Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния развития технологии и технических средств для реализации процессов агломерации дисперсных материалов
1.1. Агломерация как средство интенсификации технологических процессов переработки материалов 14
1.2. Существующие способы компактирования дисперсных материалов и технические средства для их реализации 17
1.3. Анализ теоретических положений о механизме гранулообразования дисперсных материалов 22
1.4. Современные способы повышения эффективности процессов агломерации и направления их развития 31
1.5. Проблемные задачи процессов агломерации техногенных материалов при их утилизации 35
1.6. Цель и задачи исследования 40
2. Процессы компактирования полидисперсных материалов с различными физико-химическими свойствами
2.1. Поверхностные явления в дисперсных системах 41
2.2. Связующие добавки в процессах агломерации
2.2.1. Механизм действия технологических связок в процессах агломерации 46
2.2.2. Классификация связующих материалов 50
2.3. Особенности процесса гранулирования дисперсных м атериалов методом окатывания 56
2.3.1. Критерии и методы оценки комкуемости дисперсных материалов 56
2.3.2. Вибрационное и центробежное гранулирование материалов
2.4. Пластическое формование дисперсных материалов 64
2.5. Методологические принципы совершенствования процессов агломерации полидисперсных материалов 66
2.6. Выводы по главе 76
3. Теоретические исследования процессов структурообразования гранул при их постадийном формировании
3.1. Анализ кинетики процессов формования порошкообразных материлов 77
3.2. Постадийное уплотнение трехфазной шихты
3.3. Процессы фильтрации газообразной и жидкой фазы при уплотнении порошкообразных материалов 96
3.4. Исследование условий упругой релаксации шихты в процессе ее формования 106
3.5. Изучение условий процесса микрогранулирования материала при его предварительном уплотнении 111
3.6. Разработка реологической модели процесса гранулообразования 120
3.7. Выводы по главе 125
4. Изучение механизма физико-химического взаимодействия компонентов гранулируемых шихт 126
4.1. Методологические основы исследования технологических свойств компонентов гранулируемых шихт и окатышей 127
4.2. Реологические исследования модельных дисперсионных сред формуемых смесей 136
4.3. Получение и исследование моделей коллоидно-капилярнопористых тел с различными связующими добавками 144
4.4. Связующие добавки при окомковании железорудных шихт
4.4.1. Обоснование выбора и расчета эквивалентного расхода связующих материалов 156
4.4.2. Физико-химические свойства связующих добавок и их компонентов..
4.5. Методики исследования связующих материалов 165
4.6. Лабораторные исследования технологических связок
4.6.1. Реологические исследования растворов полиэлектролитов 168
4.6.2. О взаимодействии водорастворимых полимеров с компонентами гранулируемых шихт 175
4.7. Многокомпонентные связующие материалы
4.7.1. Щелочноземельные бентониты и их модифицируемость 182
4.7.2. Бентониты с добавками водорастворимых полимеров 193
4.8. Выводы по главе 201
5. Исследование процессов агломерации в дисперсных системах с различными физико-химическими свойствами материалов
5.1. Способы агломерации поверхностного слоя полидисперсных материалов
5.1.1. Физико-химические основы закрепления поверхности порошкообразных материалов 202
5.1.2. Способы агломерации пылящих поверхностей сыпучих материалов при их открытом складировании и перевозке 207
5.1.3. Методы снижения поверхностного пыления на хвостохранилищах горно-обогатительных комбинатов 214
5.2. Роль процессов агломерации в снижении пылеуноса из вращающейся печи цементного производства
5.2.1. Анализ причин пылеуноса из печных агрегатов 219
5.2.2. Исследование влияния добавок водорастворимых полимеров на сушильные свойства шламов и прочность агломератов 222
5.2.3. Аутогезионные свойства пыли, прогноз снижения пылеуноса 227
5.3. Особенности процессов агломерации техногенных материалов при их утилизации 234
5.3.1. Исследование процессов гранулирования техногенных материалов цементного производства 236
5.3.2. Способы утилизации вскрышных пород горнорудных предприятий. 240
5.3.3. Технология утилизации техногенных материалов для производства орга-номинеральных удобрений 247
5.3.4. Исследование процессов гранулирования отходов перлитового произво-во дства 253
5.4. Классификация дисперсных материалов и рекомендации по организации процессов их агломерации 254
5.5. Выводы по главе 259
6. Разработка и исследование конструктивно-технологических параметров агрегата для постадииного процесса гранулирования полидисперсных материалов
6.1. Моделирование технологического процесса вибрационно-центробежного гранулирования материалов 260
6.2. Разработка вибрационно-центробежного гранулятора для формования порошкообразных материалов и конструктивно-технологических схем его использования 262
6.3. Исследование кинематических и конструктивно-технологических параметров агрегата для вибрационно-центробежного гранулирования материалов 268
6.4. Исследование условий движения сгранулированного материала в торооб-разной камере гранулятора 275
6.5. Выводы по главе 280
7. Опытно-промышленная апробация и внедрение научно-исследовательских разработок
7.1. Технологические и промышленные испытания связующих материалов для окомкования железорудных шихт 280
7.1.1. Технологические испытания связующих добавок 280
7.1.2. Анализ результатов промышленной проверки технологических свойств связующих материалов 286
7.1.3. Технические условия на глинистые связующие материала для производства окатышей 291
7.2. Опытно-промышленные исследования вибрационно-центробежного гранулятора постадийного действия. (ВЦГ) 296
7.2.1 .Расчет технологических параметров устройства для микрогранулирования опытно- промышленного ВЦГ 297
7.2.2. Определение регрессионных зависимостей характеристик гранул от технологических параметров вибрационно-центробежного гранулятора 300
