攪齒造粒機(jī)應(yīng)用在干法造粒的過(guò)程

1、攪齒造粒機(jī)應(yīng)用在干法造粒的過(guò)程炭黑是一種堆積密度很低的粉末狀物質(zhì)，易飛揚(yáng)而污染環(huán)境，運(yùn)輸性極差。一般說(shuō)來(lái)，增 加其密度，在某種程度上會(huì)克服或清除這些缺點(diǎn)，但也降低了它在介質(zhì)中的分散性。炭黑工業(yè)常以 濕法或干法造粒的方式對(duì)粉狀炭黑進(jìn)行加工。濕法造粒是上個(gè)世紀(jì)4o年代開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)。在最近 50多年中，炭黑工業(yè)也在一直不斷地改 進(jìn)濕法造粒過(guò)程，使之日臻完善。這些改進(jìn)主要包括如下幾個(gè)方面：開(kāi)發(fā)各種粘合劑，提高造粒品的強(qiáng)度；探索最適宜的攪齒排列方式，以產(chǎn)生理想的顆粒；尋求合適的攪齒材質(zhì)，明顯降低其磨損速率；摸索攪齒軸功率與水量的關(guān)系，建立炭黑/水自調(diào)系統(tǒng)；改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，如筒壁夾套加熱除去附著層、粉料人

2、口加設(shè)螺旋葉片、局部更換攪齒尖以 及保持?jǐn)圐X尖與筒壁的最佳距離等。盡管濕法造粒過(guò)程是一種能耗較高的單元操作，人們一直力圖對(duì)它進(jìn)行改造，但是，到目前為 止該方法仍在世界上橡膠用炭黑的后加工工序中占主流地位。對(duì)橡膠用炭黑而言，由于橡膠在混煉 過(guò)程中粘度較高，高硬度的濕法造粒品在膠料中受到強(qiáng)烈的剪切作用，完全能均勻地分散在聚合物 中。另外，隨著橡膠加工業(yè)混煉工序自動(dòng)化程度的不斷提高，炭黑的氣力輸送和自動(dòng)稱量，也要求 使用強(qiáng)度較高的濕法造粒品。至今，散裝炭黑的規(guī)模亦愈來(lái)愈大，由集散紙箱、槽車，到容量It的太空包，以至10 20t的大型集散箱運(yùn)輸。從橡膠用戶的需求來(lái)看，濕法造粒產(chǎn)品仍是人們所 優(yōu)選的。炭

3、黑在介質(zhì)中的良好分散是制品達(dá)到最佳使用性能的基礎(chǔ)。在非橡膠應(yīng)用領(lǐng)域，特別是塑料和 油墨等制品中，由于聚合物性質(zhì)和混配設(shè)備的制約，常采用干法造粒炭黑。但是，這種造粒方式的 粒子硬度較差，在貯運(yùn)過(guò)程中粒子極易破碎，細(xì)粉量相對(duì)較多而且是變化的，導(dǎo)致喂料機(jī)很難均勻 送料，致使混配過(guò)程不穩(wěn)定。另外，從炭黑生產(chǎn)的角度看，在普通的干法造粒機(jī)中，炭黑的造粒速 率很慢，過(guò)程效率亦太低。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)非橡膠用炭黑而言，提高現(xiàn)有干法過(guò)程的效率或?qū)で笃渌?方式增加炭黑密度，仍是當(dāng)前技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。有關(guān)造粒過(guò)程的簡(jiǎn)單描述等人在研究炭黑的內(nèi)聚性(Cohesiveness)時(shí)發(fā)現(xiàn)，加壓成型的炭黑塊，隨著密度的微小增加， 其抗

4、張強(qiáng)度迅速增大。Rwei等人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，炭黑塊的抗張強(qiáng)度與其密度的 4次方成正比。他們 在測(cè)定粒子在剪切流中的破碎與磨損性時(shí)也證實(shí)，炭黑的分散性與粒子密度呈類似的函數(shù)關(guān)系。顯 然，造粒炭黑的粒子強(qiáng)度和分散性，受其密度的影響十分強(qiáng)烈。在干法造粒過(guò)程中，粉狀炭黑沿轉(zhuǎn)鼓的筒壁滾動(dòng)，聚集體靠范德華力與靜電力附聚在一起。造 粒轉(zhuǎn)鼓的圓周速度只有1 2m s。因而，這種造粒過(guò)程進(jìn)行得相當(dāng)柔和與緩慢。若轉(zhuǎn)鼓的圓周速度 太高，在離心力的作用下，粒子則不沿筒壁發(fā)生滾動(dòng)，而且作用于粒子球上的作用力太大，反而會(huì) 使粒子破碎。在濕法造粒時(shí)，粉狀炭黑必須被水潤(rùn)濕到一定程度，以取代聚集體表面上吸附的氣體。潤(rùn)濕后 的粉末

