Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструкций и методов расчёта оборудования для гранулирования сыпучих материалов (литературный обзор). 14
1.1 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом окатывания 15
1.2 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом прессования 22
1.3 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом шнекового гранулирования. 26
1.3.1 Описание конструкций шнековых машин применяемых для экструдирования сыпучих материалов 27
1.3.2 Описание конструкций экструзионных головок, применяемых для экструдирования сыпучих материалов 35
1.4 Анализ методов расчёта оборудования для гранулирования материалов методом экструзии 44
1.4.1 Анализ методов расчета шнековых машин. 45
1.4.2 Анализ методов расчета формующего инструмента
(экструзионных головок) шнековых грануляторов 48
Выводы по главе 1 50
2 Разработка конструкции устройства для экструзионного гранулирования сыпучих материалов 51
2.1 Описание конструкции шнекового пресса-гранулятора для переработки сыпучих материалов 51
2.2 Описание конструкции экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов 56
Выводы по главе 2 59
3 Метод расчёта шнекового гранулятора сыпучих материалов 61
3.1 Порядок расчета шнекового гранулирующего устройства.. 62
3.1.1 Расчет элементов экструзионной головки на прочность.. 62
3.1.2 Расчет пропускной способности формующих каналов экструзионной головки. 64
3.1.3 Расчет производительности шнековой машины. 68
Выводы по главе 3 74
4 Экспериментальное исследование свойств сыпучих материалов применительно к их шнековому гранулированию 75
4.1. Характеристика объекта исследования 75
4.2 Экспериментальное исследование физико-механических свойств порошкообразных и гранулированных сыпучих материалов 78
4.2.1 Определение влажности 78
4.2.2 Исследование гигроскопичности 80
4.2.3 Определение насыпной плотности. 82
4.2.4 Исследование коэффициента внутреннего трения 84
4.2.5 Исследование сыпучести 87
4.2.6 Исследование пластической прочности. 88
4.2.7 Исследование влияния различных факторов на слёжи-ваемость 92
4.2.8 Исследование механической прочности гранул 94
4.3 Экспериментальное исследование технологических свойств сыпучих материалов. 97
4.3.1 Исследование реологических свойств 97
4.3.2 Исследования по шнековому гранулированию с применением теории планирования эксперимента 101
4.3.3 Исследование гидродинамических характеристик формующего оборудования шнекового гранулирующего устройства 113
4.4 Проверка воспроизводимости результатов экспериментов 115
Общие выводы. 119
Список использованных источников 120
- Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом прессования
- Описание конструкций экструзионных головок, применяемых для экструдирования сыпучих материалов
- Описание конструкции экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов
- Исследования по шнековому гранулированию с применением теории планирования эксперимента
Введение к работе
Сыпучие материалы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным применением, исключительной ролью в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами.
Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время теоретики не обращали внимания; на динамику сыпучих веществ, считая их неким "приземленным" материалом, неинтересным с точки зрения теории.
С целью улучшения качества сыпучих материалов их подвергают гранулированию, которое позволяет существенно уменьшить склонность продукта к слеживанию, а, следовательно, упростить. хранение, транспортирование и дозирование; повысить сыпучесть при1 одновременном устранении пылимости и тем самым улучшить условия труда в сферах производства, обращения и использования. Наряду с этим гранулирование открывает возможность гомогенизировать смесь в отношении физико-химических свойств; увеличивать поверхность тепломассообмена и насыпной вес; регулировать структуру гранул и связанные с ней свойства. Все это способствует интенсификации процессов, в которых используются гранулированные продукты, повышению производительности труда и культуры производства [ 1.19]:
Проблему совершенствования процессов гранулирования в нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности необходимо решать, переходя на технологии нового типа, создать новые классы аппаратов, способных максимально эффективно использовать возможности процессов.
В последние годы все шире для гранулирования широкого спектра сыпучих материалов применяются шнековые устройства. Они пришли на замену тарельчатых и барабанных грануляторов окатывания, необоснованно выбираемых технологами по сложившейся в этих отраслях промышленности традиции; Продукт, получаемый посредством шнекового гранулирования, отличается значительной плотностью и механической! прочностью, благодаря чему он не пылит и не слёживается, обладает высокой насыпной плотностью, низкой гигроскопичностью, однородностью свойств во всем объеме получаемых гранул, высокой дисперсностью составляющих частиц и хорошей; делимостью. Это особенно важно для таких продуктов нефтехимии и,нефтепереработки как стабилизаторы и антиоксиданты полимерных материалов, ускорители вулканизации резины, пигменты и т.д.