7.3. Разработка и опытно-промышленное испытание технологических модулей для комплексной переработки техногенных материалов 308
7.3.1. Технологический комплекс многофункционального действия для производства гранулированной продукции 309
7.3.2. Технологический комплекс для производства композиционных смесей с гранулированным заполнителем 3 7.4. Технологический регламент на производство гранулированной продукции в малотоннажных комплексах 317
7.5. Технико-экономическая эффективность научно-технических разработок 319
7.6. Выводы по главе 323
Общие выводы и рекомендации 325
Список литературы
- Анализ теоретических положений о механизме гранулообразования дисперсных материалов
- Механизм действия технологических связок в процессах агломерации
- Процессы фильтрации газообразной и жидкой фазы при уплотнении порошкообразных материалов
- Получение и исследование моделей коллоидно-капилярнопористых тел с различными связующими добавками
Введение к работе
Актуальность проблемы. Реальным требованием настоящего времени является совершенствование и развитие технологических процессов при максимальной экономии сырья, топлива, материалов и выполнении мероприятий по охране окружающей среды. Это в полной мере относится к агломерации - как совокупности физических и физико-химических процессов, обеспечивающих формирование тел и частиц определённых размеров, формы, необходимой структуры и физических параметров. Для обозначения процесса агломерации в различных областях её реализации используют такие определения, как гранулирование, брикетирование, прессование, окомкование, таблетирование и др. Агломерацию дисперсных материалов осуществляют с целью улучшения качества как промежуточных, так и готовых продуктов во многих отраслях промышленности.
В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт в области комплексной переработки и формования дисперсных систем с получением коллоидно-капиллярно-пористых тел. Значительный вклад в научное развитие этого направления внесли ученые В.И.Коротич, Н.Н.Бережной, В.М.Витюгин, П.В.Классен, И.Г.Гришаев, М.Б.Генералов, Л.М.Сулименко, В.И.Назаров, В.С.Севостьянов, Л.А.Сиваченко, В.А.Лотов, H.Rumpf, Kortman, M.Wada и др. Однако существующие проблемы процессов агломерации дисперсных материалов в настоящее время еще недостаточно изучены и требуют решения. Это обусловлено тем, что существует широкий спектр полидисперсных материалов, требующих агломерации, а также разработки способов их реализации. Отсутствие универсальных методик оценки способности материалов к агломерации, подбора технологических связок в шихты затрудняют выбор способа их рационального компактирования, разработку аппаратурных средств и технологических режимов работы оборудования. Особую актуальность решение вышеуказанных задач приобретает при вовлечении в производство техногенных полидисперсных материалов с различными физико-химическими свойствами с целью их утилизации способом агломерации.
Актуальной задачей является также разработка способов использования процессов агломерации для защиты окружающей среды от загрязнений.
В данной работе рассмотрены процессы агломерации, наиболее часто используемые в технологии строительных материалов и изделий, а также в горнорудном производстве при получении железорудных окатышей. Особое внимание уделено решению проблемы выбора и снижения расхода балластных технологических связок в готовом продукте, особенно при гранулировании концентратов полезных минералов, например, магнетита.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках государственных бюджетных тем «Изыскание заменителей бентонитов и способов снижения связующих добавок» (1980-1981гг., ГР № 79018644), «Разработка методов оценки технологических свойств связующих материалов для окомко- вания» (1981-1983 гг., ГР № 1.82.8054665), «Разработка технологии использования щелочноземельных бентонитов для производства окатышей» (1983-1987 гг., ГР № 1.84.0013864, № 01.86.0023172), а также хоздоговорных НИР по разработке способов снижения поверхностного пыления дисперсных материалов (1991-1999гг., ГР № 1.90.0046493, № 01.99.0005604 и др.).
Цель работы - разработка физико-химических основ процессов агломерации полидисперсных материалов с различными физико-химическими свойствами, их конструктивно-технологического и аппаратурного обеспечения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить общие закономерности процесса агломерации полидисперсных материалов с учетом механизма адгезионно-когезионного взаимодействия компонентов гетерогенных систем. Разработать рекомендации по снижению пыле- уноса в дисперсных системах за счет использования процессов агломерации.
2. Исследовать процесс структурообразования гранул при их постадийном формировании, установить теоретические закономерности процессов фильтрации газообразной и жидкой фазы при уплотнении порошкообразных материалов, условия микрогранулирования и упругой релаксации шихты при ее предварительном уплотнении.
-
Разработать реологическую модель гранулообразования в дисперсных системах и математическое описание процессов по отдельным стадиям, выработать рекомендации по рациональной организации процесса агломерации дисперсных материалов с учетом их физико-химических свойств.
-
Провести комплексные реологические исследования моделей коллоидно- капиллярно-пористых тел с различными связующими добавками, установить закономерности адсорбционно-коагуляционного взаимодействия компонентов гранулируемых шихт. Разработать методологию оценки и выбора связующих добавок для гранулирования дисперсных материалов.
-
Изучить общие закономерности и специфические особенности процессов агломерации техногенных полидисперсных материалов различных производств с разработкой практических рекомендаций по организации способов их утилизации с получением гранулированной продукции.
