CC BY
17УДК 66.099.2
О.М. Флисюк1, М.В. Прохоров2, О.В. Муратов3, О.Н.Круковский4
V (м ) =
1
М(l + ^V(м) ) м'
Vo
(м')
exp
1
[ ,, / , Л dM''
J, м v( м'')
(мн)
dM'
(1)
На многих предприятиях химической промышленности растворы сульфата аммония являются отходами производства, в свою очередь, сульфат аммония используется в качестве минерального удобрения, что обуславливает его получение в твердом виде. Выпуск удобрений в гранулированной форме позволяет уменьшить слежи-ваемость и запыленность продукта, а также повысить его физико-механические свойства.
Осуществление процесса гранулирования целесообразнее проводить в аппаратах взвешенного слоя, так как данные аппараты обладают малой металло- и энергоемкостью по сравнению с другими грануляторами.
В работе [1] представлены исследования процесса гранулирования сульфата аммония в аппарате псевдо-ожиженного слоя с локальными зонами фонтанирования. Предложенный аппарат имеет сложное конструктивное оформление, связанное с разделением потоков теплоносителя на ожижение материала в целом и его локальное фонтанирование.
Нами, для гранулирования из раствора сульфата аммония, предлагается использовать аппарат фонтанирующего слоя с тангенциальным подводом теплоносителя, обеспечивающий устойчивое ожижение с активным гидродинамическим режимом и имеющий более простую конструкцию. В аппаратах такого типа отсутствует агломерация гранул, налипание материала на стенки и решетку аппарата.
В работе [2] получено выражение в безразмерных переменных для определения плотности функции распределения гранул по массе, получаемых в результате гранулирования из растворов в аппарате идеального смешения непрерывного действия:
А „ Л
где р=ш/шо, у(р)=и(ршо)т, ф(р)=ШоР(рто), /ро^^^оСрто). Здесь Р0(т) - плотность функции распределения частиц во входном потоке (рецикле); т - среднее время пребывания гранул в аппарате; т - средняя масса частиц на выходе из аппарата; т0 - средняя масса частиц во входном потоке (рецикле); Я = Ьх/00, где G0 - расход рецикла, Ь - расход
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ РАСТВОРА СУЛЬФАТА АММОНИЯ В
ФОНТАНИРУЮЩЕМ СЛОЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26
Статья посвящена экспериментальной проверке адекватности математической модели процесса гранулирования из раствора сульфата аммония на лабораторной установке фонтанирующего слоя
Ключевые слова: фонтанирующий слой, гранулирование, сульфат аммония, функция распределения, скорость роста гранул, внешний рецикл
гранулируемого материала (раствора), х - концентрация (массовая) твердой фазы в подаваемом растворе; и(т) -массовая скорость роста гранул. Под массовой скоростью роста гранул в данном случае будем понимать приращение массы гранулы в единицу времени, отнесенное к массе гранулы, т.е.
/ \ 1 дт
и(т) =----
т дт
В случае если линейная скорость роста гранул постоянна
йг
= СОШ1, где г - радиус частицы, то выражение для
йт
массовой скорости роста имеет вид:
1 дт 1 дг3 3 дг
i \ 1 dm 1 dr 3 dr „ 1
u(m) =----------------------------------= —-=-= K —¡=
m дт r дт r дт ym
следовательно, выражение (1) принимает вид:
1 + Л
(2)
(3)
где n =
здесь K - коэффициент пропорционально-
сти, зависящий от физико-химических свойств раствора и условий проведения процесса, определяемый экспериментальным путем. Физический смысл п состоит в том, что он представляет собой обратную величину относительного прироста гранул за время пребывания в аппарате.
А если линейная скорость роста пропорциональна радиусу частицы, то и(т)=К, у(р)=Кт, что часто имеет место при гранулировании в фонтанирующем слое, при подаче раствора в ядро фонтана, то выражение (1) приобретает вид:
(4)
Ял
1+1
1 о
здесь K=X/(1+X)r.
1 Флисюк Олег Михайлович д-р техн. наук, профессор, зав. каф. процессов и аппаратов, e-mail: [email protected]
2 Прохоров Михаил Владимирович аспирант каф. процессов и аппаратов, e-mail: [email protected]
3 Муратов Олег Вадимович канд. техн. наук, доцент каф. процессов и аппаратов, e-mail: [email protected]
4 Круковский Олег Николаевич канд. техн. наук, доцент каф. процессов и аппаратов, e-mail: [email protected]
Дата поступления - 26 января 2012 года
Целью данной работы является экспериментальная проверка адекватности предложенной математической модели.
Для этого было проведено экспериментальное исследование сушки и гранулирования на примере раствора сульфата аммония в аппарате фонтанирующего слоя с двухсторонним подводом теплоносителя.
Экспериментальные исследования проводили на лабораторной установке, схема которой представлена на рисунке 1.
Основной частью лабораторной установки является аппарат для сушки и гранулирования в фонтанирующем слое (поз. С) с тангенциальным подводом теплоносителя в слой. В этом аппарате пседоожижающий агент -теплоноситель поступает в сушильную камеру через горизонтально расположенную газораспределительную решетку и плавно изменяет свое направление вдоль поверхности направляющего элемента. Возникающая при этом центробежная сила препятствует расширению струи газа с частицами слоя, поэтому фонтанирование в таком аппарате является не только интенсивным, но и устойчивым, что особенно важно для частиц имеющих невысокую плотность и форму отличную от сферической.
в
Рис. 1. Схема лабораторной установки для сушки и гранулирования в фонтанирующем слое.
