Грануляторы барабанного типа

Наибольшее распространение в настоящее время получили аппараты следующего типа: аммонизаторы–грануляторы, барабанные грануляторы, барабанные грануляционные сушилки.

Движение материала при окатывании в барабане

Движение в поперечном сечении барабана. Величина динамических нагрузок на гранулу данного размера зависит от характера ее движения. Тело, находящееся внутри вращающегося барабана, под действием силы трения и центробежной силы прижимается к поверхности барабана и отклоняется от вертикали на угол b_x, величина которого зависит от скорости вращения барабана, его радиуса и коэффициента трения тела о поверхность барабана. Таким образом, поведение тела определяется соотношением трех сил: тяжести, центробежной и трения.

После достижения предельного значения угла b_d нарушается равновесие тела относительно поверхности барабана, сдвигающая сила становится больше силы трения и тело начинает перемещаться вниз. При этом в первое же мгновение исчезает действие на тело центробежной силы, в результате чего уменьшается сила трения и еще больше нарушается динамическое равновесие. Однако в дальнейшем, вследствие движения по криволинейной траектории, центробежная сила возникает вновь.

Для первичной оценки режима окатывания предложена формула

, (8.7)

где b_max – максимальный угол подъема тела; b – угол трения. При b_x >0 наблюдается режим обкатывания, при b_x <0 – челночный.

В практических условиях работы одновременно в барабане находится не одно тело, а их совокупность некоторый объем сыпучего материала, поведение которого характеризуется закономерностями, отличными от закономерностей движения одиночного тела. Характер движения материала зависит от степени заполнения, скорости вращения и состояния внутренней поверхности барабана.

При малой степени заполнения в случае небольшого трения о внутрь поверхность барабана сыпучий материал ведет себя подобно одному сплошному телу, т.е. движется в челночном режиме или чаще в режиме обкатывания. В последнем случае угол подъема центра тяжести загрузки меньше угла естественного откоса.

При отклонении центра тяжести загрузки на угол, больший угла естественного откоса, и достаточном коэффициенте заполнения картина поведения материала меняется. Как только наклон поверхности загрузки превысит угол естественного откоса, избыток материала начнет осыпаться вниз, стремясь восстановить первоначальный угол. При этом центр тяжести загрузки остается на одном месте, а вокруг него вращается материал: около стенки он поднимается вверх, а по свободной поверхности ссыпается вниз.

Эпюра скоростей движения отдельных элементарных сравнительно медленно смешивающихся друг с другом слоев материала относительно внешней системы координат изображена на рисунке 93. Величины линейных скоростей определяются скоростью вращения барабана и силами трения отдельных слоев материала один о другой.


Рисунок 93 -Эпюра скоростей движения отдельных слоев загрузки при вращении барабана..	а) угол подъема засыпки менее 90°; б) то же более 90°. Рисунок 94 -Схема расположения загрузки барабана при работе в режиме проката.

Для процесса окатывания большое значение имеет толщина слоя ссыпающегося материала. Экспериментально исследовалась зависимость отношения количества поднимающегося материала G_под к общему количеству материала в засыпке G_общ от параметров вращения барабана. Установлено, что

, (8.8)

где – угловая скорость; R– радиус барабана.

y не зависит от коэффициента заполнения.Следовательно толщина ссыпающегося слоя не определяется коэффициентом заполнения. Гранулы, скатывающиеся из верхней части потока, подвергаются меньшим динамическим нагрузкам, чем гранулы, расположенные внутри потока и соприкасающиеся с поднимающимся слоем. Поэтому на гранулометрический состав продукта влияет толщина скатывающегося слоя, т.е. коэффициент заполнения, который должен быть оптимальным для требуемого гранулометрического состава. При гранулировании в барабане коэффициент заполнения не превышает 25% и в каждом конкретном случае находится экспериментально.

