Башня для гранулирования в химии для чего
Грануляционная башня
Владельцы патента RU 2505351:
Изобретение относится к установкам для гранулирования продуктов, в частности удобрений, из их расплавов. Предложена грануляционная башня, включающая пустотелый корпус, разбрызгиватель расплава, окна для подачи воздуха с направляющими пластинами, расположенные над приемно-направляющим устройством, транспортер для выгрузки гранул. Приемно-направляющее устройство выполнено из отдельных листов, расположенных в двух плоскостях вдоль противоположных сторон транспортера с наклоном к нему. Листы ориентированы перпендикулярно к транспортеру. К каждому из листов присоединен постоянно работающий вибратор, вызывающий его вибрацию. Часть направляющих пластин, расположенных в окнах для подачи воздуха, может быть установлена с наклоном таким образом, что внутренний край пластин размещен ниже наружного края. Приемно-направляющее устройство может быть выполнено из гофрированных листов и/или иметь антиадгезионное покрытие. Изобретение позволяет минимизировать налипание незатвердевшего материала на поверхности приемно-направляющего устройства, а также предотвратить образование крупных агломератов, снизить разрушения гранул и упростить конструкцию приемно-направляющего устройства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к установкам для гранулирования продуктов из их расплавов, в частности, для производства гранулированных удобрений, и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.
Известна грануляционная башня, включающая пустотелый корпус, разбрызгиватель расплава в верхней части, окна для подачи воздуха и приемно-направляющее устройство в нижней части башни, выполненное в виде конического приемного бункера, транспортер для выгрузки гранул (Горловский Д.М. и др. Технология карбамида. Л.: Химия, 1981, с.196-197).
К недостаткам данной конструкции грануляционной башни следует отнести возникновение налипания незатвердевшего материала на поверхности бункера в процессе работы, что приводит к образованию агломератов, которые при откалывании от поверхности бункера попадают в конечный продукт, что приводит к нарушению требования к его гранулометрическому составу и необходимости установки дополнительного оборудования вне грануляционной башни для отсева, растворения или разрушения агломератов. Крупные агломераты при падении вниз могут вызвать забивку выходного отверстия бункера. Для очистки бункера необходимо производить периодическую остановку работы грануляционной башни с последующей механической очисткой поверхности бункера ручными средствами. Такие остановки приводят к нарушению непрерывной работы технологического цикла, а при механической очистке возможно повреждение поверхности бункера.
Известна и является наиболее близкой к предложенной грануляционная башня, включающая пустотелый корпус, разбрызгиватель расплава в верхней части, окна для подачи воздуха и приемно-направляющее устройство в нижней части башни, снабженное средствами для вибрации с возможностью работы в периодическом режиме, транспортер для выгрузки гранул (Классен П.В. и др. Гранулирование. М.: Химия, 1991, с.183-184).
Приемно-направляющее устройство данной установки выполнено в виде смонтированного на металлическом каркасе стального конического бункера, состоящего из четырех конических поясов, каждый из которых закреплен на каркасе подвесками. На трех верхних поясах имеются периодически работающие вибраторы.
К недостаткам данного устройства следует отнести конструктивную сложность и, так же, как и у вышеописанного устройства, возникающее в процессе работы налипание незатвердевшего материала на поверхности бункера и образование агломератов. Для очистки от возникающих наростов используют периодически работающие вибраторы, присоединенные к трем верхним коническим поясам. На участках наибольшего налипания на конических поясах располагают металлические пруты, которые отбивают наросты при включении вибраторов.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в усовершенствовании существующих установок для получения гранулированных продуктов.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в минимизации налипания незатвердевшего материала на поверхности приемно-направляющего устройства грануляционной башни, предотвращении образования крупных агломератов, снижении разрушения гранул и упрощении конструкции приемно-направляющего устройства.
