NO153361B - Fremgangsmaate for fremstilling av granuler oppbygget av en kjerne og en kappe - Google Patents

Description

I noen år har hvirvelsjikt av faste partikler funnet økende anvendelse for granulering av faste stoffer, hvor kjerner forsynes med en kappe bestående av det samme materiale som kjernene, eller for belegning av faste stoffer, hvor kjerner forsynes med et belegg bestående av et materiale som er forskjellig fra kjernenes. Både ved granulering og belegning av faste stoffer blir materialet for kappen , i form av et væskeformig materiale inneholdende nevnte materiale i smeltet, oppløst og/eller suspendert tilstand, sprøytet på fluidiserte kjerner. Det på de fluidiserte kjerner således avsatte væskeformige materiale må deretter omdannes til fast tilstand under virkningen av den temperatur som hersker i sjiktet, ved kjøling og/eller fordampning av væske. Ved gjentagelse av denne prosess omfattende alternerende fuktning og størkning av det avsatte materiale, bygges kappen gradvis opp inntil den har nådd den ønskede tykk-else, og den resulterende granul kan fjernes fra sjiktet. Under prosessen holdes sjiktets temperatur i det vesentlige konstant ved egnet valg av betingelser, så som temperaturen av fluidiseringsgassen og/eller det påsprøytede væskeformige materiale, idet den nødvendige varme enten tilsettes til sjiktet eller overflødig varme fjernes fra sjiktet.

Granulering eller belegning av faste stoffer i et hvirvelsjikt, hvor kjerner forsynes med en kappe som gradvis blir tykkere, utføres ved fuktning av kjernene med små dråper. Hvis dråpene har omtrentlig den samme størrelse som kjernene, blir strukturen av granulene "løklignende", hvilket betegnes "skalldannelse". Når de små dråper er meget mindre enn kjernene, anvendes uttrykket ansamling av dråper på kjernene.

Ved skalldannelse forsynes kjernene suksessivt med et antall konsentriske lag av kappedannende materiale. Skalldannel-sen finner sted når det væskeformige materiale sprøytes på de fluidiserte kjerner i form av små dråper som er store nok til å dekke overflaten av kjernen med et lag av væskeformig materiale, som deretter størknes under dannelse av et "skall" rundt kjernen. På grunn av påføringen av flere slike skall utenpå hverandre oppviser de granuler som til slutt erholdes, indre spen-ninger som skyldes den løklignende struktur, og som ugunstig påvirker granulenes mekaniske egenskaper, så som deres knuse-styre og abrasjonsmotstand. Etter hvert som laget av væskeformig materiale på en kjerne blir tykkere, kan ytterligere problemer gjøre seg gjeldende som resultat av den omstendighet at det avsatte materiale ikke kan tørkes fullstendig før et nytt lag av væskeformig materiale avsettes på kjernen.

Ved granulering eller belegning ved ansamling fuktes kjernen suksessivt av dråper som har en så liten størrelse at de bare kan dekke en mindre del av overflaten av en kjerne med et tynt lag av væskeformig materiale. På denne måte blir kappen gradvis bygget opp over små overflater, hvilket resulterer i at de erholdte granuler har en meget fin struktur og en meget høy styrke. De mekaniske egenskaper hos granuler fremstilt ved ansamling er langt bedre enn hos granuler fremstilt ved skalldannelse.

En annen og forskjellig metode som ofte anvendes for granulering av faste stoffer, er agglomerering av faste partikler ved hjelp av et væskeformig materiale som bringer et antall partikler til å klebe sammen. Ved krystallisering og/eller for-damping av væsken dannes deretter et sammenhengende hele, som imidlertid har en ikke-homogen struktur, og som har en betydelig dårligere kvalitet sammenlignet med granuler fremstilt ved skalldannelse eller ansamling.

Av disse grunner bør agglomerering ved granulering eller belegning av faste stoffer i et hvirvelsjikt unngås eller holdes på et minimum.

