные особенности дискового гранулятора затрудняют использование последнего в качестве химического реактора.

Образование гранул на дисковых грануляторах, как и в барабанных, происходит при увлажнении исходного сырья и одновременной обкатке его на днище гранулятора. Под действием сил трения, тяжести и центробежной силы материал плотно прилегает к днищу и борту гранулятора, что предотвращает его скольжение. Образовавшиеся агломераты поднимаются на некоторую высоту вместе с вращающейся тарелкой, а затем (когда сила тяжести преодолевает силу трения) скатываются вниз по поверхности слоя мелкодисперсного вещества под углом естественного откоса. При этом сырье в процессе движения послойно накатывается на гранулы и уплотняется (как бы втирается в поверхность гранулы). Отсюда следует, что производительность гранулятора зависит от длины траектории движения гранулы по поверхности порошкообразного материала в тарелке гранулятора. Длина траектории пропорциональна диаметру тарелки. Однако увеличение диаметра тарелки приводит к значительному увеличению габаритов и усложнению конструкции гранулятора и поэтому не является наиболее удачным решением проблемы. Более целесообразным решением является увеличение полезной поверхности диска. Увеличивая скорость вращения диска и уменьшая угол его наклона, можно поднимать гранулируемый материал на большую высоту, в результате чего сокращается мертвое пространство в верхнем секторе диска. Для увеличения используемой площади тарелки предложены грануляторы, имеющие несколько коаксиальных бортиков равной высоты. Исходные компоненты в виде порошка подаются на поверхность зоны, ограниченной первым бортиком и окатываются там, постепенно пересыпаясь в смежную зону. Так, пересыпаясь из одной кольцевой зоны в другую и окатываясь в них, гранулы достигают своих конечных размеров.

Процесс гранулирования в тарельчатом грануляторе зависит от многих параметров *: физико-химических свойств и влажности гранулируемого материала, угла наклона, скорости вращения и высоты борта тарелки, точности дозирования, места подачи исходного материала и влаги на тарелку, дисперсности капель увлажняющего раствора и площади смачивания гранулируемого материала на тарелке, скорости подачи исходных материалов в гранулятор и т. д. Гранулирование практически начинается с момента подачи на тарелку сыпучего материала и жидкой фазы. Существенное влияние на процесс гранулообразования оказывает влажность смеси. Графическая зависимость среднего диаметра гранул от их влажности показана на рис. 54.

Минимум на кривой d_ср=f(W) характеризует переход от одного механизма гранулообразования — равномерного накатывания материала — к другому — образованию гранул путем агломерации и накатывания. Приведенная зависимость показывает, что в одних и тех же условиях гранулирования можно получать гранулы различной структуры, но одинакового размера при двух значениях влажности (W). При этом крутой подъем ветвей кривой d_cp=f(W) свидетельствует о значительном влиянии влажности гранулируемого материала на размер гранул, а точность поддержания этого параметра — на степень однородности продукта. Процесс гранулирования наименее чувствителен к изменению влажности материала лишь в области точки минимума; колебание влажности в пределах ± 1 % не нарушает стабильной работы аппарата и не изменяет однородности готового продукта. Поэтому оптимальным считают тот режим гранулирования, при котором влажность, обеспечивающая получение гранул заданного размера, соответствует точке минимума на кривой d_cp=f(W).

Вид зависимости сохраняется и при изменении угла наклона (а) тарельчатого гранулятора в диапазоне от 40 до 50°. Влияние угла наклона тарельчатого гранулятора на нижний предел крупности гранул при постоянной окружной скорости движения тарелки показано на рис. 55. Из рисунка видно, что увеличение угла наклона тарелки способствует смещению точки минимума, а следовательно и оптимального режима гранулирования в области получения более мелких гранул. При угле наклона тарелки более 45° изменяется в сторону уменьшения и соответствующая точка минимума влажности гранулята.

Для обеспечения стабильности процесса в режимах, не отвечающих точке минимума на кривой
d_cp=f(W), требуется очень высокая точность (±0,1%) дозирования увлажняющего раствора. В этих условиях влияние угла наклона тарелки на размер гранул характеризуется кривыми, приведенными на рис. 56.