Для достижения указанного результата предложена грануляционная башня, включающая пустотелый корпус, разбрызгиватель расплава в верхней части, окна для подачи воздуха с направляющими пластинами и снабженное средствами для вибрации приемно-направляющее устройство в нижней части башни, транспортер для выгрузки гранул, отличающаяся тем, что приемно-направляющее устройство выполнено из отдельных листов, расположенных в двух плоскостях, параллельных оси транспортера, при этом листы в каждой из плоскостей располагаются в направлении, перпендикулярном оси транспортера, каждый из листов снабжен средствами для вибрации с возможностью постоянной работы, плоскости, в которых располагаются листы, расположены под углом навстречу друг к другу таким образом, что нижние прямолинейные кромки листов параллельны и размещены над транспортером, расстояние между кромками не превышает ширины транспортера, а остальные внешние кромки листов примыкают с зазором к стенкам корпуса. Часть направляющих пластин, расположенных в окнах для подачи воздуха, может быть установлена с наклоном таким образом, что внутренний край пластин размещен ниже наружного края, приемно-направляющее устройство может быть выполнено из гофрированных листов, гофры которых направлены перпендикулярно оси транспортера, также приемно-направляющее устройство может иметь антиадгезионное покрытие.
В данном изобретении приемно-направляющее устройство грануляционной башни выполнено из отдельных листов, расположенных в двух плоскостях вдоль противоположных сторон транспортера с наклоном к нему. Листы ориентированы перпендикулярно к транспортеру. К каждому из листов присоединен постоянно работающий вибратор, вызывающий его вибрацию. Постоянная вибрация позволяет предотвратить налипание отдельных незатвердевших гранул на поверхность листов и образование агломератов. Выполнение приемно-направляющего устройства из нескольких отдельных листов позволяет обеспечить равномерную вибрацию всей поверхности приемно-направляющего устройства и облегчает монтаж конструкции.
Отдельные листы, из которых состоит приемно-направляющее устройство, по отношению друг к другу могут быть расположены как встык с небольшим зазором, так и с перекрыванием краев.
Грануляционная башня может быть оснащена средствами для предотвращения возможного просыпания гранул в зазоры между листами приемно-направляющего устройства и прилегающими стенками корпуса башни, листами и ограждением транспортера, в зазоры между отдельными листами, образующими приемно-направляющее устройство. Для этого могут использоваться разнообразные инженерные средства, например козырьки, резиновые или тканевые уплотнения и т.п. Также в полости под приемно-направляющим устройством может создаваться незначительное избыточное давление воздуха для предотвращения проникновения пыли и мелких частиц.
Для увеличения жесткости и снижения массы листы могут быть выполнены из гофрированного металла.
Расположенные в нижней части окон для подачи воздуха направляющие пластины установлены с наклоном таким образом, что внутренний край пластин размещен ниже наружного края. Это обеспечивает направление части воздушного потока на обдув поверхности приемно-направляющего устройства с целью формирования такой заключительной траектории полета гранул, при которой они соударяются с поверхностью приемно-направляющего устройства под максимально острым углом. Это снижает риски разрушения и налипания гранул. Интенсивный обдув поверхности приемно-направляющего устройства также обеспечивает дополнительное охлаждение и затвердевание гранул.
Возможны различные варианты выполнения изобретения в зависимости от формы корпуса грануляционной башни. В корпусе круглого сечения приемно-направляющее устройство будет выполнено из листов, расположенных в двух плоскостях, образующих эллиптические сегменты. В корпусе прямоугольного сечения листы будут расположены в двух плоскостях, имеющих прямоугольную форму.
Сущность изобретения иллюстрируется прилагаемыми фиг.1, 2. На фиг.1 изображено в разрезе конкретное воплощение предлагаемой грануляционной башни. На фиг.2 изображен вид сверху на приемно-направляющее устройство.
В соответствии с фиг.1, 2 грануляционная башня включает цилиндрический корпус 1, диспергатор 2, окна для подачи воздуха 3 с направляющими пластинами 4, приемно-направляющее устройство, состоящее из плоских металлических листов 5, примыкающих к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 с зазором 6 и размещенных на швеллерах 7, которые через виброизоляторы 8 присоединены к опорным конструкциям 9, виброприводы 10, транспортер 11.