-
Провести исследования по моделированию процесса постадийного гранулообразования в дисперсных системах с различными физико-химическими свойствами материалов, разработать патентно-защищенную конструкцию виб- рационно-центробежного гранулятора постадийного действия с определением его кинематических и конструктивно-технологических параметров.
-
С использованием регрессионных математических моделей исследовать технологические режимы работы опытно-промышленного вибрационно- центробежного гранулятора и выработать рекомендации по его практическому использованию.
-
Разработать технологический комплекс многофункционального действия и отдельные технологические модули для агломерации природных и техногенных материалов различных производств. Провести опытно-промышленные испытания научных разработок и дать технико-экономическую оценку эффективности их использования.
Научная новизна
1. Установлены основные закономерности процесса уплотнения дисперсных материалов различного химического, минералогического составов, удельной поверхности, которые заключаются в наличии трех характерных областей изменения степени уплотнения от давления формования. Протяженность каждой стадии зависит от поверхностных свойств дисперсных материалов, для оценки которых предлагается усредненная характеристика дисперсности (Кд,, м-1), представляющая собой произведение истинной плотности материала и площади удельной поверхности дисперсного материала, зависящей от способа его подготовки. Предложена классификация материалов по величине усредненной характеристики дисперсности: на низкодисперсные (Кд<2*106 м-1), среднедис- персные Кд=(2...6*106 м-1), высокодисперсные (Кд >6*106 м-1). Установлено, что для низкодисперсных материалов первая стадия прироста степени уплотнения от давления формования практически отсутствует. Для среднедисперсных материалов характерно наличие всех трех стадий, причем наибольшую протяженность имеет первая стадия уплотнения (50 - 60 %) при малых нагрузках (0,1 - 0,5 МПа). Для материалов высокодисперсных требуются усилия (3 - 10 МПа) для уплотнения до 60 %.
-
-
Разработана реологическая модель процесса агломерации дисперсных систем под действием внешних сил, дано аналитическое описание всего цикла структурной перестройки порошкообразной смеси. Установлено, что на второй и третьей стадиях гранулообразования наряду с прочностью каркасообразую- щей части формуемого материала важное значение имеет вязкость поровой жидкости. Результатами реологических исследований моделей коллоидно- капиллярно-пористых тел подтверждена роль вязкости поровой жидкости в обеспечении пластических деформаций при гранулировании низкодисперсных непластичных материалов. Получено уравнение для расчета пластической вязкости сформованного тела в зависимости от истинной плотности каркасообра- зующей части уплотненного тела, его влажности, а также плотности и вязкости поровой жидкости.
-
Предложен реологический показатель (R), характеризующий способность связующих материалов к коагуляционному структурообразованию, использование которого позволяет осуществлять подбор, оценку качества и расчет расхода минеральных и органических связующих добавок для гранулирования низкодисперсных непластичных материалов (железорудных шихт).
-
Установлен комплекс физико-химических параметров компонентов взаимодействующих фаз дисперсной системы при агломерации без воздействия внешних сил, включающий поверхностное натяжение (ажг), вязкость (r) жидкой фазы, а также смачиваемость твердой составляющей (cos в). Показана определяющая роль вязкости связующего раствора при агломерации поверхностного слоя полидисперсной системы, которая должна быть не более
10 мПа*с для образования защитного покрытия с целью снижения поверхностного пыления.
-
-
Установлено, что при введении полимерных связующих в сырьевые смеси для производства цементного клинкера происходит изменение кинетики сушки шламов, увеличение прочности агломерата на стадии сушки и возрастание аутогезионных свойств пылей, что приводит к снижению пылеуноса на 15-25 % из холодного конца клинкерообжиговой печи
-
Установлено, что при предварительном уплотнении увлажненной порошкообразной смеси происходят процессы фильтрации газообразной и жидкой фазы с последующим образованием микрогранул. Получены уравнения, позволяющие рассчитать конструктивно-технологические параметры уплотняющего устройства для обеспечения условий микрогранулирования и релаксации упругих деформаций в уплотненном материале.
-
Получены математические модели в виде уравнений регрессии, описывающих зависимости физико-механических характеристик гранул (прочность на сжатие, насыпная плотность), от скоростных и конструктивно-технологических параметров разработанного вибрационно-центробежного гранулятора. Практическая ценность работы
1. Разработаны технические условия на глинистые связующие материалы для производства железорудных окатышей (ТУ 14-9-364-89), которые внедрены на фабриках окомкования горно-обогатительных комбинатов России и Украины. По результатам реологических исследований суспензий связующих материалов различного происхождения и состава разработана и внедрена методика оперативного контроля качества связующего сырья для производства гранул в лабораторную практику ЗАО «Белмеханобр» ( А.с.1404898, 1592778, 1636822).
-
-
-
Разработаны и прошли опытно-промышленную апробацию новые виды комплексных связующих добавок для окомкования руд и концентратов с целью повышения качественных показателей и снижения себестоимости выпускаемой продукции (А.с. 901313, 954464, 1063850, 1392132, 1330197, 1601159, 1632994).
-
Предложены новые способы защиты окружающей среды от загрязнения (А.с. № 1710777, патент РФ № 2151205) при хранении, открытой перевозке и складировании пылевидных материалов методом их агломерации.
-
Предложены технологии утилизации техногенных материалов цементного производства и вскрышных пород железорудных месторождений КМА (А.с.1594161, патенты РФ 1781194, 1813771).
