автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетические закономерности процесса гранулирования порошкообразных материалов методом окатывания

о

г

На правах рукописи

КУРУМА УМУ

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДОМ ОМтаВАНИЯ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты

химической технологии

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Г.А.Носов кандидат технических наук, доцент А.Л.Таран

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Олевский В.М. кандидат- технических наук, доцент Назаров В.И.

Ведущая организация: АО "Химико-технологический центр"

"Агротехнология"

Защита состоится 1,9 декабря 1995 года в 1500 час на заседании Диссертационного Совета К 063.41.02 в МИТХТ им.

М.В.Ломоносова (117571, Москва, пр. Вернадского, 66 ).

(} диссертацией ыохсно ознакомиться в библиотеке академии по адресу: Москва, Палая Пироговская, I.

Автореферат разослан Jfy ноября 1995 года,

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

кандидат технических наук ti/> ( Бурляева Е.8.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Процесс гранулирования порошкообраэ-1мх материалов методом окатывания широко применяется в производстве удобрения, металлургических окатшей, строительных материалов, комбикормов, пищевых и медицинских препаратов. При этом используется различное промышленное грануляционное оборудование (барабашше, тарельчатые, дисковые, чашевидные, ленточные грануляторы, сферодайзеры, грануляторы с МВС слош и другие). Вместе с тем теоретически и экспериментально процесс гранулирования изучен еще недостаточно. Расчеты данного процесса, как правило, ведут по эмпирическим или полуэмпирн-ческим зависимостям. Учитывая зто, актуальными являются дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования процесса гранулирования порошкообразных материалов к разработка. научнообоснованных методов его расчета.

Цель работы. Основной целью донной работы является изучение кинетических закономерностей процесса гранулирования порошкообразных материалов, тооретичоскоа описание донного процесса на основе его формальной аналогии с другими процессами фазовых превращений и разработка методики его расчета на базе полученных обобщенных зависимостей.

Научная новизна. Сделано предподочэтаа о формальной аналогии процессов гранулировагат порошков и процессов с фа-зошыи преврилони/ши (кодрямер, кристаллизацией). Экспери-мо1гголы!о доказана правомерность данного предположения. Разработана методика определения скоростей зарождения и роста гранул. Изучено - влитою различных фадторов на величину данных скоростей. Произведено обобшенио получе!Шых дашзж и установлен механизм процесса гранулирования пороякообразшх материалов в используемых грануляторах.

Практическая значимость. Базируясь на аналогии методу процессами гранулирования и объемной (кассовой) кристаллизации, разработана методика расчета процесса гранулировшшя порошков методом окатывагал. Эта методика позволяет рассчитать степень превращения порошка в гранулы и фракционный состав получаемых гранулировшпмх продуктов. Опытные и расчетные данные были использованы при выдаче исходных данных

дяя создания грануляционных установок по получению гранулированных рассыпных комбикормов, а также могут быть использованы при создании установок для производства укрупненных гранул карбамида и аммиачной селитры.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 2 научные работы.

, Объем работы. Диссертация изложена на 475 страницах машинописного текста, Она содержит введение и пять основных глав, выводы и список использованной литературы. В работе приведено 53 рисунков. Библиографический список включает 177 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана краткая характеристика состояния проблемы, определено направление иссле-дэшвш.

1. Литературный обзор.

Б литературном обзоре дана общая характеристика процессов гранулирования и особенности гранулирования порошков. Иафалявль/» но рассмотрена кинетика процессов кристаллизации, и, методы, к.ог-дачаственного определения скоростей зарождения и роста цевдроа новой фазы. Обсундена возможность формальной аналогии, мелущ »тмш процессами. Рассмотрено аппаратурное оформление процессов гранулирования порошков.и методы расчета этого процесса,. В результате анализа литературных данных сформулированы наш? и з«ушчи исследования.

2. Скорость возникновения центров грацулообразованио в порошках.

