4.5. Влияние пав и подогрева на распылительную сушку

К сложностям метода распылительной сушки при получении пресс-порошков относятся: трудоемкость подбора факела распыла суспензии; налипание порошка на внутренние поверхности сушильных камер; недостаточная пластичность; малая насыпная масса пресс-порошков вследствие термического удара при сушке. Применение ПАВ и предварительного подогрева распыляемых суспензий позволяет эффективно уменьшить влияние этих недостатков.

При получении пластифицированных пресс-порошков на гранулах образуются коркообразные оболочки, которые ухудшают пластичность материала и механическую прочность отпрессованных изделий. Это следствие термического удара при превращении капли суспензии в твердую гранулу (под действием температуры сушки). Поливиниловый спирт (ПВС), выполняющий роль связки, при температуре 80–100°С частично стеклуется и приводит к указанным явлениям. Для снижения степени отрицательного действия термического удара нужно снизить температуру стеклования ПВС подбором соответствующего пластификатора. Лучшим пластификатором ПВС является вода. Но ПВС под действием температуры дегидратируется, поэтому воду надо заменить другой дисперсионной средой, которая бы подобно воде связывалась свободными гидрофильными радикалами с макромолекулами спирта, значительно ослабляя при этом взаимодействие гидроксильных групп при сушке. В качестве такой среды был выбран глицерин С₃Н₅(ОН)₃. При таком взаимодействии повышается температура дегиратации ПВС (снижается температура стеклования) и пластифицируются его прослойки между частицами порошка. Эти прослойки (микропоры) позволяют выходить влаге из глубинных слоев гранулы, одновременно увлажняя пересыхающую поверхность гранул высушиваемого материала и предотвращая отрицательное действие термического удара.

Смазывающие вещества уменьшают трение прессуемого материала с элементами пресс-форм (наружная смазка) и между частицами материала после разрушения гранул под давлением (внутренняя смазка), т. е. во время пластической деформации. Действуя вместе со связующими и пластифицирующими веществами, они уменьшают усилия прессования и распрессовки, улучшают текучесть порошка под давлением, повышают плотность, механическую прочность и стабилизируют процесс прессования. Смазки в большинстве случаев содержат длинные неполярные молекулы, которые способствуют лучшему скольжению частиц относительно друг друга. Мигрируя на поверхность, такое вещество образует промежуточный слой между частицами материала или между ними и стенкой формы. Распылительная сушка создает благоприятные условия для равномерного распределения внутренних и внешних смазок.

В качестве смазок широко применяются воскообразные вещества и парафины, различные масла, кислоты и их соли, продукты нефтехимического синтеза. Часто смазки вводят совместно с ПАВ, которые способствуют равномерному распределению первых по поверхностям частиц, например, соли стеариновой кислоты, не смачиваемые водой, с веществом ОП-10. В производстве электроизоляционных материалов применяют ПАВ, растворенные в керосине. В качестве ПАВ применяют олеин, оксидол-мылонафт и др. Олеин – это смесь кислот, получаемых при расщеплении жиров, а оксидол-мылонафт состоит из ряда органических кислот, извлекаемых из отходов щелочной очистки соляровых дистиллятов нефти. В фарфоровую массу олеин вводят в количестве 0,4–0,6%, оксидол-мылонафт 0,7–0,9%. Одно из ПАВ предварительно растворяют в 2–3% керосина (от массы фарфора), а затем вводят в порошок. Такая комбинация является хорошей смазкой.

Изучение влияния ПВС на процесс прессования привело к выводу, что этот водорастворимый полимер способствует образованию в прессованных изделиях напряжений, ведущих к возникновению трещин. Смазочными свойствами ПВС не обладает и его нужно применять в сочетании с ПАВ. Хороший эффект дают пластификаторы ПВС, например, глицерин. Эффективность действия различных смазывающих веществ была проверена на алюмооксидном материале ВК-94 (рис. 29).

4

Рис. 29. Влияние смазок на плотность прессованных изделий при удельном давлении 120 МПа: гистограмма 1 – без смазки; 2 – стеарат цинка; 3 – олеиновая кислота; 4 – комплексная смазка

Во всех случаях при прессовании поддерживалось постоянное удельное давление Р = 120 МПа (1,2 т/см²). Видно, что с помощью смазок можно увеличить плотность прессовок на 5–10%.

