Способ криогенного гранулирования растворов и суспензий

Изобретение направлено на интенсификацию процесса замораживания и повышение качества продукта с получением одноразмерных гранул. Способ криогенного гранулирования растворов или суспензий включает формирование вращающегося слоя хладагента в емкости и подачу исходного материала в жидкий хладагент гидравлическим распылением с последующим выведением из хладагента гранулированного продукта. Емкость заполняют хладагентом до заданной высоты слоя. Последующее перемешивание хладагента производят в турбулентном режиме, соответствующем числу Рейнольдса 1*106-2*107, с образованием воронкообразного слоя с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид. Распыление исходного материала производят в виде тонкодисперсных капель тангенциально к поверхности слоя хладагента и под углом 20-70 градусов к горизонту. 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии гранулирования различных химически однофазных или многофазных жидких веществ, например растворов и суспензий, преимущественно для последующей их сублимационной сушки и получения материалов в виде ультрананодисперсных порошков.

Известен способ гранулирования, заключающийся в замораживании раствора смеси азотнокислых солей путем распыления раствора в не смешивающуюся с водой жидкость, такую как частично замороженный гексан, через фильеру с диаметром отверстий 50-150 мкм и воздействия на струю раствора аксиальными колебаниями (SU №635071, 30.11.1978).

Полученный по указанному способу гранулированный продукт характеризуется неоднородным гранулометрическим составом и нестабильностью химической однородности. При замораживании происходит частичная агломерация частиц материала, так как при распылении раствора через фильеру не может быть обеспечено достаточно быстрое охлаждение гранул.

Известен также способ гранулирования, включающий подачу исходного раствора на поверхность жидкого хладагента и формирование вращающегося слоя хладагента с последующим выведением из него гранулированного продукта (SU №1155835, 15.05.1985).

Материал подают в емкость, заполненную хладагентом - жидким азотом. Высота столба жидкого азота выбрана такой, что, достигнув дна емкости, капли раствора превращаются в гранулы. Со дна емкости гранулы под действием гидростатического напора и сил инерции, создаваемых за счет вращения размещенного в емкости полого обратного конуса и соединенного с ним винта, движутся вверх к разгрузочному устройству.

В известном способе капли материала подают в ванну на неподвижный слой хладагента, что не может обеспечить максимальную скорость замораживания, от которой зависит размер образующихся структурных элементов твердой фазы и равномерное распределение компонентов в грануле. Часть подаваемых капель может контактировать с плавающими на поверхности хладагента частично замороженными каплями и кристаллизоваться на их поверхности, что приводит к слипанию гранул и образованию агломератов.

Неподвижный слой хладагента не обеспечивает достаточно быстрое замораживание капель продукта и получение продукта с заданными параметрами. Если производить подачу материала на хладагент, находящийся в неподвижном состоянии, то при попадании капель раствора в хладагент последний бурно вскипает. Образующийся пар поддерживает капли во взвешенном состоянии, и они плавают на поверхности. При этом капли совершают хаотические перемещения с одновременным вращением вокруг своей оси. Полученный продукт представляет собой неоднородные легко разрушающиеся гранулы, а также агломераты сросшихся гранул.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ замораживания капель жидкого продукта, заключающийся в формировании в емкости вращающегося слоя хладагента, который создают распылением последнего на внутреннюю поверхность стенок вращающегося сосуда Дьюара (SU №976234, 23.11.1982). Подачу исходного жидкого материала осуществляют гидравлическим распылением в рабочем объеме сосуда Дьюара. Под действием сил инерции и центробежной силы, создаваемой вихревым потоком паров хладагента, материал подается на поверхность слоя криогенной жидкости, замораживается, осаждается и выводится из процесса. Для увеличения времени контакта замораживаемого материала с хладагентом в устройстве предусмотрена дополнительная емкость.

Однако образующийся на стенках пленочный слой хладагента является достаточно тонким и протекающий в нем теплообменный процесс не обеспечивает быстрого и равномерного замораживания продукта, чем и вызвана необходимость дополнительного контакта гранул с хладагентом в отстойнике и что, в конечном счете, приводит к колебаниям гранулометрического состава и возможной агломерации гранул.

Задачей изобретения является интенсификация процесса замораживания, повышение качества продукта с получением одноразмерных сферических гранул.