Однако существующие конструкции шнековых грануляторов и формующих инструментов к ним не отвечают возросшим требованиям современного уровня развития промышленности. Они изобилуют наличием застойных зон, отличаются значительным гидравлическим сопротивлением, неравномерностью выхода гранулята, что приводит к снижению качества продукции, уменьшению производительности процесса. Кроме того, каждая конструкция предназначена только для одного конкретного материала и для, перехода на переработку сыпучего материала с другими свойствами; необходимо пересматривать конструкцию устройства.
Чтобы повысить качество и увеличить производительность шнековых машин, гранулирующих сыпучие материалы, требуется разработка комплексного системного подхода к исследованию, математическому описанию и конструктивному оформлению процесса.
Необходимо установить связь интенсивности процесса и качества гранулированного продукта со свойствами исходного материала, технологическими и конструктивными факторами переработки. Решающее значение в технологии шнекового гранулирования имеют физико-механические и реологические свойства, перерабатываемого материала.
Таким образом, при построении критериев совершенствования и оптимизации процесса шнекового (экструзионного) гранулирования сыпучих материалов необходимо установление взаимосвязи между их физико-механическими, реологическими свойствами и конструктивным решением аппаратурного оформления.
К сожалению, до сих пор не выведены закономерности течения потоков сыпучих материалов в узлах и каналах шнековых машин. Это обусловлено недостатком экспериментальных данных (особенно; по физико-механическим и реологическим, свойствам сыпучих материалов) [1.11]. Поэтому проектирование шнековых гранулирующих устройств для сыпучих материалов остаётся достаточно сложной проблемой.
Одним из основных конструкционных узлов в шнековом гранулирующем устройстве является формующий инструмент — экструзионная головка, где осуществляется окончательное формирование сыпучего материала в гранулы с приданием им определенной плотной структуры со значительной механической прочностью. В каналах экструзионных головок, как ив шнековой машине, сыпучий материал подвергается одновременному воздействию деформаций сдвига и объемного сжатия, при этом изменяются его реологические свойства. Кроме того, в процессе гранулирования сыпучий материал находится в двух физических состояниях — порошок (в питательном бункере И зоне питания) и пастообразный материал (после зоны подвода жидкого связующего агента), в связи с чем чрезвычайно важно исследовать изменение как физико-механических, так и реологических свойств, перерабатываемого материала в обоих этих состояниях. Поэтому для успешного решения поставленных задач необходимо использовать последние достижения физики и химии твердых дисперсных систем, механики неньютоновских жидкостей, теоретической и прикладной реологии.
Большой вклад в развитие указанных научных направлений сделали следующие ученые: Ребиндер П.А., Зимон А.Д., Дерягин Б.В., Классен П.В., Генералов М.Б., Гольдштейн М.№, Рабинович А.Л., Шомин И.П., Гришаев И.Г., Казакова Е.Е., Каталымов А.В., У. Дарнелл, Э. Мол; Э.В. Дженике и др.
В научных исследованиях течения сыпучих материалов в каналах и узлах шнековых (экструзионных) машин преобладает изучение вопросов течения полимерных материалов, изменяющих свое агрегатное состояние от твердого до жидкотекучего. Теоретические зависимости для сыпучих материалов, основная составляющая часть которых остается в твердом состоянии при протекании всего технологического процесса, до сих пор не сформулированы.
Таким образом, разработка методов расчета данных устройств является важной задачей, так как их рациональное проектирование способствует увеличению производительности процесса, улучшению качества продукции, снижению затрат сырья и энергоресурсов.
На основании вышеизложенного были определены основные задачи исследования:
-проведение экспериментальных исследований физико-механических, и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси, сыпучих материалов с жидким связующим агентом;
-разработка конструкции шнекового гранулирующего устройства и формующего- инструмента к; нему для гранулирования сыпучих материалов;
-проведение экспериментальных исследований по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства;
-создание математической модели\ процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройстве;
-разработка зависимости для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента;
- проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов;
-проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений с целью оптимизации режимов гранулирования и внедрения в производство.
