6. GRANULACE Často je třeba upravit velikost částic práškových materiálů tak, aby se a) omezil rozprach a tím byla snížena ztráta materiálu a omezeno znečištění prostředí, b) zlepšily se tokové, manipulační a transportní vlastnosti materiálu, c) nebo se zvýšila sypná a setřesná hmotnost materiálu (hmotnost jednotky objemu volně sypaného nebo volně nasypaného a poté setřeseného materiálu). Zvýšením sypné hmotnosti se sníží měrný objem (objem zaujímaný hmotnostní jednotkou materiálu), což je významné zejména při dopravě materiálu. U heterogenních směsí granulací se docílí její homogenity, tj. stejnoměrného rozložení jednotlivých složek v objemu materiálu. Granulace je založena na tom, že se mezi částicemi tuhého materiálu vytvoří více-méně pevné vazby. Vazby mezi částicemi mohou vzniknout kapalnými můstky, které se vytvoří mezi částicemi viskózním kapalným pojivem, kdy částice jsou poutány kapilárními silami, krystalovými můstky, které se vytvoří mezi částicemi při odpaření rozpouštědla z roztoku a vykrystalováním rozpuštěné tuhé fáze, sintrováním, tj. částečným natavením tuhého materiálu a vznikem pevných můstků v místech kontaktu částic, mezimolekulárními silami (van der Walsovými silami), což jsou slabé elektrostatické síly krátkého dosahu působící mezi malými částicemi, které jsou v těsném kontaktu, v „matrici“, kdy částice jsou nejprve obaleny taveninou smáčející jejich povrch, která posléze ztuhne, mechanicky spojením (zaháčkováním) částic s nepravidelným tvarem. Podle způsobu provedení rozeznáváme granulaci vlhkou probíhající v přítomnosti kapaliny, nebo kapalného pojiva a granulaci suchou, kde eventuelně přítomné pojivo je většinou v tuhém stavu. 6.1 VLHKÁ GRANULACE Při vlhké granulaci částice vznikají aglomerací růstem nebo aglomerací ve fluidní vrstvě. Při granulaci růstem se částice působením mechanických sil dostávají do kontaktu v přítomnosti kapalného pojiva (roztoku) a vznikají kapalné můstky, krystalové můstky nebo matrice. Při granulaci ve fluidní vrstvě se ze suspenze rozprášené atomizérem (nebo tryskou) odpaří rozpouštědlo za vzniku krystalových můstků mezi částicemi, nebo roztavené kapky pojiva se zachycenými částicemi ztuhnou. Mechanizmus granulace růstem materiálu nerozpustným v přítomném kapalném pojivu je znázorněn na obr. 6.1.1. Zvlhčené částice materiálu se působením mechanických sil k sobě
1
Zvlhčení a aglomerace
Konsolidace a spojování
Otěr a rozbíjení
Obr. 6.1.1 Mechanismus granulace růstem
přiblíží, vzniknou mezi nimi kapalinové můstky. Menší aglomeráty se při vzájemném styku spojují do větších celků. Současně s tímto dějem ale probíhá i desintegrace aglomerátu otěrem při dotyku mezi sebou nebo se stěnami granulačního zařízení.
Materiál
Pojivo
a
Nabalení
Shluknutí Ztuhnutí
Pokud je pojivem tavenina, která smáčí povrch materiálu, obr. 6.1.2 a, nejprve se za horka b promísí tavenina s materiálem. Tím se tavenina Materiál Pojivo Nabalení Ztuhnutí nabalí na povrch částic, které se poté dostávají Obr. 6.1.2 do kontaktu působením mechanických sil. Granulace roztaveným pojivem Vzniklé aglomeráty se ochladí a po ztuhnutí vytvoří pevné granule. Pokud tavenina nesmáčí povrch materiálu, obr. 6.1.2. b, působením mechanických sil se na roztavené kapky pojiva nabalí částice materiálu a vzniklé granule se ochladí. Částice granulovaného materiálu se při vlhké granulaci dostávají do kontaktu mícháním nebo převalováním. Vlhká granulaci mícháním se realizuje v pomaloběžných, nebo rychloběžných, mísičích, obr. 6.1.3. V pomaloběžných mísičích se materiál promíchává s roztokem pojiva. Míchadlo podobné rámovému míchadlu nevyvozuje příliš vysoké střižné síly. Vzniká granulát s poměrně širokou distribucí velikostí částic. V rychloběžných mísičích se užívá nožové míchadlo se zvednutými okraji. Jsou vyvozovány vysoké střižné síly a v jejich důsledku je distribuce velikosti částic poměrně úzká. Vlhká granulace převalováním probíhá na granulačních talířích nebo v granulačních bubnech.