For fremstilling av en gitt mengde av granuler ved granulering eller belegning i et hvirvelsjikt må en gitt mengde væskeformig materiale sprøytes inn i sjiktet pr. tidsenhet. Når granuleringen utføres i industriell målestokk, er dette en betydelig mengde som eksempelvis i en urea-granulator med en gjennomsnittlig daglig produksjon på eksempelvis 800 tonn er så høy som 36 000 kg/time. Innsprøytningen av en så stor mengde av væskeformig materiale i et hvirvelsjikt frembyr problemer av en tosidig natur: For det første må mengden av energi som er påkrevet for sprøytningen, være så" lav som mulig, ellers vil pro-duktets kostpris bli for høy, og for det annet må fluidiseringen-i sjiktet ikke forstyrres, og agglomerering av sjiktpartikler må hindres eller minimeres, da det ellers ikke oppnås et produkt med tilfredsstillende kvalitet.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveie-

bringe løsning på disse problemer.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til fremstilling av granuler oppbygget av en kjerne og en kappe, hvor det tilveiebringes et sjikt av faste kjerner, hvilket ved hjelp av en fluidiseringsgass-strøm fordelt gjennom en perforert, flat, horisontal eller svakt hellende bunnplate holdes i fluidisert tilstand, og et væskeformig materiale inneholdende substansen for kappen i smeltet, oppløst og/eller suspendert tilstand sprøytes på de fluidiserte kjerner inne i virvelsjiktet fra bunnen og i retning oppover i form av små dråper som har en så liten diameter at en dråpe bare kan dekke en del av overflaten av en kjerne, ved hjelp av en flerhet av vertikalt anordnede spredere, idet det flytende materiale som således avsettes på kjernene størknes ved kjøling og/eller fordamp-

ning av væske under dannelse av granuler med en ønsket stør-relse, karakterisert ved at det anvendes hydrauliske spredere gjennom hvilke det flytende materiale sprøytes under hydraulisk trykk med den ønskede dråpestørrelse, idet hver spreder er omgitt av en koaksial, ringformet, konvergerende hjelpegass-åpning gjennom hvilken hjelpegass føres med en slik vertikal utløps-hastighet at den koniske strøm av dråper fra sprederen innsnevres av nevnte hjelpegass-strøm til en strøm med en konisitetsvinkel mindre enn 20°C, og i en slik mengde at en lomme av fortynnet fluidisert fase, beliggende fullstendig innenfor det fluidiserte sjikt, dannes av nevnte hjelpegass-strøm over hver spreder.

Med "kjerner" raenes her ikke bare det anvendte partikkel-formige materiale som tilsettes til sjiktet som utgangsmateriale, enten kontinuerlig eller chargevis, men også de granuler som bygges opp i sjiktet.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes for granulering av alle slags materialer som kan sprøytes i smeltet tilstand eller som en oppløsning eller suspensjon og kan størknes ved krystallisering og/eller fordampning av væske. Eksempler er svovel, urea, ammoniumsalter, blandinger av ammoniumsalter med organiske eller uorganiske additiver, og lignende. Videre kan granuler av et gitt materiale, eksempelvis ureagranuler, belegges med et annet, forskjellig materiale, så som svovel, ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Den granulater som skal anvendes, omfatter en beholder med hovedsakelig vertikale vegger og et rundt, kvadratisk eller rektangulært horisontalt tverrsnitt, skjønt andre utformninger kan anvendes. Sjiktet av kjerner er understøttet av en flat,

perforert bunnplate gjennom hvilken fluidiseringsgassen, vanligvis luft, fordeles og ledes inn i sjiktet. Bunnplaten kan være anordnet i en horisontal eller svakt hellende stilling. En svak helling på eksempelvis 30' til 2° kan være hensiktsmessig for å lette fjerningen av granuler til en utløpsåpning anordnet ved den nedre ende av bunnen.

