SPOJOVÁNÍ – AGLOMERACE Aglomerace je opakem rozpojování. Jejím účelem je spojovat malé částice do větších elementů – granulí nebo tablet. Tímto způsobem se eliminují některé vlastnosti příliš jemnozrných látek (prášení, obtížné dávkování a transport, nalepování na stěny atd.), zhoršující podmínky jejich následného zpracování. Aglomerace se v poslední době uplatňuje v řadě průmyslových odvětví – v chemickém, potravinářském, farmaceutickém, krmivářském, hutním průmyslu atd., např. při výrobě umělých hnojiv, granulovaných potravinářských produktů (instantní kakao, polévky), krmiv pro skot a domácí zvířata, výrobě uhelných briket, peletizovaných rud a tablet léků v farmaceutickém průmyslu.
Základní charakteristiky granulí Velikost částic Velikost částic – granulí závisí především na konečném použití produktu. Podle velikosti lze granule rozdělit: • granuláty rud, uhelné brikety, řepné řízky 10 ÷ 150 mm • umělá hnojiva, krmiva 5 ÷ 20 mm • farmaceutické výrobky, instantní potraviny 1 ÷ 6 mm • speciální chemikálie pod 1 mm
Pevnost aglomerátorů – granulí Požadavky na pevnost granulí závisejí na jejich dalším užití. Např. granulované pigmenty do nátěrových hmot a plnidla do plastických hmot musí být dobře rozpojitelné, neboť musí garantovat vytvoření dokonalé homogenní směsi. V některých případech je rozhodující doba rozpouštění, např. u instantních potravin, pracích prášků, léčiv a krmiv se většinou vyžaduje, aby doba rozpouštění byla krátká nebo naopak, u některých produktů, jako jsou umělá hnojiva, je vyžadována dlouhá doba rozpouštění. U snadno rozpojitelných granulí musí však být splněna podmínka, aby v průběhu pomocných operací (např. transport, balení, skladování, chlazení, sušení) nedocházelo k jejich rozbíjení a k tvorbě jemných frakcí. Pevnost granulí lze za určitých podmínek předpokladů charakterizovat jako fiktivní hodnotu pevnosti v tahu, kterou by měla granule za působení určitého vazebního mechanismu v místech kontaktu částic.
Objemová hmotnost, porózita a pohybové vlastnosti aglomerovaných částic Výhodou aglomerovaných částic je, že jejich prakticky monodisperzní složení je příznivější z hlediska dopravy, dávkování a skladování oproti materiálům polydisperzním. Granulát se obvykle chová jako materiál dokonale sypký, obvykle nevykazuje nevhodné soudržné vlastnosti a pokud se u hygroskopických látek vyskytuje tendence ke slepování, lze jí zabránit nanesením tenké vrstvy vhodného materiálu (vápenec, křemelina aj.) na povrch granulí.
–1–
Aglomerační technologie
Obr. 12.3. Mechanismus tvorby granulí.
Z předchozích úvah vyplynulo, že základní podmínkou vytvoření granule určité pevnosti je vznik vazebních sil, která částice spolu poutá. Aglomerace může nastat pouze za určitých podmínek, kdy jsou částice začleňovány do vznikajících aglomerátů a působící síly udrží aglomerát pohromadě.K tomu dochází za situace, kdy částice vhodných vlastností se vzájemným přeskupováním nebo působením vnější síly dostanou do těsného kontaktu, kdy vazební síly mohou udržet aglomerát pohromadě – obr. 12.3a. Při tvorbě granulí nízké a střední pevnosti se využívá ke spojování vlhkých částic nabalování s vytvořením kapalinových můstků (obr. 12.3b). Velikost jejich zakřivení udává hodnotu vnitřního kapilárního podtlaku. Pevnost těchto můstků je závislá na množství kapaliny, která se nachází mezi částicemi. Postupným nabalováním dalších částic se zvyšuje pevnost vznikajícího spojení. Vznikající vazební mechanismus je složen ze dvou vazebních sil: síly vyvozené kapilárním podtlakem v kapalinovém můstku, které jsou větší, a síly vyvolané povrchovým napětím v povrchové bláně můstku. K vzájemnému přemísťování částic do nejvhodnější polohy se používají různé typy bubnů a talířů. Působení vnějšího zatížení využívají peletovací, briketovací a tabletovací lisy. Při spojování částic slisováním se získávají granule vysoké pevnosti. Vazební mechanismy za přítomnosti vazební tekutiny by obvykle, zejména při vysušení, nemohly zaručit požadovanou pevnost granulí. Proto je přidávána tekutina připravená jako pojivo, a nebo se předpokládá vznik a tvorba pevných můstků při sušení a následné rekrystalizaci. To je nejběžnější postup, který se v průmyslové praxi aplikuje. Pevnost takto vzniklých granulí je závislá na řadě dalších parametrů, např. na koncentraci použitého roztoku a teplotě sušení. Pro úplnost je třeba uvést, že existují ještě další vazby mezi částicemi, i když neexistuje mezi nimi můstek. Vazba může také vznikat působením Van der Waalsových sil, které se však uplatňují až při velmi malých vzdálenostech (10 −8 m ). Elektrostatický náboj částic, který vznikl při jejich styku může také vyvolat vznik elektrostatické přitažlivé síly. Působení těchto vazebních sil je značně závislé na vzdálenosti částic, jejich velikosti a velikosti stykové plochy tj. u zrnitých materiálů v přirozeném stavu se obvykle nemůže uplatnit. Stlačením a deformací povrchů zrn lze dosáhnout takového stavu, kdy působení těchto vazeb se uplatní natolik, že dojde k vytvoření velmi pevných aglomerátů jako jsou brikety, tablety nebo palety. Pevnost těchto aglomerátů v tlaku dosahuje hodnot až 10 4 Pa a v tahu 10 2 Pa .