-
Разработана конструкция вибрационно-центробежного гранулятора (патент РФ № 2412753) и проведены его опытно-промышленные испытания при гранулировании дисперсных материалов с различными физико- химическими свойствами (известково-глинистые, калийно-известковые, перли- тосодержащие и другие композиционные смеси).
-
Разработан и апробирован технологический комплекс многофункционального действия и его модули для производства теплоизоляционных композиционных смесей с использованием поризованных гранулированных заполнителей, разработан технологический регламент на процесс получения гранулированной продукции.
-
Результаты проведенных исследований и научно-технических разработок реализованы на промышленных предприятиях: ЗАО «Белмеханобр», ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», ООО «Бентопром», ООО «Чистовод», ООО «Рецикл-Интех». Суммарный экономический эффект от выполненных разработок более 50 млн. рублей.
8. Материалы диссертационной работы апробированы и внедрены в учебный процесс БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Машины и оборудование для комплексной переработки техногенного сырья». Основные положения диссертации отражены в монографиях и учебных пособиях.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Совокупность научных положений, закономерностей и механизмов формирования капиллярно-пористых тел в зависимости от физико-химических свойств дисперсных материалов.
-
Аналитические зависимости, характеризующие процессы фильтрации газообразной и жидкой фазы при уплотнении порошкообразной шихты, условия ее микрогранулирования и упругой релаксации сформованных тел.
-
Научно - обоснованные принципы рациональной организации поста- дийного процесса гранулообразования дисперсных материалов, представленные в виде реологической модели и ее аналитического описания.
-
Методологические основы эффективного процесса формирования коллоидно-капиллярных тел в зависимости от реологических свойств дисперсионной среды и физико-химических свойств дисперсной фазы.
-
Технологические рекомендации по обеспечению рациональных способов агломерации техногенных полидисперсных материалов с различными физико-механическими характеристиками.
-
Основополагающие закономерности постадийного процесса гранулооб- разования дисперсных материалов в патентно-защищенной конструкции виб- рационно-центробежного гранулятора, методика расчета кинематических и конструктивно-технологических параметров аппарата.
-
Результаты регрессионного анализа влияния скоростных и конструктивно-технологических параметров гранулятора на физико-механические характеристики гранул и технологические показатели работы агрегата.
-
Анализ результатов опытно-промышленных испытаний и внедрения выполненных научно-технических разработок, технологический комплекс многофункционального действия и его модули, технологический регламент на процесс получения гранулированной продукции.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня: XI Всесоюзный симпозиум по реологии (Москва, 1981); III научно-техническая конференция «Молодые учёные - научно-техническому прогрессу» (Донецк, 1982); Всесоюзная научно-техническая конференция «Теория и технология подготовки металлургического сырья к доменной плавке» (Днепропетровск, 1985); Всесоюзная научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» (Белгород, 1989); Всесоюзная научно-практическая конференция «Проблемы теории и технологии подготовки железорудного сырья для доменного процесса и бескоксовой металлургии» (Днепропетровск, 1990); Всесоюзная конференция «Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии» (Белгород, 1991); Международная научно-практическая конференция «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 1997); Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003, 2005); VI Международная конференция «Сотрудничество для решения проблемы отходов» (Харьков, 2009); X международный симпозиум «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 2009); XIV Международная научно-практическая конференция «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» ( Белгород, 2010); Международная научно-техническая конференция «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии» (Беларусь, Минск, 2010); Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 71 работе, в том числе 14 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, двух монографиях, 13 авторских свидетельствах СССР, четырех патентах на изобретения Российской Федерации.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, семь глав, выводы, список использованной литературы из 291 наименований. Работа изложена на 397 страницах, содержит 61 рисунок, 51 таблицу, приложения с документами, подтверждающими практическую значимость полученных результатов.
Анализ теоретических положений о механизме гранулообразования дисперсных материалов
Общая тенденция развития техники агломерации химических и других продуктов непосредственно направлены на повышение эффективности про 18 изводства и качества выпускаемой продукции. Правильно выбранные для конкретных условий способы компактирования в основном обеспечивают получение готового продукта с заданными качественными показателями (гранулометрический состав, прочность гранул, слеживаемость, сыпучесть, пыление и др.). В случае ужесточения требования к ним следует изыскивать приемы и методы совершенствования известных процессов гранулирования, создание новых более эффективных способов с целью достижения необходимого улучшения качества готового продукта.
Направления развития техники агломерации непосредственно связаны с общими тенденциями совершенствования технологии того или иного продукта. Исходя из особенностей развития технологии конкретного производства, отдают предпочтение тем или иным методам компактирования. Иными словами, то, что может быть перспективным для гранулирования полимерных материалов, не приемлемо, например, для гранулирования минеральных удобрений, и наоборот. Тем не менее, имеются общие принципы подхода к выбору наиболее целесообразных методов агломерации в зависимости от агрегатного состояния и физических свойств исходных веществ. Так, для компактирования пластичных порошкообразных и пастообразных материалов более пригодны методы формования и экструдирования. Для непластичных сыпучих материалов могут быть рекомендованы методы гранулирования прессованием или окатыванием с одновременным пластифицированием смеси жидкостью. При получении гранул из пульп, суспензий или растворов предпочтителен метод распыливания их на поверхность частиц скатывающегося, падающего, вращающегося или псевдоожиженного слоя с одновременной сушкой продукта до требуемой влажности. Безводные расплавы целесообразно гранулировать разбрызгиванием в инертную среду или на поверхность частиц движущегося слоя с одновременным его охлаждением.
