Тарельчатый гранулятор расчет
Введение
Известно значительное количество способов агрегирования дисперсных материалов, однако наиболее распространенным из них является метод грануляции окатыванием. От прочих способов, окатывание на вращающихся поверхностях отличается высокими показателями по продуктивности и экономичности. Для его осуществления обильно применяют один из двух типов устройств грануляторов - барабанный или тарельчатый.Тарельчатые, дисковые, грануляторы имеют целый ряд преимуществ перед барабанными. Они позволяют получать гранулы с более узким фракционным составом, имеют очень небольшую кратность ретура, что намного снижает нагрузку на классифицирующую аппаратуру, имеют большие возможности управления и контроля гранулообразования, более компактны, экономичны и требуют меньших капитальных вложений. Гранулирование позволяет существенно уменьшить склонность продукта к слеживанию, упростить хранение, транспортирование и дозирование; повысить сыпучесть при одновременном устранении пылимости и тем самым улучшить условия труда в сферах производства, обращения и использования. Гранулирование открывает возможность гомогенизировать смесь в отношении физико-химических свойств; увеличивать поверхность тепломассообмена; регулировать структуру гранул и связанные с ней свойства. Все это приводит к интенсификации процессов с использованием гранулированных продуктов, повышению производительности труда и культуры производства.
Число дисперсных продуктов, для которых
требуется гранулированная или выпускная
форма постоянно увеличивается, поэтому
надежное моделирование этих процессов
весьма актуально. Окомкование, или грануляция
дисперсных отходов и последующее их складирование,
по моему мнению, является следующим шагом
в направлении развития технологий хранения
дисперсных минеральных остатков. В сравнении
с пылевидным агрегированное состояние
материала при отвальном хранении повышает
поглотительную способность массива.
Это позволяет избежать пылевыделения,
уменьшить или исключить выделение стоков,
то есть поверхность гранулохранилища
не нуждается в экранировании как при
его заполнении, так и в последующем. Потребительские
свойства гранулированного материала,
в сравнении с порошком, выше, поскольку
окускованный продукт удобнее в обращении,
а его отбор из хранилища менее проблематичен.
С другой стороны, качественные характеристики
гранулированного продукта по отношению
к дисперсному аналогу, особенно из гидроотвала,
значительно выше — за счет улучшения
фазовой однородности
1 Литературный обзор
1.1Тарельчатые грануляторы
Для окомкования шихты используют барабанные или чашевыегрануляторы. Барабанныйгранулятор принципиально не отличается от окомкователя агломерационной шихты. В отличие от барабанного рабочий орган чашевого гранулятора представляет собой наклоненную к горизонту под углом 45 – 55 градусов чашу с плоским днищем, которая вращается вокруг своей оси.
Тарельчатые грануляторы выпускаются различного диаметра (1— 6 м), высоты борта (0,27—0,61 м) и производительности (до 50 т/ч). Большинство грануляторов имеют наклон оси вращения 45—65° к горизонтали.
Промышленные тарельчатые грануляторы различаются конструкцией тарелки, борта, механизмов подачи сыпучих материалов и увлажнителей, а также очистительных приспособлений и приводных устройств. У грануляторов ступенчатой конструкции значительно улучшен эффект классификации. Для улучшения этого эффекта в тарельчатом грануляторе с высокими бортами применяют захватывающее устройство, с помощью которого гранулы соответствующих размеров непрерывно выпускаются за борт тарелки. Установлено, что площадь поверхности тарелки, необходимая для получения 1 т продукта в 1 ч, должна быть равной 1,1— 1,3 м ². Тарелки цилиндрической формы имеют серьезные недостатки. В них участки стыковки днища с бортом создают нерабочее пространство, где гранулирование не происходит, т. е. создается дополнительная непроизводительная нагрузка на привод тарелки, мощность которого приходится завышать. Кроме того, находящиеся в этих участках несформировавшиеся гранулы разрушаются под тяжестью расположенного над ними сырья. Толщина слоя сырья в нерабочей зоне должна быть такой, чтобы не происходило разрушения гранул, а это ограничивает размеры и производительность гранулятора. В настоящее время разрабатываются более эффективные сферические тарелки. Благодаря использованию тарелки со сферической поверхностью нерабочее пространство исключается, потребляемая мощность привода снижается, и рабочая полезная площадь тарелки увеличивается. Тарельчатый гранулятор (рисунок 1.1) состоит из .наклонно расположенной вращающейся тарелки 1, которая своим основанием устанавливается на опорную стойку 6, представляющую собой жесткую коробку сварной конструкции. Привод тарелки осуществляется от электродвигателя 3, расположенного на передвижной плите, через клиноременную передачу, редуктор 4 и коническое колесо. К центральной стойке гранулятора крепятся кронштейне с прикрепленными к ним ножами 7 для очистки дна и бортов тарелки. Угол тарелки изменяется с помощью регулятора угла наклона 5.