Основные направления исследований производились в соответствии с Государственными научно-техническими программами Академии Наук Республики Башкортостан (АН- РБ) "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996-1997 гг.", подпрограмма "Аппаратостроение" (Постановление Кабинета министров РБ №204 от 26.06.96), и "Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997-2000 гг. и до 2005 года" (Постановление Кабинета министров №3 от 12.01.98) • по разделам "Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан".
Научная новизна. Получена эмпирическая зависимость, связывающая реологические свойства гранулируемого материала и гидродинамические характеристики экструзионнои головки с её геометрическими размерами.
Разработана конструкция и метод расчета шнекового гранулирующего устройства для переработки смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами.
Определены оптимальные значения отношения длины формующих каналов к диаметру рабочей поверхности фильеры в пределах от 0,1 до 0,3.
На защиту выносятся.
1 Новая конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов, входящая в состав шнекового гранулирующего устройства.
2 Результаты экспериментальных исследований физико- механических свойств сыпучих и гранулированных материалов, реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами, которые использовались при постановке экспериментов по шнековому гранулированию.
3.. Эмпирическая зависимость для определения расхода гранулята от перепада давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала.
4. Метод расчета шнекового гранулирующего устройства, применительно г к переработке смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, основная структурная часть составляющих элементов которой находится в твердом состоянии в течение: всего процесса гранулирования.
Практическая ценность. Разработанное шнековое гранулирующее устройство, в состав которого входит экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов (патент РФ №2205104), прошло успешные промышленные испытания на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», показавшие увеличение производительности процесса гранулирования при одновременном улучшении качества гранул. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: межвузовской научно-методической конференции «Совершенствование учебного процесса» (г. Салават, 2002 г.); Республиканской научно-практической конференции
«Машиноведение, конструкционные материалы и технологии» (г. Уфа, 2002 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции
«Современные технологии в машиностроении - 2003» (г. Пенза, 2003 г.); Межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2003» (г. Ухта, 2003 г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» (г. Самара, 2003 г.), Республиканской научно-практической конференции «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (г. Уфа, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (г. Стерлитамак, 2004 г.).
Результаты исследований опубликованы в десяти печатных работах, получен 1 патент РФ на изобретение.
Работа выполнена на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом прессования
Большой вклад в развитие указанных научных направлений сделали следующие ученые: Ребиндер П.А., Зимон А.Д., Дерягин Б.В., Классен П.В., Генералов М.Б., Гольдштейн М.№, Рабинович А.Л., Шомин И.П., Гришаев И.Г., Казакова Е.Е., Каталымов А.В., У. Дарнелл, Э. Мол; Э.В. Дженике и др.
В научных исследованиях течения сыпучих материалов в каналах и узлах шнековых (экструзионных) машин преобладает изучение вопросов течения полимерных материалов, изменяющих свое агрегатное состояние от твердого до жидкотекучего. Теоретические зависимости для сыпучих материалов, основная составляющая часть которых остается в твердом состоянии при протекании всего технологического процесса, до сих пор не сформулированы.