С - сушилка фонтанирующего слоя, К - электрический калорифер, КОМ - компрессор, Н - насос, Ц - циклон, В - вытяжной вентилятор, Ш -шнековый питатель, Е1 - емкость исходного раствора, Е2 - емкость для пыли, ВЗ - вентиляционная заслонка.
Потоки: 1 - атмосферный воздух, 2 - раствор сульфата аммония, 3 -сжатый воздух, 4 - отработанный воздух, 5 - рецикл, 6 - выгрузка гранулированного продукта.
Сушка раствора сульфата аммония происходит на поверхности гранул, растущих при сушке жидкой пленки. Подача и распыление раствора сульфата аммония производится по центру аппарата снизу с помощью пневматической форсунки. Готовый продукт выгружается из аппарата через отверстие в боковой стенке.
Для осуществления сушки и гранулирования в фонтанирующем слое, в сушильный аппарат (поз. С) предварительно загружают слой гранул, на поверхности которых будет осуществляться рост напыляемого и высушиваемого раствора сульфата аммония. Вытяжным вентилятором (поз. В) в нижнюю камеру сушильного аппарата подается воздух, подогретый в электрическом калорифере (поз. К). Регулировка расхода воздуха, подаваемого в сушильный аппарат, осуществляется вентиляционной заслонкой (поз. ВЗ). Раствор сульфата аммония с массовой концентрацией 23% по растворенному веществу подается насосом (поз. Н) из исходной емкости (поз. Е1) в сушильный аппарат на пневматическую форсунку. Сжатый воздух подается на форсунку компрессором (поз. КОМ). Для обеспечения устойчивости гранулирования, процесс осуществляется с рециклом, в качестве которого используются мелкие частицы, подаваемые в сушильный аппарат шнековым питателем (поз. Ш). Готовый продукт выгружается через отверстие в боковой стенке аппарата. Небольшая часть материала гранул истирается и в виде порошка выносится с отработанным воздухом в циклон
(поз. Ц). Мелкая фракция, уловленная циклоном, выгружается из него в емкость для пыли (поз. Е2). Отработанный воздух, прошедший очистку в циклоне, вытяжным вентилятором выбрасывается в атмосферу.
Перед началом эксперимента в аппарат загружали слой гранул массой 2 кг. В ходе опыта, который длился 70 мин, в слой непрерывно подавалось 4,73 л/ч раствора с концентрацией 23 мас. %. В течение всего опыта с интервалом 5 мин осуществлялась выгрузка гранул из слоя и загрузка в слой частиц ретура. Масса выгружаемых партий составляла примерно 150 г, масса загружаемых партий 100 г. При данных условиях эксперимента можно считать массу слоя постоянной, а выгрузку и загрузку гранул непрерывной, при этом Я=1,13.
Дисперсный состав частиц ретура хорошо описывается Гамма-распределением
= а а а-1 е (5)
" Г(а) ^ где а=3,35 (рисунок 2):
Фо(М> 10
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
0.0 1.0 2.0 3,0 4.0
Рис. 2. Гранулометрический состав частиц ретура.
Кривая - расчетные значения, точки - экспериментальные значения.
Подстановка плотности распределения (5) в формулу (4) приводит к следующему выражению для плотности распределения массы гранул при скорости роста пропорциональной радиусу частиц:
(6)
А Г (а)// А 0
Гранулометрический состав проб, полученных через 45, 60 и 70 мин представлен на рисунке 3.
Так как кривые практически совпадают, можно сделать вывод, что после 45 минут процесс стабилизировался, и данные, полученные в трех последних пробах можно объединить.
Анализ кривой плотности распределения гранул по относительной массе ^ , рассчитанной по формуле (6) и экспериментальных результатов (выборочное распределение гранул), представленных на рисунке 4, показал хорошее совпадение. Для сравнения на этом же графике приведена плотность распределения масс частиц ретура.
▲ К //
Л // у/ А Д і
і і
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
(1, мм
Рис. 3. Массы остатков на ситах гранул проб. т - масса остатков гранул на ситах, отнесенная к массе пробы; d - диаметр отверстий сит, мм; 1 - пробы, полученные через 45 мин;
2 - пробы, полученные через 60 мин;
3 - пробы, полученные через 70 мин.
Таким образом, предложенная математическая модель, достаточно хорошо описывает полученные экспериментальные результаты. Следовательно, можно сделать вывод о том, что в аппарате такой конструкции при нижнем вводе жидкой фазы выполняется кинетическая модель, согласно которой линейная скорость роста гранул пропорциональна размеру гранул, как и для обычных цилиндроконических аппаратов с фонтанирующим слоем. Внешний вид гранул представлен на рисунке 5
<Р(И)
/У
(X А
/ V /
(
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
Рис. 4. Распределение масс гранул.
1 - выборочное распределение; 2 - плотность распределения (4); 3 -плотность распределения масс частиц ретура.
2.
Литература
Кручинина Н.Д., Грошев Г.Л., Данов С.М., Рыбин Г. В., Михеев В.Г. Опытно-промышленная проверка способа обезвоживания растворов сульфата аммония в псев-доожиженном слое. // Хим. пром. 1967. № 10. С. 737739.
Флисюк О. М., Прохоров М. В., Муратов О. В., Круков-ский О.Н. Математическая модель гранулирования из растворов в фонтанирующем слое. // Известия СПбГТИ(ТУ). 2011. № 12 (38). С. 56-57.
Рис. 5. Гранулы сульфата аммония, полученные на лабораторной установке.
