SPOJOVÁNÍ – AGLOMERACE

SPOJOVÁNÍ – AGLOMERACE
Aglomerace je opakem rozpojování. Jejím účelem je spojovat malé částice do větších
elementů – granulí nebo tablet. Tímto způsobem se eliminují některé vlastnosti příliš
jemnozrných látek (prášení, obtížné dávkování a transport, nalepování na stěny atd.),
zhoršující podmínky jejich následného zpracování.
Aglomerace se v poslední době uplatňuje v řadě průmyslových odvětví – v chemickém,
potravinářském, farmaceutickém, krmivářském, hutním průmyslu atd., např. při výrobě
umělých hnojiv, granulovaných potravinářských produktů (instantní kakao, polévky), krmiv
pro skot a domácí zvířata, výrobě uhelných briket, peletizovaných rud a tablet léků
v farmaceutickém průmyslu.
Základní charakteristiky granulí
Velikost částic
Velikost částic – granulí závisí především na konečném použití produktu. Podle
velikosti lze granule rozdělit:
• granuláty rud, uhelné brikety, řepné řízky
10 ÷ 150 mm
• umělá hnojiva, krmiva
5 ÷ 20 mm
• farmaceutické výrobky, instantní potraviny
1 ÷ 6 mm
• speciální chemikálie
pod 1 mm
Pevnost aglomerátorů – granulí
Požadavky na pevnost granulí závisejí na jejich dalším užití. Např. granulované
pigmenty do nátěrových hmot a plnidla do plastických hmot musí být dobře rozpojitelné,
neboť musí garantovat vytvoření dokonalé homogenní směsi.
V některých případech je rozhodující doba rozpouštění, např. u instantních potravin,
pracích prášků, léčiv a krmiv se většinou vyžaduje, aby doba rozpouštění byla krátká nebo
naopak, u některých produktů, jako jsou umělá hnojiva, je vyžadována dlouhá doba
rozpouštění. U snadno rozpojitelných granulí musí však být splněna podmínka, aby v průběhu
pomocných operací (např. transport, balení, skladování, chlazení, sušení) nedocházelo k jejich
rozbíjení a k tvorbě jemných frakcí.
Pevnost granulí lze za určitých podmínek předpokladů charakterizovat jako fiktivní
hodnotu pevnosti v tahu, kterou by měla granule za působení určitého vazebního mechanismu
v místech kontaktu částic.
Objemová hmotnost, porózita a pohybové vlastnosti
aglomerovaných částic
Výhodou aglomerovaných částic je, že jejich prakticky monodisperzní složení je
příznivější z hlediska dopravy, dávkování a skladování oproti materiálům polydisperzním.
Granulát se obvykle chová jako materiál dokonale sypký, obvykle nevykazuje nevhodné
soudržné vlastnosti a pokud se u hygroskopických látek vyskytuje tendence ke slepování, lze
jí zabránit nanesením tenké vrstvy vhodného materiálu (vápenec, křemelina aj.) na povrch
granulí.
–1–
Aglomerační technologie
Obr. 12.3. Mechanismus tvorby granulí.
Z předchozích úvah vyplynulo, že základní podmínkou vytvoření granule určité
pevnosti je vznik vazebních sil, která částice spolu poutá. Aglomerace může nastat pouze za
určitých podmínek, kdy jsou částice začleňovány do vznikajících aglomerátů a působící síly
udrží aglomerát pohromadě.K tomu dochází za situace, kdy částice vhodných vlastností se
vzájemným přeskupováním nebo působením vnější síly dostanou do těsného kontaktu, kdy
vazební síly mohou udržet aglomerát pohromadě – obr. 12.3a.
Při tvorbě granulí nízké a střední pevnosti se využívá ke spojování vlhkých částic
nabalování s vytvořením kapalinových můstků (obr. 12.3b). Velikost jejich zakřivení udává
hodnotu vnitřního kapilárního podtlaku. Pevnost těchto můstků je závislá na množství
kapaliny, která se nachází mezi částicemi. Postupným nabalováním dalších částic se zvyšuje
pevnost vznikajícího spojení. Vznikající vazební mechanismus je složen ze dvou vazebních
sil: síly vyvozené kapilárním podtlakem v kapalinovém můstku, které jsou větší, a síly
vyvolané povrchovým napětím v povrchové bláně můstku.
K
vzájemnému
přemísťování částic do nejvhodnější polohy se používají různé typy bubnů a talířů. Působení
vnějšího zatížení využívají peletovací, briketovací a tabletovací lisy. Při spojování částic
slisováním se získávají granule vysoké pevnosti.
Vazební mechanismy za přítomnosti vazební tekutiny by obvykle, zejména při vysušení,
nemohly zaručit požadovanou pevnost granulí. Proto je přidávána tekutina připravená jako
pojivo, a nebo se předpokládá vznik a tvorba pevných můstků při sušení a následné
rekrystalizaci. To je nejběžnější postup, který se v průmyslové praxi aplikuje. Pevnost takto
vzniklých granulí je závislá na řadě dalších parametrů, např. na koncentraci použitého roztoku
a teplotě sušení.
Pro úplnost je třeba uvést, že existují ještě další vazby mezi částicemi, i když neexistuje
mezi nimi můstek. Vazba může také vznikat působením Van der Waalsových sil, které se
však uplatňují až při velmi malých vzdálenostech (10 −8 m ).