Таким образом, разработка методов расчета данных устройств является важной задачей, так как их рациональное проектирование способствует увеличению производительности процесса, улучшению качества продукции, снижению затрат сырья и энергоресурсов. На основании вышеизложенного были определены основные задачи исследования: -проведение экспериментальных исследований физико-механических, и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси, сыпучих материалов с жидким связующим агентом; -разработка конструкции шнекового гранулирующего устройства и формующего- инструмента к; нему для гранулирования сыпучих материалов; -проведение экспериментальных исследований по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства; -создание математической модели\ процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройстве; -разработка зависимости для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента; - проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов; -проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений с целью оптимизации режимов гранулирования и внедрения в производство. Основные направления исследований производились в соответствии с Государственными научно-техническими программами Академии Наук Республики Башкортостан (АН- РБ) "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996-1997 гг.", подпрограмма "Аппаратостроение" (Постановление Кабинета министров РБ №204 от 26.06.96), и "Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997-2000 гг. и до 2005 года" (Постановление Кабинета министров №3 от 12.01.98) по разделам "Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан". Научная новизна. Получена эмпирическая зависимость, связывающая реологические свойства гранулируемого материала и гидродинамические характеристики экструзионнои головки с её геометрическими размерами. Разработана конструкция и метод расчета шнекового гранулирующего устройства для переработки смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами. Определены оптимальные значения отношения длины формующих каналов к диаметру рабочей поверхности фильеры в пределах от 0,1 до 0,3. На защиту выносятся. 1 Новая конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов, входящая в состав шнекового гранулирующего устройства. 2 Результаты экспериментальных исследований физико механических свойств сыпучих и гранулированных материалов, реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами, которые использовались при постановке экспериментов по шнековому гранулированию. 3.. Эмпирическая зависимость для определения расхода гранулята от перепада давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала. 4. Метод расчета шнекового гранулирующего устройства, применительно г к переработке смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, основная структурная часть составляющих элементов которой находится в твердом состоянии в течение: всего процесса гранулирования. Практическая ценность. Разработанное шнековое гранулирующее устройство, в состав которого входит экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов (патент РФ №2205104), прошло успешные промышленные испытания на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», показавшие увеличение производительности процесса гранулирования при одновременном улучшении качества гранул. Апробация работы.
Описание конструкций экструзионных головок, применяемых для экструдирования сыпучих материалов
Это дает возможность получить конечный продукт с заданными свойствами, так как амплитуда и частота влияет на качество (спресован-ность) перерабатываемого материала. Вибрационные действия заслонки 6 положительно сказываются на смесительность продукта, если это пастообразные или влажные материалы, и на сводообрушение с выходом через клиновую полость воздуха из сыпучих материалов.
Основным недостатком данного устройства является низкая производительность через единственное выходное отверстие.
Существующие конструкции шнековых гранулирующих устройств наряду с довольно высокой производительностью и качеством получаемых гранул имеют ряд существенных недостатков, которые не позволяют максимально эффективно использовать как возможности самого устройства, так и возможности технологического процесса. Среди таких недостатков следует выделить необоснованность конструкторской точности функцио 35 нальных параметров (как геометрических — длина технологических зон шнека, размещение зоны ввода жидкости, толщина фильеры, профиль её поперечного сечения, так и технологических режимов — перепад давления, температура, количество жидкого связующего агента), сложность конструкции, трудоёмкость в эксплуатации и ремонте.
Неотъемлемой частью любого шнекового гранулятора является экс-трузионная головка, оформляющая перерабатываемую массу в конечный продукт, придавая.ему необходимую форму, размеры, прочность и плотность.
Рассмотрим конструктивные особенности некоторых экструзионных головок, дающих представление об основных принципах их конструирования.
На рисунке 1.17 [4.12] представлена профилирующая головка, предназначенная для: гранулирования полимерных материалов, каучуков и резиновых смесей.
Профилирующая головка, выполнена в виде внешней и внутренней фильерных плит с фильерами. Одна из плит имеет конический выступ. Фильеры расположены на разворачивающихся по ходу вращения шнека логарифмических спиралях с плотностью, уменьшающейся от центра плиты к периферии. В фильерах установлены вкладыши, выполненные каждый из двух частей; Части вкладыша размещены в фильерных плитах. В одной части выполнено три конических канала, а в другой - один конический канал. Отношение суммарных площадей поперечных сечений каналов вкладышей внешней и внутренней плит составляет 2:1. При работе повышается производительность за счет снижения сопротивления фильер. Качество материала обеспечивается предотвращением механодеструкции.
Плотность размещения формующих каналов 3 уменьшается от центра к. периферии по лучу 5. Расположение формующих каналов 3 по логарифмической спирали 4 удовлетворяет условию постоянства расхода материала при его вращательно-поступательном движении по всему сечению фильерной плиты, благодаря чему давление в каждой её точке будет постоянным, что предотвращает забивание формующих каналов 3. Количество каналов 3 определяется количеством спиралей и углом между спиралью и лучом и соответствует максимально возможному для данной площади; поперечного сечения фильеры, а, следовательно, максимально возможной производительности.