Поскольку для процесса окатывания наиболее благоприятен ре– жим переката, представляют интерес предельные значения параметров перехода к водопадному режиму. Водопадный режим вообще невозможен до тех пор, пока верхний край загрузки не достает угла подъема 90⁰ (рисунок 94). Отсюда нетрудно определить предельную степень заполнения барабана, до достижения которой материал будет двигаться в режиме переката. При этом условии угол в зависимости от угла ссыпания b_d будет определяться по следующей формуле:.Угол b_d определяется, прежде всего, углом естественного откоса b и существенно зависит от скорости вращения барабана. При прочих равных условиях угол ссыпания увеличивается с повышением степени заполнения барабана. С учетом динамических нагрузок угол b_d получается на 10? 25⁰ больше угла естественного откоса. На рисунке 95. приведены экспериментальные данные о влиянии скорости вращения и степени заполнения на угол ссыпания материала с углом естественного откоса 35⁰. Чем выше скорость вращения, тем больше угол b_d и меньше предельная степень заполнения.

При небольших степенях заполнения, когда верхняя часть загрузки поднимается на угол более 90⁰, начало водопадного режима определяется равенством углов подъема верхнего края загрузки и отрыва материала от поверхности барабана. При этих условиях найдена критическая скорость вращения барабана, характеризующая границу между режимом переката и водопадным режимом

, (8.9)

При выборе скорости вращения гранулятора нужно стремиться к тому, чтобы создавались не только условия режима переката, но и условия, предотвращающие разрушение сформировавшихся гранул требуемого размера. Процесс окатывания необходимо вести при скоростях скатывания, не превышающих скоростей, при которых происходит разрушение. Энергия, переданная от одной гранулы другой в момент их столкновения, не должна превышать работу разрушения. Из этого условия получена упрощенная формула для определения допускаемой скорости скатывания гранул

, (8.10)

где s – допустимое напряжение в грануле; g – удельный вес материала.

Скорость скатывания определяется параметрами работы гранулятора и свойствами материала. Получена зависимость:

, (8.11)

где r _нас – насыпная плотность материала; b– коэффициент внутреннего трения материала; b_d – угол подъема центра тяжести засыпки; R– текущий радиус; R_б –расстояние от центра барабана до скатывающегося слоя;R_с =R_б +h_ск;h_ск –толщина скатывающегося слоя; t– предельное напряжение сдвига.

Входящие в уравнение величины h_ск и t не всегда известны. Для приближенных расчетов можно пользоваться уравнением, полученным из следующих соображений. Количество скатывающегося материала, исходя из условия неразрывности потока, равно количеству поднимающегося материала. При этом, чем меньше материала скатывается, тем больше его скорость и меньше время скатывания. Принимая максимальный путь скатывания равным хорде, проведенной между краевыми точками засыпки, получаем:

;

, (8.12)

где S – путь, проходимый гранулой при скатывании, а y =0,55 - 0,6.

Скорость подъема материала определяется параметрами движения барабана. Если проскальзывание материала около стенки отсутствует, то средняя скорость подъема частиц, расположенных между стенкой барабана и линией, разграничивающей поднимающийся и скатывающийся слой

, (8.13)

а средняя скорость скатывания в поперечном сечении барабана

, (8.14)

Поскольку скатывание происходит не по плоскости, а по изогнутой поверхности, формула дает несколько заниженные результаты. Задаваясь допустимым значением скорости скатывания определяют угловую скорость барабана. Для промышленных грануляторов скорость вращения барабана составляет обычно (0,2 - 0,6), где –скорость, при которой материал под воздействием центробежной силы вращается без отрыва от стенки. Чем выше сыпучесть материала, тем больше скорость вращения.

Движение материала вдоль оси вращающегося барабана

Перемещение материала, загружаемого в барабанный гранулятор, вдоль оси последнего обусловлено разностью давлений на входе в цилиндрическую обечайку и выходе из нее. Перепад давлений создается при понижении уровня материала, вызванном его обрушением на разгрузочном конце.