Действенным методом совершенствования и интенсификации технологии распылительной сушки является предварительный подогрев суспензий, содержащих органические добавки. При повышении температуры разность парциальных давлений у поверхности распыленных капель суспензии и окружающего нагретого воздуха возрастает. При 15°С она составляет 1,7 КПа, а при 90°С – 70 КПа. Скорость испарения находится в прямой зависимости от указанной разности р:

dW/d = аmFmр,

(30)

где W – количество испаряемой влаги;  – время; а_m – коэффициент массообмена; F_m – поверхность капли.

Кроме того, поверхностное натяжение воды в суспензии снижается с 0,07 до 0,06 Дж/м². Органические вещества и растворы при нагревании также подвержены изменениям. Раствор ПВС при повышении температуры с 25 до 80°С снижает вязкость в три раза, а его текучесть увеличивается в 1,5–2 раза. Это изменяет структурообразование суспензий и интенсифицирует процесс сушки и образования гранул.

Суспензии Мn–Zn-ферритовых порошков с W = 32% при нагреве до 60°С снижают вязкость почти на 50%. В результате, при распылительной сушке становится возможным снизить температуру на выходе СГУ с 160–170 до 110–130°С. Это создает более мягкие режимы образования гранул, снижает степень действия термического удара, повышает пластичность и насыпную массу пресс-порошков. Влияние подогрева на реологию разных суспензий показано на рис. 30.

В технологии распылительной сушки суспензий при использовании механических форсунок подчас очень трудно подобрать факел распыла, определяющий расход (производительность) суспензии, гранулометрический состав пресс-порошка и вписываемость распыленных потоков суспензии в сушильную камеру.

Т, оС

Рис. 30. Зависимость реологии суспензии РЭМ от температуры подогрева: 1 – вязкость Мn–Zn-суспензий без ПАВ; 2 – текучесть алюмооксидной суспензии с сульфатным щелоком; 3 – текучесть алюмооксидной суспензии с лимонной кислотой

Правильно подобранный факел должен иметь форму пустотелого конуса, т. е. в сечении представлять кольцо. Однако в ряде случаев, несмотря на варьирование размерами элементов форсунки, давлением распыления и расхода суспензии, не представляется возможным раскрыть факел и получить заданные параметры (размеры, угол, дисперсность). Иногда отпечатки факела имеют форму сплошного круга с ореолом подвихренных капель, эллипса, подковы, интеграла, треугольника, много конечной звезды и т. п. Причины этих явлений практически не изучены. Видимо, они обусловливаются технологическими и физико-химическими факторами, высокой вязкостью суспензий, их гидравлическим сопротивлением, характеристиками порошков, полярностью вводимых органических добавок, конструктивными особенностями форсунок и т. п. Положительное влияние подогрева суспензий Мn–Zn-ферритов показано на рис. 31 при W = 30%, диаметре сопла 0,9 мм, давлении 0,8 МПа, расходе суспензии 35–40 л/ч. До температуры 30–35°С факел вообще не раскрывался; в диапазоне 40–50°С  = 1,05 рад, а отпечаток представлял собой сплошной круг. При дальнейшем повышении температуры за счет изменения реологических свойств суспензии при 80°С угол сужался до 0,44 рад и отпечаток факела имел форму правильного кольца. Подобную зависимость для каждого материала можно использовать в процессе регулирования факелообразования при распылительной сушке.

При регулировании процесса факелообразования эффективны ПАВ. Сульфитный щелок облегчает раскрытие факела с заданным углом, уменьшает ореол подвихренных капель. Если же в процессе работы параметры факела будут изменяться, то дополнительное введение лимонной кислоты стабилизирует их. Увеличению угла и стабильности факела способствуют карбамид, галловая кислота, низкомолекулярные спирты. При подогреве суспензии эффективность ПАВ в факелообразовании возрастает.

Т, оС

Рис. 31. Зависимость угла раскрытия факела распыла от температуры подогрева суспензии

Предварительный подогрев суспензий улучшает материально-тепловой баланс СГУ. Расчеты показывают, что для установок производительностью до 400 кг/ч благодаря подогреву суспензии до 80–90°С можно сэкономить до 40 000 кДж/ч. Это позволяет сократить расход природного газа или электроэнергии. Для подогрева можно использовать отходящие горячие газы. Нецелесообразен общий нагрев суспензии, так как он затрудняет работу насосов, манометров, запорной арматуры. Кроме того, создается повышенная температура в зоне обслуживания СГУ. Рационален локальный нагрев небольших объемов движущихся в трубопроводах суспензий непосредственно перед форсункой. Движение суспензии в этом случае предотвращает образование тиксотропных структур. Подогреватель может быть выполнен в виде змеевика, помещенного в котел с горячей водой.

88