способ сушки раствора хлористого кальция с получением гранулированного продукта и установка для его получения

Формула изобретения

1. Способ сушки и гранулирования раствора хлористого кальция, включающий термическую обработку распыляемого раствора высокотемпературным сушильным агентом в зоне распыла, смешения подсохших капель с сухим порошкообразным нетоварным продуктом после зоны классификации и дробления крупных фракций с получением сухих гранул, отличающийся тем, что сушку в зоне распыла ведут до достижения влажности раствором хлористого кальция, равной 30 42% процесс смешения подсохших капель с порошкообразными и мелкогранулированными частицами нетоварной фракции и их досушку ведут в псевдоожиженном слое до влажности 5 20% а после стадий классификации и дробления дополнительно производят обдув товарной фракции гранул в зоне увлажнения воздухом, относительная влажность которого превышает равновесную относительную влажность получаемых гранул, причем необходимая скорость процесса увлажнения продукта обеспечивается изменением влагосодержания воздуха путем испарения в нем дополнительной влаги от внешнего источника.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве увлажняющей среды используется водяной пар или капельная аэрозоль воды в количестве, отвечающем балансовой величине необходимого увлажнения гранул.

3. Установка для получения гранулированного хлористого кальция, содержащая распылительную сушилку со штуцером отвода гранулированного сухого продукта, соединенного с классификатором грансостава и дробилкой крупной фракции продукта, подключенной через устройства возврата нетоварной мелочи в сушилку к штуцеру ввода возвращаемой нетоварной фракции, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит аппарат-кондиционер, снабженный продуктовой и воздушной линиями, и соединенный с ним увлажнитель воздуха, зона гранулирования и досушки расположена в нижней части сушилки, снабжена газораспределительной решеткой, поддерживающей псевдоожиженный слой, а увлажнение продукта производят в аппарате-кондиционере, соединенном по продуктовой линии последовательно со штуцером выхода товарной фракции из классификатора, а по воздушной линии с увлажнителем воздуха, причем подача воды в увлажнитель регулируется.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что увлажняющая среда подается в аппарат-кондиционер непосредственно с помощью тонкодисперсного распылителя при работе на воде или сопл при работе на паре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу сушки растворов с получением гранулированного продукта, обладающего повышенной гигроскопичностью, и может использоваться в различных областях химических технологий и смежных отраслей техники, где предъявляются повышенные требования к величине конечной влажности продукта.

Известен способ гранулирования CaCl₂H₂O пропусканием расплава через сопло под давлением, превышающим в 1,4-1,9 раз давление насыщенного пара над расплавом.

К недостаткам этого метода можно отнести относительно малые размеры гранул < 500 мкм и значительную полидисперсность, что сохраняет высокую гигроскопичность продукта и не решает проблемы, связанные со слеживаемостью, трудностью упаковки и хранения, а также с невозможностью получения модификаций продукта с иным содержанием влаги.

Известен способ и установка получения порошкообразного безводного CaCl₂ методом распылительной сушки 40-43%-ного раствора с предварительным концентрированием его отходящими из сушилки газами в барботажном пенном аппарате до вышеупомянутой концентрации [1]

В данном способе утилизируется тепло отходящих из сушилки газов, однако этот способе не позволяет получить гранулированный продукт, что приводит к ряду существенных, выше отмеченных, недостатков при хранении, дозировании и упаковке продукта. Кроме того, этот способ не позволяет получать иные "водные" формы CaCl₂, кроме безводного CaCl₂.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения гранулированного хлористого кальция безводного путем подачи в барабан порошкообразной фракции продукта (мелкая фракция + порошок после дробления), частично обезвоженного продукта и раствора CaCl₂ [1] Путем термического обезвоживания и смешения в сушильном аппарате барабанного типа получают гранулированный безводный хлористый кальций. К недостаткам данного метода следует отнести прежде всего трудность управления процессом при наличии трех потоков продукта с различной влажностью: безводный порошок, частично обезвоженный кусковой продукт и раствор. Это приводит к образованию как мелкого, так и крупнокускового продукта, что, в свою очередь, уменьшает выход товарной фракции и увеличивает нагрузку на дробильное и просеивающее оборудование.

Кроме того подобным способом практически невозможно получить различные водные формы конечного продукта: CaCl₂H₂O; CaCl₂2H₂O; CaCl₂4H₂O, т.к. температурные интервалы получения, например, CaCl₂H₂O или CaCl₂2H₂O весьма узки, а увеличение содержания молекул воды в продукте приводит к возрастанию крупно-кусковой фракции продукта и увеличению отложений в сушильном аппарате.