Принцип действия гранулятора показан на рисунке 1.2. Предварительно смешанные компоненты или тонкоизмельченный суперфосфат подают в гранулятор в точке X, пластифицирующий агент разбрызгивают над материалом или вводят под его слой в количестве, необходимом для агломерирования мелких частиц, который направляются скребком 6 в зону орошения. Крупные агломерированные частицы движутся к поверхности глубокого слоя 4 в нижней части тарелки и выгружаются из нее через борт, а мелкие остаются в слое 5 для дальнейшего агломерирования. Таким ом разом, в грануляторе одновременно происходит и классификации гранул.
При удовлетворительной пластичности тонкоизмельченного увлажненного материала окатывание его в неглубоком слое мелких частиц дает такие же хорошие сферические гранулы, как при аналогичных условиях во вращающемся горизонтальном барабане. Конструкция и производительность тарельчатых грануляторов могут быть различны, их выбирают в соответствии с заданной мощностью технологической линии и видом получаемого удобрения или другого продукта.
1-вращающаяся тарелка; 2-течка для подачи сыпучих компонентов ;
3-электродвигатель;
4-редуктор;5-регулятор угла наклона тарелки;
6-опорная стойка; 7-ножки для очистки дна
и бортов тарелки;8-труба для удаления
пыли;9-распределитель жидких ком-понентов.
Рисунок1.1.
Тарельчатый гранулятор
1-подача
твердых компонентов; 2-по-дача растворов;
3-скребок: 4-местовыгрузки продукта
через борт; 5-глубо-кий слой материала;
6-неглубокий слой мелких
Рисунок
1.2. Принцип работы тарель-чатого гранулятора
Во вращающуюся чашу непрерывно подается шихта, которая в присутствии распыленной воды окомковывается, превращаясь в круглые
тела – окатыши. По мере перемещения в барабане (чаше) окатыши увеличиваются в диаметре, выходят из барабана через разгрузочное отверстие (пересыпаются через борт чаши) в разгрузочный латок и из него поступают на ленточный конвейер.
Тарельчатый гранулятор состоит из населенно расположенной вращающейся тарелки, которая своим основанием устанавливается на опорную стойку, представляющую собой жесткую коробку сварной конструкции. Привод тарелки осуществляется от электродвигателя, расположенного на передвижной плите, через клиноременную передачу, редуктор и коническое колесо. К центральной стойке гранулятора крепятся кронштейны с прикрепленными к ним ножами для очистки дна и бортов тарелки. Тарельчатые грануляторы также реализуют механизм гранулообра-зования окатыванием. При работе гранулятора порошок через загрузочный штуцер подают на наклонную вращающуюся тарелку, где он увлажняется из форсунок и окатывается до гранул заданной величины. Тарельчатые грануляторы отличают высокая удельная производительность и хороший классифицирующий эффект. Однако это в основном монофункциональные аппараты: в них сложно организовать сопутствующие тепломассообменные процессы.
Приимущества тарельчатого гранулятора:
Их приимущество:
-
гранулы получаются большой
-
удобство наблюдения и
-
относительно невысокая
-
возможность гранулирования
-
совмещение процессов
Тарельчатые грануляторы обладают также некоторыми недостатками. Важнейшие из них:
-
большая чувствительность к
-
значительные колебания
-
зависимость
Применение
тарельчатого гранулятора позволяет улучшить
формовку сырьевой смеси и снизить коэффициент
гидравлического сопротивления слоя материала.