5、，通過(guò)液橋和毛細(xì)力附著在一起。在機(jī)械力作用下，粒子附聚與長(zhǎng)大。濕法造粒的優(yōu)點(diǎn)在于， 以水作為介質(zhì)，不僅造粒速度快，過(guò)程效率高，而造粒品的強(qiáng)度亦較高。造粒質(zhì)量，一般以影響炭黑貯運(yùn)性能有關(guān)的參數(shù)來(lái)衡量。最常用的指標(biāo)是，細(xì)粉量、粒子磨損 量、堆積強(qiáng)度、單個(gè)粒子強(qiáng)度、平均顆粒尺寸以及顆粒尺寸分布等。攪齒造粒機(jī)用于干法造粒攪齒造粒機(jī)，歷來(lái)是濕法造粒的關(guān)鍵設(shè)備。它與干燥機(jī)串聯(lián)一起，完成炭黑的濕法造粒過(guò)程。 現(xiàn)在，攪齒造粒機(jī)用于干法造粒，其目的主要有兩個(gè)。一是改進(jìn)現(xiàn)有干法造粒的過(guò)程效率；再則是 提供分散性好、細(xì)粉量低而粒子尺寸分布更均勻的造粒品。眾所周知，攪齒造粒機(jī)在用于濕法過(guò)程時(shí)，攪齒端的圓周線速度一般應(yīng)

6、在1O-20ms范圍；炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間也很短，只有幾秒鐘。當(dāng)這種攪齒造粒機(jī)用于干法過(guò)程時(shí)，業(yè)已證實(shí)， 其攪齒端的圓周線速度應(yīng)降至16m)/ s，而炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)到 20180s。在這 樣的工藝條件下，即使不向攪齒造粒機(jī)中加水，也能獲得質(zhì)量穩(wěn)定的造粒炭黑。以攪齒造粒機(jī)進(jìn)行干法造粒的流程示于圖1。從圖中可見(jiàn)，該流程的特點(diǎn)是，造粒機(jī)軸線不是水平放置，而是粉狀炭黑入口稍低，粒狀炭黑 出口稍高。造粒機(jī)軸線與水平線呈 015。的傾角。與傳統(tǒng)的千法造粒一樣，粉狀炭黑要與一定量的母粒一起送入造粒機(jī)。如圖所示，母粒乃是由貯缶14經(jīng)螺旋輸送器送人攪齒造粒機(jī)10的進(jìn)料口15的。造粒機(jī)的外壁，

7、用夾套加熱，由恒溫器 16調(diào)節(jié)到所需溫度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)調(diào)整攪齒的圓周線速度和平均停留時(shí)間，即可滿足任一特定炭黑品種 的造粒質(zhì)量要求。另外，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓式造粒機(jī)相比，過(guò)程效率顯著提高。適當(dāng)選擇攪齒造粒機(jī)尺 寸，如內(nèi)徑700800ram,在保持理想的造粒質(zhì)量的條件下，設(shè)備生產(chǎn)能力可達(dá)2t /h或更高。工藝參數(shù)對(duì)造粒質(zhì)量的影響下面，以一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用攪齒造粒機(jī)為例，研究工藝參數(shù)對(duì)造粒質(zhì)量的影響。這臺(tái)實(shí)驗(yàn)用造粒機(jī)，筒壁內(nèi)徑200mm長(zhǎng)度1200mm夾套溫度控制在100C，粉狀炭黑最大處理能力約 60kg/h。實(shí)驗(yàn) 用粉狀炭黑，近似于N231類產(chǎn)品，其BET表面積120m/g,DBP吸油值106ml

8、/100g,24M4DBPfi 81ml / 100g，而堆積密度約為120g/ L。停留時(shí)間當(dāng)攪齒軸的轉(zhuǎn)速保持恒定的條件下，炭黑在造粒機(jī)中的停留時(shí)間，可通常以下式表達(dá)：/式中，t為平均停留時(shí)間；mf為造粒機(jī)中炭黑填充量；m為炭黑進(jìn)料量。平均停留時(shí)間，取決 于造粒機(jī)中的炭黑填充量和炭黑進(jìn)料量。粉狀炭黑，通常是由螺旋輸送機(jī)送入攪齒造粒機(jī)的。因此，在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，造 粒炭黑產(chǎn)量、粉狀炭黑處理和螺旋輸送機(jī)的喂料量皆是相同的，并可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。顯然， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)攪齒造粒機(jī)軸線與水平線的夾角，來(lái)改變?cè)炝C(jī)中的炭黑填充量和延長(zhǎng)停留時(shí)間。當(dāng)然，炭黑在造粒機(jī)中的填充量與停留時(shí)間也受攪齒軸轉(zhuǎn)