Благодаря конической форме каналов 9 и 10 коэффициент трения материала о? стенки канала снижается, уменьшаются сдвиговые напряжения и механодеструкция материала. Кроме того, снижается сопротивление движению материала, а, следовательно, увеличивается производительность І устройства при тех же режимах работы. Смещение меньших оснований усеченных конусов в направлении развертывания спирали препятствует накапливанию материала в предфильерной, области: при поступательно-вращательном движении материала. Данная конструкция сложна в изготовлении и дорогостоящая. С целью получения равноразмерных гранул авторами работы [4.13] была предложена экструзионная головка с фильерной решеткой уникальной конструкции.
В соответствии с рисунком 1 1181 данная фильерная решетка состоит из диска 1 с формующими, каналами 2,. которые выполнены в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями 3. Размеры формующих каналов 2 связаны.толщиной диска 1 фильерной решетки следующими соотношениями: Si = 8г = S = 1,4-Н; hi = 0,3-Н; h2 = Н — hi; tg(3 = hi/ hi, a = 45, где Н — толщина диска фильерной решетки, hi - высота верхнего усеченного конуса; ІІ2 — высота нижнего усеченного конуса; а— угол наклона; образующей: верхнего усеченного конуса; Р - угол наклона образующей нижнего усеченного конуса; 5i — диаметр большего основания, верхнего усеченного конуса; 52 — диаметр большего основания нижнего усеченного конуса; S — межцентровое расстояние формующих каналов.
Описание конструкции экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов
Основной рабочий орган шнекового пресса — шнек 1, выбран из ряда шнеков, серийно выпускаемых Опытным производством ПО «Дзержинск-химмаш» для грануляторов типа ФШ [1.37], с отношением длины шнека к его диаметру L/D в пределах от, 12 до 18. При этом шнек можно условно разделить на четыре зоны в соответствии с их функциональным назначением. Это — зона питания, длина которой находится в пределах Lnmz=(4- -6)D, зона ввода жидкости длиной L»=(2 -3)D, зона уплотнения с длиной Lymi=(3 -5)D, и зона нагнетания, имеющая длину 11Шт=(3+4)Е) Так лабораторный образец шнекового пресса имеет шнек диаметром 45 мм и длиной 540 мм. Частота вращения шнека, плавно регулируется в пределах от 20 до 60 об/мин.
Датчик давления 8, установленный на экструзионной головке 6 посредством мембранного разделителя МР-5322, предназначенного для кристаллизующихся и несущих твердые частицы сред и рассчитан на измерение избыточного давления до 60 МПа [5.9];
Обогрев корпуса 2 осуществляется при помощи хомутовых электрических элементов сопротивления, причем корпус теплоизолировался асбестовым - волокном. Для измерения и регулирования температуры были установлены термопары ТХК-53 9, связанные с многопозиционным прибором КСП-4.
Шнековый пресс для- гранулирования сыпучих материалов; работает следующим образом (рисунок 2.2). Сыпучий материал согласно выводам, полученным в 4 главе настоящей работы, подаётся в бункер 4 с влажностью 4-6% и с помощью ворошителя заполняет первые витки зоны питания. Частицы материала попадают на винтовую поверхность червяка и скатываются под воздействием гравитационных сил. При вращении шнека это пересыпание происходит до тех пор, пока частицы, перемещаясь в направлении выхода из этой зоны шнека, не испытают препятствия» их свободному перемещению. Таким препятствием является сопротивление на выходе из зоны, вследствие чего материал начинает уплотняться, из него удаляется воздух; он полностью заполняет канал нарезки шнека, ив нем начинает развиваться давление.
Далее материал поступает в зону ввода жидкого связующего агента, который при s помощи патрубка проникает во. весь объем пробки материала, находящейся в данном І витке. Расход связующего агента определяется оптимальным массовым соотношением порошок — связующее, найденным по результатам экспериментальных исследований, исходя1 из известной массы порошка в одном витке шнека. Длина зоны ввода жидкого связующего агента не превышает (2- -3)D.
Далее сыпучий материал перемещается шнеком 1 в зону уплотнения, в конце которой его плотность достигает максимального значения, что обеспечивается уменьшением І объема межвиткового пространства; причем максимальное давление на материал лимитируется условием нахождения жидкого связующего агента внутри пробки материала (между частицами) без выдавливания его на поверхность пробки. На основе анализа экспериментальных данных для порошкообразных.ТПФН и агидола-2 это давление составляет от 2доЗМПа.