Если барабан установлен под углом к горизонту, то частицы поднимаются перпендикулярно горизонтали, т.е. под углом к оси, в результате этого происходит перемещение материала и выгрузка его из барабана.

Интенсивность разгрузки определяется из следующих соображений. Длина проекции пути подъема на поверхность засыпки равна . Длина пути вдоль оси барабана за время подъема и скатывания составит . Скорость движения материала вдоль оси гранулятора

; (8.15)

; (8.16)

, (8.17)

При подаче во вращающийся барабан материала его уровень в загрузочной части увеличивается. Наклонная поверхность образуется не только в поперечном, но и в продольном сечении барабана. После достижения угла естественного откоса материал ссыпается, перемещаясь вдоль оси барабана.

Рассмотрим засыпку на разгрузочном конце, где материал расположен в поперечном сечении под углом к горизонту, а в продольном сечении под углом . Соотношение скоростей скатывания в продольном и поперечном направлениях пропорционально пути скатывания, т.е.

, (8.18)

Скорость перемещения материала вдоль оси барабана

, (8.19)

, (8.20)

Следует отметить, что осевая скорость зависит от угла естественного откоса, а следовательно, от размера частиц. При движении полидисперсной смеси крупные частицы выгружаются быстрее, поскольку имеют большую скорость.

Пропускная способность вращающегося барабана определяется осевой скоростью и сечением материала, обрушивающегося на разгрузочном конце

, (8.21)

Угол характеризует заполнение на разгрузочном конце барабана. Экспериментально показано, что поверхность сыпучего материала вдоль оси барабана имеет выпуклую форму, т.е. по мере удаления от разгрузочного конца толщина слой и коэффициент заполнения продолжают увеличиваться, но в меньшей степени. Характер изменения высоты слоя по длине барабана виден из рисунка 96.

Диаметр барабана D = 0.18 м; длина L = 0.9 м; угол наклона a = 2 °; F₂ = 0.14: q т/м²ч: 1 - 12.0; 2 - 7.7; 3 - 4.0; 4 - 1.3.

Рисунок 96 - Изменение глубины засыпки материала по длине барабана при различной удельной нагрузке .

Коэффициент заполнения барабана возрастает также с увеличением производительности. Одновременно увеличивается и количество ссыпающегося материала, что ухудшает условия окатывания. Следовательно, коэффициент заполнения, с одной стороны, должен обеспечить движение материала а режиме переката, а с другой стороны способствовать наилучшему окатыванию. Коэффициент заполнения барабана и скорость скатывания гранул, обеспечивающие максимальный выход целевой фракции требуемого качества (по прочности, плотности, форме частиц и т.п.), зависят от физико–механических свойств материала, поэтому наиболее простой путь их определения экспериментальный. Таким же образом находят угол естественного откоса материала, угол наклона гранулятора принимают в пределах 1 - 3⁰.

Рассчитав скорость вращения барабана и задавшись производительностью по шихте (товарная фракция плюс ретур), определим диаметр барабана

Кинетика гранулообразования

В грануляторах различных размеров и конструкций, работающих при разных режимах окатывания, осуществляются процессы образования, роста и уплотнения гранул, которые подчиняются единым закономерностям, позволяющим описать Их аналитически. Принято, что все мелкие частицы накатываются на крупные, равномерно распределяясь по их поверхности слоем одинаковой толщины, независимо от размера зародышей. Получено уравнение для расчета диаметра гранул после гранулирования

, (8.22)

где d_i –диаметр исходного звена; ; P_m – количество комкуемого материала; P_i –то же, в каждой фракции; r - кажущаяся плотность крупных кусочков; - плотность комкуемого материала в неокатанном состоянии.