Предложенное устройство работает следующим образом. Плав карбамида диспергатором 2 разбрызгивают в верхней части корпуса 1. Во время полета капли застывают, и образующиеся гранулы падают на поверхность плоских металлических листов 5. К плоским металлическим листам 5 присоединены постоянно работающие виброприводы 10, которые вызывают вибрацию плоских металлических листов 5. Нижние прямолинейные кромки металлических листов 5 размещены над транспортером 11. Внешние дугообразные кромки металлических листов 5 примыкают к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 с необходимым зазором 6, предотвращающим их непосредственный контакт с корпусом 1 в процессе вибрации. Часть воздушного потока, забираемого из атмосферы, направляется расположенными в нижней части окон для подачи воздуха 3 направляющими пластинами 4 на обдув поверхности плоских металлических листов 5. С поверхности плоских металлических листов 5 приемно-транспортирующего устройства гранулы ссыпаются вниз на транспортер 11, который выводит гранулы из грануляционной башни для последующего охлаждения и/или складирования.
1. Грануляционная башня, включающая пустотелый корпус, разбрызгиватель расплава в верхней части, окна для подачи воздуха с направляющими пластинами и снабженное средствами для вибрации приемно-направляющее устройство в нижней части башни, транспортер для выгрузки гранул, отличающаяся тем, что приемно-направляющее устройство выполнено из отдельных листов, расположенных в двух плоскостях, параллельных оси транспортера, при этом листы в каждой из плоскостей располагаются в направлении, перпендикулярном оси транспортера, каждый из листов снабжен средствами для вибрации с возможностью постоянной работы, плоскости, в которых располагаются листы, расположены под углом навстречу друг к другу таким образом, что нижние прямолинейные кромки листов параллельны и размещены над транспортером, расстояние между кромками не превышает ширины транспортера, а остальные внешние кромки листов примыкают с зазором к стенкам корпуса.
2. Грануляционная башня по п.1, отличающаяся тем, что приемно-направляющее устройство выполнено из гофрированных листов, гофры которых направлены перпендикулярно оси транспортера.
3. Грануляционная башня по п.1, отличающаяся тем, что приемно-направляющее устройство имеет антиадгезионное покрытие.
4. Грануляционная башня по п.1, отличающаяся тем, что часть направляющих пластин, расположенных в окнах для подачи воздуха, установлена с наклоном таким образом, что внутренний край пластин размещен ниже наружного края.
РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ПРИЛЛИРОВАНИЕМ И ГРАНУЛИРОВАНИЕМ
Анализ и сравнение двух основных технологий обработки.
Выбор правильной технологии кристаллизации может быть определяющим фактором. Не только капитальных или эксплуатационных затрат, но и постоянства качества вашей продукции. Правильное представление помогает сделать правильный выбор. Давайте сравним две основные технологии обработки: приллирование и гранулирование.
Введение
Приллирование: с чего все началось
Изобретателем метода приллирования был английский слесарь Уильям Уоттс. В 1782 году он обнаружил, что при падении с большой высоты расплавленного свинца, пропущенного через небольшие отверстия, капли свинца отвердевают, образуя дробинки сферической формы.[1] Полученные таким образом дробинки были одинаковыми по размеру и имели более сферическую форму, чем большинство изготовленных по существующим на тот момент методам производства.
Принцип, лежащий в основе процесса приллирования, практически не изменился с тех пор, как Уильям Уоттс открыл его в 1782 году.[2] Главное отличие заключается в современном использовании установки приллирования, которая производит большое количество струй, нагнетая расплав через головки. Затем эти струи разбиваются на мельчайшие капли. Установка приллирования позволяет лучше контролировать разрыв струи и, в свою очередь, обеспечивает более высокое качество и одинаковый размер продукта. Кроме того, предусмотрена возможность прохождения воздуха через башню и сбора пыли с помощью установок фильтрации или скрубберов для повышенной эксплуатационной безопасности. Для получения более подробной информации об основных принципах приллирования прочтите статью о сути приллирования и о том, что такое прилл.
Пример вращающейся системы приллирования Kreber с двумя головками.
Гранулирование: перспективная технология
В недавнем прошлом технология гранулирования возникла как перспективный способ производства высококачественных удобрений. Гранулятор аммония был изобретен и запатентован в 1965 году Фрэнком Нильсоном. Нильсон работал в Администрации долины реки Теннесси (TVA), часть которой была преобразована в Международный центр разработки удобрений. Работа TVA создала конкуренцию технологии приллирования в области массового производства химических удобрений [3].