Недостатками устройства для осуществления гранулирования CaCl₂ являются значительные капзатраты, трудности управления процессом из-за большого числа входных потоков и низкая надежность процесса из-за значительных отложений в барабане.

Таким образом, указанный способ и установка, принятые нами за прототип, не могут использоваться для получения водосодержащих модификаций CaCl₂, имеющих вместе с тем широкое применение в различных отраслях промышленности.

Предлагаемое изобретение свободно от указанных недостатков и позволяет получать гранулированный хлористый кальций с различным количеством молекул связанной с ним влаги в зависимости от требуемого ассортимента. При этом гранулированный продукт получают однородным по грансоставу и содержанию влаги в гранулах.

Положительные эффекты достигаются тем, что получение гранул CaCl₂ из раствора обеспечивается путем термического удаления влаги и смешения с ретурным (возвратным) потоком нетоварной мелочи, образующейся после просеивания и дробления некондиционной части готового продукта, отличаясь тем, что безводные гранулы хлористого кальция получают путем смешения частично обезвоженных в зоне распыления капель раствора с влажностью 40-42% с порошкообразными частицами и мелкими гранулами, а также их досушкой в зоне псевдоожиженного слоя с последующей обработкой твердой фракции гранул влажным воздухом при его относительной влажности, превышающей равновесную относительную влажность для получения продукта при температуре обработки.

Вариантом осуществления этого способа является обработка безводных гранул водяным паром или водой, распыленной до аэрозольного состояния.

Установка для осуществления данного способа содержит сушильный аппарат с узлами распыления раствора, подвода и отвода сушильного агента, штуцером для возврата в зону "ПС" нетоварной мелочи, штуцером вывода обезвоженных гранул, соединенного с классификатором грансостава, дробилку для измельчения крупных гранул и отличается тем, что сушильный аппарат в своей нижней части содержит газораспределительную решетку для организации псевдоожиженного слоя, а штуцер вывода товарной фракции гранул из классификатора последовательно соединен с аппаратом-кондиционером, где происходит сорбция гранулами CaCl₂ влаги из потока продуваемого воздухом. Аппарат-кондиционер, в свою очередь, по воздушному тракту подсоединен к увлажнителю воздуха с внешним источником влаги, количество которой регулируется в соответствии с требуемой скоростью увлажнения гранул.

На фиг.1 представлена установка для получения гранулированного n-водного хлористого кальция, на фиг.2 зависимость относительной массы товарных гранул CaCl₂ от влажности частиц на выходе из зоны распыления перед зоной ПС, на фиг.3 кривые сорбции влаги гранулами CaCl₂.

Установка состоит из тяго-дутьевых вентиляторов 1, 5, 13, 15, 18, теплогенератора 2, распылительной сушилки-гранулятора 3, циклонов 4, 12, скруббера-испарителя 6 с емкостью 7, насосов 8 и 9, классификатора 10, дробилки 11, кондиционера влажности продукта 14, увлажнителя газов 16 с регулятором расхода воды 17.

Теплогенератор 2 предназначен для получения сушильного агента и имеет штуцера подвода воздуха и топлива и отвода сушильного агента в сушилку-гранулятор 3 и увлажнитель газов 16.

Сушилка-гранулятор 3 предназначена для сушки и грануляции CaCl₂ из раствора и имеет штуцера подвода сушильного агента в верхней части корпуса и нижней части (под газораспределительной решеткой), штуцер отвода отработанного теплоносителя в циклон очистки 4, штуцер отвода гранулированного продукта в классификатор 10, штуцер ввода раствора в верхней части корпуса, а также штуцер ввода ретура (нетоварной мелочи) в ПС.

Скруббер-испаритель 6 предназначен для упаривания исходного раствора CaCl₂ за счет тепла отработанного сушильного агента, поступающего из сушилки-гранулятора 2 и циклона 4 сухой пылеочистки.

Скруббер-испаритель имеет штуцеры подвода сушильного агента и исходного раствора и штуцера отвода отработанного агента и концентрированного раствора. Емкость 7 служит для сбора концентрированного раствора, поступающего из испарителя 6, и раздачи концентрата на сушку насосом 8 и на рециркуляцию в распылители испарителя насосом 9.

Классификатор 10 предназначен для рассева гранулированного CaCl₂ с влажностью 5-20% на крупную фракцию, подлежащую измельчению в дробилке 11, товарную фракцию, направляемую в кондиционер влажности продукта 14 и пылевидную фракцию. Пылевидная фракция и мелочь после дробления возвращаются пневмотранспортом в сушилку-гранулятор. Пневмотранспорт служит для транспортирования, сбора и возврата в ПС сушилки-гранулятора некондиционных фракций и состоит из циклона 12 и вентилятора 13.