Однако при некоторых видах непластичного
сырья применение для его формовки тарельчатых
грануляторов дает худшие результаты,
чем использование прессующих формовочных
аппаратов. Гранулы должны быть по возможности
более влажными и пористыми. Недостаточно
влажные ( влажность 8 - 11 %) и плотные гранулы
рассыпаются в печи. Повышение влажности
гранул не увеличивает расхода тепла,
а только снижает температуру отходящих
газов до 80 - 100 С. Для получения пористых
гранул пребывание материала в грануляторе
не должно быть длительным
- Барабанный гранулятор
Процесс гранулирования в аппаратах барабанного типа любой конструкции имеет одну общую черту — образование гранул идет при смачивании исходного сырья через разбрызгивающие приспособления.
Существенным недостатком грануляторов этого типа является скольжение материала по стенкам барабана (налипание массы на стенки барабана уменьшает скольжение, но поддерживать постоянную толщину налипшего слоя трудно), вследствие чего ухудшается перемешивание, снижается эффективность работы аппарата и уменьшается его производительность. Кроме того, процесс гранулирования осложняется налипанием материала на стенки барабана, для устранения которого применяются скребки, цепи, укрепленные внутри барабана вдоль оси или под углом к ней; штанги, совершающие свободное поступательное движение в радиальном направлении. Однако применение этих устройств незначительно увеличивает эффективность работы аппаратов.
К
основным недостаткам этого способа
следует отнести также
2
Технологическая
часть
2.1Краткая
характеристика процесса
гранулирования
В настоящее время тарельчатые грануляторы находят все более широкое применение для гранулирования сложных, сложно-смешанных и простых минеральных удобрений. Возросший интерес к тарельчатым грануляторам объясняется рядом их преимуществ, к которым относятся: значительная однородность гранулометрического состава на выходе из аппарата и снижение подачи ретура благодаря сегрегации гранул по размерам на поверхности тарелки.
Небольшое
время пребывания материала в
аппарате, а также конструктивные
особенности дискового
Образование
гранул на тарельчатых грануляторах,
как и в барабанных, происходит
при увлажнении исходного сырья
и одновременной обкатке его
на днище гранулятора. Под действием
сил трения, тяжести и центробежной силы
материал плотно прилегает к днищу и борту
гранулятора, что предотвращает его скольжение.
Образовавшиеся агломераты поднимаются
на некоторую высоту вместе с вращающейся
тарелкой, а затем (когда сила тяжести
преодолевает силу трения) скатываются
вниз по поверхности слоя мелкодисперсного
вещества под углом естественного откоса.
При этом сырье в процессе движения послойно
накатывается на гранулы и уплотняется
(как бы втирается в поверхность гранулы).
Отсюда следует, что производительность
гранулятора зависит от длины траектории
движения гранулы по поверхности порошкообразного
материала в тарелке гранулятора. Длина
траектории пропорциональна диаметру
тарелки. Однако увеличение диаметра тарелки
приводит к значительному увеличению
габаритов и усложнению конструкции гранулятора
и поэтому не является наиболее удачным
решением проблемы. Более целесообразным
решением является увеличение полезной
поверхности диска. Увеличивая скорость
вращения диска и уменьшая угол его наклона,
можно поднимать гранулируемый материал
на большую высоту, в результате чего сокращается
мертвое пространство в верхнем секторе
тарелки. Для увеличения используемой
площади тарелки предложены грануляторы,
имеющие несколько коаксиальных бортиков
равной высоты. Исходные компоненты в
виде порошка подаются на поверхность
зоны, ограниченной первым бортиком и
окатываются там, постепенно пересыпаясь
в смежную зону. Так, пересыпаясь из одной
кольцевой зоны в другую и окатываясь
в них, гранулы достигают своих конечных
размеров.
