ГРАНУЛЯТОР Российский патент 2016 года по МПК B01J2/02 

Изобретение относится к области, связанной с гранулированием жидких материалов с твердыми включениями, например, к области производства известково-аммиачной селитры, NP, NS, NK и NPK удобрений.

Из уровня техники известно устройство для гранулирования жидких материалов, содержащих твердые включения, состоящее из центрального подводящего патрубка, вращающегося корпуса с перфорированной боковой стенкой, снабженного неподвижными трубами (перегородками), концентрически установленными по отношению к оси вращения корпуса и открытыми в нижней части в горизонтальной плоскости вблизи от перфорированной стенки корпуса [Авторское свидетельство №856372 («Норск Гидро А.С») 15.08.1981].

При работе устройства жидкий материал с твердыми включениями, подаваемый внутрь корпуса, распределяется в нем за счет наличия концентрически установленных в корпусе труб на отдельные ламинарные потоки. Так как трубы установлены неподвижно, то при вращении корпуса с перфорированной стенкой возникает эффект «проскальзывания» жидкого материала около вращающейся стенки (расплав движется внутри корпуса с угловой скоростью, значительно меньшей угловой скорости корпуса), что заставляет жидкий материал поступать в выходные отверстия почти тангенциально. Это дает возможность значительно увеличить сечение выходных отверстий, например, до 3,5-4,5 мм, что с одной стороны предотвращает их засорение содержащимися в жидком материале твердыми включениями, а с другой стороны обеспечивает получение основной фракции 1,0-6,0 мм гранул около 85%, т.к. при «проскальзывании» жидкого материала около вращающейся перфорированной стенки каждое ее отверстие работает неполным сечением, и в результате чего на выходе образуется тонкая струя жидкого материала, которая далее распадается на капли (гранулы). При этом также значительно уменьшается диаметр факела разбрызгиваемого материала.

Недостатком известного устройства является отложение твердых частиц суспензии на дне аппарата, стенках неподвижных труб и отверстий, что снижает его надежность в работе. Это приводит к «забиванию» твердыми частицами элементов гранулятора (его отверстий, направляющих труб, скоплению частиц на дне гранулятора).

Известен также способ гранулирования [патент RU 2024290 C1 (Сахаров В.Н.) 15.12.1994] минеральных удобрений башенным методом из расплавов, содержащих твердые частицы, заключающийся в том, что для предотвращения засорения отверстий расплав с твердыми частицами взмучивают.

Недостатком этого способа является то, что процесс взмучивания расплава, содержащего твердые частицы, не устраняет засорения отверстий, а лишь не позволяет твердым частицам откладываться, прежде всего, на дне.

Известен способ гранулирования [Авторское свидетельство №1489820, (Сумской филиал Харьковского политехнического института им. В.И. Ленина) 30.06.1989] минеральных удобрений башенным методом из расплавов, содержащих твердые частицы, состоящий в том, что в процессе истечения расплава из отверстий осуществляется очистка последних механическим способом.

Недостатком этого способа гранулирования является техническая сложность его осуществления (на практике система диспергирования имеет количество отверстий для истечения расплава, исчисляемое сотнями или даже тысячами штук). При каждом акте прочистки отверстия нарушается стабильность истечения расплава из него, что приводит к нарушению процесса гранулообразования. Кроме того, происходит повреждение отверстий, через которые происходит истечение, что сказывается на качестве распада истекающих струй и, в итоге, на качестве гранулообразования.

Известно устройство для гранулирования расплавов с твердыми включениями, содержащее вращающийся корпус с перфорированной боковой стенкой, питающий патрубок с укрепленной на его выходе распределительной решеткой, и стакан, неподвижно установленный в корпусе коаксиально с зазором, имеющий сквозные пазы на боковой поверхности и разделенный горизонтальными секционирующими кольцевыми перегородками, закрепленными на стакане с образованием зазора с перфорированной боковой стенкой корпуса [Авторское свидетельство №1734271 (Дзержинский филиал Ленинградского научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения) 10.04.1995].