Поставленная задача решается тем, что в способе криогенного гранулирования растворов или суспензий, включающем формирование вращающегося слоя хладагента в емкости, подачу исходного раствора в жидкий хладагент гидравлическим распылением с последующим выведением из хладагента гранулированного продукта, согласно изобретению первоначально заполняют емкость хладагентом до заданной высоты слоя с последующим перемешиванием хладагента в турбулентном режиме, соответствующем числу Рейнольдса 1*106-2*107, с образованием воронкообразного слоя с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид, при этом распыление исходного материала производят в виде тонкодисперсных капель тангенциально к поверхности слоя хладагента и под углом 20-70 градусов к горизонту.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При умеренных скоростях замораживания структурообразование на границе раздела фаз происходит в условиях, близких к равновесным (равновесной кристаллизацией). Структура твердой фазы формируется под влиянием термодинамической неустойчивости поверхности раздела, развивающейся в условиях быстрого охлаждения жидкости. Затвердевающий раствор совершает переход из метастабильного в устойчивое термодинамическое равновесное состояние.

Характерные размеры образующихся структурных элементов кристаллитов льда и целевого продукта будут зависеть от степени пересыщения и переохлаждения жидкости, величины поверхностной энергии, скорости продвижения фронта твердой фазы (скорости замораживания).

С увеличением интенсивности теплоотвода структурообразование в процессе быстрого замораживания перестает подчиняться равновесной кристаллизации. Известны данные, свидетельствующие о существовании резкого скачка в зависимости характерного размера частиц твердой фазы от скорости замораживания. Для структуры, формирующейся под влиянием этого эффекта, например, из водосолевых растворов, характерно наличие частиц порядка 0,1 мкм и меньше в сочетании с высокой степенью однородности их распределения по размерам при темпе охлаждения, превышающем 30 К/с.

При темпе охлаждения порядка 50 К/с размеры частиц, например, для водного раствора нитрата натрия, по порядку величины составляют от десятых до сотых долей микрометра, а их распределение близко к монодисперсному.

При контакте капель раствора с поверхностью хладагента вокруг капли образуется паровая прослойка, препятствующая быстрому охлаждению гранул. Вращающийся турбулентный слой хладагента как бы «срывает» эту паровую прослойку и за счет значительного повышения коэффициента теплопередачи и увеличенной массы слоя хладагента на стенках и в донной части емкости по сравнению с известным способом создаются условия для высоких значений скорости охлаждения капель.

Подача распыленного исходного вещества тангенциально и под углом к поверхности вращающегося слоя хладагента способствует интенсификации процесса, так как капли раствора под действием энергии вращения хладагента с наибольшей полнотой захватываются последним и увлекаются внутрь слоя. В зависимости от свойств исходного материала его угол подачи на поверхность хладагента подбирается экспериментально в каждом конкретном случае. Угол подачи раствора и суспензии в пределах 20-70 градусов является оптимальным. При меньшем угле подачи материала капли хуже захватываются хладагентом, а при большем угле - значительно (до пяти раз) увеличивается средний размер получаемых криогранул.

Турбулентный режим, соответствующий числу Рейнольдса 1*106-2*107, образует воронкообразный слой с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид. При попадании капель во вращающийся воронкообразный слой с указанной криволинейной поверхностью за счет образования слоя достаточной толщины (более 20 средних диаметров криогранулы) не происходит изменения сферообразной формы капли, что позволяет получать однородные гранулы. Капли быстро и равномерно промерзают, превращаясь в практически одноразмерные твердые сферические гранулы. При криогранулировании происходит интенсивное формирование мелкозернистой структуры в твердой фазе, характеризующейся большим числом мелких кристаллитов, равномерно распределенных по размеру в гранулах сферической формы.

С повышением скорости замораживания размер образующихся структурных элементов твердой фазы уменьшается, а равномерность распределения компонентов возрастает.

Гидравлическое распыление материала в виде тонкодисперсных капель также способствует получению мелких криогранул однородного гранулометрического состава и исключению агрегации частиц.

Осуществление способа поясняется примерами и схематичным чертежом.

Пример 1. Технологическую емкость 1 объемом 5,0 л заполняли жидким хладагентом - азотом 2 до заданного уровня. Слой хладагента посредством лопастной мешалки 3 приводили во вращательное турбулентное движение, соответствующее числу Рейнольдса 1*106. Скорость была достаточной для образования в слое хладагента воронки 4 с криволинейной вогнутой поверхностью - параболоидом а, который в верхней части слоя переходит в гиперболоид вращения b.

После стабилизации формы поверхности воронки 4 хладагента начинали подачу исходного раствора.

Предварительно готовили водный раствор нитрата лантана с концентрацией 51,9% (однофазная жидкость).

Готовый раствор с температурой 20°C подавали насосом в распылительную форсунку 5, которая обеспечивала распыл материала в виде тонкодисперсных капель. Расход раствора устанавливали 25 л/час. Диаметр сопла форсунки - 0,4 мм, а давление раствора на срезе сопла составляло 0,2 МПа. Подача раствора осуществлялась тангенциально к вращающемуся слою под углом α=70 градусов к горизонту.