9、速的影響。造粒炭黑產(chǎn)量保持恒定時(shí)，隨著攪齒軸轉(zhuǎn)速的加快，炭黑填充量與停留時(shí)間彼此成比例地減少。實(shí)驗(yàn)表明，停留時(shí)間的調(diào)整，應(yīng)在保持造粒機(jī)產(chǎn)量恒定的條件下，改變?cè)炝C(jī)的傾斜度，即造 粒機(jī)軸線與水平線的夾角在 015。之內(nèi)，優(yōu)選的停留時(shí)間宜在20180s范圍之內(nèi)。為此，要為每 個(gè)傾斜角度計(jì)算出穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下造粒機(jī)內(nèi)的炭黑填充量。不同傾斜度的造粒機(jī)所造出的粒狀炭黑 性能參見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著造粒機(jī)傾角的增大，造粒炭黑的細(xì)粉量和粒子磨損量下降，平均顆粒尺 寸增大，尺寸分布明顯變窄，堆積密度基本不變，而單個(gè)粒子強(qiáng)度有所下降。母?；亓髁吭瓌t上說(shuō)來(lái)，任何類型的炭黑均可用攪齒造粒機(jī)實(shí)施干法造粒。實(shí)驗(yàn)證實(shí)

10、，比表面積和結(jié)構(gòu)均較低的炭黑容易造粒。比表面積和結(jié)構(gòu)均較高的炭黑也容易造粒。相反地，比表面積高而結(jié)構(gòu)低的 炭黑或比表面積低而結(jié)構(gòu)高的品種，則難于造粒。為了引發(fā)造粒過(guò)程，因此將一部分母粒送回造粒 機(jī)。母?；亓髁孔詈檬窃炝Ｌ亢诋a(chǎn)量的 5%-15 %。對(duì)難于造粒的炭黑品種，母粒回流量可高達(dá)50%。 對(duì)易于造粒的品種，母?？梢圆换亓骰蛟谠炝ＴO(shè)備開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)正常之后停止回流。表2中數(shù)據(jù)表明，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的炭黑而言，隨著母粒回流量的增加，細(xì)粉量和磨損量均開(kāi)始減少，在回流量達(dá)到30%時(shí)，二者呈最小值；然后，隨著回流量的進(jìn)一步加大，二者又回升至較大值。 當(dāng)回流量比較高時(shí)，粒子尺寸分布明顯變窄，堆積密度稍有增加。然而

11、，粒子硬度幾乎不受母?；亓髁康挠绊?。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，母粒的最佳回流量，取決于炭黑類型。它必須由各種炭黑分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。表10中數(shù)據(jù)僅是該實(shí)驗(yàn)炭黑（近似于N231）的測(cè)定結(jié)果。攪齒軸轉(zhuǎn)速當(dāng)實(shí)驗(yàn)用造粒機(jī)的攪齒軸轉(zhuǎn)速在 150500r/min內(nèi)變化，攪齒尖的圓周線速度相當(dāng)于在16m/s范圍內(nèi)。攪齒軸轉(zhuǎn)速與造粒性能之間的關(guān)系參見(jiàn)表3?？磥?lái)，隨著攪齒軸轉(zhuǎn)速的增加，細(xì)粉量和磨損量開(kāi)始減少，粒子尺寸分布亦更窄。當(dāng)攪齒軸轉(zhuǎn)速在400r/min時(shí)（攪齒尖線速度相當(dāng)于4.2m/s），這3項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)一最小值。爾后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，它們又呈上升趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在500r/min（相當(dāng)于攪齒尖線速度5.3m/s），粒子大量破

