Способ гранулирования расплава и гранулятор

Изобретение относится к технологии гранулирования материалов из расплавленного состояния, в частности для получения стеклообразного удобрения пролонгированного действия. Способ гранулирования заключается в подаче расплава в виде капель в емкость перевернутого конуса, в его верхнюю внутреннюю часть, на которую по касательной к ней одновременно поступает струя воздуха, создавая вихревое движение воздуха и обеспечивая поступательное передвижение остывающих капель расплава по спиральному пути вниз по конусу, из которого уже сформированные гранулы перемещаются в накопитель. Гранулятор включает нагревательный модуль, содержащий тигель с донным патрубком, расположенные в двухзонной печи, и приемный модуль, содержащий перевернутый конус, верхнее отверстие которого расположено под донным патрубком, а нижнее сообщается с накопителем. Гранулятор дополнительно может содержать платформу - демпфер, закрепленную на верхнем крае конуса, предназначенную для приема падающих капель расплава, что способствует первоначальному формированию гранул и снижению их скорости. Изобретения позволяют упростить способ получения гранул из расплава, уменьшить габариты устройства и повысить качество образованных гранул по их форме и идентичности размеров. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам гранулирования материалов из расплавленного состояния путем превращения жидкого расплава в каплеобразную форму и предназначено, в частности, для получения стеклянных гранул сферической или полусферической формы, применяемых в качестве стеклообразного удобрения пролонгированного действия.

Основные принципы получения гранул стекла из расплава, используемые в химической и смежных отраслях, заключаются в том, что гранулируемый материал расплавляется в специальном тигле с донным патрубком, из которого через узкое выходное отверстие расплавленное стекло вытекает в виде тонкой струи, части которой отрываются от донного патрубка под действием силы тяжести, падают вниз и после затвердевания образуют стеклянные гранулы. Размеры гранул могут контролироваться диаметром выходного отверстия донного патрубка, температурой расплава стекла в его канале и их последующей обработкой. Как правило, донный патрубок находится внутри специального отдельного нагревателя, который независимо от главного нагревателя регулирует непрерывный режим образования стеклянных гранул. При этом тигель с донным патрубком может пополняться шихтой или боем стекла.

Для приема образующихся гранул выходное отверстие донного патрубка согласуется с приемным модулем, который может иметь различную конструкцию для выполнения конкретных задач.

Из уровня техники известны способы и устройства для гранулирования жидких материалов. В патенте РФ №2049537, опубликованном 10.12.1995 по классу МПК B01J 2/06, заявлено устройство для получения гранулируемых материалов, которое содержит корпус в виде перевернутого усеченного конуса, закрытого сверху фланцем с отверстием для ввода расплава, а нижняя часть конуса снабжена заслонкой. Внутри корпуса размещены параллельно друг другу горизонтальные кольцевые трубы, соединенные с патрубками для ввода хладагентов - воды и воздуха. Для предотвращения перелива хладагента корпус снабжен дренажной трубой.

В данном устройстве расплав гранулируемого вещества попадает в барботируемый жидкий хладагент, где происходит деформация расплава и его размельчение, охлаждение и превращение в гранулы, поступающие затем по наклонному желобу в накопитель. Заслонка регулирует наполнение корпуса жидким хладагентом, который под действием сжатого воздуха образует псевдокипящий слой.

Данное техническое решение для создания гранул из расплава связано с применением жидкого хладагента - воды, что создает дополнительную сложность устройства и всего технологического процесса грануляции. Также здесь нет уверенности, что создаваемые гранулы будут обладать достаточно хорошими характеристиками по их форме, размеру и идентичности, особенно в случаях, когда материал гранул может вступать в химическую реакцию с водой.