При попадании в жидкий хладагент капли раствора нитрата лантана быстро замораживались и опускались на дно емкости. Готовые замороженные гранулы выводили из процесса. Размер полученных гранул колебался от 0,5 до 1,5 мм, при этом они имели сферическую форму и однородный состав.

Пример 2.

Параметры проведения процесса были аналогичными примеру 1. Предварительно готовили водную суспензию гидроксида циркония с 12%-ной концентрацией твердого компонента. Слой хладагента посредством лопастной мешалки 3 приводили во вращательное турбулентное движение, соответствующее числу Рейнольдса 2*107. Скорость была достаточной для образования в слое хладагента воронки 4 с криволинейной вогнутой поверхностью - параболоидом a, который в верхней части слоя переходит в гиперболоид вращения b. Капли суспензии при попадании в жидкий азот замораживались и выгружались из емкости. Подача раствора осуществлялась тангенциально к вращающемуся слою и под углом α=20 градусов к горизонту.

Полученные гранулы имели сферическую форму, и их размер колебался от 0,8 до 1,6 мм. Гранулы имели однородный состав.

Экспериментально было установлено, что вышеуказанное значение числа Рейнольдса является оптимальным для получения однородных гранул сферической формы при минимальном разбросе размеров гранул. При других значениях числа Рейнольдса невозможно стабильно поддерживать необходимую форму вращающегося слоя и, как следствие, получать требуемое гранулометрическое распределение криогранул.

При попадании замораживаемых капель на вращающийся слой хладагента с указанной криволинейной поверхностью за счет образования протяженного по высоте слоя хладагента необходимой толщины не происходит изменения сферической формы капли, что позволяет получать однородные гранулы.

Высокий коэффициент теплопередачи при замораживании во вращающемся хладагенте позволяет интенсифицировать процесс образования гранул. Гранулы в готовом продукте химически однородны, имеют сферическую форму и характеризуются стабильным гранулометрическим составом.

Стадия гранулирования замораживанием является наиболее ответственной в технологическом цикле. Режим проведения именно этой стадии предопределяет структуру и свойства конечного продукта, получаемого после сублимационной сушки гранул.

Способ криогенного гранулирования растворов и суспензий, включающий формирование вращающегося слоя хладагента в емкости, подачу исходного материала в жидкий хладагент гидравлическим распылением с последующим выведением из хладагента гранулированного продукта, отличающийся тем, что первоначально емкость заполняют хладагентом до заданной высоты слоя с последующим перемешиванием хладагента в турбулентном режиме, соответствующем числу Рейнольдса 1·106-2·107, с образованием воронкообразного слоя с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид, при этом распыление исходного материала производят в виде тонкодисперсных капель тангенциально к поверхности слоя хладагента и под углом 20-70° к горизонту.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологическому оборудованию для гранулирования различных растворов или суспензий, преимущественно для последующей их сублимационной сушки и получения материалов в виде ультра- и нанодисперсных порошков.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к грануляционному устройству для грануляции жидкого расплава. .
Изобретение относится к способу получения гранулированного конверсионного карбоната кальция и позволяет получать гранулированный продукт с улучшенными потребительскими свойствами, который может найти применение не только в качестве щелочного удобрения-мелиоранта, но и в качестве сырья для различных отраслей промышленности, в частности для производства стекла.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к гранулированию из расплавов различных материалов, например серы, смол, неорганических удобрений, полимеров и т.п.

Изобретение относится к гранулированию расплавов различных материалов, в частности серы, неорганических удобрений, полимеров, и может быть использовано в химической и смежных с ней областях промышленности.

Изобретение относится к химической, фармацевтической и другим отраслям промышленности, где необходимо получать монодисперсные капли из жидкости различной вязкости диаметром 1-3 мм, например, при диспергировании, гранулировании, дозировании, капсулировании и пр.