Obr. 6.1.3 Mísič s rychloběžným míchadlem
Granulační talíř, obr. 6.1.4, se zvednutými okraji má průměr až 10 m a je nakloněn vzhledem ke svislé ose o 45 – 55°. Rychlost rotace talíře je taková, aby se největší částice vzhledem k talíři nepohybovaly. Na otáčející se talíř je kontinuálně uváděn materiál a současně je nastřikována granulační kapalina. Materiál se odvaluje po rotujícím talíři a postupně vytváří aglomeráty. Větší aglomeráty stoupají na povrch materiálu odvalujícím se na talíři a největší částice se shromažďují na jeho spodním okraji, přes který přepadávají. Velikost částic Obr. 6.1.4 granulátu dosahuje až 20 mm. Zařízení má Granulační talíř a trajektorie granulí velkou kapacitu dosahující až 100 t/hod.
2
Granulační buben, obr. 6.1.5, je buben s celistvými stěnami, který může, ale nemusí, být vybaven vnitřními vestavbami (zádržné prstence po vnitřní straně bubnu). Délka bubnu je dvoj- až pětinásobek jeho průměru. Buben je skloněn o cca 10° vzhledem k vodorovné ose. Buben rotuje rychlostí menší než rychlost, při které by se největší částice vzhledem k bubnu nepohybovaly. Buben je naplněn materiálem do cca 20 % svého objemu. Obr. 6.1.5 Granulační kapalina je buď přimíšena do materiálu před Granulační buben jeho vstupem do granulačního bubnu, nebo je v bubnu rozstřikována na materiál. Střední doba zdržení materiálu v granulačním bubnu je asi 5 min. Vznikající granulát má širokou distribuci velikostí částic. Malé granule mohou být oddělovány z produktu a recyklovány zpět do granulace. Granulace ve fluidní vrstvě může probíhat mechanizmem rozstřikování buď suspenze, nebo pojiva. Obr. 6.1.6 ilustruje vznik granulí nabalováním materiálu ve formě suspenze nebo roztoku na tuhé částice ve vznosu Rozstřikování Růst Odpar Výsledná (ve fluidním stavu). Na povrch rozpouštědla granule částic je přiváděna suspenze, roztok nebo tavenina materiálu, která utvoří na povrchu kapalnou vrstvu. Rozpouštědlo se odpaří (tavenina ztuhne) a na částici vznikne další vrstva tuhého materiálu. Výsledná částice má Kapky Zárodky Tvorba vrstev „Cibulová“ struktura vrstevnatou strukturu podobnou Obr. 6.1.6 cibuli. Tento proces se obvykle Mechanizmus aglomerace rozstřikováním suspenze vede v kontinuálním režimu. nebo roztoku Pokud je na částice ve fluidním loži Rozstřik Zvlhčení Ztuhnutí Výsledná granule rozstřikován roztok pojiva, utvoří se nejprve kapalné můstky mezi částicemi materiálu, obr. 6.1.7. Jakmile je dosaženo požadované velikosti aglomerátů, rozstřik je zastaven a zadržená kapalina odpařena. Tím Kapalné Krystalové vzniknou tuhé můstky a vzniklá můstky můstky struktura aglomerátu je zachována. V aglomerátu jsou dutiny a množstvím Obr. 6.1.7 nastřikované kapaliny lze ovlivňovat Vznik granulí rozstřikem pojiva vnitřní porózitu aglomerátu. Takto připravené granule mají obvykle velikost mezi 0.2 až 2.5 mm. Vlhká granulace rozstřikováním se realizuje ve fluidním granulátoru, obr. 6.1.8. Perforovaným roštěm prochází horký vzduch, který udržuje granulovaný materiál ve fluidním stavu. Na fluidní lože materiálu je jednou nebo dvěma tryskami rozstřikována suspenze granulovaného materiálu, nebo granulační kapalina (1 l kapaliny je rozptýlen do několika milionů kapek). Odcházející vzduch odnáší jemné částečky, které jsou zachycovány ve filtru a vraceny zpět do granulátoru. Velké granule klesají do spodu fluidního lože odkud jsou odebírány a následně tříděny. Vytříděné menší částice, tj. podsítný podíl, je vracen zpět do 3