Вид кривых довольно сложен и определяется значением влажности сходящих с тарелки гранул. При W ≤ 11 % кривые имеют точку максимума, и увеличение угла наклона более 45° сопровождается уменьшением среднего диаметра гранул. При W ≥ 11% кривые проходят через минимум, и увеличение угла наклона тарелки более 46° приводит, наоборот, к укрупнению гранул. Увеличение угла наклона тарелки более 45° сопровождается резким снижением влажности, необходимой для получения гранул данного размера. Вид кривых, приведенных на рис. 57, свидетельствует о том, что при достаточно высокой точности дозирования увлажняющего раствора угол наклона тарелки является фактором активного воздействия на размер получаемых гранул.

Влияние окружной скорости движения тарелки (в пределах W = 0,4—0,95 м/с) на гранулометрический состав продукта показано на рис. 57. Из приведенных кривых видно, что с возрастанием W до определенного значения средний диаметр гранулированного продукта увеличивается. Таким образом, путем уменьшения скорости движения тарелки при постоянном угле наклона можно значительно расширить диапазон размеров гранул. Исследования влияния окружной скорости движения тарелки на характеристику точки минимума кривой d_cp=f(W) в интервале W = 0,5—0,7 м/с показали, что с возрастанием скорости движения средний минимальный диаметр получаемых гранул также несколько увеличивается при практически неизменном значении соответствующей влажности. Следовательно, изменение скорости движения тарелки в указанных пределах не нарушает работы гранулятора в оптимальном режиме. Это делает параметр W наиболее удобным для практического регулирования процесса.

На рис. 58 приведена зависимость основных характеристик качества гранулированного продукта от его влажности. Как видно, из рисунка, наиболее низкой прочностью обладают гранулы, полученные в режимах гранулирования левой ветви кривой d_cp=f(W) Наиболее прочные на истирание и удар получаются гранулы при влажности, отвечающей (и несколько выше) точке минимума на кривой d_cp=f(W). При изменении № от 6 до 12% гранулы уплотняются. Несмотря на увеличение влажности гранул, их пористость уменьшается, что, по-видимому, способствует повышению механической прочности гранул. Дальнейшее увеличение W приводит к возрастанию пористости сухих гранул и, как следствие, к снижению их прочности на истирание и удар. Прочность гранул на раздавливание при этом, наоборот, резко возрастает. Очевидно, на указанную характеристику в большей степени влияет расход связующей добавки или пористость гранул. Следовательно, чтобы получить гранулы с более высокой прочностью на раздавливание, чем это соответствует оптимальному увлажнению, необходимо повысить концентрацию связующего раствора. Зависимость механических свойств гранул от угла наклона тарелки показана на рис.59.

Из рисунка видно, что характер механических свойств гранул в значительной степени определяется влажностью получаемых гранул. При гранулировании в режимах правой ветви кривой d_cp=f(W) наиболее прочные гранулы получаются при малых углах наклона чаши, когда продолжительность процесса велика; при гранулировании в режимах левой ветви этой кривой наиболее прочные гранулы отвечают более высоким значениям а. Максимально прочные гранулы получаются при сочетании высокой степени увлажнения и малых углов наклона тарелки, когда расход связующей добавки на единицу исходного Материала и время гранулирования наиболее велики.

Увеличение скорости движения тарелки гранулятора позволяет существенно повысить прочность гранул на раздавливание и в значительно меньшей степени — на истирание. При этом пористость гранул и их прочность (при испытании на удар) после сушки практически не изменяются (рис. 60).

Производство комплексных удобрений на основе аммиачной селитры и карбамида

Гранулирование и классификация аммиачной селитры и ее смеси с аммонизированным суперфосфатом эффективно протекает в тарельчатых грануляторах. Продукт состава 30—4,4—0, 30—10—0 и 25—25—0 состоит из прочных сферических гранул. Кратность ретура меньше, чем при гранулировании того же продукта во вращающемся барабане и шнековом грануляторе. Производительность гранулятора диаметром 4,2 м составляет 15—18 т/ч. Наиболее удовлетворительно образование гранул идет при отношении N : Р₂О₅ в продукте более 1. В целом процесс гранулирования протекает хуже, чем в грануляторах барабанного типа. В течение последних лет ТVА проводила испытания процесса гранулирования удобрений с высоким содержанием азота в тарельчатом грануляторе. Испытания показали, что для гранулирования продуктов, не требующих аммонизации, таких как нитрат аммония или карбамид, удобнее использовать тарельчатый гранулятор вместо барабанного или глиномялки, поскольку в нем достигается лучшая классификация и снижается процент ретура.