Под воздействием температуры, поддерживаемой электрическими нагревательными элементами 3; и сдвиговых деформаций смесь гомогенизируется и поступает в зону нагнетания. В этой зоне происходит релаксация остаточных напряжений в материале,, формируется прочная коагуляционнаяа структура. Из зоны нагнетания материал подается в экструзионную головку 6;
На приборе КСП-4 задавалась необходимая температура обогрева корпуса при- помощи хомутовых нагревательных элементовг сопротивления 3. Температура оказывает существенное влияние на процесс упрочнения сыпучего материала, её повышение приводит к активизации диффузионных процессов и улучшению пластических характеристик материала s частиц. Прес-суемость механической смеси порошкообразных ТПФН и агидола-2 со связующими агентами значительно улучшается?при; подогреве до температуры 333-338 К (для ТПФН) и-343-353 К (для агидола-2).
Отличительной особенностью данной: конструкции от существующих является четко определенное и экспериментально обоснованное, расположение зоны ввода жидкого связующего агента согласно рисунка 2.2. Как показали экспериментальные исследования по экструзионному гранулированию; сыпучих триполифосфата: натрия (ТПФН) по ГОСТ 13493-86 и агидола-2 по ТУ 38101617-76, подобное расположение зоны ввода жидкости соответствует условию возникновения наибольшего числа межчастичных связей в перерабатываемом материале.
Согласно выводам, полученным: в; работе [1.20], для формирования: гранул: высокой прочности из частиц порошкообразного материала необходимо обеспечить их сближение на такое расстояние, при котором проявляется действие ван-дер-ваальсовых, электростатических и когезионных сил..
Таким образомі частицы должны быть максимально приближены друг к другу. Причем максимальное давление уплотнения определяется пределом, после превышения которого, жидкость, содержащаяся в порах частиц, начнет выдавливаться на их поверхность (в этом случае контакт жидкость-частица
Для ТПФН это давление составило 3 МПа, для агидола-2 - 2,5 МПа. Использование жидкого связующего агента увеличивает связь между частицами вследствие увеличения их когезионной активности и добавления к действующим силам связи капиллярных и поверхностно-активных сил.
Если зону ввода жидкого связующего агента совместить с зоной уплотнения или разместить после зоны уплотнения, то смачивание пробки материала будет неравномерным (только в участках с меньшим уплотнением частиц или только по поверхности пробки), что приведет к снижению качества гранулированного продукта.
Расположение зоны ввода жидкого связующего агента до зоны уплотнения обеспечивает наложение сил когезии, капиллярных и поверхностно-активных сил на силы молекулярного и электростатического притяжения между частицами, что соответствует условию наиболее эффективного грану-лообразования.
Таким образом, разработанная конструкция шнекового пресса с экспериментально обоснованным расположением зоны ввода жидкого связующего агента позволяет получать однородные как по составу, так и по свойствам гранулы с прочностью, превышающей прочность гранул, полученных методами окатывания, вальцевого прессования или методом шнекового гранулирования при расположении зоны ввода жидкости, отличном от предлагаемого.
Исследования по шнековому гранулированию с применением теории планирования эксперимента
Для исследования пластической прочности использовали методику [2.17], которая заключается в определении усилия сопротивления материала погружению в него конуса с постоянной скоростью.
Лабораторная установка, в соответствии с рисунком 9 (приложение А), состояла из стола 9, закреплённого на плунжере 4 и снабжённого чашкой 3 с исследуемым образцом, причём плунжер 4 опирался своим нижним основанием на тарированную.пружину 5; конуса 2 с пластиной 6, закреплённых на штоке 1, совершавшем возвратно-поступательное движение посредством реверсивного двигателя 12; блока управления 7 и вторичного прибора 11, фиксирующего силу сопротивления образца погружению.
В соответствии с рекомендациями работы [ Г.З 0] определили объём засыпаемой пробы исследуемого порошка иглубину погружения конуса. При этом диаметр чашки 3 составлял 40 мм, а высота — 14 мм; глубину погружения конуса выбрали с учётом придонного эффекта равной 6 мм, а угол при? вершине конуса - 60. Для принятых условий 1 =0,405-105.