12、碎，細(xì)粉量急劇增加。粉狀炭黑處理量為了考察造粒機(jī)的粉狀炭黑處理量對(duì)造粒過(guò)程的影響，進(jìn)料量從10kg/h至60kg/ h變化，造粒產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)參見(jiàn)表4。從表中結(jié)果可知，細(xì)粉量與粉狀炭黑處理量的多少無(wú)關(guān)，細(xì)粉量在1.4 %3.2 %之間變化。磨損量則隨處理量的增加而減少。應(yīng)當(dāng)指出，上述4項(xiàng)工藝條件對(duì)造粒質(zhì)量的影響均是在特定的造粒機(jī)尺寸和一種實(shí)驗(yàn)炭黑條件 下獲得的數(shù)據(jù)。為了在攪齒造粒機(jī)中造出合乎要求的炭黑粒，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整操作參數(shù)，以與干法 造粒的質(zhì)量要求相匹配。攪齒造粒機(jī)與轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)串聯(lián)盡管攪齒造粒機(jī)完全可單獨(dú)用于干法造粒，制備出質(zhì)量合乎要求的粒子，但另有一項(xiàng)技術(shù)方案是，把攪齒造粒機(jī)串聯(lián)在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)

13、鼓式造粒之前，使后者的生產(chǎn)能力提高1. 52. 5倍，大幅提高了設(shè)備效率。實(shí)驗(yàn)炭黑，選用一種普通色素品種，其BET表面積為90mg，DBP吸油值52ml/ 100g, 24M4DBP值46ml/ 100g，粉狀產(chǎn)品的堆積密度為194g/L。實(shí)驗(yàn)用攪齒造粒機(jī)的設(shè)備尺寸與上述的相同。其主要工藝參數(shù)為，攪齒軸轉(zhuǎn)速 350r/min,粉狀炭黑進(jìn)料量40kg/h,母?；亓髁?1kg/h。在這種 條件下干法制備的產(chǎn)品，再作為原料送入傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)中。實(shí)驗(yàn)所用的轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)，直徑 600mm長(zhǎng)度4000mm當(dāng)造粒機(jī)以傳統(tǒng)操作，送入粉狀炭黑，處 理量從10kg/ h開(kāi)始，以增量20kg/ h逐步遞增，到處理量

14、為30kg/ h時(shí)，造粒質(zhì)量尚能滿足要求； 當(dāng)處理量增至50kg/h時(shí)，已完全不能造粒。當(dāng)以攪齒造粒機(jī)的產(chǎn)品為原料時(shí)，該轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)的炭 黑處理量可達(dá)70kg/ ho攪齒造粒機(jī)中加入添加劑對(duì)干法造粒而言，Jordan曾開(kāi)發(fā)了一種在粉狀炭黑中添加 2%-15 %可溶于油墨的一種油料， 然后再進(jìn)行干法造粒"J o這種造粒品要比普通的干法產(chǎn)品的粒子更牢固，而且很容易分散在油墨中。這是由于粒子中炭黑的密度較低，而且又含有可溶于油墨的油料，所以分散效果頗佳。后來(lái)，人們又嘗試看向粉狀炭黑中添加各種蠟，以不同方式進(jìn)行造粒。然而，在這些研究工作中，蠟的添加量普遍偏高，有的競(jìng)高達(dá)40%以上，影響到造粒品

15、的應(yīng)用。最近，Vogler和Callahan 等人分別研究，將一種在環(huán)境溫度下呈固態(tài)的可熔融材料，以低于 10%的添加量，用于攪齒造粒機(jī) 的干法造粒過(guò)程。添加劑的添加位置及噴入方式研究，向粉狀炭黑中加入熔融的蠟或蠟的混合物，以強(qiáng)化攪齒造粒機(jī)的干法造粒過(guò)程。為了防止炭黑粘在造粒機(jī)筒壁及機(jī)內(nèi)部件上，加蠟之后，整個(gè)造粒機(jī)的溫度要比蠟的熔點(diǎn)高上10%20%o蠟的加入位置，要盡量靠近粉狀炭黑入口，必須在造粒區(qū)的前三分之一段內(nèi)將蠟噴灑到炭黑上。 這樣，方能保證蠟盡可能早地與炭黑均勻混合。蠟的加入方式也嚴(yán)重地影響著造粒品的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)蠟的平均液滴尺寸小于501微米時(shí)，即蠟是以極微細(xì)液滴噴灑到粉狀炭

16、黑上時(shí)，方能使成品炭黑在蠟含量低于10%的情況下合乎質(zhì)量要求。當(dāng)蠟滴尺寸比較大時(shí)，它不能均勻散布在炭黑中，則需要更多的蠟含量，才能獲得預(yù)期 的粒子強(qiáng)度。首先，蠟要加熱到比其熔點(diǎn)高10%20%的溫度；然后，再噴人造粒機(jī)中。 Vogler經(jīng)實(shí)驗(yàn)證 實(shí)，用6kg/cm的機(jī)械霧化噴咀，結(jié)果不能令人滿意，平均蠟滴尺寸大于100微米。在這種情況下， 只有當(dāng)含蠟量高于20%，顆粒強(qiáng)度才會(huì)大于0. 15M后來(lái)，改用一種雙流體噴咀，以 6kg/cm的 壓縮空氣霧化蠟液，獲得平均尺寸為 20微米的蠟滴。另外，Callahan等人也證實(shí)，采用Delevan 雙流體噴咀霧化蠟液，效果比較理想。蠟液噴咀在造粒機(jī)上的設(shè)置