Изобретение относится к технологии производства полимерных гранул, используемых для получения ионообменных смол. Реактор содержит корпус, оснащенный по меньшей мере одним входом для введения эмульсии монодисперсных капель в водном растворе стабилизатора, выходом для вывода эмульсии, содержащей монодисперсные капли, достигшие упругого состояния, расположенным в нижней части корпуса, средство для циркуляции раствора стабилизатора, средство для перемешивания эмульсии. Корпус выполнен в виде цилиндрической емкости с конусной крышкой, имеющей угол при вершине 60°, в верхней части которой размещен сальниковый узел средства для перемешивания, выполненный в виде соединенной с конусной крышкой реактора трубы, внутри которой размещен вал средства для перемешивания и содержащей два штуцера, первый - для подачи раствора стабилизатора и второй - для сообщения с атмосферой. Первый штуцер расположен ниже относительно второго. В зоне указанных штуцеров вал средства для перемешивания установлен с зазором со стенками трубы сальникового узла. Средство для перемешивания представляет собой тихоходную комбинированную мешалку, расположенную в верхних 2/3 реактора, с тремя группами перемешивающих органов различной формы и диаметра, расположенных в различных плоскостях, обеспечивающими мягкое перемешивание с сохранением размера капель и размешивание байпасных потоков и застойных зон. Центральный вал мешалки для предотвращения образования центральной застойной зоны после первой группы перемешивающих органов выполнен с диаметром, большим, чем до нее. Поверхности корпуса, крышки и мешалки, контактирующие с эмульсией монодисперсных капель, выполнены из материала, препятствующего налипанию монодисперсных капель. Поддержание рабочей температуры корпуса реактора осуществляется обогревательным элементом. Технический результат - расширение ассортимента технических средств для форполимеризации. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии производства полимерных гранул, используемых для получения ионообменных смол. Способ включает подачу эмульсии монодисперсных капель в реактор, перемешивание эмульсии до достижения точки желатинизации и передачу прошедших форполимеризацию капель на дальнейшую обработку. Вначале осуществляется подача стабилизатора до момента, когда он заполнит реактор и поступит в систему циркуляции стабилизатора, затем в реактор подают эмульсию монодисперсных капель, вытесняющую избыточный объем стабилизатора в систему циркуляции. Расход стабилизатора, подаваемого через верхнюю зону реактора, определяют исходя из условия образования равномерно кипящего взвешенного слоя монодисперсных капель, находящегося на расстоянии 500-700 мм выше дна реактора. Расположение слоя монодисперсных капель контролируют при помощи емкостного датчика, в соответствии с показаниями которого изменяют расход стабилизатора. До окончания заполнения реактора эмульсией начинают его нагрев до температуры, не превышающей 65°С, для сокращения времени выхода на температуру форполимеризации. После заполнения реактора эмульсией повышают его температуру до 75°-80° и осуществляют форполимеризацию при одновременном мягком перемешивании до достижения точки желатинизации. После чего, без отключения мешалки, циркуляцию стабилизатора прекращают, после того как капли собираются в верхней части реактора, сливают избыточный стабилизатор, а затем достигшие упругого состояния капли перемещают в полимеризатор для завершения процесса получения гранул одинакового размера. Технический результат - создание способа форполимеризации. 3 ил.
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано на предприятиях, получающих гранулированную серу в виде готовой продукции. Предложен способ получения гранулированной серы путем введения жидкой серы в воду. Жидкая сера под напором от 900 Па до 9000 Па истекает из отверстия диаметром от 0,5 мм до 2,5 мм в виде вертикальной сплошной струи и попадает в воду. Расстояние между точкой истечения струи серы и поверхностью воды составляет не более 80 мм. Получаемые сферические гранулы серы представляют собой наилучшую геометрическую форму твердой серы, отличающуюся наиболее благоприятным соотношением массы и объема и наибольшей механической прочностью. Однородность гранулометрического состава и сферическая форма частиц повышают точность дозирования гранулированной серы любым типом дозатора. Изобретение позволяет получить гранулированную серу в виде сферических частиц заданного диаметра.

Изобретение относится к способу получения гранулята, содержащего одну или несколько солей комплексообразователя общей формулы (I), из исходного водного раствора, содержащего одну или несколько солей комплексообразователя в концентрации от 10 до 80 мас.% в пересчете на общую массу этого исходного водного раствора. Способ осуществляют в вихревом аппарате, в котором одна направленная снизу вверх центральная или одна или несколько расположенных в области центральной оси вихревого аппарата газообразных движущих струй создают внутреннее петлевое движение с образованием вихревой зоны. К верхнему концу этой зоны примыкает зона фонтанирования, переходящая в зону обратного движения в области стенок вихревого аппарата, которая снова в своей нижней области переходит в вихревую зону, куда исходный водный раствор впрыскивают в одну или несколько газообразных движущих струй и при этом высушивают с получением гранулята, который выводят из этого вихревого аппарата. В формуле (I) R′ обозначает атом водорода или одну из групп или причем R′′ представляет собой атом водорода, алкильный остаток с 1-12 атомами углерода или остаток -(CH2)q-COOM, где q = от 1 до 5, n и m соответственно являются целым числом от 0 до 5, R′′′ представляет собой атом водорода или алкильный остаток с 1-12 атомами углерода, или алкенильный остаток с 2-12 атомами углерода, который дополнительно может содержать до 5 гидроксильных групп в качестве заместителей, или одну из групп или в которых о и p соответственно являются целым числом от 0 до 5, а М независимо друг от друга обозначают атом водорода, щелочной металл, щелочноземельный металл, ион аммония или замещенный ион аммония в соответствующих стехиометрических количествах. Способ позволяет получать гранулят с улучшенным объемно-временным выходом и качеством, с более плотной и равномерной формой частиц. 10 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Наверх