РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ПРИЛЛИРОВАНИЕМ И ГРАНУЛИРОВАНИЕМ

Анализ и сравнение двух основных технологий обработки.

Выбор правильной технологии кристаллизации может быть определяющим фактором. Не только капитальных или эксплуатационных затрат, но и постоянства качества вашей продукции. Правильное представление помогает сделать правильный выбор. Давайте сравним две основные технологии обработки: приллирование и гранулирование.

Введение

Приллирование: с чего все началось

Изобретателем метода приллирования был английский слесарь Уильям Уоттс. В 1782 году он обнаружил, что при падении с большой высоты расплавленного свинца, пропущенного через небольшие отверстия, капли свинца отвердевают, образуя дробинки сферической формы.[1] Полученные таким образом дробинки были одинаковыми по размеру и имели более сферическую форму, чем большинство изготовленных по существующим на тот момент методам производства.

Принцип, лежащий в основе процесса приллирования, практически не изменился с тех пор, как Уильям Уоттс открыл его в 1782 году.[2] Главное отличие заключается в современном использовании установки приллирования, которая производит большое количество струй, нагнетая расплав через головки. Затем эти струи разбиваются на мельчайшие капли. Установка приллирования позволяет лучше контролировать разрыв струи и, в свою очередь, обеспечивает более высокое качество и одинаковый размер продукта. Кроме того, предусмотрена возможность прохождения воздуха через башню и сбора пыли с помощью установок фильтрации или скрубберов для повышенной эксплуатационной безопасности. Для получения более подробной информации об основных принципах приллирования прочтите статью о сути приллирования и о том, что такое прилл.

Пример установки приллирования с головками
Пример вращающейся системы приллирования Kreber с двумя головками.

Гранулирование: перспективная технология

В недавнем прошлом технология гранулирования возникла как перспективный способ производства высококачественных удобрений. Гранулятор аммония был изобретен и запатентован в 1965 году Фрэнком Нильсоном. Нильсон работал в Администрации долины реки Теннесси (TVA), часть которой была преобразована в Международный центр разработки удобрений. Работа TVA создала конкуренцию технологии приллирования в области массового производства химических удобрений [3].

В процессе гранулирования мелкие частицы связываются друг с другом, образуя гранулы. Расплав и связующее вещество подаются в гранулятор в виде тумана из мельчайших капель. Мелкие затравочные частицы смачиваются туманом из капель и растут до образования гранул нужного размера. Вращающийся барабан и высокая скорость движения воздуха обеспечивают эффективное смачивание, сушку и перенос энергии.

После 50 лет инноваций в области гранулирования и более 200 лет в области приллирования обе технологии приобрели статус испытанных технологий обработки, используемых по всему миру. Но после всех этих лет исследований и разработок можно ли провести различие между разными продуктами? И каковы преимущества и недостатки производства на современных установках приллирования и гранулирования? Наконец, какой опыт обе технологии могут перенять друг у друга для усовершенствования метода обработки в производстве удобрений?

Матрица выбора Пью Различия технологий кристаллизации
В данной матрице выбора Пью, которая приводится в листе технических данных процесса приллирования, различные технологии кристаллизации сравниваются с приллированием.

Сравнение продуктов

Размер частиц продукта

Результатом обоих процессов являются два весьма разных продукта, несмотря на то, что оба имеют сферическую форму и обладают сыпучестью. Наиболее очевидное различие заключается в размере частиц обоих продуктов. Размер частиц в процессе приллирования определяется преимущественно высотой падения в башне приллирования. Высота падения определяет время охлаждения приллов, а следовательно, и их максимальный размер. Таким образом, ограничения в конструкции башни обеспечивают средний размер приллов в диапазоне от 0,5 мм до 3 мм максимум. В случае использования установкой приллирования вибрационной технологии расхождения в распределении частиц по размеру могут быть сведены к минимуму.

В процессе гранулирования размер частиц определяется временем нахождения в грануляторе. Чем больше времени отводится на наращивание слоев, тем больше получаются гранулы. Благодаря этому гранулы могут увеличиваться в размерах до 10 мм. Тем не менее, для больших гранул распределение размера частиц труднее контролировать, поскольку не все гранулы подвергаются в грануляторе одинаковому процессу, и некоторые больше контактируют с расплавом [4].