2.2. Методы гранулирования
Для гранулирования
материалов в отечественной и
зарубежной практике применяют различные
методы и аппаратуру. Все процессы
гранулирования можно классифицировать
следующим образом:из жидкой фазы диспергированием
на капли с последующей кристаллизацией
при обезвоживании или охлаждении; из
твердой фазы прессованием с последующим
дроблением брикетов до гранул требуемого
размера; из смеси жидкой и твердой фаз
агломерацией порошков с последующим
окатыванием агломератов и упрочнением
связей между частицами при удалении жидкой
фазы; из газообразной фазы конденсацией
(десублимацией) с образованием твердых
гранул; из смеси жидкой и газообразной
фаз с осуществлением химической реакции;
из смеси жидкой, твердой и газообразной
фаз с осуществлением химической реакции.
Образование твердых частиц необходимого
размера при гранулировании происходит
либо одновременно, либо постепенно. Поэтому
различают процессы гранулирования, протекающие
без изменения размеров частиц во времени,
с изменением размера частиц во времени
и с образованием новых частиц и ростом
имеющихся частиц. В зависимости от требований,
предъявляемых к гранулометрическому
составу продукта, получаемые при гранулировании
мелкие частицы либо возвращают в процесс
(ретурный процесс), либо не возвращают
(безретурный процесс). Эффективность
процесса гранулирования зависит от механизма
гранулообразования, который, в свою очередь,
определяется способом гранулирования
и его аппаратурным оформлением. В связи
с этим методы гранулирования целесообразно
классифицировать следующим образом:
окатывание (формирование гранул, - достигаемое
агломерацией или наслаиванием частиц);
диспергирование жидкости в свободный
объем или нейтральную среду (образование
и кристаллизация капель жидкости при
охлаждении в воздухе, масле и т.п.. прессование
сухих порошков с получением брикетов,
плиток и т. п., с последующим их дроблением
на гранулы требуемого размера; диспергирование
жидкости на поверхность частиц во взвешенном
состоянии (кристаллизация тонких пленок
на поверхности частиц); чешуирование
(охлаждение жидкости на инородной поверхности);
формование или экструзия (продавливайте
пастообразной массы через отверстия).
2.3 Принработы тарельчатого гранулятора
На
рисунке 2.1. изображены устройство и принцип
работы тарельчатого гранулятора, продукция
которого характеризуется небольшими
расхождениями в размерах гранул и высоким
коэффициентом сферичности. Для получения
необходимого размера гранул подбирают
соответствующий режим работы гранулятора.
Чаще всего варьируют угол наклона тарели,
места подачи шихты на нее, точки доувлажнения
шихты, положения скребков на тарели.
1
- транспортер гранул: 2 - транспортер подачи
шихты, 3- водопровод с форсунками, 4 - бортовой
скребок, 5- донный скребок, 6- тарель,7
- привод вращения тарели, 8 - механизм
регулирования угла наклона тарели,
9 - опорная рама
Рисунок
2.1. Схема устройства и работы тарельчатого
гранулятора
Для
получения необходимого размера
гранул подбирают соответствующий
режим работы гранулятора. Чаще всего
варьируют угол наклона тарели, места
подачи шихты на нее, точки доувлажнения
шихты, положения скребков на тарели. Получение
продукта монофракционного состава важно
для увеличения удельной вместимости
массива, т. к. в этом случае объем пустот
в слое в сравнении с полифракционным
уменьшается на 10—15 %. Соответственно
возрастает уровень использования площади
хранилища. По нашему мнению, целесообразно
получать на складирование гранулы размером
10—15 мм, т. к. в этом случае, с одной стороны,
сохраняется высокой производительность
процесса (рисунок 1.4), с другой — при транспортировании
и утилизации без особых затруднений возможно
использовать оборудование, обычно применяемое
в технологии получения заполнителей
для щебня и гравия, имеющих примерно те
же размеры.
Выход
гранул, т/ч
Рисунок
2.1. Зависимость среднего диаметра гранул
от производительности гранулятора
Чаша сварной конструкции выполнена для удобства транспортировки из двух половин, соединенных между собой болтами. Опора 3 представляет собой жесткую сварную раму со смонтированной в ней на подшипниках качения вращающейся осью 2, на верхнем коническом хвостовике которой неподвижно закреплена чаша. Осевые усилия воспринимают установленные в нижней части рамы упорные подшипники.