В общем случае агломерация включает следующие технологические стадии переработки: - подготовка исходного сырья, дозирование, смешение компонентов; - собственно агломерация (гранулирование), наслаивание, кристаллизация, уплотнение и др.; - стабилизация структуры (упрочнение связей между частицами сушкой, ох лаждением, полимеризацией и др.); - выделение товарной фракции (классификация по размерам, дробление крупных частиц).
В реальных процессах чаще всего эти стадии сочетаются во времени и(или) в пространстве в самых различных комбинациях. Им сопутствуют другие процессы, например, химического превращения. Целесообразность этих сочетаний обусловлена требованиями конкретной технологии.
Рассмотрим варианты применения методов гранулирования в различных производствах. Например, активный уголь получают смешением пылевидного угля с хлорцинковым или другим активатором. Смесь увлажняют связующим. Образующуюся пластичную пасту охлаждают и формуют в экс-трудере. Влажные гранулы сушат во вращающейся печи, а затем активируют с одновременным удалением активатора. Углеродные адсорбенты получают и без добавления связующего - термической пластификацией природного угля с последующей полимеризацией. Для этого исходное сырье дробят, гранулируют при- увлажнении водой на тарельчатом грануляторе, сушат и карбонизируют во вращающейся печи, а затем активируют смесью дымовых газов и водяного пара в псевдоожиженном слое [4].
При получении синтетических цеолитов кристаллы веществ выделяют в фильтрпрессе или центрифуге, смешивают со связующим (каолином, бентонитом), а образующуюся пасту гранулируют на машинах различного типа (например, на таблеточном прессе). Гранулы сушат, рассеивают и прокаливают. Следует отметить, что гранулами считают не только тела шарообразной формы, но другие компактные агрегаты различной конфигурации, обладающие определенными механическими характеристиками. Для получения сферических гранул повышенной прочности цеолитовый порошок и связующее увлажняют и гранулируют на тарельчатом грануляторе, а затем сушат и прокаливают. Сферические гранулы получают также диспергировани 20 ем смеси цеолита и жидкого стекла в масле с последующей коагуляцией в растворе хлорида натрия [4].
В промышленности минеральных удобрений азотсодержащие продукты гранулируют в основном диспергированием и охлаждением расплава в полых грануляционных башнях. Так получают нитрат аммония, карбамид. Сульфат аммония гранулируют прессованием или в псевдоожиженном слое. Для гранулирования калийных удобрений до сих пор остается единственным метод прессования. Медленно действующие микроудобрения гранулируют спеканием или прессованием [5].
В технологии пищевых продуктов [6] и кормов [7], применяют в основном прессование или брикетирование (сахар-рафинад, свекловичный жом, комбикорма), формование (рыбная, мука, фарш [8]). Дражирование кондитерских изделий производят методом окатывания.
Пищевые продукты и медицинские препараты гранулируют также комбинированными способами. В частности, для изготовления таблетированных лекарств, чая, кофе, сырье вначале смешивают со связующим до определенной консистенции, затем протирают через перфорированную обечайку. Полученные гранулы сушат или сразу же прессуют. Таблетки окатывают в,дражировочном котле с одновременной сушкой последовательно наносимых слоев оболочки [9]. Применяют также метод литья с последующим дроблением и брикетированием крошки на валковом прессе. При литье в формы после охлаждения получают готовый продукт в виде свечей (например, стеариновые свечи, лекарственные препараты на основе желатина или жира).
В производстве растительных масел [10] после отгонки растворителя образуется твердый остаток — шрот, который возможно хранить лишь при определенном качестве, достигаемом гранулированием. Исходный материал смешивают в шнеке с водой и фосфоритной эмульсией, нагревают острым паром и подают в прессующую камеру. Гранулы, образующиеся после про-давливания материала роликами через перфорированную матрицу, поступают на рассев и охлаждение. Для гранулирования продуктов микробиологического синтеза [11,12] дрожжей, ферментных препаратов, аминокислот, антибиотиков, а также микробиологических средств защиты растений применяют практически все виды и аппараты гранулирования: экструдеры, шнековые формователи, центробежные окатыватели, вращающиеся барабаны, установки с аэро- и виброки-пящим слоем, грануляционные башни и т.д.
Составляющие моющих веществ (триполифосфат натрия и др.), птичий помет, используемый в качестве удобрения, гранулируют окатыванием при одновременной сушке [13]. Перспективен также и метод экструзии [14].
В большинстве производств шин и резиновых технических изделий [15] исходные компоненты гранулируют окатыванием со связующим (например, сажи) или экструзией (например, каучуки, маточные смеси) с последующим охлаждением гранул водой и сушкой. Гранулы полимеров и других органических соединений получают в основном формованием, особенности проведения которого зависят от свойств материала [16].
Порошкообразные стекольные шихты с добавкой связующего и без него гранулируют прессованием на валковых прессах с последующими выдержкой для придания прочности, затем следуют стадии дробления и рассева [17]. Фигурные вальцы применяют для брикетирования таких продуктов, как медные, цинковые и другие концентраты, угольная и фосфоритная пыль, керамика, известь, шамот. Рудные, а также различные строительные материалы, в том числе из отходов производств (например, фосфоритов) гранулируют окатыванием, а затем сушат и спекают [18].