В широком смысле слова процесс гранулирования порошков С использованием связующего и организацией движения частиц порошка можно формально трактовать, как процесс фазового превращения, биюванный V на структурной перестройке дисперсной системы. Исходный порошок ыонно считать старой фазой, "несущей" определенный "запас", кинатичэркой энергии, и склоиной к структурной пзресгройке (грацулоббраэованив) за счет возможности агрегирования исходных частиц, обработсишых связующим. При этом процесс "фазового превращения" происходит по классической схеме за счет

образования и роста центров новой фазы. Образование и рост каждого зародила гранулы является продуктом большого числа актов "присоединения-отрыва" частиц порошка от образующегося агрегата, протекающих с различной вороятностьп. К описанию такого рода процессов применимы широко практикуемые в теории фазовых превращений (например,кристаллизации) математические описания механизма цепных реакций.

В данной работе при исследовании и описании процесса гранулирования порошков сделана попытка воспользоваться формальной аналогией с хорошо изученным процессом кристаллизации одноксмпонентных расплавов, При этом фазой с "неуш-рлдочешгим" строением (аналогом расплава) являотся исходной порошок, а фазой с "упорядочошьм" строением (аналогом кристаллов) являятся гранулы.

Для реализации изложенного а донкой работе разработана методика оксперимотального определения скорости зарождения центров гранулообразовашш. Скорость зарогдезия определяли кок наиболее вероятное число зародкзой Mit) > образующихся в единице объема порошка з едштцу срсмо:я

ЪГ-J- ММ , , *

Используя уравнение Пуассона, вероятность образования одного и более цетров гранулосбразопотт можно описать за-вискчостьэ

С другой стороны величину Рц{f) моино определить эк-сперимеотально, выразив ее через, эмпирическую функцию опл-дания появления первого цетра гранулообразовшия

где Л (Т ) - число опытов, в которых по времени Т началось образование гранул; fl^- общеэ число опытов.

С учетом уравнения ( 3 ) скорость эарозздекля центров гранулообразования можно представить в виде

_ 1

- - V ¿¿г < 4 }

Исследования проводили на трех видах порошкообразных материалов различной физической природы: рассыпной комбикорм для птицеводства и пылевидные карбамид и аммиачной селитре из системы сухой пылеочистки воздуха из охладителей гранул в певвдоожизкешоы слое. Выбор систем для исследования определялся возможностьв использования полученных результатов в про-нишешгости. Гранулирование проводили на аппаратах различной конструкции тарольчатих грануляторах ТГ-0,2 и ТГ- 0,4 с диаметром тарзлок 0,2 и 0,4 и; барабанных грануляторах БГ-0,2 и ЕГ-0.4 с диаметром 0,2 и 0,4 ы и длиной барабана 0,8 и 2,5 ы; а также на грануляторе механического взвошенного слоя ШЗ диаыетрол 0,4 ы." Конструкции данных аппаратов позволили изменять скорость вращения рабочих органов в широком диапазонов Увлажнение исходного порошка перед его гранулированием производили водяным паром.

Для получения достоверных данных проводили до 20 опытов ирм шбратгых. парамогрох процесса гранулирования. При этом фиксировали б какдом опыте момент появления первого центра кристаллизации. Далее опыт продолжали до определенного фиксированного времени. Затем образец полученного дисперсного материала подсушивали и подвергали рассеву. Такая методика экспериментов позволяла получить необходимые данные для пвслйщг-вдего определения скоростей зарождения и роста гранул,, а огсс.-ке получить зависииосгь степени превращения порошка в гранулы ве времени»

Определение скорости эароздения гранул производили по уравнению ( 4 ), используя эмпирическую функцию Р СГ ).

Саши показали, что для всех типов аппаратов и всех используемых материалов концентрации связующего , уменьшается йщукционный период, предшествующий началу гранулообразования и возрастает скорость зарождения гранул (рис. I ). Это, очевидно, объяеидатся ростом вероятности присоединения частиц пороша к обраэулшшся агрегат!,

С уманьиеннем размера частиц порошка скорость зародышеоб-разовония ,такуэ растет, так как растет число частиц при про-

и, Sec fy 20 30 M SO

* 8 /2 IS 2HV

а, бес %

Рис. I Зависимость скорости зарождения гранул от влал-)сти порошка: I - аммиачная селитра} 2 - кар<5амид; 3 -комбикорм.