Привод вращения чаши, смонтированной на опоре, состоит из электродвигателя постоянного тока, муфты, коническо-цилиндрического редуктора и тахогенератора, связанного с валом электродвигателя кинематической зубчатой передачей. На выходном валу редуктора расположена шестерня 6а, находящаяся в зацеплении с зубчатым венцом, который закреплен на чаше и вращает ее при включении электродвигателя. Опора валиками шарнирно закреплена на раме, состоящей из двух стоек, которые жестко соединены между собой поперечной балкой.
Механизм наклона чаши состоит из тяги-винта, связывающего между собой балку и часть опоры, к которым шарнирно прикреплены тяги винтовой пары и червячной передачи. При вращении вала червяка вручную винт, связанный гайкой с червячным колесом, совершает поступательное движение, изменяя угол наклона чаши.
Внутреннюю поверхность борта и днища чаши очищают от налипшего материала механизмом очистки, состоящим из бокового и шести регулируемых радиальных ножей.
Увлажнение
поступающей в чашу шихты производят
форсунками с индивидуальными
Из чаши готовые окатыши выгружают на конвейер при помощи лотка, прикрепленного к каркасу. Мощность двигателя вращения чаши 95 кВт. Скорость вращения чаши 24 об/мин. Производительность гранулятора 30-40 т/ч.
3 Теоретическая часть
3.1 Процесс гранулирования
Процесс гранулирования в тарельчатом грануляторе зависит от многих параметров: физико-химических свойств и влажности гранулируемого материала, угла наклона, скорости вращения и высоты борта тарелки, точности дозирования, места подачи исходного материала и влаги на тарелку, дисперсности капель увлажняющего раствора и площади смачивания гранулируемого материала на тарелке, скорости подачи исходных материалов в гранулятор и т. д. Гранулирование практически начинается с момента подачи на тарелку сыпучего материала и жидкой фазы. Существенное влияние на процесс гранулообразования оказывает влажность смеси. Графическая зависимость среднего диаметра гранул от их влажности показана на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1. Зависимость
среднегодиаметра получаемых гранул
Рисунок
3.2 Зависимость минимального диаметра
получаемых гранул (кривая 1) и соответствующей
ему влажности (кривая 2) от угла наклона
чаши
Минимум на кривой характеризует переход от одного механизма гранулообразования равномерного накатывания материала к другому образованию гранул путем агломерации и накатывания. Приведенная зависимость показывает, что в одних и тех же условиях гранулирования можно получать гранулы различной структуры, но одинакового размера при двух значениях влажности (W). При этом крутой подъем ветвей кривой dcp=f(W) свидетельствует о значительном влиянии влажности гранулируемого материала на размер гранул, а точность поддержания этого параметра — на степень однородности продукта. Процесс гранулирования наименее чувствителен к изменению влажности материала лишь в области точки минимума; колебание влажности в пределах ± 1 % не нарушает стабильной работы аппарата и не изменяет однородности готового продукта. Поэтому оптимальным считают тот режим гранулирования, при котором влажность, обеспечивающая получение гранул заданного размера, соответствует точке минимума на кривой dcp=f(W).
Вид зависимости сохраняется и при изменении угла наклона (а) тарельчатого гранулятора в диапазоне от 40 до 50°. Влияние угла наклона тарельчатого гранулятора на нижний предел крупности гранул при постоянной окружной скорости движения тарелки показано на рис. 6. Из рисунка видно, что увеличение угла наклона тарелки способствует смещению точки минимума, а следовательно и оптимального режима гранулирования в области получения более мелких гранул. При угле наклона тарелки более 45° изменяется в сторону уменьшения и соответствующая точка минимума влажности гранулята.
Для обеспечения стабильности процесса в режимах, не отвечающих точке минимума на кривой dcp=f(W), требуется очень высокая точность (±0,1%) дозирования увлажняющего раствора. В этих условиях влияние угла наклона тарелки на размер гранул характеризуется кривыми, приведенными на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3.Зависимость среднего диаметра
Получаемых
гранул от угла наклона чаши различной
влажности гранул (W):1-9%, 2-10%, 3-11%, 4-12%,
5-13%.