Volumet av hvirvelsjiktet avhenger av den ønskede granula-torkapasitet og av den ønskede oppholdstid for granulene i sjiktet. Hva sjiktets dimensjoner angår, er det en sammenheng mellom den mengde fluidiseringsgass som skal tilføres sjiktet, og sjiktets overflate. I alminnelighet gjelder at når mengden av fluidiseringsgass økes, må sjiktets overflateareal økes.

Da oppnåelse av varmelikevekt i sjiktet under granuleringen krever tilførsel av varme til sjiktet for fordampning av væsken eller fjerning av krystallisasjonsvarme fra sjiktet, må det tilveiebringes midler for tilførsel av eller fjerning av varme. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir varme fortrinnsvis tilført eller fjernet ved regulering av fluidiseringsgassens temperatur. Da denne gass bare kan undergå en begrenset endring i temperatur i sjiktet, vil det i alminnelighet være nødvendig å tilføre en stor mengde av fluidiseringsgass til sjiktet for oppnåelse av termisk likevekt i sjiktet, hvilket for sjiktets dimensjoner innebærer at sjiktets overflateareal må tilpasses denne store mengde av gass, slik at det med et gitt sjiktvolum bare blir tilbake en begrenset høyde for det fluidiserte sjikt. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres derfor fortrinnsvis

i et sjikt som i den fluidiserte tilstand har en høyde h og et overf lateareal S slik at h ikke overstiger \ j S. Den begrensede sjikthøyde er fordelaktig ut fra energikostnadsbetraktninger, idet energiomkostningene øker når sjiktet må fluidiseres til en større høyde.

Når fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres i industriell målestokk, er sjikthøyden h vanligvis mellom 30 og 150 cm, og ^"s^er ofte et multiplum av h. Sjiktet kan ha hvilket som helst ønsket overflateareal.

I enkelte hvirvelsjiktsgranulatorer sprøytes det væske-

formige materiale ovenfra og vertikalt nedover i hvirvelsjiktet.

For en granulator som har stor kapasitet, har dette vist seg å

være uhensiktsmessig, fordi det dannes en stor mengde støv over sjiktet, som medføres av fluidiseringsgassen og forårsaker forurensninger andre steder, og fordi skorpelignende klumper dannes på sjiktets overflate. Forsøk med innsprøytning av det væskeformige materiale horisontalt sideveis inn i sjiktet eller vertikalt nedover var ikke vellykket p.g.a. betydelig agglome-

rering i sjiktet.

Vi valgte derfor vertikal oppoverrettet innsprøytning fra

bunnen av hvirvelsjiktet. I denne posisjon ble et stort antall hydrauliske og pneumatiske spredere av forskjellige typer ut-

prøvet i en hvirvelsjiktsgranulator. Mange av disse forsøk var mislykket p.g.a. betydelig agglomerering og klumping. Gode re-sultater uten agglomereringsfenomener ble imidlertid oppnådd med en pneumatisk spreder tatt fra en oljebrenner, og i hvilken væske sprøytes ved hjelp av komprimert luft som strømmer fra en ringformet åpning anordnet rundt væskeåpningen. Denne spreder gav en kjegleformet sprøytedusj med en meget liten konisitets-

vinkel, nemlig ca. 20°.

Under anvendelse av denne spreder ble en rekke granulerings-forsøk utført. Disse viste at riktig drift av granulatoren krevet at man ved økning av væskeformig materiale som skulle sprøytes, også økte mengden av luft, m.a.o. økte lufttrykket. Muligheten for å gjøre dette viste seg imidlertid å være be-

grenset, fordi luften blåses rett gjennom sjiktoverflaten når en viss terskelverdi overskrides, hvorved det dannes en fontene av kjerner og korn over sjiktet, og store mengder av støv med-

føres av den luftstrøm som kommer ut fra granulatoren.