3D

N.

i

1 20 10 О

\ ч А. 0 бГ-0,2 + тс-ом

\ \ \ Ч

"ч s<: а в

i4^ '+--

23

40

60

80

W

¿9yHtM

Рис 2 Зависимость скорости эароддения гранул от диа-тра частиц (комбикорм): 1-й - 19 %; 2 - 25 56; 3 -30 %} 4-43 \ ■

«

чих равных условиях, участвующих в процессе зарождения ( ну-клеации) гранул(рис. 2)

Зависимость скорости зародышеобразования от числа оборотов рабочих органов грацуляторов, как правило, носит экстремальный характер. В области малых чисел оборотов рост скорости вращения увеличивает частоту нуклеации. В области же больших чисел оборотов очевидно возрастает . вероятность отрыва частиц порошка от агрегатов за счет значительной кинетической анергии, подводимой к системе,

3, Скорость роста гранул порошкообразных материалов Эгорш кинетически« Параметром, который также определяет закономерности процесса Гранулирования, является линейная скорость роста гранул. Непосредственное определение линейной скорости роста гранул в ходе процесса не возможно. Кроме того, с практической точки зрения нас интересует не линейная скорость роста отдельной гранулы, а некий осредненный достаточно детерминированный параметр. Поэтому нами Предложен опосредованный метод определения линейной скорости роста гранул. В случае постоянной концентрации связующего в объеме исходного порошка и изотропных по объему последнего условиях гранулирования динамика превращения порошка в гранулы может быть описана по аналогии с изопотенциальным объем? код фазовым превращением (например', изотермической объемной кристаллизацией)»

Бесконечно-малое изменение объема гранул ЭУГ можно представить как произведение приращения количества гранул: , образующихся за время с/Т , на объем гранул данной "фракции" , образовавшийся при ее росте от момента "появления" Т до окончания процесса гранулирования.

с!Гг'. ( 5 )

где Р - фактор формы; Л - параметр роста агрегата; Ун -- исходный объем порошка; %* - перемешал интегрирования. Изменение степени превращения (¡2 трактовалипо анало- !

гии с процессом кристаллизации, как отношение объема гранул Уг к объему исходной "фазы" (порошка). Тогда выражение ( б ) можно представить в виде Л*

( 6 )

Степень превращения определяется в общем случае после интегрирования выражения ( 6 ) по времени от момента появления первого центра гранулирования Tung Р° момента окончания процесса Тк плюс прирост степени приращения за счет объема первого выросшего центра

Т*. Тх .

чМ*J[jHwdzf4V[<-(7>

Ти^ t ^ ^

где" '

Тише л »

На начальной Стадии превращения (обычно при 0,2) растущие центры еще не влияют на рост друг друга. Поэтому при прочих равных условиях Щ , и £ обычно остаются постоянными. Тогда уравнение ( 7 ) трансформируй ется к виду

I п/гг-ЧЬГ *1ГИ',1 7 ~ Л

( 8 )

Тип]

Из уравнения ( 8 ) при известной скорости зародыпе-образования Щ можно определить линейнуп скорость роста гранул

, */ ., :

<9}

: Заметим, что при интегрировании ( 7 ) яри Щ , »

Р -сашЬ , » 0 получается известное

уравнение Кслмогорова-Авраами.

Ч Проведенные исследования показали, что зависимость степени преврашения от времени во всех рассмотренных случа-

fx носит 3 -образный характер с предшествующим индукци -окнам периодом (рис. 3 ) и по своему виду напоминают соответствующие кривые фазовых превращений в процессах кристаллизации, конденсации и т.д. Это является косвенным подтверждением аналогии процессов гранулирования порошков и классических процессов с фазовыми превращениями.

На динамику процесса гранулирования сильное влияние оказывает концентрация связующего, С ростом влажности уветщва&тся линейная скорость роста гранул, так как растет вероятность присоединения частиц порошка к arpera-таи, & текке возрастает максимальная степень превращения поррика в гранулы (рис. 3 ).