Прочность продукта

Главным преимуществом гранул является более высокая прочность на раздавливание, чем у приллов, что обусловлено добавлением связующего вещества в процессе гранулирования и образованием полостей в более крупных по размеру приллах. На рисунке 1 показана динамика изменения прочности мочевины на раздавливание.

Прочность на раздавливание приллов и гранул мочевины
Рисунок 1: Динамика изменения прочности на раздавливание приллов мочевины в сопоставлении с гранулами мочевины. Гранулы прочнее по своей природе из-за пористой структуры приллов и благодаря использованию добавок.

В процессе приллирования после образования капель установкой начинается кристаллизация расплава. Сначала прилл кристаллизуется на стыке между расплавом и воздухом, образуя оболочку отвердевшего расплава. Данный процесс отверждения проходит внутрь. Тем не менее, расплав и отвердевший прилл имеют разную плотность. 

Отвердевший прилл обычно имеет меньший объем, чем жидкая капля. По мере распространения процесса кристаллизации прилл должен уменьшиться. Так как оболочка уже сформирована, прилл уменьшается в середине, образуя полость. Эта внутренняя полость делает структуру прилла пористой. Чем больше прилл, тем больше полость в его центре.

В процессе гранулирования пористости структуры удается избежать за счет создания последовательных слоев из расплава и гранулирующего агента. Пустоты в оболочке гранулы заполняются следующим слоем, благодаря чему образуется твердая кристаллическая структура. Тем не менее, процесс гранулирования требует добавления гранулирующего агента. Данная добавка способствует образованию более прочной структуры. Оба процесса показаны на рисунке 2.

Различия в кристаллизации между приллированием и гранулированием
Рисунок 2: Различия в процессе кристаллизации между приллированием и гранулированием. В процессе приллирования происходит образование и дальнейшее отверждение капли. Из-за разной плотности материала в жидком и твердом состоянии образуется небольшая полость. При гранулировании этого удается избежать за счет наслоения [5].

Чистота продукта

Приллирование — это процесс, в котором расплав на входе и выходе имеет одинаковый состав, что обеспечивает максимальную чистоту продукта. Для качественного процесса гранулирования требуется добавление связующего вещества. Цель в процессе гранулирования состоит в том, чтобы удалить максимально возможное количество связующего вещества, однако оно всегда будет присутствовать, пусть и в ничтожно малом количестве. Это можно считать преимуществом приллирования, поскольку связующее вещество может быть добавлено, но не является необходимым, что позволяет добиться высокой чистоты продукта.

Сравнение процессов

Производственные затраты

Как правило, первоначальные капиталовложения в установку гранулирования в три раза превышают капиталовложения в башню приллирования с той же производственной мощностью. Башня приллирования может иметь два варианта исполнения: вариант, в котором естественная тяга образует встречный поток воздуха, и второй вариант, в котором принудительная тяга создается при помощи вентилятора. Естественная тяга образуется вследствие разницы температуры в верхней части башни, куда поступает расплав, и нижней части, куда поступает воздух. Увеличение объема расплава приведет к увеличению разницы температур и, следовательно, к повышенной скорости потока воздуха. Башня приллирования с естественной тягой имеет малое количество подвижных частей, а ее строительство и эксплуатация обходятся относительно недорого. В варианте с принудительной тягой может быть уменьшена необходимая высота башни приллирования, но, как правило, требуемые капитальные и эксплуатационные затраты выше.

Пример башни приллирования Kreber
Пример башни приллирования Kreber

Гранулятор с псевдоожиженным слоем или вращающийся гранулятор требует больших капиталовложений, поскольку это более сложный в строительстве и эксплуатации процесс, чем приллирование. Для функционирования процесса требуется большое количество подвижных частей и насадок.

Управление процессами

В целом, приллирование является более надежным и простым в управлении процессом, чем гранулирование. Главным преимуществом башни приллирования для секции обработки является высокая степень самоконтроля. Ковш приллирования справляется с изменениями в скорости течения расплава, поскольку скорость потока, исходящего из ковша, зависит от скорости входящего потока. Кроме того, как отмечалось ранее, при увеличении потока расплава входящий поток воздуха меняется соответствующим образом под влиянием разницы температур. Также, поскольку высококачественные системы приллирования имеют два ковша, замену можно осуществлять с минимальным временем простоя, что делает процесс высоко надежным [5].