Для гранулирования высокотемпературных сплавов металлов и шламов применяют охлаждение в инертной среде, преимущественно смешение с водой, которая, испаряясь, способствует диспергированию струй сплава на капли, окончательно застывающие в бассейне [19].
Механизм действия технологических связок в процессах агломерации
Уравнение (2.25) выражает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Превращение поверхностной энергии в один из представленных видов энергии отвечает определённым поверхностным явлениям. Стрелки указывают на пять возможных превращений поверхностной энергии: 1) в энергию Гиббса, 2) в теплоту, 3) в механическую энергию, 4) в химическую и 5) электрическую энергию. Эти превращения сопровождают такие явления, как изменение реакционной способности с изменением дисперсности, адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления.
При агломерации поверхностная энергия всегда стремится к минимуму (Es = adS — min) и сопровождается уменьшением площади поверхности за счёт образования более крупных частиц. При этом происходит переход дисперсной системы из свободно дисперсной, в которой дисперсная фаза подвижна, в связнодисперсную, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться. Свободнодисперсные системы подразделяются на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10 9 до 10 7 (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10 7 до 10 5 (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размер которых превышает Ю-5 (более 10 мкм).
Связнодисперсные системы, точнее, пористые тела, классифицируют согласно Дубинину М.М. [263] на микропористые - с размерами пор до 2 нм, переходнопористые — от 2 до 200 нм и макропористые - выше 200 нм. Характер формирования структур при агломерации микрогетерогенных и грубодисперсных материалов в зависимости от внешних воздействий представлен нарис. 2.10.
Агломерация может осуществляться стихийно при транспортировке, хранении и складировании порошкообразных материалов, в воздушных потоках, а также под действием внешних сил. На рис. 2. 11. представлена классификация процессов агломерации, рассматриваемых в настоящей работе.
Характер связей между частицами зависит от свойств свободнодисперс-ных систем, которые можно дифференцировать на свойства вещества частиц, порошкообразного материала и порошкового тела (рис. 2.12). Все эти свойства определяются размером, формой, шероховатостью и распределением частиц по размерам, что в свою очередь зависит от метода получения порошков.
Величина прочности связи частиц, а также прочность готового агломерата зависят от способа компактирования порошкообразных материалов и аппаратурного оформления процесса. На рис. 2.13 представлена классификация аппаратов для получения компактированных тел из порошков.
Гранулирование в аппаратах с псевдоожиженным слоем (рис.2.13, а) получило широкое применение в связи с большой интенсивностью процессов, протекающих, как правило, совместно с сушкой или охлаждением, классификацией по размерам, химическим взаимодействием.
Классификация устройств, осуществляющих гранулирование этим методом, затруднена их разнообразием, однако как существенный классификационный признак можно использовать особенность ввода тепло- или хладоносителя: со сжижающим агентом (под газораспределительную решётку); с распыли-вающим агентом; внутрь слоя, путём установки теплообменных устройств или сжигания топлива. Большое значение имеет возможность подачи исходного продукта в псевдоожиженный слой: подача пульпы и разбавленных растворов на поверхность псевдоожиженного слоя с обдувом факела высокотемпературным теплоносителем; подача концентрированных пульп, растворов и плавов внутрь псевдоожиженного слоя форсункой, установленной сбоку аппарата, с организацией горизонтального факела распыла; подача рас 69 творов и суспензий форсунками, установленными в. основании газораспределительной решётки, с организацией вертикального факела распыла.
Гранулирование методом прессования (рис. 2.13, б) основано на свойстве сыпучих материалов уплотняться под действием высоких давлений. При уплотнении порошков под высоким давлением возможно также спекание твердых частиц в зоне деформации, химическое взаимодействие с образованием новых соединений. Полученный в результате уплотнения брикет (плитка или лента) дробится и направляется на рассев для отбора кондиционной фракции, являющейся готовым продуктом. Технически это реализуется в устройствах, называемых экструдерами или пресс-вальцами. Экструдеры в свою очередь имеют разнообразные конструкции, классифицирующиеся по особенностям исполнения устройств для продавливания шихты через филье-ры.К недостаткам экструдеров относятся ограниченная производительность вследствие низкого коэффициента использования формующих поверхностей, невысокий коэффициент уплотнения материала в фильерах пресс-матрицы; необходимость использования дополнительных устройств для предотвращения поломки агрегата при попадании в пресс-матрицу посторонних предметов, а также для обрезки гранул после формования. Получение компакти-рованных тел в прессах осуществляется при высоких давлениях (более 45 МПа), большие размеры спрессованных тел ограничивают область их использования. К недостаткам прессующих устройств относится ограниченная скорость прессования, особенно для малопластичных материалов, ввиду необходимости обеспечения заданного времени для релаксации упругих на-пряжений.Вибрационные и аппараты окатывания рассмотрены ранее. Более подробный анализ достоинств и недостатков этих аппаратов показал необходимость разработки аппарата комбинированного действия, позволяющего совмещать в одном агрегате различные технологические процессы: гранулирование, классификация, упрочнение, а также стадийность и вариативность технологических операций как по времени, так и по хронологии.
Процессы фильтрации газообразной и жидкой фазы при уплотнении порошкообразных материалов
Эти материалы, относятся к «мягким» по шкале твердости меньше 5 и плотностью 1900 - 2600 кг/м и содержат глинистые материалы, которые диспергируют в воде с образованием тонких фракций с гидратной оболочкой. Поэтому данная группа исследованных материалов имеет более высокие значения максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ) и влажности, при которых проявляются максимальные значения пластической прочности.
