攪齒造粒機應用在干法造粒地過程

1、攪齒造粒機應用在干法造粒的過程炭黑是一種堆積密度很低的粉末狀物質，易飛揚而污染環(huán)境，運輸性極差。一般說來，增加其密度，在某種程度上會克服或消除這些缺點，但也降低了它在介質中的分散性。炭黑工業(yè)常以濕法或干法造粒的方式對粉狀炭黑進行加工。濕法造粒是上個世紀 4o 年代開發(fā)的一項技術。 在最近 5O 多年中， 炭黑工業(yè)也在一直不斷地改進濕法造粒過程，使之日臻完善。這些改進主要包括如下幾個方面： 開發(fā)各種粘合劑，提高造粒品的強度； 探索最適宜的攪齒排列方式，以產生理想的顆粒； 尋求合適的攪齒材質，明顯降低其磨損速率； 摸索攪齒軸功率與水量的關系，建立炭黑/水自調系統(tǒng)； 改進設備結構,如筒壁夾套加熱除去

2、附著層、粉料人口加設螺旋葉片、局部更換攪齒尖以及保持攪齒尖與筒壁的最佳距離等。盡管濕法造粒過程是一種能耗較高的單元操作，人們一直力圖對它進行改造，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。對橡膠用炭黑而言，由于橡膠在混煉過程中粘度較高，高硬度的濕法造粒品在膠料中受到強烈的剪切作用，完全能均勻地分散在聚合物中。另外，隨著橡膠加工業(yè)混煉工序自動化程度的不斷提高，炭黑的氣力輸送和自動稱量，也要求使用強度較高的濕法造粒品。至今，散裝炭黑的規(guī)模亦愈來愈大，由集散紙箱、槽車，到容量 lt 的太空包，以至 1020t的大型集散箱運輸。從橡膠用戶的需求來看，濕法造粒產品仍是人們所優(yōu)選

3、的。炭黑在介質中的良好分散是制品達到最佳使用性能的基礎。在非橡膠應用領域，特別是塑料和油墨等制品中，由于聚合物性質和混配設備的制約，常采用干法造粒炭黑。但是，這種造粒方式的粒子硬度較差，在貯運過程中粒子極易破碎，細粉量相對較多而且是變化的，導致喂料機很難均勻送料，致使混配過程不穩(wěn)定。另外，從炭黑生產的角度看，在普通的干法造粒機中，炭黑的造粒速率很慢，過程效率亦太低。毫無疑問，對非橡膠用炭黑而言，提高現(xiàn)有干法過程的效率或尋求其他實用標準文檔方式增加炭黑密度，仍是當前技術開發(fā)的熱點。有關造粒過程的簡單描述等人在研究炭黑的內聚性(Cohesiveness)時發(fā)現(xiàn)，加壓成型的炭黑塊，隨著密度的微小增加

4、，其抗張強度迅速增大。Rwei 等人則進一步發(fā)現(xiàn)，炭黑塊的抗張強度與其密度的 4 次方成正比。他們在測定粒子在剪切流中的破碎與磨損性時也證實，炭黑的分散性與粒子密度呈類似的函數(shù)關系。顯然，造粒炭黑的粒子強度和分散性，受其密度的影響十分強烈。在干法造粒過程中，粉狀炭黑沿轉鼓的筒壁滾動，聚集體靠范德華力與靜電力附聚在一起。造粒轉鼓的圓周速度只有 12Mso 因而，這種造粒過程進行得相當柔和與緩慢。若轉鼓的圓周速度太高，在離心力的作用下，粒子則不沿筒壁發(fā)生滾動，而且作用于粒子球上的作用力太大，反而會使粒子破碎。在濕法造粒時， 粉狀炭黑必須被水潤濕到一定程度， 以取代聚集體表面上吸附的氣體。 潤濕后的