–2–
Princip a provedení aglomeračních zařízení Granule vysoké pevnosti Pro granule o vysoké pevnosti (tablety, brikety) se používá lisování. Výchozí materiál je suchý nebo jen málo vlhký a je zformován značně vysokým tlakem do požadovaného tvaru. Pro výrobu briket se nejčastěji používají válcové lisy, jejichž princip je patrný z obr. 12.4. Tvoří je dva válce opatřené výměnnými formami, které určují tvar briket. Obvodová rychlost válců se pohybuje v rozsahu 0,2 ÷ 1 m⋅ s −1 , měrná spotřeba energie závisí na druhu materiálu a bývá v rozmezí 5 ÷ 8 kWh⋅ m −3 , lze v nich dosahovat vysokých tlaků (až 2 ⋅ 10 4 Pa ). Pro výrobu tablet se používají většinou raznicové lisy oboustranné (obr. 12.5) s uzavřenou formou. Jednotlivé razníky jsou rozmístěny na kruhové dráze a jejich pohyb je řízen automatikou, např. vačkou. Pokud není požadován určitý přesný tvar produktu (výroba slisků), používají se nejčastěji lisy s hladkými válci, obr. 12.6a, popř. s válci, které jsou opatřeny tvarovanými výstupky, obr. 12.6b.
Obr. 12.4. Válcový briketovací lis.
Obr. 12.5. Raznicový lis.
Obr. 12.6. Válcový lis. a – s hladkými válci, b – s rotačním podavačem
–3–
Na obr. 12.7 je schéma granulační linky se sítovým třídičem a recyklem prachového podílu. Měrná spotřeba energie se udává v rozsahu 0,05 ÷ 0,1 kWh⋅ kg −1 .
Obr. 12.7. Granulační linka s třídičem a recyklem prachových částic.
–4–
Granuláty nízké a střední pevnosti Granuláty o nízké a střední pevnosti v tlaku ( σ t <100 Pa ), jako jsou granulovaná umělá hnojiva a instantní potravinářské výrobky, krmiva pro domácí zvířata apod. tvoří rozsáhlou a významnou skupinu aglomerátů. V těchto případech není vyžadována vysoká pevnost ani stejná velikost částic, ale naopak, granulát musí být snadno rozpojitelný a rozpustný. Často je granulát složen z více komponent. Tvorba granulí je vyvolána hlavně působením kapilárních sil z vlhkosti obsažené v materiálu.
Granulační věže Do štíhlé válcové nádoby je nastřikována tryskou nebo rotujícím kotoučem tavenina nebo roztok zpracovávaného materiálu. Při vhodném režimu pak kapky při klesání ve věží vytvářejí granule, aplikace je např. výroba močoviny, schéma je na obr. 12.8a.
Granulační bubny Rotační bubnový granulátor, obr. 12.8b, je tvořen válcovou ležatou nádobou se sklonem k vodorovné rovině 2 ÷ 5° . Poměr délky bubnu k jeho průměru je obvykle L / DB = 3 . Uvnitř bubnu je zvlhčovací zařízení. Průměr bubnu DB = 1 ÷ 4 m , stupeň plnění 2 ÷ 3 % , otáčky 2 ÷ 20 min −1 . Nevýhodou je nerovnoměrné složení granulátu, z tohoto důvodu bývá často nutné zařadit do výrobní linky třídič.
Talířové granulátory
Tento typ granulátoru je vybaven rotujícím talířem, jehož osa rotace má sklon 45 ÷ 75° k vodorovné rovině (obr. 12.8c). Průměry talíře DT se pohybují v rozsahu 1 ÷ 5 m , hloubka válcové části 0,02 ÷ 0,8 m . Má vyšší třídící schopnost a tím i nižší frakční složení, tj. univerzální použití. Při aplikaci v metalurgii má výkonnost až 120 t⋅ h −1 .
Obr. 12.8. Typy granulátorů. a – granulační věž, b – granulační buben, c – talířový granulátor
–5–
Fluidní granulátory Ke granulaci dochází ve fluidní vrstvě, může být i vícestupňový proces – granulace, sušení, smísení, chlazení. Na obr. 12.9 je schéma fluidního granulátoru firmy Anhydro (Dánsko)
Obr. 12.9. Fluidní granulátor Anhydro. 1 – násyp prášku, 2 – cyklon, 3 – odvod použitého vzduchu, 4 – granulátor, 5 – odvod granulátu, 6 – sekce chlazení, 7 – sítové dno, 8 – sekce sušení, 9 – sekce zvlhčování, 10 – přívod vlhčícího prostředku
–6–