Рисунок 3.4. Зависимость (кривые 1 и ), (кривая 2) и влажность (кривая 3), соответствующей , от скорости движения чаши:
1-а=40˚; 1-а=47˚
Вид кривых довольно сложен и определяется значением влажности сходящих с тарелки гранул. При W ≤ 11 % кривые имеют точку максимума, и увеличение угла наклона более 45° сопровождается уменьшением среднего диаметра гранул. При W ≥ 11% кривые проходят через минимум, и увеличение угла наклона тарелки более 46° приводит, наоборот, к укрупнению гранул. Увеличение угла наклона тарелки более 45° сопровождается резким снижением влажности, необходимой для получения гранул данного размера. Вид кривых, приведенных на рисунке 3.2, свидетельствует о том, что при достаточно высокой точности дозирования увлажняющего раствора угол наклона тарелки является фактором активного воздействия на размер получаемых гранул.
Влияние окружной скорости движения тарелки (в пределах W = 0,4—0,95 м/с) на гранулометрический состав продукта показано на рисунок 3.4. Из приведенных кривых видно, что с возрастанием W до определенного значения средний диаметр гранулированного продукта увеличивается. Таким образом, путем уменьшения скорости движения тарелки при постоянном угле наклона можно значительно расширить диапазон размеров гранул. Исследования влияния окружной скорости движения тарелки на характеристику точки минимума кривой dcp=f(W) в интервале W = 0,5—0,7 м/с показали, что с возрастанием скорости движения средний минимальный диаметр получаемых гранул также несколько увеличивается при практически неизменном значении соответствующей влажности. Следовательно, изменение скорости движения тарелки в указанных пределах не нарушает работы гранулятора в оптимальном режиме. Это делает параметр W наиболее удобным для практического регулирования процесса.
Рисунок 3.5. Влияние влажности гранулята на его пористось(кривая 2) и механическую прочность при испытании на удар (кривая 1), истирание (кривая 3), максимальную высоту падения сырых гранул (кривая 4) и на раздавливание (кривая 5).
На рисунке 3.5. приведена зависимость основных характеристик качества гранулированного продукта от его влажности. Как видно, из рисунка, наиболее низкой прочностью обладают гранулы, полученные в режимах гранулирования левой ветви кривой dcp=f(W).Наиболее прочные на истирание и удар получаются гранулы при влажности, отвечающей (и несколько выше) точке минимума на кривой dcp=f(W). При изменении № от 6 до 12% гранулы уплотняются. Несмотря на увеличение влажности гранул, их пористость уменьшается, что, по-видимому, способствует повышению механической прочности гранул. Дальнейшее увеличение W приводит к возрастанию пористости сухих гранул и, как следствие, к снижению их прочности на истирание и удар. Прочность гранул на раздавливание при этом, наоборот, резко возрастает. Очевидно, на указанную характеристику в большей степени влияет расход связующей добавки или пористость гранул. Следовательно, чтобы получить гранулы с более высокой прочностью на раздавливание, чем это соответствует оптимальному увлажнению, необходимо повысить концентрацию связующего раствора.Зависимость механических свойств гранул от угла наклона тарелки показана на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6. Влияние угла наклона чаши на механическую
прочность
гранул при испытаниях на истирание
(а), раздавливание (б) и удар (в) при
различной влажности
1-8%,
2-9%, 3-10%, 4-11%, 5-12%, 6-13%, 7-14%.
Из рисунка видно, что характер механических свойств гранул в значительной степени определяется влажностью получаемых гранул. При гранулировании в режимах правой ветви кривой dcp=f(W) наиболее прочные гранулы получаются при малых углах наклона чаши, когда продолжительность процесса велика; при гранулировании в режимах левой ветви этой кривой наиболее прочные гранулы отвечают более высоким значениям а. Максимально прочные гранулы получаются при сочетании высокой степени увлажнения и малых углов наклона тарелки, когда расход связующей добавки на единицу исходного материала и время гранулирования наиболее велики.
Увеличение
скорости движения тарелки гранулятора
позволяет существенно повысить прочность
гранул на раздавливание и в значительно
меньшей степени — на истирание. При этом
пористость гранул и их прочность (при
испытании на удар) после сушки практически
не изменяются (рисунок 3.7).