Транспортирующим агентом может служить отработанный сушильный агент после кондиционера влажности.

Циклон 12 имеет входной патрубок транспортирующего агента с пылевидным продуктом, выходной патрубок очищенного агента, направляемого в газоход перед циклонами пылеочистки сушилки-гранулятора, и выходной патрубок для вывода мелочи в сушилку-гранулятор.

Кондиционер влажности продукта 14 предназначен для доведения влажности продукта до требуемой за счет поглощения им влаги из теплоносителя или непосредственно распыленной воды над слоем.

Кондиционер имеет входные патрубки на продуктовой линии, увлаженного теплоносителя под решетку и охлаждающего воздуха на воздушной линии, патрубки вывода отработанного теплоносителя, и охлаждающего воздуха и готового продукта.

Увлажнитель воздуха (газов) 16 расположен на газоходе между теплогенератором 2 и кондиционером 14 и предназначен для увлажнения сушильного агента за счет испарения диспергированной воды. Имеет штуцер регулируемого подвода воды и патрубки входа и выхода сушильного агента.

Вентиляторы 15 и 18 предназначены для подачи воздуха, соответственно, в холодильную и увлажняющую секции кондиционера 14.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Раствор хлористого кальция с влажностью 60% питательным насосом 8 подается в распылитель сушилки-гранулятора 3, расположенный в верхней зоне аппарата. В зону распыления (ЗР) подается высокотемпературный сушильный агент (550-650^oC). В результате взаимодействия последнего и распыленного раствора происходит интенсивное испарение влаги до ее массового содержания W 35-42% Частицы с этой влажностью попадают в зону псевдоожиженного слоя (ПС), где за счет остаточной влаги частиц происходит их агломерация с порошкообразными и мелкогранулированными частицами. Одновременно с агломерацией частицы за счет соударений окатываются в сферические гранулы. Окончательная досушка продукта происходит в зоне ПС при контакте с частью сушильного агента при пониженной температуре ( 250-350^oC). Таким образом в зоне ПС происходит два совместных процесса: гранулирование и досушка частиц. Достижение требуемых размеров гранул и влажности продукта достаточно легко регулируется путем управления временем пребывания частиц в зоне "ПС" и температурным режимом в этой зоне.

Авторами изобретения установлены границы влажности продукта, как в конце ЗР, так и на выходе из сушильного аппарата, при которых обеспечивается надежное укрупнение продукта при одновременном исключении отложений увлажненного продукта на стенках и на газораспределительной решетке сушильного аппарата. Эти данные приведены на фиг.2 и фиг.3. Диапазон конечной влажности продукта, выгружаемого из сушильного аппарата, при котором обеспечиваются оптимальные условия процесса, составляет 5-20% При влажности менее 5% наблюдается повышенный расход тепловой энергии. Поскольку влажность 5% отвечает продукту высшего качества, то достижение влажности W < 5% практически нецелесообразно.

Так как состояние хлористого кальция двухводного отвечает весьма узкому диапазону конечной температуры сушильного агента, D t 2 - 5^oC, а порошкообразная форма довольно быстро за счет гигроскопичности переходит в несыпучую форму, получить двухводную форму CaCl₂ в сушильном аппарате весьма сложно, т. к. приходится считаться с тем, что в сушилке-грануляторе, наряду с гранулами, будет всегда присутствовать некоторое количество порошка (ретур, частицы мелкого распыла и т.д.).

Кроме того неизбежны технологические остановки оборудования. В этих условиях двухводные порошкообразные частицы весьма быстро поглощают влагу и приобретают форму CaCl₂6H₂O, растекаясь в виде пленки по поверхности аппарата и создавая условия для зарастания сушильного аппарата отложениями.

Гранулы безводного или одноводного (в зависимости от установленного режима) хлористого кальция выгружаются в классификатор 10, из которого крупная фракция поступает в дробилку 11, после чего осыпается в пневмотранспорт и вместе с мелкой фракцией, просеянной в сепараторе 10 и уловленной в циклоне 4, оседают в циклоне 12 и в виде мелкофракционного ретура возвращается в зону ПС аппарата 3. Воздух пневмотранспорта с остатками пыли вентилятором 13 подается в газовый тракт перед циклоном 4. Отработанный сушильный агент вытяжным вентилятором 5 нагнетается в скруббер-концентратор 6, в котором утилизируется остаточный тепловой потенциал, используясь для концентрирования исходного раствора CaCl₂.

Необходимая степень концентрирования, как правило, с влажностью 70% до влажности 60% достигается в скруббере-испарителе 6 в режиме циркуляции жидкости с помощью насоса 9 или иным известным способом.