Скорость погружения конуса в образец материала была постоянной и составляла 0,75 см/с. Для исключения погрешности определения максимального усилия при. погружении конуса исследуемый образец предварительно уплотняли на вибростоле.
Лабораторная установка; работала следующим образом. Порошковый материал засыпали в чашу 3, которую помещали на стол 9. При опускании \ конуса 2 пластина-ограничитель 6 соприкасалась со штырём 8. При этом на вход блока управления 7 поступал сигнал, и погружение конуса 2 прекращалось. После погружения конуса на заданную глубину на реверсивный двигатель 12 привода штока 1 поступал вторичный сигнал, при этом конус, закреплённый на штоке, вновь поднимался. Сила сопротивления образца погруже Из приведённых на рисунках 10 и 11 закономерностей видно, что пластические свойства порошкообразных материалов определяются не только содержанием жидкой фазы (связующего компонента), но и характером связи влаги с твёрдой фазой (частицами порошка).
По мере увлажнения порошка связующим агентом от 1 до 4% для ТПФН и от 1 до 2 % для агидола-2 уменьшение пластической прочности обусловлено смазывающим действием влаги, адсорбированной на поверхности частиц порошка. Дальнейшее повышение влажности (более 4% - для ТПФН и более 2% - для агидола-2) приводит к возникновению капиллярно-адсорбционных сил связи, что способствует увеличению пластической прочности, достигающей максимального значения при влажности порошка ТПФН 15%, а порошка агидола-2 при влажности 17%. Понижение пластической прочности порошкообразного ТПФН при влажности более 15% (для агидола-2 — более 17%) связано с избытком жидкой фазы на поверхности частиц, что приводит к замещению более сильного контакта твердая частица — жидкость, на менее сильный — жидкость-жидкость.
При подсушивании системы зависимость её пластической прочности от влажности имеет иной характер. Так при уменьшении влажности порошка: ТПФН от 6 до 4% (порошка агидола-2 — от 6 до 2%) пластическая прочность. возрастает. В работе [1.19] это объясняется тем, что при подсушке порошкообразного материала вначале испаряется поверхностная влага и частично образуются твёрдые солевые мостики в местах контакта частиц, а уменьшение пластической прочности при содержании влаги в образце менее 4% для: ТПФН (менее 2% - для агидола-2) свидетельствует об исчезновении локальных солевых срастаний при более глубокой сушке.
Таким образом, оптимальным условием гранулирования смеси порошкообразных материалов со связующими агентами" следует считать содержание в ней жидкой фазы (влажность), которое соответствует наибольшему числу межчастичных связей, что способствует повышению эффективности гранулообразования, а именно: интервал влажности от 14 до 16% - для ТПФН и от 14 до 18% - для агидола-2. Данные интервалы влажности исследуемых порошкообразных материалов соответствуют следующему содержанию связующей добавки относительно массы порошка: для ТПФН — от 40 до 50%, для агидола-2 — от 25 до 33%.
В соответствии с рисунком 12 пластическая прочность смеси порошка ТПФН с добавкой связующего компонента монотонно увеличивается с повышением температуры. Подобный характер изменения пластической прочности данной системы в зависимости от температуры объясняется следующим образом. Увеличение пластической прочности системы при нагревании до 338 К достигается благодаря увеличению её когезионной активности и межчастичного сцепления частиц.
Для смеси порошка агидола-2 с насыщенным раствором: агидола-2 в і этаноле сказанное выше справедливо лишь в интервале температур от 313 до 333 К, при дальнейшем увеличении температуры начинает испаряться этанол, что приводит к разрушению солевых мостиков, связывающих частицы между собой.
Таким образом, интервал влажности; от 14 до 16% смеси порошкообразного ТПФН с 50% водным раствором ортофосфатов - натрия и интервал температуры от 333 до 338 К соответствуют максимальным значениям её пластической прочности, а, следовательно, и оптимальным условиям экстру-зионного гранулирования. Для смеси порошкообразного агидола-2 со связующей добавкой в виде насыщенного раствора агидола-2 в этаноле таковыми условиями являются: влажность смеси — от 14 до 18%, температура процесса - 323 — 333 К. В данном интервале изменения температуры не происходит перекристаллизации агидола-2.