При работе расплав (с твердыми включениями) в виде отдельных ламинарных потоков, образованных после прохождения распределительной решетки, подается на кольцевые горизонтальные перегородки, далее к вращающейся перфорированной боковой стенке корпуса и истекает в виде струй, которые в дальнейшем распадаются на капли и затвердевают. Твердые включения, содержащиеся в расплаве и имеющие размеры, превышающие размеры отверстий перфораций в корпусе, отбрасываются внутренней стенкой вращающегося корпуса на кромки пазов неподвижного стакана, измельчаются от ударов о них, а затем удаляются через отверстия в корпусе наружу.

Недостатком устройства является сложная конструкция, что снижает его надежность в работе, кроме того, твердые частицы суспензии отлагаются на его внутренних конструктивных элементах и засоряют отверстия гранулятора.

Известно устройство для гранулирования расплавов с твердыми включениями, содержащее вращающийся конический корпус с перфорированной боковой стенкой, питающий патрубок с укрепленной на его выходе распределительной решеткой, стакан, неподвижно установленный в корпусе коаксиально с зазором, имеющий сквозные пазы с боковой поверхности, закрепленные на стакане с образованием зазора с перфорированной боковой стенкой корпуса поперечные секционирующие корпус и стакан перегородки, выполненные в виде полых усеченных конусов, направленных вершиной вверх с уменьшающимися сверху вниз диаметрами [Авторское свидетельство №1807604 (Дзержинский филиал Ленинградского научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения) 10.04.1995].

При работе жидкий материал, содержащий твердые нерастворимые включения, поступает через питающий патрубок с распределительной решеткой внутрь стакана, рассекается коническими перегородками на отдельные ламинарные потоки, которые направляются в соответствующие секции к вращающейся перфорированной боковой стенке корпуса и истекает наружу в виде отдельных струй, распадающихся затем на капли, которые в дальнейшем отверждаются и превращаются в гранулы.

Недостатками устройства являются низкая надежность в работе из-за отложения частиц суспензий на внутренних конструктивных элементах предлагаемого устройства, сложность конструкции и возможность засорения отверстий твердыми частицами.

Известен способ гранулирования [патент RU 2113276 С1 (Иванов А.Б., Рустамбеков М.К., Беркович А.Ш.) 20.06.1998], в котором осуществляют разбрызгивание расплава в грануляционное пространство башни путем истечения струй расплава из отверстий гранулятора. Затем осуществляют распад этих струй на капли и охлаждение капель. При истечении из отверстий струям расплава придают вращение с угловой скоростью, равной 300-600 с^-1.

Недостатком данного способа гранулирования являются засорение отверстий твердыми частицами, отложение их на дне диспергатора и увеличение вероятности образования повышенного количества капель-спутников.

Известно устройство [патент RU 2138326 C1 (Дзержинский филиал Ленинградского научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения) 27.09.1999] для гранулирования жидких материалов с твердыми включениями, которое содержит вращающийся конический корпус с перфорированной боковой стенкой, питающий патрубок, стакан и поперечные кольцевые перегородки. Питающий патрубок имеет укрепленную на его выходе распределительную решетку. Стакан неподвижно установлен в корпусе коаксиально ему с зазором. Стакан имеет сквозные пазы в боковой поверхности. Кольцевые перегородки закреплены на стакане и секционируют корпус и стакан. Перегородки имеют уменьшающийся сверху вниз диаметр. Корпус содержит неподвижно закрепленные на его внутренней поверхности кольцевые перегородки. Каждая из этих перегородок установлена с зазором напротив соответствующей перегородки, закрепленной на стакане, и охватывает по периметру последнюю. Зазор между перегородками, закрепленными на стакане, и соответствующими охватывающими их перегородками, закрепленными на внутренней стенке корпуса, не превышает 1,0 мм. Перегородки, закрепленные на корпусе, выполнены съемными.