5、粉末，通過液橋和毛細力附著在一起。在機械力作用下，粒子附聚與長大。濕法造粒的優(yōu)點在于，以水作為介質，不僅造粒速度快，過程效率高，而造粒品的強度亦較高。造粒質量，一般以影響炭黑貯運性能有關的參數(shù)來衡量。最常用的指標是，細粉量、粒子磨損量、堆積強度、單個粒子強度、平均顆粒尺寸以及顆粒尺寸分布等。攪齒造粒機用于干法造粒攪齒造粒機，歷來是濕法造粒的關鍵設備。它與干燥機串聯(lián)一起，完成炭黑的濕法造粒過程?，F(xiàn)在，攪齒造粒機用于干法造粒， 其目的主要有兩個。 一是改進現(xiàn)有干法造粒的過程效率； 再則是提供分散性好、細粉量低而粒子尺寸分布更均勻的造粒品。眾所周知，攪齒造粒機在用于濕法過程時，攪齒端的圓周線速度一般

6、應在 1C120Ms 范圍；炭黑在造粒機中的停留時間也很短，只有幾秒鐘。當這種攪齒造粒機用于干法過程時，業(yè)已證實，其攪齒端的圓周線速度應降至 16m/s,而炭黑在造粒機中的停留時間應延長到 20180s。 在這樣的工藝條件下，即使不向攪齒造粒機中加水，也能獲得質量穩(wěn)定的造粒炭黑。以攪齒造粒機進行干法造粒的流程示于圖 1。從圖中可見，該流程的特點是，造粒機軸線不是水平放置，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。如圖所示，母粒乃是由貯缶 14 經螺旋輸送器送人攪齒造粒機 10 的進料口15 的。造

7、粒機的外壁，用夾套加熱，由恒溫器 16 調節(jié)到所需溫度。該方法的優(yōu)點在于，通過調整攪齒的圓周線速度和平均停留時間，即可滿足任一特定炭黑品種的造粒質量要求。另外，與傳統(tǒng)的轉鼓式造粒機相比，過程效率顯著提高。適當選擇攪齒造粒機尺寸，如內徑 700800ram,在保持理想的造粒質量的條件下，設備生產能力可達 2t/h 或更高。工藝參數(shù)對造粒質量的影響下面，以一臺實驗用攪齒造粒機為例，研究工藝參數(shù)對造粒質量的影響。這臺實驗用造粒機，筒壁內徑 200mm 長度 1200mm 夾套溫度控制在 10。,粉狀炭黑最大處理能力約 60kg/h。實驗用粉狀炭黑， 近似于 N231 類產品， 其 BET 表面積 1

8、20m2/g,DBP 吸油值 106ml/100g,24M4DBPfi81ml/100g,而堆積密度約為 120g/Lo停留時間當攪齒軸的轉速保持恒定的條件下，炭黑在造粒機中的停留時間，可通常以下式表達：/式中，t 為平均停留時間；mf 為造粒機中炭黑填充量；m 為炭黑進料量。平均停留時間，取決于造粒機中的炭黑填充量和炭黑進料量。粉狀炭黑，通常是由螺旋輸送機送入攪齒造粒機的。因此，在設備達到穩(wěn)定運轉的條件下，造粒炭黑產量、粉狀炭黑處理和螺旋輸送機的喂料量皆是相同的，并可在很寬的范圍內調節(jié)。顯然，可以通過調節(jié)攪齒造粒機軸線與水平線的夾角，來改變造粒機中的炭黑填充量和延長停留時間。當然，炭黑在造粒

9、機中的填充量與停留時間也受攪齒軸轉速的影響。造粒炭黑產量保持恒定時，隨著攪齒軸轉速的加快，炭黑填充量與停留時間彼此成比例地減少。實驗表明，停留時間的調整，應在保持造粒機產量恒定的條件下，改變造粒機的傾斜度，即造粒機軸線與水平線的夾角在 015。之內，優(yōu)選的停留時間宜在 20180s 范圍之內。為此，要為每個傾斜角度計算出穩(wěn)定運轉條件下造粒機內的炭黑填充量。不同傾斜度的造粒機所造出的粒狀炭黑性能參見表 1。實用標準文檔從表中數(shù)據可見，隨著造粒機傾角的增大，造粒炭黑的細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，而單個粒子強度有所下降。母?；亓髁吭瓌t上說來，任何類型