Пасса загрузки порошка слабо влияет на максимальную степень превращения гранул и линейную скорость их роста. Разумеется, что атот вывод справедлив для случаев, когда О састене исключается образование застойных зон.

С увеличением вквиваленгного диаметра частиц' порошка двнейная скорость роста гранул растет из-за роста толщины "накатываемого" на поверхность гранулы слоя за один ее G/Йорот. Ыаксишлъная яе степень превращения падает из-за Е&Яруднения процесса агломерации с уменьшением количества частиц исяодного порошка. Зависимость линейной скорости роста гранул от числа оборотов рабочих органов грануяято-¡раа* «взжэ кап и зависимости V f I И ), как правило, имел» адстремальный характер ( рис. 4 ).

4. Анализ кинетики образования гранул

Опираясь на аналогию процессов гранулирования и крис-тсдлнзациие шжно использовать известные теоретические ypai пения« полученшо для описания процесса кристаллизации, длг обобщения кинетических данных процесса гранулирования.

Как известно, движущей силой процесса кристаллизации является разность иезду равновесной температурой■кристалли-ьщ?м н реальной температурой в системе. При гранулирова-кяи уменьшается внтропия системы. Такой процесс идет с под-зодои внешней энергии, диссипируемой в слое гранулируемого материала. Причем существует такая критическая величина . Фюэргии, подведенной извне LmQy > ПРИ которой процесс

0,6

0.2

0

; -

е. • -—

г • ч> .... •

/ в__ 1 * 1

/ г__ л - *

/ - -г—« г

2В

НО

%с

60

го

100

Рис. 3. Зависимость степени превращения от времени (карбид; • - ТГ-0,4; ▼ - МВС): I - О = 1,96' 2 - и = 2,99 %; 3 - Ы = 5,66 %.

0,6 о

1

г г у

А АА 1

/ ¥

ад

160

200

П 120 П., ащнан

Рис. 4. Зависимость линейной скорости роста гранул скорости вращения рабочего органа гранулятора (комбикорм) : 1-й «19 51; 2 -и = 25%; 3 -и - 43 %.

от

- 1U

гранулирования может перерасти в дробление агрегатов. Иными словами с точки зрения изложенной формальной аналогии процессы "гранулирования-дробления являются аналогами процессов "кристаллизации-плавления".

Учитывая это, при описании процесса грануляции нами в качестве движущей силы была принята разность л L между максимальной энергией Lmax ,при которой процесс гранулирования не происходит, и реальной энергией LC/, , подводимой к системе (aL Umax- Lu ). Очевидно при гранулировании tL> 0 , а при дроблении, &L< 0 .

Для описания экспериментальных данных по скорости зарождения центров гранулирования (на основе вышеизложенной аналогии) нами была использована известная в теории процер-са кристаллизации экстраполяционная зависимость вида '

где О, , С -эмотрическиа коэффициенты, характерные для каждого гранулируемого материала.

Алгоритм получения параметров экстрополяциокной зави-? симости был следушим. Постоянные <2,8 , С в уравне* нии ( 10 ) определяли, минимизируя по указанным параметра*; функционал

I skc ,/>аси,л

Щ1 31 М ( II )

а,о,£-Уйг

При »том в качестве расчетного выражения использовали прологарифмированное выражение ( 10 )

paev п а

Значешю ¿ел « соответствующее Максимальному эначе^рэ Щ определяли по уравнению

-L- + Птл*1сл+31 J) , п . .

¡Г * 71 Г I „21 L z+ t tf7 1 13 '

Достоверность полученной экстраполяционной зависимости ( 10 ) проверяли сопоставлением с результатами неэависимч?

экспериментов. Далее известным методом определяли доверительный интервал предлагаемой экстраполяционной зависимости и вероятность его существования. Получено, удовлетворительное согласование расчета и эксперимента.