Elektrostatický náboj částic, který vznikl při jejich styku může také vyvolat vznik
elektrostatické přitažlivé síly.
Působení těchto vazebních sil je značně závislé na vzdálenosti částic, jejich velikosti a
velikosti stykové plochy tj. u zrnitých materiálů v přirozeném stavu se obvykle nemůže
uplatnit. Stlačením a deformací povrchů zrn lze dosáhnout takového stavu, kdy působení
těchto vazeb se uplatní natolik, že dojde k vytvoření velmi pevných aglomerátů jako jsou
brikety, tablety nebo palety. Pevnost těchto aglomerátů v tlaku dosahuje hodnot až 10 4 Pa a
v tahu 10 2 Pa .
–2–
Princip a provedení
aglomeračních zařízení
Granule vysoké pevnosti
Pro granule o vysoké pevnosti (tablety, brikety) se používá lisování. Výchozí materiál je
suchý nebo jen málo vlhký a je zformován značně vysokým tlakem do požadovaného tvaru.
Pro výrobu briket se nejčastěji používají válcové lisy, jejichž princip je patrný z obr. 12.4.
Tvoří je dva válce opatřené výměnnými formami, které určují tvar briket. Obvodová rychlost
válců se pohybuje v rozsahu 0,2 ÷ 1 m⋅ s −1 , měrná spotřeba energie závisí na druhu materiálu
a bývá v rozmezí 5 ÷ 8 kWh⋅ m −3 , lze v nich dosahovat vysokých tlaků (až 2 ⋅ 10 4 Pa ).
Pro výrobu tablet se používají většinou raznicové lisy oboustranné (obr. 12.5)
s uzavřenou formou. Jednotlivé razníky jsou rozmístěny na kruhové dráze a jejich pohyb je
řízen automatikou, např. vačkou.
Pokud není požadován určitý přesný tvar produktu (výroba slisků), používají se
nejčastěji lisy s hladkými válci, obr. 12.6a, popř. s válci, které jsou opatřeny tvarovanými
výstupky, obr. 12.6b.
Obr. 12.4. Válcový briketovací lis.
Obr. 12.5. Raznicový lis.
Obr. 12.6. Válcový lis.
a – s hladkými válci, b – s rotačním
podavačem
–3–
Na obr. 12.7 je schéma granulační linky se sítovým třídičem a recyklem prachového
podílu. Měrná spotřeba energie se udává v rozsahu 0,05 ÷ 0,1 kWh⋅ kg −1 .
Obr. 12.7. Granulační linka s třídičem a recyklem prachových částic.
–4–
Granuláty nízké a střední pevnosti
Granuláty o nízké a střední pevnosti v tlaku ( σ t <100 Pa ), jako jsou granulovaná
umělá hnojiva a instantní potravinářské výrobky, krmiva pro domácí zvířata apod. tvoří
rozsáhlou a významnou skupinu aglomerátů. V těchto případech není vyžadována vysoká
pevnost ani stejná velikost částic, ale naopak, granulát musí být snadno rozpojitelný a
rozpustný. Často je granulát složen z více komponent. Tvorba granulí je vyvolána hlavně
působením kapilárních sil z vlhkosti obsažené v materiálu.
Granulační věže
Do štíhlé válcové nádoby je nastřikována tryskou nebo rotujícím kotoučem tavenina
nebo roztok zpracovávaného materiálu. Při vhodném režimu pak kapky při klesání ve věží
vytvářejí granule, aplikace je např. výroba močoviny, schéma je na obr. 12.8a.
Granulační bubny
Rotační bubnový granulátor, obr. 12.8b, je tvořen válcovou ležatou nádobou se sklonem
k vodorovné rovině 2 ÷ 5° . Poměr délky bubnu k jeho průměru je obvykle L / DB = 3 . Uvnitř
bubnu je zvlhčovací zařízení. Průměr bubnu DB = 1 ÷ 4 m , stupeň plnění 2 ÷ 3 % , otáčky
2 ÷ 20 min −1 . Nevýhodou je nerovnoměrné složení granulátu, z tohoto důvodu bývá často
nutné zařadit do výrobní linky třídič.
Talířové granulátory
Tento typ granulátoru je vybaven rotujícím talířem, jehož osa rotace má sklon 45 ÷ 75°
k vodorovné rovině (obr. 12.8c). Průměry talíře DT se pohybují v rozsahu 1 ÷ 5 m , hloubka
válcové části 0,02 ÷ 0,8 m . Má vyšší třídící schopnost a tím i nižší frakční složení, tj.
univerzální použití. Při aplikaci v metalurgii má výkonnost až 120 t⋅ h −1 .
Obr. 12.8. Typy granulátorů.
a – granulační věž, b – granulační buben, c – talířový granulátor
–5–
Fluidní granulátory
Ke granulaci dochází ve fluidní vrstvě, může být i vícestupňový proces – granulace,
sušení, smísení, chlazení. Na obr. 12.9 je schéma fluidního granulátoru firmy Anhydro
(Dánsko)
Obr. 12.9. Fluidní granulátor Anhydro.
1 – násyp prášku, 2 – cyklon, 3 – odvod použitého vzduchu, 4 – granulátor, 5 – odvod
granulátu, 6 – sekce chlazení, 7 – sítové dno, 8 – sekce sušení, 9 – sekce zvlhčování, 10 –
přívod vlhčícího prostředku
–6–