10、的炭黑均可用攪齒造粒機實施干法造粒。實驗證實，比表面積和結構均較低的炭黑容易造粒。比表面積和結構均較高的炭黑也容易造粒。相反地，比表面積高而結構低的炭黑或比表面積低而結構高的品種，則難于造粒。為了引發(fā)造粒過程，因此將一部分母粒送回造粒機。母?；亓髁孔詈檬窃炝Ｌ亢诋a量的 5%-15%。對難于造粒的炭黑品種，母粒回流量可高達 50%。對易于造粒的品種，母?？梢圆换亓骰蛟谠炝ＴO備開始運轉正常之后停止回流。表 2 中數(shù)據表明，對實驗所用的炭黑而言，隨著母?；亓髁康脑黾?，細粉量和磨損量均開始減少，在回流量達到 30%時，二者呈最小值；然后，隨著回流量的進一步加大，二者又回升至較大值。當回流量比較高時，粒

11、子尺寸分布明顯變窄，堆積密度稍有增加。然而，粒子硬度幾乎不受母?；亓髁康挠绊?。應當強調，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實驗確定。表 10 中數(shù)據僅是該實驗炭黑（近似于 N231）的測定結果。攪齒軸轉速當實驗用造粒機的攪齒軸轉速在 150500r/min 內變化，攪齒尖的圓周線速度相當于在 16m/s 范圍內。攪齒軸轉速與造粒性能之間的關系參見表 3?？磥?，隨著攪齒軸轉速的增加，細粉量和磨損量開始減少，粒子尺寸分布亦更窄。當攪齒軸轉速在 400r/min 時（攪齒尖線速度相當于 4.2m/s）,這 3 項指標均呈現(xiàn)一最小值。爾后，隨著轉速的增加，它們又呈上升趨勢。當轉

12、速在 500r/min（相當于攪齒尖線速度 5.3m/s）,粒子大量破碎，細粉量急劇增加。粉狀炭黑處理量為了考察造粒機的粉狀炭黑處理量對造粒過程的影響，進料量從 10kg/h 至 60kg/h 變化，造粒產品質量數(shù)據參見表 4。從表中結果可知，細粉量與粉狀炭黑處理量的多少無關，細粉量在 1.4%3.2%之間變化。磨損量則隨處理量的增加而減少。實用標準文檔應當指出， 上述 4 項工藝條件對造粒質量的影響均是在特定的造粒機尺寸和一種實驗炭黑條件下獲得的數(shù)據。為了在攪齒造粒機中造出合乎要求的炭黑粒，必須適當?shù)卣{整操作參數(shù)，以與干法造粒的質量要求相匹配。攪齒造粒機與轉鼓造粒機由聯(lián)盡管攪齒造粒機完全可單

13、獨用于干法造粒，制備出質量合乎要求的粒子，但另有一項技術方案是，把攪齒造粒機串聯(lián)在傳統(tǒng)的轉鼓式造粒之前，使后者的生產能力提高 1.52.5 倍，大幅提高了設備效率。實驗炭黑，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,粉狀產品的堆積密度為 194g/L。 實驗用攪齒造粒機的設備尺寸與上述的相同。 其主要工藝參數(shù)為，攪齒軸轉速 350r/min,粉狀炭黑進料量 40kg/h,母?；亓髁?11kg/h。在這種條件下干法制備的產品，再作為原料送入傳統(tǒng)的轉鼓造粒機中。實驗所用的轉鼓造粒機，直徑 600mm 長度 400

14、0mm 當造粒機以傳統(tǒng)操作，送入粉狀炭黑，處理量從10kg/h 開始， 以增量 20kg/h 逐步遞增， 到處理量為 30kg/h 時， 造粒質量尚能滿足要求； 當處理量增至 50kg/h時，已完全不能造粒。當以攪齒造粒機的產品為原料時，該轉鼓造粒機的炭黑處理量可達 70kg/h0攪齒造粒機中加入添加劑對干法造粒而言， Jordan 曾開發(fā)了一種在粉狀炭黑中添加 2%-15%可溶于油墨的一種油料， 然后再進行干法造粒Jo 這種造粒品要比普通的干法產品的粒子更牢固，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，人們又嘗試看向粉狀炭黑中添