En undersøkelse vedrørende årsaken til det fenomen at den utprøvde pneumatiske spreder fra en oljebrenner virkelig resul-

terte i tilfredsstillende granulering, mens f.eks. en hydrau-

lisk spreder ikke gav tilfredsstillende granulering, selv om det i begge tilfeller ble dannet dråper av den samme lille størrelse, viste at den komprimerte luft utfører.to forskjellige funksjoner i den pneumatiske spreder. Den komprimerte luft ikke bare atomiserer det væskeformige materiale, men danner og-

så en kavitet av fortynnet fluidisert fase i hvirvelsjiktet

over sprederen. På grunn av den lille konisitetsvinkel i den kjegleformede sprøytedusj fra den utprøvede pneumatiske spreder blir det sprøytede materiale praktisk talt fullstendig sprøytet inn i den nevnte kavitet av fortynnet fluidisert fase, hvor et stort antall kjerner kan besprøytes uten at partiklene vil komme tilstrekkelig nær hverandre til å agglomereres. Denne mekanisme gjør det mulig å ha et stort antall s<p>redere av den nevnte type i drift i et hvirvelsjikt anordnet nær hverandre uten at de påvirker hverandres effektivitet og uten at fluidiseringen av sjiktet forstyrres.

Spredere av denne type viste seg likevel uegnet til bruk i industriell målestokk, ettersom sprøyting av en tilstrekkelig mengde av væskeformig materiale krever komprimert luft med et trykk på minst 3 atmosfæres overtrykk (ato). I forbindelse med det høye energiforbruk er et sådant trykk uakseptabelt høyt.

Når en hydraulisk spreder anvendes, er energiforbruket riktignok relativt lavt, men p.g.a. en for høy grad av agglomerering oppnås ikke tilfredsstillende granulering i hvirvelsjiktet.

Det ble imidlertid nå funnet at når en hydraulisk spreder anvendes, kan meget tilfredsstillende granulering oppnås uten at betydelig agglomerering gjør seg gjeldende, hvis det i dette tilfelle også dannes en kavitet av fortynnet fluidisert fase over sprederen inne i hvirvelsjiktet og det samtidig påsees at det væskeformige materiale sprøytes innenfor denne kavitet.

I henhold til oppfinnelsen oppnås dette ved at man sprøyter det væskeformige materiale under hydraulisk trykk med den ønskede dråpestørrelse og samtidig tilfører, omkring strømmen av dråper, som med hydrauliske spredere har form av en kon eller kjegle med en konisitetsvinkel på vanligvis 45 til 90°, en hjelpegass-strøm som har to funksjoner, nemlig (1) å danne i hvirvelsjiktet over sprederen en kavitet av fortynnet fluidisert fase, og (2)

å innsnevre den kjegleformede strøm av dråper fra sprederen på en slik måte at strømmen av dråper praktisk talt fullstendig sprøytes inn i den nevnte kavitet av fortynnet fluidisert fase.

I henhold til oppfinnelsen tilføres hjelpegassen gjennom

en ringformet, konvergerende åpning anordnet koaksialt rundt sprøyteåpningen. Den mengde av hjelpegass som fører gjennom den ringformede åpning pr. tidsenhet, bør være tilstrekkelig til å danne en kavitet av fortynnet fluidisert fase over spreder-

en. Mengden av hjelpegass er fortrinnsvis tilstrekkelig til å danne en så stor kavitet i hvirvelsjiktet som mulig uten at hjelpegassen blåses gjennom hvirvelsjiktets øvre overflate.

Den hastighet med hvilken hjelpegassen forlater den ringformede åpning, må enn videre være tilstrekkelig til å innsnevre den kjegleformede strøm av dråper fra den hydrauliske spreder til en strøm som har en konisitetsvinkel mindre enn 20°. Den gass-hastighet som er påkrevet herfor, avhenger av dråpestørrelsen av det sprøytede materiale, dråpestrømmens opprinnelige konisitetsvinkel, dråpestrømmens utløpshastighet og den innsnevrede dråpestrømmens ønskede konjsitetsvinkel, og ligger i alminnelighet mellom 60 og 300 m/sek., for det meste mellom 150 og 280 m/sek.

