CC BY
45
УДК 661.832.321
О.А. Чудинова, М.В. Сыромятникова, Э.Г. Сидельникова, А.В. Новоселов, В.З. Пойлов
Пермский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ГРАНУЛ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ГРАНУЛИРОВАНИИ ЦИКЛОННОЙ ПЫЛИ ХЛОРИДА КАЛИЯ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ
Изучено влияние температуры и продолжительности процесса сушки на характеристики получаемых гранул. Установлено наличие дефектов в кристаллической структуре гранул товарной фракции в зависимости от температуры проведения процесса сушки.
Важной стадией в технологии гранулирования минеральных удобрений является сушка гранулята, которая осуществляется во вращающихся печах. Этот процесс является необходимым этапом упрочнения гранул, пригодных к длительному хранению и транспортировке. Кроме упрочнения гранул, при сушке происходит удаление избыточной влаги с поверхности, что предотвращает слипание гранул на стадии транспортировки и хранения [1-4]. В результате сушки происходит удаление влаги, что приводит к образованию прочных кристаллических мостиков, увеличению прочности гранул и изменению гранулометрического состава высушиваемого материала с образованием некондиционной фракции [5].
Процесс сушки протекает со скоростью, которая зависит от формы связи влаги с материалом и механизма превращения в нем влаги. Длительность процесса сушки определяется следующими основными факторами [6]:
1) структурой материала и формой связи влаги с ним;
2) размерами частиц высушиваемого материала;
3) величиной начальной и конечной влажности материала, а также его температурой;
4) параметрами теплоносителя (температура, влагосодержание, скорость).
Целью работы являлось исследование процесса сушки гранул, полученных при гранулировании циклонной пыли хлорида калия методом окатывания.
Для достижения поставленной цели необходимо было исследовать: влияние температуры и продолжительности процесса сушки на характеристики гранул, а также наличие дефектов в кристаллической структуре гранул в зависимости от температуры проведения процесса сушки.
Объектом исследования служили гранулы товарной фракции 2,0-5,0 мм, полученные при гранулировании циклонной пыли флотационного хлорида калия ОАО «Уралкалий» г. Березники (БКРУ-2). Химический и гранулометрический составы циклонной пыли приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1 Гранулометрический состав циклонной пыли
Размер фракции, мм +0,315 -0,155 -0,135 -0,125 Средний размер частиц, мм
Содержание фракции, % 0,06 8,305 8,592 83,043 0,136
Таблица 2
Химический состав циклонной пыли
Вещество Вода КС1 №С1 ]^С12-6И20 Са804 Нерастворимый остаток Амины
Содержание, мас. % 0,28 90,85 5,62 0,23 0,81 2,08 0,13
Видно, что содержание полезного компонента хлорида калия в циклонной пыли составляет около 90 %, а количество аминов -
0,13 %. Циклонная пыль хлорида калия на 83 % представлена фракцией размером менее 0,125 мм, средний размер частиц исходной пыли не превышает 0,136 мм.
Исследования процесса сушки проводили в сушильном шкафу при температурах 150, 200 и 400 °С. Методика эксперимента процесса сушки заключалась в следующем. Полученные путем окатывания заданного состава влажные гранулы товарной фракции взвешивали. Гра-
нулы переносили в лодочки и помещали в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры опыта. Продолжительность процесса составляла: 10, 20 и 30 мин. Затем гранулы, охлажденные до температуры окружающей среды гранулы, повторно взвешивали, определяли гранулометрический состав и статическую прочность на приборе ИПГ-1.
Для анализа наличия дефектов кристаллической структуры гранул использовали фотомикроскопический анализ, который проводили с использованием оптического микроскопа МБС-2 и цифровой фотокамеры 01ушрш-С55 с разрешающей способностью 5 мегапикселей. Фотосъемку образцов проводили на фотостоле с закрепленной в держателе цифровой фотокамерой, при искусственном освещении. Фиксировали наличие дефектов на поверхности и в разрезе полученных гранул.
По результатам эксперимента рассчитывали скорость процесса сушки (№) и среднюю степень обезвоживания (X):
№ = Х 2 - Х1
Ах
Х = (Мнач - Мкон ) 'І00
Мнач ’
где Мнач и Мкон - начальная и конечная масса гранул, г; Х1 и Х2 - степень обезвоживания гранул в момент времени т1 и т2; Ат = т2 - т1 - длительность процесса, мин.
Результаты исследований представлены в табл. 3, 4 и на рис. 1, 2.
По данным табл. 3 видно, что с увеличением температуры процесса от 150 до 400 °С степень обезвоживания гранулята возрастает, а максимальная прочность гранул наблюдается при температуре 200 °С.
Повышение температуры с 200 до 400 °С независимо от вида связующего оказывает отрицательное влияние на прочность гранул товарной фракции. В этих условиях происходит удаление влаги связующего не только с поверхности гранул, но и из объема пор гранулы. Количество дефектов в кристаллической структуре гранул возрастает, что приводит к снижению прочности гранул (рис. 1).