В патенте РФ №2049538, опубликованном 10.12.1995 по классу МПК B01J 2/06, описана установка для гранулирования расплавов, содержащая корпус, в верхней части которого размещен первый гранулятор в виде открытого снизу перевернутого усеченного конуса, а в нижней части корпуса расположен второй гранулятор в виде открытого сверху усеченного конуса. Оба гранулятора снабжены средствами ввода хладагента. Капли расплава, образованные в первом грануляторе, увлекаются потоком хладагента и попадают во второй гранулятор, где в результате воздействия на капли псевдокипящей жидкости происходит разламывание крупных капель на мелкие, их охлаждение и образование гранул. Установка позволяет проводить процесс без использования движущихся деталей в рабочей зоне.

В описанном устройстве также, как и в первом аналоге, используется жидкий хладагент, дополнительно усложняется способ и устройство гранулирования, не может достигаться достаточный эффект по качеству создаваемых гранул.

В патенте РФ №2209660, опубликованном 10.08.2003 по классу МПК B01J 2/02, описано устройство для гранулирования расплава, содержащее обогреваемую накопительную емкость, в днище которой смонтированы сообщенные с выходными соплами дозирующие камеры с установленными в них подвижными плунжерами, связанными с ползуном привода возвратно-поступательного движения, а в стенках камер выполнены выходящие в емкость боковые каналы, перекрываемые плунжерами при их движении, и размещенную снаружи под выходными соплами охлаждаемую поверхность для формования гранул, причем между каждой дозирующей камерой и выходным соплом установлен подпружиненный клапан, который способствует регулированию выталкиваемой дозы расплава и исключает его самопроизвольное вытекание.

В патенте заявлен эффект стабильного объема гранул в широком диапазоне вязкости расплава. Однако данное устройство имеет недостатки, связанные со сложностью конструкции, наличием большого количества подвижных частей.

В патенте JP №2005082454 (по информации базы данных esp@cenet), опубликованном 31.03.2005 по основному классу МПК B01J 2/02, описаны способ гранулирования расплава и устройство, в котором капли расплава сначала попадают на вращающуюся диспергирующую поверхность - диск, а затем на коническую поверхность, которая также вращается, но отдельно от диска. К недостаткам этого технического решения можно отнести сложность процесса гранулирования и конструкции из-за обилия механических вращающихся частей.

За прототип предлагаемой группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, принят первый аналог - патент РФ №2049537.

Задача изобретений заключается в упрощении способа для получения гранул из расплава, достижение компактности устройства, уменьшение его габаритов, а также в повышении качества образованных гранул по их форме и идентичности размеров. Технический результат достигается за счет осуществления капельной подачи расплава и использования хладагента только в виде воздушного потока и соответствующего оригинального решения конструкции гранулятора при отсутствии движущихся частей.

Задача решается в способе гранулирования расплава, который заключается в подаче расплава в емкость в виде перевернутого конуса, в которой под действием хладагента происходит формирование частиц расплава в гранулы. В отличие от прототипа расплав подают в приемную емкость в виде капель, падающих на боковую верхнюю часть внутренней поверхности конуса, и в этой приемной части конуса по касательной к внутренней поверхности конуса подают струю воздуха, создавая при этом вихревое движение воздуха в конусе, которое обеспечивает поступательное передвижение остывающих капель расплава вниз по поверхности конуса по спиральному пути, в конце которого уже сформированные гранулы перемещаются в накопитель.

Способ реализуется в грануляторе, включающем нагревательный модуль, содержащий тигель с донным патрубком, расположенные каждый в своей зоне двухзонной нагревательной печи, и приемный модуль, содержащий перевернутый конус с отверстием внизу, при этом верхнее отверстие конуса расположено под донным патрубком, а также компрессор и накопитель. В отличие от прототипа открытый сверху конус установлен с возможностью попадания капель расплава из донного патрубка на верхнюю часть внутренней поверхности конуса, на которую направлено сопло выходной трубы компрессора, а нижний конец конуса находится в накопителе.

Для улучшения первоначального формирования капель расплава и снижения их скорости верхняя часть внутренней поверхности конуса, предназначенная для приема капель расплава из донного патрубка, снабжена закрепленной на стенке конуса платформой-демпфером в виде тонкой металлической пластинки, плоскость которой обращена внутрь конуса и расположена с небольшим уклоном от горизонтали и вертикали.