В процессе гранулирования мелкие частицы связываются друг с другом, образуя гранулы. Расплав и связующее вещество подаются в гранулятор в виде тумана из мельчайших капель. Мелкие затравочные частицы смачиваются туманом из капель и растут до образования гранул нужного размера. Вращающийся барабан и высокая скорость движения воздуха обеспечивают эффективное смачивание, сушку и перенос энергии.
После 50 лет инноваций в области гранулирования и более 200 лет в области приллирования обе технологии приобрели статус испытанных технологий обработки, используемых по всему миру. Но после всех этих лет исследований и разработок можно ли провести различие между разными продуктами? И каковы преимущества и недостатки производства на современных установках приллирования и гранулирования? Наконец, какой опыт обе технологии могут перенять друг у друга для усовершенствования метода обработки в производстве удобрений?
В данной матрице выбора Пью, которая приводится в листе технических данных процесса приллирования, различные технологии кристаллизации сравниваются с приллированием.
Сравнение продуктов
Размер частиц продукта
Результатом обоих процессов являются два весьма разных продукта, несмотря на то, что оба имеют сферическую форму и обладают сыпучестью. Наиболее очевидное различие заключается в размере частиц обоих продуктов. Размер частиц в процессе приллирования определяется преимущественно высотой падения в башне приллирования. Высота падения определяет время охлаждения приллов, а следовательно, и их максимальный размер. Таким образом, ограничения в конструкции башни обеспечивают средний размер приллов в диапазоне от 0,5 мм до 3 мм максимум. В случае использования установкой приллирования вибрационной технологии расхождения в распределении частиц по размеру могут быть сведены к минимуму.
В процессе гранулирования размер частиц определяется временем нахождения в грануляторе. Чем больше времени отводится на наращивание слоев, тем больше получаются гранулы. Благодаря этому гранулы могут увеличиваться в размерах до 10 мм. Тем не менее, для больших гранул распределение размера частиц труднее контролировать, поскольку не все гранулы подвергаются в грануляторе одинаковому процессу, и некоторые больше контактируют с расплавом [4].
Прочность продукта
Главным преимуществом гранул является более высокая прочность на раздавливание, чем у приллов, что обусловлено добавлением связующего вещества в процессе гранулирования и образованием полостей в более крупных по размеру приллах. На рисунке 1 показана динамика изменения прочности мочевины на раздавливание.
Рисунок 1: Динамика изменения прочности на раздавливание приллов мочевины в сопоставлении с гранулами мочевины. Гранулы прочнее по своей природе из-за пористой структуры приллов и благодаря использованию добавок.
В процессе приллирования после образования капель установкой начинается кристаллизация расплава. Сначала прилл кристаллизуется на стыке между расплавом и воздухом, образуя оболочку отвердевшего расплава. Данный процесс отверждения проходит внутрь. Тем не менее, расплав и отвердевший прилл имеют разную плотность.
Отвердевший прилл обычно имеет меньший объем, чем жидкая капля. По мере распространения процесса кристаллизации прилл должен уменьшиться. Так как оболочка уже сформирована, прилл уменьшается в середине, образуя полость. Эта внутренняя полость делает структуру прилла пористой. Чем больше прилл, тем больше полость в его центре.
В процессе гранулирования пористости структуры удается избежать за счет создания последовательных слоев из расплава и гранулирующего агента. Пустоты в оболочке гранулы заполняются следующим слоем, благодаря чему образуется твердая кристаллическая структура. Тем не менее, процесс гранулирования требует добавления гранулирующего агента. Данная добавка способствует образованию более прочной структуры. Оба процесса показаны на рисунке 2.
Рисунок 2: Различия в процессе кристаллизации между приллированием и гранулированием. В процессе приллирования происходит образование и дальнейшее отверждение капли. Из-за разной плотности материала в жидком и твердом состоянии образуется небольшая полость. При гранулировании этого удается избежать за счет наслоения [5].
Чистота продукта
Приллирование — это процесс, в котором расплав на входе и выходе имеет одинаковый состав, что обеспечивает максимальную чистоту продукта. Для качественного процесса гранулирования требуется добавление связующего вещества. Цель в процессе гранулирования состоит в том, чтобы удалить максимально возможное количество связующего вещества, однако оно всегда будет присутствовать, пусть и в ничтожно малом количестве. Это можно считать преимуществом приллирования, поскольку связующее вещество может быть добавлено, но не является необходимым, что позволяет добиться высокой чистоты продукта.