Оптимальные условия работы гранулятора при получении фосфат-нитратов и нитрат-сульфатов аммония приведены в табл. 17. Основным недостатком тарельчатого гранулятора является то, что он в обычном использовании непригоден для одновременного ведения процессов аммонизации и гранулирования. Поэтому обычно процесс аммонизации осуществляют предварительно в соответствующей аппаратуре. При этом за счет тепла реакции испаряется значительное количество влаги. При определенном конструктивном оформлении (наличие колокола) возможно проведение процесса гранулирования двойных (NР) удобрений в тарельчатом грануляторе с одновременным осуществлением процессов смешения исходных компонентов, их аммонизации, гранулирования и сушки за счет теплоты нейтрализации. При гранулировании простого или двойного суперфосфата с добавлением раствора нитрата аммония (80—85% NH₄NO₃) или азотной кислоты (23—45%), или концентрированной серной кислоты и аммонизацией кислот газообразным аммиаком получают сложные удобрения марки 13—13—0, 20—20—0.

Производство сложно-смешанных медленнорастворимых удобрений без сушки. По этой технологии исходные компоненты — двойной суперфосфат (нейтрализованный, высушенный и содержащий 43% усв. Р₂О₅), сульфат калия и смесь мочевиноформальдегидной смолы с водой в соотношении 1 :1 и вода непрерывна подаются на тарелку гранулятора. Из гранулятора выходит материал, содержащий продукт конденсации карбамида с кротоновым альдегидом, который направляется без сушки на расфасовку и затарку. Он содержит 12,7% N; 12,6% Р₂О₅ (общ.); 10,2% Р₂О₅ (уcв.); 9,8% Р₂О₅(водораств.); 17,7% К₂О; 3,4% влаги. Аналогичные удобрения могут быть получены по несколько иной технологии. Карбамид, сульфат калия, двойной суперфосфат, Аl — фосфат непрерывно подаются в смеситель. Полученная смесь обрызгивается 0,5%-ным водным раствором полиакриловой кислоты (5% от массы смеси). В зависимости от марки и состава удобрения норма раствора может быть увеличена до 15%. Затей смесь через дозатор подается в тарельчатый гранулятор, имеющий кольцевые каналы; одновременно со смесью вводится 3% раствора жидкого стекла (плотность 1,038). Образовавшиеся гранулы размером 2—4 мм после выхода из внутренней зоны гранулятора обрабатываются в первом канале 93%-ной серной, кислотой, расход которой составляет —3% от массы смеси. Во втором канале; гранулы нейтрализуются тонкоизмельченным обожженным доломитом. На основе вышеприведенных исходных компонентов получают гранулированные удобрений марки 12—12—18.

Производство сложно-смешанных удобрений, содержащих азот в медленноусвояемой форме. Простой или двойной суперфосфат, сульфат калия и аммония, карбамид непрерывно подаются в тарельчатый гранулятор. Гранулируемая смесь опрыскивается ~24%-ным раствором муравьиного альдегида— НСНО, подкисленным до рН=1, в результате чего происходит конденсация карбамида с НСНО. Процесс конденсации регулируется путем изменения рН добавлением кислот к одному или нескольким компонентам или использования кислых компонентов. Производство удобрений на основе смеси карбамида и сульфата аммония. По этому методу в расплав карбамида вводится не более 20% кристаллического сульфата аммония с размером частиц менее 0,5 мм. Расплав карбамида приготовляется плавлением его гранул, содержащих примерно 1 % воды, в обогреваемом паром плавильном аппарате. Кристаллический сульфат аммония получается как побочный продукт металлургического производства (из коксового газа). При гранулировании смеси, состоящей из 20%
(NH₄)₂SO₄ и 80% СО(NH₂)₂, получается продукт с содержанием 40% N и 4,5% 5. При этом размер гранул равен 2,4—3,4 мм; гранулы после кондиционирования опудривающими добавками сохраняют хорошие физико-химические свойства во время хранения. Описанный метод гранулирования дает лучшие результаты, чем метод с введением кристаллического (NH₄)₂SO₄

Накопленный опыт работы и результаты исследований процесса (частично рассмотренные выше) в грануляторах с тарелками различного диаметра показывают, что для обеспечения оптимальных условий гранулирования важнейшее значение имеют режим; увлажнения и выбранная влажность материала (которая зависит от свойств гранулируемой смеси, среднего размера и ситового состава ее частиц и других факторов), а также время пребывания материала на тарелке и условий работы гранулятора (конструкция тарелок, угол па-клона, частота вращения и др.).