15、加各種蠟，以不同方式進行造粒。然而，在這些研究工作中，蠟的添加量普遍偏高，有的竟高達 40%以上，影響到造粒品的應用。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，用于攪齒造粒機的干法造粒過程。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，以強化攪齒造粒機的干法造粒過程。為了防止炭黑粘在造粒機筒壁及機內部件上，加蠟之后，整個造粒機的溫度要比蠟的熔點高上 10%20%。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

16、加入方式也嚴重地影響著造粒品的質量。實驗表明，只有當蠟的平均液滴尺寸小于 501 微米時，即蠟是以極微細液滴噴灑到粉狀炭黑上時，方能使成品炭黑在蠟含量低于 10%的情況下合乎質量要求。當蠟滴尺寸比較大時，它不能均勻散布在炭黑中，則需要更多的蠟含量，才能獲得預期的粒子強度。首先，蠟要加熱到比其熔點高 10%20%的溫度；然后，再噴人造粒機中。Vogler 經實驗證實，用6kg/cm 的機械霧化噴咀，結果不能令人滿意，平均蠟滴尺寸大于 100 微米。在這種情況下，只有當含蠟量高于 20%,顆粒強度才會大于 0.15M 后來，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

17、20 微米的蠟滴。另外，Callahan 等人也證實，采用 Delevan 雙流體噴咀霧化蠟液，效果比較理想。蠟液噴咀在造粒機上的設置，有些類似于反應爐喉管段原料油的噴入方式，即 24 個噴咀在垂直于攪齒軸的同一平面內，從造粒機筒壁徑向噴入。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，熔點為 62C 的四硬脂酸季戊四醇酯蠟。PentaeritolTetrastearate)為攪齒造粒機的造粒添加劑。因為這種蠟在眾多的聚合物配方中都用作潤滑劑，它與這類聚合物具有相容性。他們引用一系列數(shù)據，把這種干法造粒產品的粒子強度及分散性與濕法造粒炭

18、黑相比較。實驗過程的簡單描述粉狀炭黑，以熱空氣風送至帶夾套加熱的攪齒造粒機中。攪齒軸的轉速為 750r/mm 大約C 呈熔融狀態(tài)的 PETS 昔，經雙流體噴咀霧化后，與粉狀炭黑在造粒機中混合和初步造粒。然后，再把這種經初步造粒的含蠟炭黑送人工業(yè)用的大直徑轉鼓式造粒機中。這就相當于攪齒造粒機與轉鼓造粒機相串聯(lián)的加工方式。轉鼓造粒機出口排出的產品，一部分作為母粒再回流到轉鼓的人口。母?；亓髁亢娃D鼓的進料量相同。炭黑在轉鼓中的溫度約為 60C,在這個溫度下蠟是呈熔融狀態(tài)。轉鼓造粒機的產品經螺旋輸送機送至料倉，經冷卻 46h 之后，裝人容量為 1000kg 的太空包中。實驗從含蠟量 5%開始，逐步增加

19、含蠟量，直到最大值為 15%左右。這樣，一共收集了 24 個太空包的造粒炭黑樣品。為了對比，也用普通的攪齒造粒機進行濕法造粒。粉狀炭黑在造粒機中與水混合并形成濕粒子，經旋轉干燥機干燥之后，也送人料倉和裝人太空包。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量具有可比性。含蠟量與造粒炭黑貯運性能由攪齒造粒機加水制備的濕法造粒炭黑以及不同含蠟量的干法產品的性能示于表 5 中。表中數(shù)據表明，對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，而細粉量減少。另外，一些強度指標，如堆積強度、單個粒子破碎強度(PCS,pelletcrushingstrensth)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試樣之外)的各項強度指標均得到全面提高，而細粉量亦少。無蠟干法造粒炭黑的堆積強度，可由圖 3 所示的不同含蠟粒子的堆積強度數(shù)據的線性回歸方程外延至蠟含量為 0%時的縱坐標上的截距來估算。 由圖可見， 無蠟干法造粒炭黑的堆積強度值為 0.62.7kg,這遠遠低于濕法粒子的數(shù)值(5kg)。這種無蠟干法造粒炭黑在運輸過程中很容易破碎。當蠟含量超過 2.5%時