Процесс формирования гранул начинается с момента попадания капель расплава в приемную конусную емкость на ее внутреннюю поверхность или изначально на платформу-демпфер, которая гасит скорость капли, способствует ее попаданию на внутреннюю поверхность конуса, по которой капля под действием струи воздуха по спирали опускается в низ конуса уже в виде охлажденной твердой гранулы, а затем через нижнее отверстие конуса поступает в накопитель. Струя воздуха, направленная по касательной к поверхности конуса, в части, на которую падает капля расплава, обеспечивает передвижение капли по спиральному пути по внутренней конусной поверхности, что способствует хорошему формированию гранулы и предотвращает слипание следующих друг за другом капель расплава. При этом данная ориентация воздушной струи создает вихревое движение воздуха, которое обеспечивает наилучшие условия для охлаждения стенок конуса и платформы-демпфера, предотвращая их перегрев и прилипание к ним стекломассы.

Дополнительно для улучшения условий грануляции можно выполнить внутреннюю поверхность конуса с канавкой спиральной формы от верха до низа, по которой будут передвигаться образующиеся гранулы. Такое передвижение поддерживает постоянство скорости гранул, что предотвращает их слипание. С такой же целью возможно применение дополнительного обдува гранул с помощью дополнительных сопел, которые следует установить ниже верхнего. Их число и расположение может быть различным, а направление струй должно обеспечивать равномерность скорости передвижения гранул.

На фиг.1 представлен общий вид конструкции устройства, где:

1 - нагревательный модуль, 2 - приемный модуль. Нагревательный модуль 1 содержит тигель 3 с донным патрубком 4, расположенные в двухзонной печи каждый в своей зоне - в зонах 5 и 6 соответственно. Приемный модуль 2 содержит емкость 7 в виде перевернутого конуса, верхнее входное отверстие которого 8 обращено к выходному отверстию донного патрубка 4, а нижнее отверстие 9 конуса 7 входит в накопитель 10. Компрессор 11 имеет сопло 12, направленное на часть 13 внутренней поверхности конуса 7, предназначенную для приема капель расплава из отверстия донного патрубка 4. Приемный модуль 2 расположен под нагревательным модулем 1 со сдвигом по вертикали так, чтобы подача капель расплава из донного патрубка 4 осуществлялась на часть 13 внутренней поверхности конуса 7.

На фиг.2 изображен конус 7, внутри которого вблизи его верхнего края, напротив выходного отверстия донного патрубка 4 закреплена пластина-демпфер 14, плоскость которой обращена внутрь конуса 7 и имеет наклон относительно горизонтали и вертикали.

Процесс гранулирования стекломассы происходит следующим образом. Нагревательный модуль 1 устанавливается на специальной платформе высотой три метра. Приемный модуль 2 располагается на полу под нагревательным модулем 1 так, чтобы входное отверстие 8 емкости конуса 7 находилось под выходным отверстием патрубка 4. Расположение тигля 3 в зоне 5 печи и расположение его донного патрубка 4 в зоне 6 печи обеспечивает независимый контроль температуры стекломассы в чаше тигля и донном патрубке. Как правило, чаша тигля 3, наполненная боем стекла, нагревается до температуры выше температуры плавления. Донный патрубок 4 нагревается до температуры, когда вязкость стекла в нем становится достаточной для того, чтобы расплав стекла начал медленно вытекать из выходного отверстия, расположенного на кончике донного патрубка 4, и образовывать капли за счет поверхностного натяжения. Размер выходного отверстия донного патрубка должен обеспечивать равномерное вытекание расплава в виде одинаковых капель.

Таким образом подбор оптимального режима зоны печи 6 и размера выходного отверстия донного патрубка 4 тигля 3 нагревательного модуля 1 способствует первоначальному формированию гранул из стекломассы.