Товарная фракция гранул CaCl₂ или CaCl₂H₂O поступает в аппарат-кондиционер влажности продукта 14. В этом аппарате гранулы продукта взаимодействуют с влажным воздухом, поглощая влагу до требуемого содержания. Кинетика сорбции влаги, исследованная при различных значениях влажности воздуха, приведенных к 50^oC, показана на фиг.3.

Для достижения требуемого влагосодержания воздух, смешанный с частью дымовых газов (сушильного агента), вентилятором 18 подается в увлажнитель газов 16, где вода, подача которой регулируется клапаном 17, испаряется. Увлаженный газ поступает в кондиционер влажности 14, в котором и происходит сорбция влаги продуктом из воздуха и получение продукта требуемой влажности. Поглощение влаги сопровождается выделением тепла. Поэтому кондиционер влажности может быть оснащен секцией охлаждения.

Готовый продукт поступает на упаковку, а отработанный газ из кондиционера влажности поступает в систему пневмотранспорта установки. Как видно, предлагаемая установка помимо новых элементов содержит и общеизвестные решения, направленные на комплексное решение технологического процесса, сокращение энергозатрат и экологическую защиту окружающей среды.

На фиг.2 показана зависимость относительной массы товарной фракции гранулированного продукта от влажности распыленных частиц в конце зоны распыления перед попаданием в зону ПС.

Практическое значение для массового выхода товарной фракции гранулированного хлористого кальция( h 50%) имеет диапазон влажности W 30-42% При W < 30% эффективность гранулирования весьма незначительна из-за слабых когезионных сил, а при W > 42% напротив, агрегирующий эффект столь значителен, что укрупнение носит лавинообразный неконтролируемый характер, приводя к получению некондиционного крупнокускового продукта и залипанию "ПС".

Насыщение влагой продукта товарного грансостава до требуемой влажности осуществляется на отдельной самостоятельной стадии технологии, используя гигроскопичные свойства хлористого кальция.

Авторами разработан способ индустриального осуществления сорбционного процесса, при котором создаются условия контролируемого и управляемого получения гранулированного продукта требуемого влагосодержания.

На фиг.3 из приведенных зависимостей видно, что если относительная влажность воздуха при 50^oC v < 11% что при этих условиях возможно получение только безводного или сочетания безводного и одноводного хлористого кальция (кривая 1).

Режимы, соответствующие кривым 2, 3, 4, позволяют получить CaCl₂2H₂O, однако интенсивность процесса сорбции существенно отличается в зависимости от значения v.

Из графика видно, что получение двухводного хлористого кальция при v40% достигается за 27 мин. при v29% за 65 мин. а при v18% это время исчисляется часами.

Как показали исследования, если выполняются два условия: влажность воздуха при заданной температуре превышает равновесную влажность воздуха для продукта при этой же температуре и баланс передаваемой влаги из воздуха и поглощаемой продуктом соблюдается, происходит полный переход от одной формы водосодержания CaCl₂ в другую.

При v > 22% возможно получение CaCl₂4H₂O, а при v > 27% CaCl₂6H₂O при надлежащем времени процесса.

Однако практическое значение имеет получение гранул CaCl₂ (безводный) CaCl₂H₂O, CaCl₂2H₂O. Последующие формы влагосодержания CaCl₂2H₂O и CaCl₂6H₂O характеризуются повышенной пластичностью, плохо сыпучи даже в гранулированном виде и быстро покрываются жидкой пленкой, комкуются и налипают на стенки аппарата. Поэтому описываемый способ получения в аспекте промышленного использования имеет отношение, в основном, к трем первым формам хлористого кальция: CaCl₂, CaCl₂H₂O; CaCl₂2H₂O.

Способ подготовки влажного воздуха заключается в испарении мелких капель воды в потоке воздуха, причем расход распыляемой воды дозируется в зависимости от требуемой влажности воздушного потока, которым затем продуваются гранулы безводного (одноводного) хлористого кальция. Тем самым обеспечивается и движущая сила процесса сорбции, и требуемая скорость увлажнения.

В качестве вариантов осуществления способа увлажнения безводного CaCl₂ может использоваться подача распыленной влаги непосредственно в слой интенсивно перемешиваемых гранул с помощью тонкодисперсного распылителя или подача водяного пара в этот слой через сопла. В этом случае особенно важно точное регулирование расхода жидкости и соответствие его балансовому количеству воды в получаемом продукте. Для повышения равномерности обработки продукта подача увлажняющей среды (воды или пара) может осуществляться в пульсирующем режиме.