Недостатками этого устройства являются сложность его конструкции, низкая надежность в работе, отложение частиц суспензии на внутренних конструктивных элементах гранулятора и засорение отверстий для истечения струи диспергируемого вещества содержащимися в нем твердыми частицами.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является гранулятор [Авторское свидетельство №184255, 01.01.1966], состоящий из вращающегося конуса, выполненного ступенчатым из нескольких уменьшающихся в диаметре вертикальных цилиндров, боковые поверхности которых перфорированы и внутренние кромки цилиндров которого образуют параболоид вращения.

Недостатками этого устройства являются низкая надежность в работе вследствие отложения частиц суспензии на дне диспергатора, ухудшение его работоспособности из-за повышения концентрации суспензии по высоте диспергатора и засорение отверстий твердыми частицами.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание гранулятора для диспергирования жидких материалов с твердыми включениями, позволяющего исключить возможность повышения концентрации твердых частиц в суспензии по мере приближения к дну гранулятора, возможность забивания отверстий диспергатора твердыми частицами суспензии, откладывающимися на стенке отверстия в направлении, противоположном направлению вращения корпуса гранулятора.

Технический результат в представленном грануляторе суспензий достигается выбором параметров корпуса гранулятора (радиус, форма оболочки, число и диаметр отверстий в ней, расстояние между поясами отверстий, число оборотов оболочки) такими, чтобы отношение радиуса оболочки (R) к расстоянию между поясами отверстий в оболочке (δ) было равно 1,0÷2,5 величины отношения скорости осаждения частиц суспензии в поле сил тяжести (υ_g) к радиальной составляющей скорости движения суспензии (ω_R), т.е. . Толщину боковой стенки отверстия (h) в перфорированной оболочке делают такой, чтобы ее отношение к диаметру отверстия (d) было равно 0,4÷1,0 величины отношения радиальной составляющей скорости движения суспензии в отверстии оболочки (ω) к линейной скорости ее движения на внутренней поверхности стенки оболочки (υ), т.е. . Требуемая толщина боковой стенки отверстия может быть достигнута его раззенковкой, или у отверстий

можно сделать продольную (лежащую в плоскости вращения) проточку до требуемой толщины боковой стенки отверстия. Кроме того, для создания направленного винтового движения пограничного слоя суспензии у поверхности перфорированной оболочки диспергатора во внутренней стенке оболочки гранулятора делают винтовую нисходящую проточку, нормальное к ее оси сечение является равносторонним треугольником, основанием которого является внутренняя поверхность оболочки гранулятора, а высота ξ выбирается по соотношению:

,

где µ_c и ρ_c - коэффициент динамической вязкости и плотность суспензии соотвественно; υ - линейная скорость движения суспензии на внутренней поверхности стенки. Шаг Δ нисходящей винтовой проточки выбирается по соотношению:

,

где δ - расстояние между поясами отверстий в оболочке, ω_R - радиальная составляющая скорости движения суспензии.

Сущность устройства состоит в следующем. Забивание корзины гранулятора твердыми частицами суспензии из-за осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести зависит от соотношения радиальной составляющей скорости движения суспензии к скорости осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести и от отношения радиуса гранулятора и расстояниями между последовательностями (поясами) отверстий на перфорированной поверхности гранулятора, которые перпендикулярны оси гранулятора. Следовательно, необходимо, чтобы указанные выше параметры были подобраны в соотношении 1,0÷2,5, обеспечивающем условие, когда частица, двигаясь с потоком в радиальном направлении за время, необходимое для достижения отверстия, осадилась (опустилась) под действием силы тяжести на расстояние меньшее или равное расстоянию между «поясами» отверстий гранулятора. Создание направленного винтового движения пограничного слоя суспензии у поверхности перфорированной оболочки диспергатора обеспечивает винтовая нисходящая проточка во внутренней стенке оболочки диспергатора. Нормальное к ее оси сечение является равносторонним треугольником, основанием которого является внутренняя поверхность оболочки гранулятора, а высота - . Шаг Δ нисходящей винтовой проточки выбирается по соотношению: . Это предотвращает рост концентрации твердых частиц суспензии по высоте гранулятора и накопление их на дне. Выполнение этих условий зависит от взаимосвязи всех конструктивных параметров корпуса гранулятора (радиус, форма оболочки, число и диаметр отверстий в ней, расстояние между поясами отверстий, число оборотов оболочки, глубина, форма сечения, направление и шаг винтовой проточки на внутренней поверхности перфорированной оболочки гранулятора). Соотношение радиальной составляющей скорости движения суспензии и скорости осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести связаны между собой так, что отношение радиуса оболочки к расстоянию между поясами отверстий в образующей оболочки, должно быть таким, чтобы твердые частицы суспензии, перемещаясь по вертикали в пределах между смежными поясами отверстий, по горизонтали успевали бы достигнуть перфорированной поверхности гранулятора и покинуть его. Размеры гранулятора и количество отверстий при выбранных скорости вращения гранулятора и диаметрах отверстий в каждом поясе определяют производительность гранулятора.