Образованные на выходе нагревательного модуля 1 капли расплава попадают в приемный модуль 2 на внутреннюю поверхность конуса 7 в части 13 или на платформу-демпфер 14, с которой они скатываются и попадают на часть 13 внутренней поверхности конуса 7, на которую по касательной к ней поступает воздушная струя компрессора 11 из сопла 12. Для совершения действия приема капель, падающих из сопла 12, на верхнюю боковую часть внутренней поверхности конуса приемный модуль 2 расположен под нагревательным модулем 1, сдвинутым по вертикали относительно оси первого. Под действием воздушной струи и силы тяжести капли расплава передвигаются по внутренней поверхности конуса 7 по спиральному пути, достигают нижнего отверстия 9 конуса 7 и из него попадают в накопитель 10.

Пример конкретного выполнения устройства для получения гранул из расплава стекла: конструкция конуса 7 выполнена из дюралюминия, имеет высоту один метр с диаметрами входного и выходного отверстий 180 мм и 15 мм соответственно. На верхнем краю конуса закреплена с помощью зажима прямоугольная пластина 14 из дюралевого листа толщиной 0,5 мм размером 70×30 мм, при этом пластина - демпфер 14 закреплена одной из меньших сторон и имеет вид флажка, обращенного внутрь конуса с некоторым наклоном по вертикали и горизонтали, примерно 3-5 градусов.

Для получения гранул фосфатного стекла на основе метафосфатов использовался стекритовый тигель объемом 0,7 л с высотой чаши 170 мм, внешний диаметр которой 90 мм, а толщина стенок 7 мм. Донный патрубок 4 имеет длину 140 мм, диаметр поперечного сечения от дна чаши до выходного отверстия равномерно сужается и имеет средний наружный диаметр 14 мм, средний диаметр канала равен 8 мм, диаметр выходного отверстия 2 мм. Температура расплава в чаше тигля достигала 1000°С, а в донном патрубке - 800°С.

Выход капель расплава из отверстия патрубка происходит в режиме двух капель в секунду. Из сопла 12 от компрессора 11 в конус 7 подавалась воздушная струя, создаваемая с помощью компрессора с всасывающей мощностью 500 Вт в течение 10 часов.

Средний диаметр образованных гранул составлял 5 мм. Производительность процесса грануляции составляла не менее 1500 гранул в час. Обеспечено достаточно хорошее качество полученных гранул стекла: обтекаемая, почти сферическая форма и одинаковость по размеру. При этом процесс образования гранул не требовал дополнительных механических устройств и дополнительного охлаждения. Накопитель 10 периодически разгружался от гранул по мере его заполнения. Выход годного продукта составлял 85%.

Предлагаемые способ и устройство целесообразно использовать для изготовления стеклообразного удобрения пролонгированного действия.

1. Способ гранулирования расплава, включающий подачу расплава в емкость в виде перевернутого конуса и формирование в нем гранул под действием хладагента, отличающийся тем, что осуществляют капельную подачу расплава на боковую верхнюю часть внутренней поверхности конуса и подают в этой части по касательной к внутренней поверхности конуса горизонтальную струю воздуха, создавая вихревое движение воздуха и обеспечивая поступательное передвижение остывающих капель вниз по поверхности конуса по спиральному пути, в конце которого уже сформированные гранулы перемещаются в накопитель.

2. Гранулятор, включающий нагревательный модуль, содержащий тигель с донным патрубком, расположенные в двухзонной нагревательной печи, и приемный модуль, содержащий перевернутый конус с отверстием внизу, при этом верхнее отверстие конуса расположено под донным патрубком, а также компрессор и накопитель, отличающийся тем, что открытый сверху конус установлен с возможностью попадания капель расплава из донного патрубка на верхнюю часть внутренней поверхности конуса, на которую направлено сопло выходной трубы компрессора, а нижний конец конуса находится в накопителе.

3. Гранулятор по п.2, отличающийся тем, что верхняя часть внутренней поверхности конуса, предназначенная для приема капель расплава из донного патрубка, снабжена платформой-демпфером для приема капель расплава в виде тонкой металлической пластинки, закрепленной на стенке конуса таким образом, что ее плоскость обращена внутрь конуса и расположена с небольшим отклонением от горизонтали и вертикали.