Den mengde hjelpegass som pr. tidsenhet er påkrevet for dannelse av en så stor kavitet som mulig, kan lett bestemmes eksperimentelt, og dette gjelder også den hastighet for hjelpegassen som er påkrevet for oppnåelse av den ønskede innsnevring av den kjegleformede dråpestrøm. Av disse to data kan man be-regne det nødvendige overflateareal av den ringformede åpning.

Væskestrømmen, dvs. den mengde av væskeformig materiale som sprøytes gjennom en spreder pr. tidsenhet, er fortrinnsvis lik den maksimale strøm som kan opptas av kaviteten av fortynnet fluidisert fase som dannes over sprederen, uten at agglomereringsvirkninger observeres.

Hydrauliske spredere er kommersielt tilgjengelige for et bredt område av dråpestørrelser, nemlig fra 10 pm til 500 ium eller mer. For hvert produkt som skal granuleres eller belegges, er det følgelig mulig å velge en spreder som gir en dråpe-størrelse som er egnet for "ansamling".

Når fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes i industriell målestokk, må mange, under tiden flere hundre, spredere plasseres i granulatoren for oppnåelse av den ønskede kapasitet. Dette er mulig uten noen problemer.

Som hjelpegass anvendes vanligvis luft. Hvis man ved granulerings- eller belegningsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvender stoffer som er følsomme for oksygen, kan imidlertid en inert gass anvendes som fluidiseringsgass og som hjelpegass i stedet for luft. Luften eller den inerte gass kan forvarmes om så ønskes, f.eks. for å hindre størkning eller krystallisa-■ sjon i sprederen når en høykonsentrert smelte eller oppløsning sprøytes.

Størrelsen av produktgranulene avhenger av flere faktorer, så som antallet av kjerner i hvirvelsjiktet, størrelsen av disse kjerner, mengden av væskeformig materiale som sprøytes pr. tidsenhet, og kjernenes oppholdstid i sjiktet. Eksempelvis vil således større produktgranuler dannes når antallet av kjerner i hvirvelsjiktet nedsettes og oppholdstiden forlenges. For opp-rettholdelse av en gitt kornstørrelsesfordeling i produktet holdes hvirvelsjiktets innhold fortrinnsvis så konstant som mulig, både med hensyn til kornstørrelsesfordeling og antall kjerner. Dette kan oppnås ved at man holder vektmengden av kjerner som skal tilsettes hvirvelsjiktet, med den riktige korn-størrelsesfordeling, i samsvar med den vektmengde av produktgranulene som uttas fra sjiktet. I alminnelighet har de kjerner som skal tilsettes sjiktet, en størrelse mellom 0,2 og 4 mm, skjønt det i spesielle tilfeller kan anvendes større kjerner.

De produktgranuler som uttas fra granulatoren, kan, om det ønskes, skilles i en underkornfraksjon, en produktstørrelsesfrak-sjon og en overkornfraksjon. Den sistnevnte fraksjon kan knuses til de samme eller mindre størrelser enn underkornfraksjonens og deretter resirkuleres til granulatoren sammen med underkorn-fraksjonen.

Eksempel.

I en granulator forsynt med en flat, perforert bunnplate

og inneholdende et hvirvelsjikt av ureakjerner omdannes en opp-løsning av urea til granuler med en gjennomsnittlig diameter på 2,9 mm. Produksjonen pr. dag er 800 tonn.

Sjiktet har et overflateareal på 9,6 m 2 og veier 5000 kg. Det fluidiseres opp til en høyde på 1000 mm ved hjelp av luft, som med en temperatur på 30°C tilføres gjennom den perforerte bunnplate med en hastighet på 52 000 Nm 3/time.

Ved hjelp av 110 hydrauliske spredere montert i bunnen av granulatoren blir 35,8 tonn vandig ureaoppløsning, med en urea-konsentrasjon på 9 5 vektprosent, sprøytet vertikalt oppover inn i hvirvelsjiktet pr. time. Hver hydraulisk spreder er omgitt av en koaksial, ringformet, konvergerende spalte med en utvendig diameter på 17 mm og en innvendig diameter på 5,8 mm. Fra spred-

erne sprøytes ureaoppløsningen under et hydraulisk trykk på

8 kg/cm i form av dråper med en gjennomsnittlig diameter på 110 ^m. I fravær av lufttilførsel gjennom den ringformede spalte har den kjegleformede strøm av dråper en konisitetsvinkel på 45°.