Высокие значения прочности имеют магнетитовый концентрат и кварцевый песок (кривые 7,8). Магнетитовый концентрат является продуктом магнитного обогащения измельченных железистых кварцитов, представлен минералом подкласса сложных оксидов Fe304. Это плотнокристаллический материал (р = 4900 кг/м ) с кристаллами магнетита пластинчатой формы твердостью 5,5 - 6,0 по шкале Мооса. Высокие значения прочности (Рм = 0,8 МПа) обусловлены видимо механическим зацеплением и плотной упаковкой частиц при подготовке образца виброформованием для испытания на коническом пластометре.
Кварцевый песок представлен каркасным силикатом S1O2 гексого-нальной и тригональной кристаллической модификации. Кварц имеет твердость по минералогической шкале 7 и выбран в качестве эталонного материала высокой твердости и кристаллического сложения.
Максимум пластической прочности (Рм = 0,4 МПа) проявляется при влажности 15 %. Таким образом, плотнокристалические материалы с твердостью более 5,5 и плотностью более 2650 кг/м3 характеризуются низкой влагоемкостью, удельной поверхностью, что свидетельствует об отсутствии частиц коллоидного размера (менее 0,1 мкм). Соответственно экстремум пластической прочности проявляется при более низких влаж-ностях по сравнению с глиносодержащими материалами. Высокие значения Р} для магнетитового концентрата и кварца по сравнению с глиносодержащими смесями можно объяснить образованием-жесткой структуры-из плотнокристаллических частиц. Последнее обусловлено также способом подготовки образцов виброуплотнением до достижения максимальной плотности упаковки с целью моделирования реального процесса уплотнения гранул и получения воспроизводимых результатов. В работе [33] показано, что максимум пластичности проявляется при минимально возможном количестве капиллярно подвижной воды. Эта влажность соответствует наименьшей капиллярной влагоемкости (НКВ) и определяется по кинетике капиллярной пропитки воды в слои дисперсного материала различной плотности. При последующем повышении влажности прочность системы снижается за счет увеличения расстояния между частицами дисперсного материала и снижения капиллярных сил. Особую группу представляют влагоемкие и тонкодисперсные материалы, представленные перлитовым песком и некондиционными частицами пылеуноса менее 0,16 мм. Перлитовый песок получают термической обработкой при 900 - 1200 С алюмосиликатной водосодержащей горной породы вулканического стекла-перлита. Вспученный перлит характеризуется высоким водопоглощением (до 400% масс), низкой теплопроводностью, высокой удельной поверхностью. Для таких легких материалов (рист = 1500 кг/м , рнас = 100 — 200 кг/м ) максимальная пластическая прочность проявляется при высоких значениях влагоемкости (более 50%), величина прочности менее 4 кПа.
Таким образом, проведенные нами исследования показывают, что для обеспечения необходимой связанности структуры гранулируемых частиц необходим комплекс механо-химических операций, обеспечивающих необходимую связанность в дисперсных системах с различными физико-химическими свойствами.
Наряду с такими показателями, как пластическая прочность материалов, важное значение имеют объемная масса (плотность) уплотненного материала, прочность тел на стадии формования и другие физико-механические характеристики.
Проведенные многочисленные исследования процессов формования порошкообразных смесей [17,28,86,104-108] показывают, что прочностные характеристики сформованных тел, наряду с пластическими свойствами материалов, их дисперсностью и др., во многом определяются поверхностью контакта уплотняемых частиц и их упаковкой в сформованном теле.
Наиболее эффективным технологическим приемом, которым легко управлять в производственных условиях, является изменение величины силового воздействия (усилия формования, центробежных или инерционных сил, вибровоздействия и др.) на процесс упаковки частиц материала, а следовательно, сил сцепления между ними. В этой связи исследованы общие закономерности и специфические особенности процесса уплотнения исследуемых порошкообразных материалов с помощью так называемых диаграмм - «компрессионных кривых уплотнения» (рис. 3.2.). Графические зависимости степени уплотнения Е (%) от усилия формования F [H) позволяют учитывать совокупность влияния всех факторов (пластичность, дисперсность, влажность смеси, силовые воздействия и др.) на эффективность уплотнения материалов по отдельным стадиям.
Получение и исследование моделей коллоидно-капилярнопористых тел с различными связующими добавками
Химический, гранулометрический составы объектов исследования определены по стандартным методикам. Оценку связующих свойств до-бавок производили по результатам лабораторных (нетехнологических), технологических исследований и опытно-промышленных- испытаний.
В основу нетехнологической оценки связующих-свойств добавок положены результаты реологических исследований водных суспензий, а также исследования влагоемких свойств набухающих добавок.
Выбор данных методов исследования обусловлен вышеуказанными существующими гипотезами опоровой суспензии.