Отношение поверхности комкующих фракций к объему мелких комкуемых фракций названо коэффициентом скорости гранулирования, который при равен

, (8.23)

Чем больше K_сг тем быстрее мелочь накатывается на крупные зерна. В коэффициент K_сг не входят параметры, характеризующие природу материала, способность его взаимодействовать с водой, поэтому уравнение интересно лишь для идеального случая принятого механизма гранулообразования. Исходя из того же механизма гранулообразования, для расчета среднего размера гранул получено уравнение

, (8.24)

где –среднее время пребывания материала в грануляторе;t – текущее время; – средний диаметр исходных частиц; d₀ –диаметр частиц, соответствующий началу гранулообразования; W₀ – минимальное содержание связующего, при котором начинается гранулообразование; m – экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий свойства гранулируемого материала.

Это уравнение справедливо лишь для гранулирования методом наслаивания и поэтому применимо в узком интервале изменения режимных параметров. Гранулометрический состав продукта зависит от гранулометрического состава исходных частиц и количества связующей жидкости.

Влияние технологических параметров на процесс гранулирования в барабанных грануляторах

Размер гранул зависит от технологического режима гранулирования, а именно, от химических, составов материала и связующего, их количественного соотношения, температуры и гранулометрического состава шихты.

Поскольку движущая сила процесса гранулообразования определяется наличием жидкой фазы, изменение ее содержания, очевидно, существенно влияет на процесс гранулирования. С увеличением количества связующего возрастают плотность и прочность гранул, уменьшаются требуемые динамические нагрузки и время окатывания, что объясняется большей пластичностью, позволяющей частицам смещаться одна относительно другой и перестраивать структуру.

Основное влияние на размер получаемых гранул оказывает соотношение жидкость:твердое тело (Ж: Т = Р). Величина Р складывается из жидкой фазы, вводимой извне, и образующейся внутри системы. Для веществ, нерастворимых в связующем, Р целиком определяется содержанием последнего в шихте. Если связующее вода, то Р = W, где W влагосодержание. Для растворимых веществ величина Р зависит от коэффициента растворимости

, (8.25)

Интервал значений Р, при котором возможно окатывание, для каждого материала вполне определенный. С увеличением растворимости уменьшается необходимое для гранулирования влагосодержание.

Оптимальные значения Р, т.е. такие, при которых наблюдается максимальный выход целевой фракции, имеют очень узкий интервал, за пределами которого либо окатывания не происходит, либо идет спонтанное слипание.

Суммарное количество жидкости в системе рассчитывают по уравнению

, (8.26)

где i– доля твердой фазы, перешедшей в плав.

На растворимость и содержание плава влияет температура, поэтому для поддержания постоянной величины Р чем выше темпера– тура, тем меньше требуется вводить жидкой фазы извне, поскольку она образуется внутри системы. Следовательно, влажность и температура взаимосвязаны. Для получения одинакового количества целевой фракции при различных температурах следует менять влажность. Так, с повышением температуры аммофоса от 50⁰ до 85⁰ С оптимальная влажность уменьшается с 10,5 до 4.

С повышением температуры изменяются не только количество, но и такие свойства жидкой фазы, как вязкость и поверхностное натяжение. С уменьшением вязкости текучесть жидкости увеличивается, а ее удельный расход на смачивание поверхности для получения гранул заданного размера уменьшается. С уменьшением поверхностного натяжения уменьшается удельная сила связи между частицами. Суммарный эффект этих явлений приводит к увеличению сил связи между частицами при повышении температуры и уменьшению требуемого для данного гранулометрического состава количества жидкой фазы.

Для расчета среднего диаметра образующихся гранул справедливо уравнение

, (8.27)

где d₀ – средний диаметр частиц шихты при содержании жидкости Р₀; Р₀ – минимальное содержание жидкости, при котором начинается гранулообразование; m, n – экспериментальные коэффициенты, значения которых для некоторых продуктов при 20 С приведены аммофос – m = 23, n = 1,7; суперфосфат m = 68, n = 1,7; двойной суперфосфат m = 129, n = 1,7. Коэффициент m зависит от вещества, а коэффициент n характеризует свойства жидкой фазы, изменяющиеся с изменением температуры.