Man har ved hjelp av eksperimenter funnet at dannelsen av en kavitet av fortynnet fluidisert fase. som strekker seg over hver spreder til like under hvirvelsjiktets øvre overflate, krever en luftmengde på 130 Nm 3/time pr. spreder, og enn videre at innsnevring av dråpestrømmen til en kjegleformet strøm med en konisitetsvinkel på ca. 10° krever at luften forlater den ringformede spalte med en hastighet på ca. 275 m/sek. Det kan herav beregnes at den ringformede spalte må ha et passasjeareal pa 2 cm .

Pr. spreder og pr. time sprøytes 350 kg ureaoppløsning med en temperatur på 135°C, og 140 Nm"^ luft med en temperatur på 145°C føres igjennom den ringformede spalte ved et absolutt trykk på 1,4 atm. Den herfor nødvendige kompresjonseffekt er ca. 300 kW. Under disse betingelser opprettholdes en temperatur på 100 °C i hvirvelsjiktet.

Granuleringen forløper på meget tilfredsstillende måte

uten betydelige agglomereringsvirkninger.

Fra de granuler som uttas fra hvirvelsjiktet, utvindes en fraksjon med en diameter mellom 2,0 og 3,5 mm som produkt. Resten knuses til en partikkelstørrelse på ca. 1,1 - 1,4 mm og resirkuleres til granulatoren med en hastighet på 2,5 tonn/time.

Den beskrevne ytelse av granuleringsprosessen krever under de samme betingelser, men ved anvendelse av pneumatiske spredere, et samlet antall spredere på 220, til hvilke en samlet mengde luft på 21 000 Nm 3 rna tilføres pr. time under et absolutt trykk på 4 atm. Også i dette tilfelle forløper granuleringen meget tilfredsstillende, men den nødvendige kompresjonseffekt er da 1,4 MW, dvs. nesten 5 ganger den effekt som er påkrevet når granuleringen utføres i henhold til oppfinnelsen.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av granuler oppbygget av en kjerne og en kappe, hvor det tilveiebringes et sjikt av faste kjerner, hvilket ved hjelp av en fluidiseringsgass-strøm fordelt gjennom en perforert, flat, horisontal eller svakt hellende bunnplate holdes i fluidisert tilstand, og et væskeformig materiale inneholdende substansen for kappen i smeltet, oppløst og/eller suspendert tilstand sprøytes på de fluidiserte kjerner inne i virvelsjiktet fra bunnen og i retning oppover i form av små dråper som har en så liten diameter at en dråpe bare kan dekke en del av overflaten av en kjerne, ved hjelp av en flerhet av vertikalt anordnede spredere, idet det flytende materiale som således avsettes på kjernene størknes ved kjøling og/eller fordampning av væske under dannelse av granuler med en ønsket stør-relse , karakterisert ved at det anvendes hydrauliske spredere gjennom hvilke det flytende materiale sprøytes under hydraulisk trykk med den ønskede dråpestørrelse, idet hver spreder er omgitt av en koaksial, ringformet, konvergerende hjelpegass-åpning gjennom hvilken hjelpegass føres med en slik vertikal utløpshastighet at den koniske strøm av dråper fra sprederen innsnevres av nevnte hjelpegass-strøm til en strøm med en konisitetsvinkel mindre enn 20°, og i en slik mengde at en lomme av fortynnet fluidisert fase, beliggende fullstendig innenfor det fluidiserte sjikt, dannes av nevnte hjelpegass-strøm over hver spreder.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at sjiktet i fluidisert tilstand har en høyde h og et overflateareal S hvor h ikke overstiger i'in