Более сложный процесс гранулирования обычно труднее контролировать, так как в нем используется большее количество подвижных частей. Кроме того, несмотря на обширные знания, приобретенные нами за последние пару лет, сложный характер процесса гранулирования, а также моделирование и эксплуатация установок гранулирования представляют сложность и в некоторых случаях по-прежнему в значительной степени основаны на эмпирических данных, что приводит к большому количеству отходов и, следовательно, большому объему рециркуляции [6].

Технологические выбросы

В целом, считается, что уровень выбросов из башни приллирования выше, чем в процессе гранулирования. Больший объем газа требует обработки, прежде чем его можно будет рециркулировать или выпустить из башни. После обработки газ имеет ту же степень очистки, что и отработанные газы установки гранулирования.

Тем не менее, поскольку расплав наслаивается на затравочные частицы, время нахождения расплава минимальное. В случае обработки продукта с высоким давлением парообразования в башне приллирования испаряется большее количество продукта, чем в процессе гранулирования. Чем дольше продукт остается в жидком состоянии, тем больше расплава испаряется, что приводит к более высоким потерям и пылеобразованию в процессе приллирования.

Лист технических данных процесса приллирования

Лист технических данных процесса приллирования

Мы включили самую важную информацию о процессе в удобный лист технических данных. Вы можете воспользоваться им.

ПОЛУЧИТЬ КОПИЮ

Заключение

Во введении был поднят вопрос о том, в чем состоит разница между гранулированием и приллированием, продуктами этих процессов, и какой опыт обе технологии могут перенять друг у друга. Несмотря на то, что оба продукта образуют сферические частицы, между ними много отличий. Приллы образуют меньшие по размеру, более монодисперсные частицы и не требуют использования добавок. Гранулы образуют более крупные и прочные частицы, более устойчивые к износу во время перевозки, и однородно смешиваются с другими гранулами на основе размера частиц.

С точки зрения технологии, при отсутствии мер предосторожности во время приллирования образуется больше выбросов, чем при гранулировании. Тем не менее, приллирование обеспечивает значительно более дешевый, менее сложный и надежный процесс и требует более низкого энергопотребления. В заключение, приллирование больше подходит в тех случаях, когда требуется производство более дешевого, монодисперсного и чистого продукта, в то время как гранулирование более эффективно для производства более дорогого, крупного и прочного продукта, больше подходящего для транспортировки.

Главной целью компании Kreber является устранение недостатков приллирования для получения надежного и энергоэффективного решения по обработке промышленных расплавов. Прочность и размер приллов, общий объем выбросов в процессе приллирования и монодисперсное распределение приллов — это лишь некоторые из задач, с которыми ежедневно сталкиваются наши исследователи. Если вы хотите стать частью нашего процесса, целью которого является создание идеальной технологии приллирования, мы будем рады сотрудничеству с вами.

Ссылки

  1. Harrison, David. Dream Lead to Invention. Bristol Times, 26 November 2002.
  2. Watts, Williams. Small Shot. 1347 United Kingdom, 10 December 1782.
  3. Griffin, Curtis. History of Granulation and State of the Art Granulation. Tampa FL : PegasusTSI, 2015.
  4. Rahmanian, Nejat, et al.Urea finishing process: Prilling versus Granulation, Procedia Engineering 102, pp. 174 - 181, 2015.
  5. Van 'T Land, C. M. Industrial Crystallization of Melts. Boca Raton : CRC Press, 2004.
  6. Al Alaween, W. H., Mahfouf, M. and Salman, A.D. Predictive modelling of the granulation process using a systems-engineering approach. Sheffield, UK : Powder Technology, 2016.
  7. Lide, D.R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 81st Edition. Boca Raton : CRC Press LLC, 2000.
  8. Baboo, P. Energy saving and polution control in urea plant through prilling tower and other equipments. 7, Vijaipur : International Journal of Engineering Trends and Technology, Vol. 36, 2016.
  9. Brouwer, M. www.ureaknowhow.com, 2015.