Толщину боковой стенки отверстия в перфорированной оболочке делают такой, чтобы ее отношение к диаметру отверстия было равно 0,4÷1,0 величины отношения радиальной составляющей скорости движения суспензии в отверстии оболочки к линейной скорости ее движения на

внутренней поверхности стенки оболочки. При этом твердая частица суспензии успевает покинуть отверстие в оболочке, не столкнувшись со стенкой отверстия, противоположной направлению вращения корпуса гранулятора.

Устройство работает следующим образом.

Гранулируемая суспензия (жидкий материал, содержащий твердые нерастворимые включения) поступает через патрубок во вращающийся корпус гранулятора, где под действием центробежной силы прижимается к перфорированной рабочей стенке корпуса. Из перфораций (отверстий) в боковой стенке корпуса гранулируемый материал истекает в виде отдельных струй, которые в дальнейшем распадаются на капли и при затвердевании превращаются в гранулы. При этом конструктивные параметры гранулятора выбираются такими, чтобы отношение радиуса оболочки к расстоянию между поясами отверстий в образующей оболочки было равно 1,0÷2,5 величины отношения скорости осаждения частиц суспензии в поле сил тяжести к радиальной составляющей скорости движения суспензии, для создания направленного винтового движения пограничного слоя суспензии у поверхности перфорированной оболочки диспергатора во внутренней стенке оболочки гранулятора делают винтовую нисходящую проточку нормальное к ее оси сечение является равносторонним треугольником, основанием которого является внутренняя поверхность оболочки гранулятора, а высота ξ выбирается по соотношению: ; шаг нисходящей винтовой проточки выбирается по соотношению , а толщина боковой стенки отверстия должна относится к диаметру отверстия, как 0,4÷1,0 величины отношения радиальной составляющей скорости движения суспензии в отверстии оболочки к линейной скорости ее движения на внутренней поверхности стенки оболочки, которая, исходя из гипотезы «прилипания», равна линейной скорости движения внутренней поверхности

стенки оболочки, что позволяет избежать концентрирования твердых частиц суспензии по высоте гранулятора и скапливания их на дне аппарата из-за осаждения частиц суспензии под действием сил тяжести, а так же забивания отверстий гранулятора из-за отложения твердых частиц суспензии на стенках отверстий противоположных направлению вращения гранулятора.

Толщину боковой стенки отверстий можно корректировать при помощи их раззенковки или выполнением продольных (лежащих в плоскости вращения) проточек.

Для сравнения состояния отверстий на рабочей поверхности гранулятора в зависимости от выбранного диапазона соотношений конструктивных параметров по формуле (1) представлено в таблице 1.

где ω - радиальная составляющая скорости движения суспензии в отверстии оболочки, υ - линейная скорость движения суспензии на внутренней поверхности стенки оболочки, h - толщина боковой стенки отверстия, d - диаметр гранулятора.

Для сравнения степени осаждения твердых частиц суспензии по высоте гранулятора и их отложения на дне корпуса гранулятора в зависимости от выбранного диапазона соотношений конструктивных параметров по формуле (2) представлено в таблице 2.

где δ - расстояние между поясами отверстий в оболочке гранулятора; R - радиус оболочки гранулятора; ω_R - радиальная составляющая скорости движения суспензии; υ_g - скорость осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести.