Анализ полученных данных показал, что зависимости

к ^ (л Ь ) для всех исследуемых материалов носят экстремальный характер (рис. 5 ). Для расчета скорости зарождения кристаллов часто используются более простые степенные зависимости. Учитывая это, восходящие ветви кривой

- /А 4) были также. обработаны степенной зависимостью вида ш 63 а Ь . При этом были определены значения коэффициентов В^ и И} для исследованных режимов процесса гранулирования порошкообразных материалов.

Для описания линейной скорости роста гранул нами была использована экстраполяционная зависимость вида

где Л , Б и с/ -эмпирические коэффициенты.

Уравнение С 14 ) аналогично известной зависимости для линейной скорости роста кристаллов путем послойного присоединения двухмерных зародышей на гранях растущего кристалла.

Постоянные Й , В . с( определяли, минимизируя по указанным параметрам функционал

£ К 'у'™ (15>

Щ. 1

, При этом в качестве расчетного выражения использовали прологарифмированное уравнение { 15 )

¿п епв- ¿1 ■ мб >

Значение 1а , соответствующее максидооддому ацаче-нию V}) определяли из уравнения

Л

го

I

\ ьг

о

3 -+ -— --- \

4 / /. 1 X 2

4 / -О--- 4

щ

1,6 У

08 1,г

лЬ, мг/сг

Рис. б. Зависимость скорости зарождения гранул от величины движущей силы (карбамид, С/9 » 0,164 мм, БГ-0,2): I -- У - 2,99 %\ 2-й - 5,66 %\ 3 - и - 9,0 %.

№ Ц 0,6 № 1,0

А Ц М*/Сг

Рмс. 6. Зависимость скорости роста гранул от величины движущей силы (аммиачная селитра, </, 0,341 мм, ТГ-0,2): 1-й - 0,99 2-й - 2,99 55; 3-й - 5,66 %.

А . d (Lmax ~2 Lca ) n

TT + /1 л—ггтгг -Ö ( 17 )

i-c/i (Ьсл W Um )

Практически для всех вариантов процесса гранулирования зависимость скорости роста гранул от движущей силы

¿L имеют экстремальный вид (рис. б ), Результаты расчета по уравнению ( 14 ) удовлетворительно согласуются с данными независимых экспериментов. Восходящая ветвь % » {(&!-•) хорошо описывается степенной зависимостью 1ГА = Вл л L * , где и П/\ постоянные коэффи-

циенты. Здесь следует отметить, что величины коэффициента ПЛ близки к 2, что характерно для послойного механизма роста кристаллов. Аналогичный яе механизм имеет процесс роста гранул.

Zi. Методика расчета процесса гранулирования о использованием зависимостей по кинетике рранулообразо вания

Основными параметрами расчета процесса гранулироЕП ния являются степень превращал порояка з гранулы и грануляционный состав продукта. Расчет этих параметров модно проводить, используя разностный аналог уравнения

( 7 ), записанный о частности, для сфсричесюгс гранул

'(18}

' 1" Щ ? t,Vi npaj>i

Максимальный диаметр грацул цошдо. получить, используя уравнение

^ -¿ИМ

- ¿4

Из уравнений ( 18.), ( 19 ) при их "пошаговом решении (если известны Уц и ) можно получить размеры каждой фракции гранул, долп данной фракции в общем объеме (массе) материала, число гранул в .каждой фракции при известном количестве исходного порошка и объем (массу) каждой фракции. Заметим, что зависимость ( 18 ) дана дляигомогенногои зарождения центров гранулирования. Аналогичная зависимость может быть получена и для процесса гранулирования на готовых центрах.

С помощью уравнения ( 18 ) и пассива экспериментальных данных била определена зависимость линейной скорости роста гранул от степени превращения и проанализировано влияние "стесненности" на линейную скорость Их роста ££ . Отмечено, что для скорость роста гранул не зависит от

Ч , а затем с ростом £ величина подает из-за

слияния растущих гранул друг на друга ( рис. 7 ),

Шли такде произведены расчеты фракционного состава гранулируемого продукта ( рис. 8 ) и максимального диаметра гранул получаемых при различных параметрах процесса гранулирования. Результаты расчетов изменения во времени степени превращения и грансостава продукта были сопоставлены с данными независимых вкспернметов. В целом согласование расчетов и экспериментов было удовлетворительным. Наибольшие расхождения наблюдаются при расчете грансостава продукта. Это объясняется тем, что расчетные зависимости не учитывают возможность агломерации и раскалывания образовавшихся гранул.