17、，有些類似于反應(yīng)爐喉管段原料油的噴入方式，即24個(gè)噴咀在垂直于攪齒軸的同一平面內(nèi)，從造粒機(jī)筒壁徑向噴入。這樣，才可保障蠟滴均勻地混入炭黑中。蠟含量對(duì)造粒炭黑性能的影響等使用一種在環(huán)境溫度下呈固態(tài)的可熔融材料，熔點(diǎn)為62 E的四硬脂酸季戊四醇酯蠟。Pentaeritol Tetrastearate)為攪齒造粒機(jī)的造粒添加劑。因?yàn)檫@種蠟在眾多的聚合物配方中都用作潤(rùn)滑劑，它與這類聚合物具有相容性。他們引用一系列數(shù)據(jù)，把這種干法造粒產(chǎn)品的粒子 強(qiáng)度及分散性與濕法造粒炭黑相比較。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的簡(jiǎn)單描述粉狀炭黑，以熱空氣風(fēng)送至帶夾套加熱的攪齒造粒機(jī)中。攪齒軸的轉(zhuǎn)速為750r/mm大約C呈熔融狀態(tài)的PETS昔，

18、經(jīng)雙流體噴咀霧化后，與粉狀炭黑在造粒機(jī)中混合和初步造粒。然后，再把這種經(jīng)初步造粒的含蠟炭黑送人工業(yè)用的大直徑轉(zhuǎn)鼓式造粒機(jī)中。這就相當(dāng)于攪齒造粒機(jī) 與轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)相串聯(lián)的加工方式。轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)出口排出的產(chǎn)品，一部分作為母粒再回流到轉(zhuǎn)鼓的人 口。母?；亓髁亢娃D(zhuǎn)鼓的進(jìn)料量相同。炭黑在轉(zhuǎn)鼓中的溫度約為60C，在這個(gè)溫度下蠟是呈熔融狀態(tài)。轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)的產(chǎn)品經(jīng)螺旋輸送機(jī)送至料倉(cāng)，經(jīng)冷卻46h之后，裝人容量為1000kg的太空包中。實(shí)驗(yàn)從含蠟量5%開(kāi)始，逐步增加含蠟量，直到最大值為15%左右。這樣，一共收集了 24個(gè)太空包的造粒炭黑樣品。為了對(duì)比，也用普通的攪齒造粒機(jī)進(jìn)行濕法造粒。 粉狀炭黑在造粒機(jī)中與水混合并形

19、成濕粒子，經(jīng)旋轉(zhuǎn)干燥機(jī)干燥之后，也送人料倉(cāng)和裝人太空包。由于濕法造粒所用的粉狀炭黑與干法造粒的完全一樣，因此，兩種造粒品的造粒質(zhì)量具有可比性。含蠟量與造粒炭黑貯運(yùn)性能由攪齒造粒機(jī)加水制備的濕法造粒炭黑以及不同含蠟量的干法產(chǎn)品的性能示于表5中。表中數(shù)據(jù)表明，對(duì)干法造粒的炭黑而言，隨著含蠟量的增加，顆粒的平均尺寸增大，而細(xì)粉量減少。另外，一些強(qiáng)度指標(biāo)，如堆積強(qiáng)度、單個(gè)粒子破碎強(qiáng)度(PCS pellet crushing strensth)以及粒子耐磨損性能均隨著含蠟量的增加而改善。與濕法造粒炭黑相比，含蠟干法造粒品(除了含蠟量最低的兩個(gè)試樣之外)的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均得到全面提高，而細(xì)粉量亦少。無(wú)蠟干法造粒炭黑的堆積強(qiáng)度，可由圖3所示的不同含蠟粒子的堆積強(qiáng)度數(shù)據(jù)的線性回歸方程外延至蠟含量為0%時(shí)的縱坐標(biāo)上的截距來(lái)估算。由圖可見(jiàn)，無(wú)蠟干法造粒炭黑的堆積強(qiáng)度值為 0.6± 2.7kg，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濕法粒子的數(shù)值(5kg)。這種無(wú)蠟干法造粒炭黑在運(yùn)輸過(guò)程中很容易破碎。當(dāng) 蠟含量超過(guò)2.5 %時(shí)，這種干法