С учетом влияния количества x и размера d_р ретура уравнение принимает вид

, (8.28)

По уравнению рассчитывают средний диаметр гранул. Однако продукт характеризуется распределением гранул по размерам. При хаотическом слипании частиц это распределение описывается уравнением вида

, (8.29)

где Р(d) – плотность распределения гранул по размерам, d– диаметр гранул, l, h – параметры распределения, Г(h)– гамма функция.

Поскольку , где математическое ожидание распределения Р(d), получим,

, где .

Аммонизаторы – грануляторы

Аммонизаторы – грануляторы отличаются высокой производительностью, компактны, совмещены в одном аппарате процессы аммонизации и гранулирования, устойчивы в работе, просты в управлении.

В секции гранулирования установлены несколько продольно приваренных листов. Листы гнуты так, что их поперечный разрез похож на открытую цапфу, которые образуют несколько отделений. Такая конструкция внутренней насадки улучшает окатывание и гранулирование материала.

Привод аммонизатора – гранулятора может осуществляться за счет фрикционной пары, при повышенных нагрузках – зубчатое зацепление 12.

Барабанный гранулятор

Конструкция барабанного гранулятора представлена на рисунке 98.

Внутри барабана по его окружности (на расстоянии 1 м от входа) расположены направляющие лопасти для тепло и массообмена, поэтому влага удаляется из материала более интенсивно, чем в других ретурных процессах производства комплексных удобрений.

Существенным недостатком грануляторов этого типа является скольжение материала по стенкам барабана, налипание массы на стенки, сложность регулирования процесса ввиду затруднения визуального контроля за ходом гранулирования, трудность организовать автоматический контроль и управление процессом.

1 - полый вращающийся барабан; 2 - бандажи; 3 - электродвигатель; 4 - венцовая шестерня; 5 - опорные ролики; 6 - нож для очистки стенок; 7 - форсунки.

Рисунок 98 - Барабанный гранулятор.

Кроме барабанных грануляторов имеются барабанно–грануляционные сушилки, в которых процесс грануляции совмещен с процессом сушки.

Барабанно–грануляционная сушилка представляет собой вращающийся барабан, передняя часть которого на длину 0,5 м снабжена лопатками, установленными параллельно образующей барабана, для перемещения гранул и ретура из нижней части аппарата вверх. Благодаря такой конструкции создается плотная завеса частиц перед форсунками. Для создания необходимой высоты слоя гранул в зоне распыления пульпы форсунками, обеспечения требуемой длительности пребывания продукта в грануляторе (35 - 40 мин) и улучшения процесса окатывания гранул внутри барабана имеется обратный шнек.

Инженерная методика расчета барабанного гранулятора

Целью проектного расчета барабанного гранулятора является определение основных габаритов гранулятора (диаметр, длина) на заданную производительность по готовому продукту G_пр, т/ч, имея следующие технологические характеристики процесса: средний диаметр гранул продукта, мм, d_ср,средний диаметр частиц рецикла, мм, d_р, начальное влагосодержание рецикла, %,W_ро; соотношение длины к диаметру барабана, К; время пребывания в грануляторе, t, мин; температура гранулирования, t, ⁰С; коэффициент заполнения барабана, Ф, %, насыпная масса шахты,, т/м³; плотность материала,, т/м³; растворимость материала при 70 ⁰С, S, кг/кг; диаметр гранул, соответствующий началу гранулообразования, d₀, мм; содержание жидкой фазы, соответствующее началу гранулообразования, Р, кг/кг; технологически необходимое содержание рецикла в шихте,; скорость скатывания частиц в слое, v_ск, м/с.

Рассчитываем параметр распределения гранул продукта по размерам:

, (8.30)