Сравнение процессов
Производственные затраты
Как правило, первоначальные капиталовложения в установку гранулирования в три раза превышают капиталовложения в башню приллирования с той же производственной мощностью. Башня приллирования может иметь два варианта исполнения: вариант, в котором естественная тяга образует встречный поток воздуха, и второй вариант, в котором принудительная тяга создается при помощи вентилятора. Естественная тяга образуется вследствие разницы температуры в верхней части башни, куда поступает расплав, и нижней части, куда поступает воздух. Увеличение объема расплава приведет к увеличению разницы температур и, следовательно, к повышенной скорости потока воздуха. Башня приллирования с естественной тягой имеет малое количество подвижных частей, а ее строительство и эксплуатация обходятся относительно недорого. В варианте с принудительной тягой может быть уменьшена необходимая высота башни приллирования, но, как правило, требуемые капитальные и эксплуатационные затраты выше.
Пример башни приллирования Kreber
Гранулятор с псевдоожиженным слоем или вращающийся гранулятор требует больших капиталовложений, поскольку это более сложный в строительстве и эксплуатации процесс, чем приллирование. Для функционирования процесса требуется большое количество подвижных частей и насадок.
Управление процессами
В целом, приллирование является более надежным и простым в управлении процессом, чем гранулирование. Главным преимуществом башни приллирования для секции обработки является высокая степень самоконтроля. Ковш приллирования справляется с изменениями в скорости течения расплава, поскольку скорость потока, исходящего из ковша, зависит от скорости входящего потока. Кроме того, как отмечалось ранее, при увеличении потока расплава входящий поток воздуха меняется соответствующим образом под влиянием разницы температур. Также, поскольку высококачественные системы приллирования имеют два ковша, замену можно осуществлять с минимальным временем простоя, что делает процесс высоко надежным [5].
Более сложный процесс гранулирования обычно труднее контролировать, так как в нем используется большее количество подвижных частей. Кроме того, несмотря на обширные знания, приобретенные нами за последние пару лет, сложный характер процесса гранулирования, а также моделирование и эксплуатация установок гранулирования представляют сложность и в некоторых случаях по-прежнему в значительной степени основаны на эмпирических данных, что приводит к большому количеству отходов и, следовательно, большому объему рециркуляции [6].
Технологические выбросы
В целом, считается, что уровень выбросов из башни приллирования выше, чем в процессе гранулирования. Больший объем газа требует обработки, прежде чем его можно будет рециркулировать или выпустить из башни. После обработки газ имеет ту же степень очистки, что и отработанные газы установки гранулирования.
Тем не менее, поскольку расплав наслаивается на затравочные частицы, время нахождения расплава минимальное. В случае обработки продукта с высоким давлением парообразования в башне приллирования испаряется большее количество продукта, чем в процессе гранулирования. Чем дольше продукт остается в жидком состоянии, тем больше расплава испаряется, что приводит к более высоким потерям и пылеобразованию в процессе приллирования.
Грануляционные башни
Гранулирование из расплава позволяет гранулировать любые продукты, имеющие четко определенную температуру плавления и относительно низкую вязкость.
Процесс грануляции прост, экономичен, идет с небольшим выделением пыли и ретура. Потребление электроэнергии и тепла ниже, чем барабанных, капитальные затраты на 5 % ниже, чем для других процессов,(рисунок 106).
Недостатки грануляционных башен: высокая температура получаемых гранул на выходе из башни; использование объема на 50 %, большие капитальные затраты на строительство; громоздкость.
Процесс осуществляют в высоких полых башнях (грануляционных), в которых падающие капли охлаждаются встречным потоком воздуха. Для разбрызгивания плавов применяют неподвижные, вращающиеся и вибрационные диспергирующие устройства, обеспечивающие получение сферических гранул преимущественно размером 13 мм. Нижнюю часть грануляционных башен снабжают холодильниками, в которых охлаждение гранул происходит в кипящем слое, что позволяет достигнуть высокой эффективности охлаждения.