granulátoru Zařízení může pracovat jak šaržovitě, tak i kontinuálně. Tímto způsobem je možné granulovat jen homogenní a volně tekoucí materiál. Výsledné granule mají vrstevnatou strukturu. 6.2 SUCHÁ GRANULACE Při suché granulaci jsou tuhé částice působením tlaku uvedeny do těsného kontaktu, případně v přítomnosti pojiva, kde se uplatní van der Waalsovy síly, nebo jsou uvedeny do těsného kontaktu, zahřány nad bod měknutí a následně zchlazeny (sintrování). Suchá granulace se provádí vytlačováním, stlačováním, protlačováním, tabletováním, peletizací, prilováním a sintrováním. Pokud granulovaný materiál podléhá plastické deformaci (tlakem Obr. 6.1.8 změněný tvar částice se po uvolnění tlaku nevrátí do původní Granulace ve podoby), není třeba přidávat žádná pojiva. Částice se stlačením fluidní vrstvě dostanou do těsného kontaktu a začnou působit slabé van der Waalsovy síly (síly typu dipól – dipól, stálý dipól – indukovaný dipól, disperzní síly) krátkého dosahu, které udrží materiál pohromadě. V případě, že tyto síly jsou příliš slabé, nebo pokud materiál podléhá elastické deformaci (tlakem změněný tvar částice se po uvolnění tlaku vrací do původní podoby), je třeba přidávat pojiva v suchém stavu nebo granulační kapalinu. Vytlačování (extrudace), obr. 6.2.1, je založeno na stejném principu jako strojek na mletí masa. K materiálu se přidá granulační kapalina, směs se dokonale promíchá a šnekem se protlačuje přes síto. Výsledné tyčinky procházející sítem jsou potom sekány na kusy o předem stanovené velikosti a podle potřeby obroušeny na konečný tvar.
Obr. 6.2.1 Vytlačování
Protlačování, obr. 6.2.2. Protlačováním materiálu dovnitř perforovaných ozubených válců, nebo protlačováním přes síto se získají stejné výtlačky jako po rozsekání tyčinek připravených extrudací (viz výše). Výtlačky je možné obrousit, pokud je požadován oblý tvar granulí.
Obr. 6.2.3 Schéma funkce tabletovacího lisu
Obr. 6.2.2 Tabletování, obr. 6.2.3, Protlačování se realizuje tabletovacím lisem. Do otvorů kruhové raznice se vnese tabletovaný materiál. Pod i nad raznicí je systém pohyblivých pístů. Při vnášení materiálu spodní písty tvoři dno otvorů. Poté horní písty slisují velkým tlakem materiál v otvorech za vzniku tablet. Horní písty uvolní otvory a spodní písty vytlačí tablety na horní plochu raznice. Jelikož je raznice kruhová, celý proces se neustále opakuje. Podle potřeby se k tabletovanému materiálu přidává pojivo, jako např. cukr, glukóza, škrob a jiná.
4
Stlačování se realizuje lisováním materiálu profilovanými, obr. 6.2.4 a, nebo hladkými, obr. 6.2.4 b, válci, které se otáčí stejnou rychlostí. Materiál je mezi válce vtlačován šnekovým podavačem umístěným v násypce, který zhutňuje materiál. Na profilovaných válcích vznikají tvary pelet podle tvaru profilování. Pokud jsou válce hladké, vzniká list materiálu, který je nutno rozsekat na částice o požadované velikosti, které jsou potom vytříděny.
a Obr. 6.2.4 b Stlačování materiálu na (a) profilovaných a (b) hladkých válcích
Prilování. Tavenina, koncentrovaný roztok, nebo hustá suspenze je rozstřikována tryskou nebo atomizérem do vysoké věže proti proudu studeného, nebo horkého vzduchu, obr. 6.2.5. Pokud granulujeme taveninu, je do věže vháněn studený vzduch. Kapky taveniny během pádu ztuhnou a utvoří zaoblené granule. Při granulaci koncentrovaného roztoku nebo husté suspenze se do věže uvádí horký vzduch. Z kapek se odpaří voda a ty ztuhnou. Tím vzniknou granule, které jsou shrabovány ze dna věže na dopravník. Sintrování se užívá ke zpevnění málo pevných granulí. Málo pevné granule se zahřejí na teplotu měknutí, přibližně na 60 % teploty tání. Vlivem difuzních procesů Obr. 6.2.5 v tuhé fázi se částice Prilovací věž částečně spojí a volný prostor uvnitř granule se sníží při jejich částečném „slepení“. Obr. 6.2.6. Uvnitř takto upravené granule se stále vyskytují prázdné Obr. 6.2.6 prostory, ale zesintrovaná granule má vyšší Sintrování pevnost a měrnou hmotnost než byl původní stav. Při dalším zahřátí na teplotu tání materiálu dojde ke spojení částic a k téměř úplnému vymizení volného prostoru v granuli, tedy k dalšímu zhutnění materiálu.
5