Полученные с помощью электронно-микроскопического исследования результаты, представленные в разделе 4.2, раскрывают существующие взгляды об образовании в поровом пространстве гранул водобенто-нитовых суспензий, как крайние модельные представления. Реальная,суспензия неравномерно распределена по объему, отсутствует локализация в зонах контакта рудных частиц. Однако в настоящее время учет неравномерности распределения затруднен. Доказательством единства взглядов являетсЯ Взаимосвязь между реологическим показателем и величиной влаги набухания бентонитов, которая для исследованных на дистиллированной воде бентонитов имеет вид [141]: Л = 5,53 + 0,031 ; =0,99. (4.36) Установлена также линейная корреляция между этими показателями при изменении ионного состава дисперсионной среды (оборотная-вода ванны вакуум-филътра при обезвоживании концентрата ЛебГОКа): R = -20,81+0,090-WHa6, rv =0,94. (4.37)
Таким образом, оценку свойств бентонитов правомочно производить как по значениям величины влаги набухания, так и по значениям реологического показателя. Однако в дальнейшем для получения сравнительной характеристики набухающих и ненабухающих добавок использована ме 166 тодика реологических исследований 10 % водных суспензии на ротационном вискозиметре "Реотест-2" с аппроксимацией опытных данных моделью Бингама-Шведова,
Лабораторные технологические исследования добавок проводили на тарельчатом грануляторе диаметром 1 м в непрерывном режиме работы. Угол наклона тарели 42-45,скорость вращения 15-16 об/мин. Влажный концентрат, массой более 50 кг, смешивали с В ходе установившегося процесса отбирали исследуемой добавкой, рыхлили на валковом рыхлителе и дозировали в аппарат шнеком.пробы окатышей на испытания. Комплекс испытаний включал определение влажности, прочностных характе 167 ристик влажных и сухих гранул, общей пористости сухих окатышей. Общую массу окатышей подвергали гранулометрическому анализу, критерием корректности эксперимента служил выход годных по размеру гранул не менее 85%. Накопленную пробу кондиционных гранул подвергали в дальнейшем обжигу в специальных пробниках на обжиговой машине ОК-306. Для обожженных окатышей определены металлургические свойства по традиционным методикам. Методы промышленных испытаний заменителей бентонита можно характеризовать следующими признаками: постоянство расхода заменителя и отношение периода постоянного расхода к характерному времени переходного процесса. Последняя величина для общей схемы дозирования с учетом транспортного запаздывания не превышает двух часов. При равенстве периода постоянного расхода характерному времени переходного процесса анализ технологических показателей практически невозможен. В условиях сильной колеблемости независимых от заменителя технологических параметров, например крупности, влажности концентрата и малого количества заменителя, достаточно превышения периода постоянного расхода в 2-3 раза с чередованием базового периода. Описываемый метод был принят в промышленных испытаниях на ЛебГОКе многокомпонентного связующего, состоящего из бентонита, соды и полиакриламида. При этом необходимо анализировать двухчасовые результаты опробования. Если период постоянного расхода превышает время переходного процесса более, чем в четыре, то, соответственно, анализируются среднесменные показатели. Таким подходом пользовались в испытаниях нонтронитов, мергеля, добавки из бентонита и соды. Результаты опробования по вышеизложенным рекомендациям обрабатывали методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа.
В исследованной области скоростей деформаций (48,6-1312 с"1) все реологические кривые адекватно описываются выбранной моделью Бин-гама-Шведова, при уровне значимости 0,05.
В последующих расчетах и рассуждениях использованы значения пластической вязкости, на основе которых установлены оптимальные составы многокомпонентных связующих, оценены новые связующие и дан прогноз их расходов;для технологических испытаний.
Лабораторные исследования технологических связок 4С6Л Реологические исследования растворов полиэлектролитов
Водорастворимые полимеры- (ВРИ) находят широкое применение в буровой технике, при сгущении шламову при агломерации поверхностного слоя полидисперсных материалов; с целью защиты окружающей среды от загрязнений; в качестве связующих материалов при: оку скований-железорудных. материалов, и других областях химической технологии:
При использовании ВРИ в окомковании они выполняют роль набухающей добавки, связывающей свободную воду влажного материала с образованием в поровом пространстве коагуляционно- структурированной системы. Реологии-ческие параметры поровой суспензии- определяют кинетику и стабильность; процесса гранулированиям конечную прочность образующихся гранул. Поэтому реологический метод исследования растворов; полиэлектролитов! является, определяющим при оценке способности ВРИ к структурообразованию в многофазных дисперсных системах.
Водорастворимые полиэлектролиты согласно современной классификации относятся; к классу коллоидных электролитов; растворы которых представляют собой термодинамически устойчивые лиофильные системы. Эксплуатационные свойства водорастворимых; полиэлектролитов зависят, главным образом, от характера ионогенных групп, их количества и распределения; по длине макромолекулы.
По природе ионогенных групп полиэлектролиты;можно разделить на три категории: анионные, катионные и полиамфолиты. Анионные полиэлектролиты имеют в своем составе кислотные группы, например - СОО.
169 Катионные полиэлектролиты содержат основную группу, например: — NHj. К полиамфолитам относятся полиэлектролиты, содержащие одновременно как кислотную, так и основную группы. Характер диссоциации и знак заряда макроиона подобных амфотерных полиэлектролитов зависят от величины рН раствора.
Характерным свойством полимеров и полиэлектролитов является склонность к образованию ассоциатов, обусловленная длинноцепочечным строением макромолекул, способных кооперативно взаимодействовать друг с другом. Образование ассоциатов начинается уже при концентрации (1,2-5,4)-Ю-4 г/дл., и течение жидкости описывается уравнением Бинга ма. С практической точки зрения для оценки влияния дисперсионной среды на реологию окатышей необходимо выявить зависимость таких характеристик, как вязкость (пластическая, эффективная, удельная), напряжение сдвига от концентрации полиэлектролита.
Похожие диссертации на Физико-химические основы процессов агломерации дисперсных материалов и их аппаратурное обеспечение
-
-
-
-
-
-
-