Механизм гранулообразования заключается в распаде истекающих из гранулирующего устройства струй на капли, которые, ох охлаждаясь во встречном потоке воздуха, превращаются в гранулы. При падении капля (гранула) отдает тепло потоку охлаждающего воздуха. При этом охлаждение и кристаллизация плава начинается с поверхности, а при достижении температуры кристаллизации происходит образование твердой оболочки, толщина которой по мере движения капли (гранулы) увеличивается. Таким образом, фронт кристаллизации продвигается в центр гранулы по радиусу с соответствующим выделением тепла кристаллизации. При достижении поверхностью гранулы температуры следующего модификационного перехода фронт этого перехода с соответствующим тепловыделением начинает перемещаться вслед за фронтом кристаллизации. Аналогично происходят и дальнейшие модификационные переходы в структуре гранулы, которые осложняют процесс нестационарной теплопередачи.
Рисунок 106— Грануляционная башня.
Распад струй и образование капель
Истечение струй из отверстий разбрызгивающего устройства и их последующий распад на капли является сложным гидродинамическим процессом.
При выходе из отверстия под действием шероховатостей его наружной кромки струя жидкости приобретает небольшие возмущения. На характер возмущения влияет также следующие факторы: отклонение выходного отверстия от правильной цилиндрической формы, завихрения в сопле, наличие пузырьков воздуха в струе, степень сжатия струи и т.п. Под воздействием возмущений частицы жидкости, находящиеся на поверхности струи, испытывают различного рода смещения, что приводит к деформации струи. Между тем силы поверхностного натяжения стремятся сократить общую поверхность струи; и возмущенные частицы жидкости возвращаются в прежнее положение. В результате взаимодействия внешних возмущений и сил поверхностного натяжения жидкости на поверхности струи возникают колебания. По мере истечения амплитуда колебаний увеличивается, и струя распадается на отдельные частицы.
Наибольшее распространение в качестве распределителей плава получили центробежные распылители (рисунок 107).
Число отверстий в грануляторе зависит от нагрузки на плаву. Для поддержания заданной температуры расплава в распылительном устройстве предусмотрена паровая рубашка. В зависимости от скорости вращения максимальная нагрузка будет по периферии или по центру башни. Грансостав зависит от частоты вращения гранулятора и от размера отверстий на его боковой поверхности.
Недостатки: выбрасываются неодинаковые по размеру капли. Трудность балансировки и обслуживания. Распыливающие сопла высокого давления характеризуются получением гранул однородных по размеру.
0собенности движения гранул в грануляционной башне
Характер движения гранул и закономерности их распределения по сечению башни во многом определяют эффективность теплообмена и гранулообразования, в том числе и время и высоту падения гранул. Для описания особенностей и выбора уравнений движения гранул в башне необходимо, прежде всего, установить степень стесненности капель (гранул) и режим их обтекания газовым потоком.
Изменение структуры гранул во время полета. Особенности теплообмена при охлаждении гранул в псевдоожиженном слое
Формирование структуры гранул из капель рас плава во время их полета в башне является следствием процессов нестационарного теплообмена, осложненного действием внутреннего источника тепла в виде теплоты кристаллизации.
Рисунок 107— Центробежный распылитель.
3адачей инженерного расчета обычно является определение высоты башни или времени падения гранулы, в течение которого она затвердевает на столько, что уже не деформируется при падении на коническое днище башни или в плотную фазу кипящего слоя. Поскольку прочность гранулы по мере ее охлаждения (кристаллизации) непрерывно растет, важно установить такую температуру, при которой соотношение кристаллов вещества и жидкой фазы обеспечивает необходимую твердость структуре гранулы.
Охлаждение гранул в современных грануляционных башнях завершается, как правило, в псевдоожиженном слое, расположенном в нижней части башни. Теплообмен между твердыми частицами и газом в псевдоожиженном слое характеризуется следующими особенностями: температура твердых частиц (гранул) t практически постоянна в объеме всего псевдоожиженного слоя, температура охлажденного агента (воздуха) tв изменяется на активном участке (вблизи газораспределительной решетки) tа и практически постоянна в остальном объеме слоя.
Дата добавления: 2015-09-11 ; просмотров: 1871 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