Испытания с одинаковым результатом проведены на суспензиях:

1) вода/тальк с диаметром частиц D=40-100 мкм и концентрациями талька 10-40% мас.;

2) вода/конверсионный мел с диаметром частиц D=40-60 мкм и концентрациями мела 10-40% мас.;

3) вода/молотый известняк с диаметром частиц D=40-200 мкм и концентрациями известняка 10-30% мас.;

4) водный раствор аммиачной селитры/конверсионный мел с диаметром частиц D=40-60 мкм и концентрациями мела 10-40% мас.;

5) водный раствор аммиачной селитры/доломит с диаметром частиц D=60-300 мкм и концентрациями доломита 10-40% мас.

Испытаны центробежные грануляторы:

- радиус верхней части 130-200 мм;

- высота корпуса 320-480 мм;

- угол конусности боковых стенок гранулятора 0-15°;

- диаметр отверстий 1,5-4,0 мм.

В качестве примера представлены расчеты для суспензии вода/тальк с диаметром частиц D=40 мкм и концентрацией талька 10% мас. Расстояние между поясами отверстий в оболочке (δ):

;

;

;

.

Высота винтовой нисходящей проточки (ξ):

;

;

;

;

.

Шаг нисходящей винтовой проточки (Δ):

;

;

.

Толщина боковой стенки отверстия (h):

;

;

;

.

Изобретение относится к области, связанной с гранулированием жидких материалов с твердыми включениями и представляет собой гранулятор, состоящий из вращающегося перфорированного полого корпуса, в котором расстояние между поясами отверстий в оболочке δ выбирают по соотношению δ=(1,0÷2,5)Rω_R/υ_g, где R - радиус оболочки гранулятора, ω_R - радиальная составляющая скорости движения суспензии, υ_g - скорость осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести; во внутренней стенке оболочки гранулятор включает винтовую нисходящую проточку, нормальное к ее оси сечение является равносторонним треугольником, основанием которого служит внутренняя поверхность оболочки гранулятора, а высота ξ выбирается по соотношению: , где µ_c, ρ_с - коэффициент динамической вязкости и плотность суспензии соответственно, υ - линейная скорость движения суспензии на внутренней поверхности стенки гранулятора, шаг Δ нисходящей винтовой проточки выбирается по соотношению: Δ=(0,5÷1)2πδω_R/υ, а толщина боковой стенки отверстия выбирается по соотношению: h=(0,4÷1,0)dω/υ, где h - толщина боковой стенки отверстия, d - диаметр отверстия в рабочей стенке гранулятора, ω - радиальная составляющая скорости движения суспензии в отверстии оболочки. Изобретение обеспечивает исключение возможности повышения концентрации твердых частиц в суспензии по мере приближения к дну гранулятора, возможности забивания отверстий диспергатора твердыми частицами суспензии, откладывающимися на стенке отверстия в направлении, противоположном направлению вращения корпуса гранулятора. 2 табл.

Гранулятор жидких материалов с твердыми включениями, состоящий из вращающегося перфорированного полого корпуса, отличающийся тем, что расстояние между поясами отверстий в оболочке δ выбирают по соотношению
,
где R - радиус оболочки гранулятора, ω_R - радиальная составляющая скорости движения суспензии, υ_g - скорость осаждения частиц суспензии в поле силы тяжести; во внутренней стенке оболочки гранулятор включает винтовую нисходящую проточку, нормальное к ее оси сечение является равносторонним треугольником, основанием которого служит внутренняя поверхность оболочки гранулятора, а высота ξ выбирается по соотношению
,
где µ_c, ρ_c - коэффициент динамической вязкости и плотность суспензии соответственно, υ - линейная скорость движения суспензии на внутренней поверхности стенки гранулятора, шаг Δ нисходящей винтовой проточки выбирается по соотношению

а толщина боковой стенки отверстия выбирается по соотношению

где h - толщина боковой стенки отверстия, d - диаметр отверстия в рабочей стенке гранулятора, ω - радиальная составляющая скорости движения суспензии в отверстии оболочки.