Таблица 3
Влияние температуры на характеристики гранул товарной фракции
Температура, °С Вид связующего Расход сухого связующего, % Степень обезвоживания гранул, % Прочность гранул, кгс/гранула
150 10 % водный раствор СК 1,68 10,88 1,32
0,1 % водный раствор КМЦ 0,0168 12,04 0,65
10 % водный раствор карбамида 1,6 11,47 0,51
10 % водный раствор ПВА 1,68 11,51 0,9
200 10 % водный раствор СК 1,68 11,66 1,46
0,1 % водный раствор КМЦ 0,0168 12,97 0,76
10 % водный раствор карбамида 1,6 11,88 1,22
10 % водный раствор ПВА 1,68 12,47 1,02
400 10 % водный раствор СК 1,68 12,66 1,32
0,1 % водный раствор КМЦ 0,0168 14,56 0,68
10 % водный раствор карбамида 1,6 14,01 0,58
10 % водный раствор ПВА 1,68 14,24 0,43
На рис. 1, а и б в разрезе гранул, высушенных при температурах 150 и 200 оС, видны небольшие каверны (указаны стрелками), упаковка гранул плотная. На рис. 1, б в разрезе гранулы, высушенной при 400 оС, видны увеличенные каверны и трещины (указаны стрелками), внутренняя полость гранулы представляет собой рыхлую структуру, упаковка неплотная. С увеличением температуры процесса сушки количество дефектов увеличивается и их характер в кристаллической структуре изменяется, что отрицательно влияет на прочность гранул.
На рис. 2 видно, что на поверхности гранулы, полученной с легкоплавким связующим ПВА, в процессе сушки образовалась полая трубка -кристаллическая структура. Произошло выдавливание легкоплавкой фазы по внутренним капиллярам пористой гранулы на поверхность с последующей кристаллизацией в виде полой трубки. Этот эффект снижает прочность гранул. В связи с этим необходимо снижать количество легкоплавкой фазы в исходной тукосмеси, подаваемой на гранулирование.
в
Рис. 1. Разрез гранул при различных температурах процесса сушки: а - 150 °С; б - 200 °С; в - 400 °С (связующее - 10 % водный раствор СК, расход 1,68 %)
Рис. 2. Гранула с полой трубкой (связующее - 10 % водная суспензия ПВА, расход 1,68 %, температура сушки - 200 °С)
Влияние длительности процесса сушки на характеристики гра-нулята изучали при температуре 200 °С. Результаты исследований представлены в табл. 4.
Таблица 4
Влияние продолжительности сушки на скорость, степень обезвоживания и прочность гранул
Расход сухого связующего, % Длительность процесса сушки, мин Изменение массы, г Скорость процесса, г/мин Средняя прочность гранул, кгс/гранула
10 % водный раствор СК
1,68 1G G,68 G,G68 1,31
1,68 2G G,699 G,G35 1,35
1,68 3G G,755 G,G252 1,27
0,1 % водный раствор КМЦ (натриевая соль)
1,68 1G G,672 G,G672 G,71
1,68 2G G,769 G,G385 G,74
1,68 3G G,744 G,G248 G,59
10 % водная суспензия ПВА
1,68 1G 1,G88 G,1G88 G,91
1,68 2G G,968 G,G484 1,28
1,68 3G G,973 G,G324 G,71
10 % водный раствор карбамида
1,6 1G G,872 G,G872 G,32
1,6 2G G,817 G,G4G85 G,64
1,6 3G G,695 G,G232 G,71
Данные табл. 4 показывают, что с увеличением продолжительности сушки скорость процесса замедляется. Это связано с тем, что при малой длительности процесса влага легко удаляется с поверхности гранул и величина скорости высокая. При увеличении времени сушки выделение влаги затруднено, так как она начинает удаляться из капилляров, т. е. изнутри гранулы, что приводит к снижению скорости процесса. С повышением длительности процесса сушки прочность гранул сначала возрастает, а затем снижается. Возможной причиной снижения прочности является развитие трещин внутри гранул.
Выводы:
1. Установлено, что оптимальными температурами процесса сушки являются 150-200 °С при длительности 20 мин. Снижение температуры ниже 150 °С приводит к уменьшению скорости процесса
сушки, а увеличение свыше 200 °С - к развитию каверн внутри гранул и уменьшению прочности гранул. Повышение длительности процесса сверх 20 мин способствует развитию дефектов гранул.
2. Выявлено, что использование легкоплавких связующих типа ПВА и карбамид сопровождается образованием вздутий на гранулах и снижает их прочность.
Список литературы
1. Классен П.В, Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М.: Химия, 1991. 240 с.
2. Пат. 99100811 РФ, МПК 7 Б0П2/00. Способ гранулирования тонкодисперсных материалов и устройство для его осуществления / Барышникова Л.И., Виноградов С.А., Кабанова О.Е. [и др.]. Опубл. 20.11.2000.
3. Пат. 2157356 РФ, МПК 7 С05Б1/00, С01Б3/22. Способ получения гранулированного хлорида калия / Сафрыгин Ю.С., Букша Ю.В., Осипова Г.В. [и др.]. Опубл. 10.10.2000.
4. Пат. 2307115 РФ, МПК 7 С05Б7/00, Б0И2/28, С0505/00. Способ кондиционирования гранулированных удобрений / Гришаев И. Г., Сырченков А. Я., Громова И.Н. [и др.]. Опубл. 27.09.2007.
5. Процессы гранулирования в промышленности / Н.Г. Вилесов, В.Я. Скрипко, В.Л. Ломазов, И.М. Танченко. Киев: Техника, 1976. 192 с.
6. Чернобыльский И.И., Тонанайко Ю.М. Сушильные установки химической промышленности. Киев: Техника, 1969. 280 с.
Получено 17.06.2009
