攪齒造粒機(jī)應(yīng)用在干法造粒地過(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)克服或消除這些缺點(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 5O 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

2、附著層、粉料人口加設(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(chēng)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(chē)，到容量 lt 的太空包，以至 1020t的大型集散箱運(yùn)輸。從橡膠用戶(hù)的需求來(lái)看，濕法造粒產(chǎn)品仍是人們所優(yōu)選

3、的。炭黑在介質(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)で笃渌麑?shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔方式增加炭黑密度，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

4、，其抗張強(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?cè)跍y(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(lèi)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 12Mso 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

5、粉末，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?，F(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(xiàn)速度一般

6、應(yīng)在 1C120Ms 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)與水平線(xiàn)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

7、粒機(jī)的外壁，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(xiàn)速度和平均停留時(shí)間，即可滿(mǎn)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 10。,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(lèi)產(chǎn)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(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(xiàn)與水平線(xiàn)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

9、機(jī)中的填充量與停留時(shí)間也受攪齒軸轉(zhuǎn)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(xiàn)與水平線(xiàn)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。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔從表中數(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(lèi)型

10、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)，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，母粒可以不回流或在造粒設(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?；亓髁康脑黾?，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

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粒回流量的影響。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，母粒的最佳回流量，取決于炭黑類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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)

12、速在 500r/min（相當(dāng)于攪齒尖線(xiàn)速度 5.3m/s）,粒子大量破碎，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。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔應(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)由聯(lián)盡管攪齒造粒機(jī)完全可單

13、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)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?11kg/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 400

14、0mm 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， 到處理量為 30kg/h 時(shí)， 造粒質(zhì)量尚能滿(mǎn)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/h0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Jo 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

15、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，有的竟高達(dá) 40%以上，影響到造粒品的應(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%。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

16、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?lài)娙嗽炝C(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(mǎn)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

17、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，有些類(lèi)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 62C 的四硬脂酸季戊四醇酯蠟。PentaeritolTetrastearate)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(lèi)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

18、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，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。母粒回流量和轉(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

19、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,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(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(xiàn)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 0.62.7kg,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)