• виводц

1. Для теоретического анализа процесса гранулирования порошков предложено использовать формальную аналогия етого процесса с хорошо изученным процессом кристаллизации расплавов.

2. По '«аналогии с процессом зеродашеобразования при кристаллизации расплавов разработана и реализована методика определения скорости заро'ядс!г.;к центров гранулирования. Определено влияние технологических параметров на этот фактор.

1,0

Рис. 7. Зависимость линейной скорости роста гранул

от степени превращения (комбикорм, - 0,47 мм, ТГ-0,2,

П «70 об/мин): I - а - 19 %; 2 - и - 30 3 -й* 43 5«.

0.8

0,6

0,1 0,1 о

1 У?

У , /

А® V ' • 'У ь !

Н ■ //, V/

Г / ■ '

10

25 30

/¿Г ■ 20 ар, т

Рис. 8. Интегральная кривая фракционного состава гра-нулировшшого комбикорма ( ¿9 » 0,47 мм, ТГ-0,2): 1-й -» 19 %; 2-Ц. " 30 %•,[ 3-й - 43 %,----расчетные данныэ.

- 1Р

3. По аналогий с-Прбцёссйй!..роста-кристаллов разработана и реализована Методика определения линейной скорости роста гранул. Выявлено, чтб' при гранулировании окатыванием механизм роста гранул аналогичен механизму послойного роста кристаллов путем' двухмерного зародыше-образования на растущей грани. Изучено влияние технологических параметров та- скорость роста гранул.

4. Установлено, что экспериментальные данные-по скоростям зарождения и роста центров'гранулирования удовлетворительно ■интерполируются известными зависимостями для описания скоростей зарождения и роста кристаллов. При этом в качество движущей аиш процесса гранулирования ио*аю использовать разность энергий: максимальной, при которой гранулирований не происходит, и реальной, дис-енпировойной в гранулируемом слов. Получешхю дамше

о кинетических параметрах гранулирования представлены в виде обобщенных графических эависимостой.

б. На основе обобтсюш датш по скоростям эарохуюшя и роста центров гранулирования с использованием известных зависимостей для объешюЯ кристаллизации разработана методика расчета степеней превращения при гранулировании порошков и фракционного состава гранулируемого продукта. Результаты расчета по предлагаемой методике удовлетворительно совподамт с данным! екслериментов.

Используемые обозначения

äs - вквивалеигшй диаметр порошка; ar - диаметр гранул;

Стн - uacca lii.accic;:; к - число центров гранулирования;

Luv - подводимая кинетическая энергия; Lmax- максимальная К1шет'»таос;:зя впоргил; П ~ число оборотов рабочего органа гранулягорп; U - влаадгасть} - объем гранул;

У - сйьен нэупордючаююй фазы (порошка); ~VH - объем неходкого порошка; VK - линейная скорость роста гранул; il/j - скорость эаро~лс!ия гранул; ß - фактор форьы; Ч - степень про вращения; Ъ - тещее время; - мо~ иепт окончашш процесса; Тш. - продолжит ель но сть кцаукци-

онного периода.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

I. Таран А.Л., Носов Г.А., Уму Куруму, Исследование процесса зародышеобразования и роста агрегатов при гранулировании порошкообразных материалов методом окатывания, Хим.пром., 1994, № 10.

2 .Таран А.Л., Носов Г.А., Уму Куруму, Анализ процессов зарождения и роста агрегатов частиц при гранулировании окатыванием порошкообразных материалов, Известия вузов "Химия и химическая технология", 1995, т,38 » вып 10.

Сдано в печать 16.II.95. Бум. офестная. Формат 60 90/16. Тир. 80. Заказ Издательско-полиграфический центр

МИТХТ, г. Москва, пр. Вернадского, Э6. Типография ООО "Полинар-М" г. Моснва, пр.Вернадского,