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搅齿造粒机用于干法造粒过程

炭黑是一种堆积密度很低的粉末状物质,易飞扬而污染环境,运输性极差。一般说来,增加其密度,在某种程度上会克服或清除这些缺点,但也降低了它在介质中的分散性。炭黑产业常以湿法或干法造粒的方式对粉状炭黑进行加工。
    湿法造粒是上个世纪4o年代开发的一项技术。在最近5O多年中,炭黑产业也在一直不断地改进湿法造粒过程,使之日臻完善。这些改进主要包括如下几个方面:
· 开发各种粘合剂,进步造粒品的强度;
· 探索最相宜的搅齿排列方式,以产生理想的颗粒;
· 寻求合适的搅齿材质,显著降低其磨损速率;
· 试探搅齿轴功率与水量的关系,建立炭黑/水自调系统;
· 改进设备结构,如筒壁夹套加热除去附着层、粉料人口加设螺旋叶片、局部更换搅齿尖以及保持搅齿尖与筒壁的最佳间隔等。
    尽管湿法造粒过程是一种能耗较高的单元操纵,人们一直力图对它进行改造,但是,到目前为止该方法仍在世界上橡胶用炭黑的后加工工序中占主流地位。对橡胶用炭黑而言,因为橡胶在混炼过程中粘度较高,高硬度的湿法造粒品在胶料中受到强烈的剪切作用,完全能平均地分散在聚合物中。另外,跟着橡胶加产业混炼工序自动化程度的不断进步,炭黑的力量输送和自动称量,也要求使用强度较高的湿法造粒品。至今,散装炭黑的规模亦愈来愈大,由集散纸箱、槽车,到容量lt的太空包,以至lO一20t的大型集散箱运输。从橡胶用户的需求来看,湿法造粒产品还是人们所优选的。
    炭黑在介质中的良好分散是制品达到最佳使用机能的基础。在非橡胶应用领域,特别是塑料和油墨等制品中,因为聚合物性质和混配设备的制约,常采用干法造粒炭黑。但是,这种造粒方式的粒子硬度较差,在贮运过程中粒子极易破碎,细粉量相对较多而且是变化的,导致喂料机很难平均送料,致使混配过程不不乱。另外,从炭黑出产的角度看,在普通的干法造粒机中,炭黑的造粒速率很慢,过程效率亦太低。毫无疑问,对非橡胶用炭黑而言,进步现有干法过程的效率或寻求其他方式增加炭黑密度,还是当前技术开发的热门。
1 有关造粒过程的简朴描述
    Hartley 等人在研究炭黑的内聚性(Cohesiveness)时发现,加压成型的炭黑块,跟着密度的微小增加,其抗张强度迅速增大。Rwei等人则进一步发现,炭黑块的抗张强度与其密度的4次方成正比。他们在测定粒子在剪切流中的破碎与磨损性时也证明,炭黑的分散性与粒子密度呈类似的函数关系。显然,造粒炭黑的粒子强度和分散性,受其密度的影响十分强烈。
    在干法造粒过程中,粉状炭黑沿转鼓的筒壁动弹,会萃体靠范德华力与静电力附聚在一起。造粒转鼓的圆周速度只有1—2m/s。因而,这种造粒过程进行得相称柔和与缓慢。若转鼓的圆周速度太高,在离心力的作用下,粒子则不沿筒壁发生动弹,而且作用于粒子球上的作用力太大,反而会使粒子破碎。
    在湿法造粒时,粉状炭黑必需被水润湿到一定程度,以取代会萃体表面上吸附的气体。润湿后的粉末,通过液桥和毛细力附着在一起。在机械力作用下,粒子附聚与长大。湿法造粒的长处在于,以水作为介质,不仅造粒速度快,过程效率高,而造粒品的强度亦较高。
    造粒质量,一般以影响炭黑贮运机能有关的参数来衡量。最常用的指标是,细粉量、粒子磨损量、堆积强度、单个粒子强度、均匀颗粒尺寸以及颗粒尺寸分布等。
2 搅齿造粒机用于干法造粒
    搅齿造粒机,历来是湿法造粒的枢纽设备。它与干燥机串联一起,完成炭黑的湿法造粒过程。现在,搅齿造粒机用于干法造粒,其目的主要有两个。一是改进现有干法造粒的过程效率;再则是提供分散性好、细粉量低而粒子尺寸分布更平均的造粒品。
    众所周知,搅齿造粒机在用于湿法过程时,搅齿真个圆周线速度一般应在1O~20m/s范围;炭黑在造粒机中的停留时间也很短,只有几秒钟。当这种搅齿造粒机用于干法过程时,业已证明,其搅齿真个圆周线速度应降至1~6m/s,而炭黑在造粒机中的停留时间应延长到20~180s。在这样的工艺前提下,即使不向搅齿造粒机中加水,也能获得质量不乱的造粒炭黑。
该流程的特点是,造粒机轴线不是水平放置,而是粉状炭黑进口稍低,粒状炭黑出口稍高。造粒机轴线与水平线呈0~15。的倾角。与传统的千法造粒一样,粉状炭黑要与一定量的母粒一起送入造粒机。如图所示,母粒乃是由贮缶14经螺旋输送器送人搅齿造粒机10的进料口15的。造粒机的外壁,用夹套加热,由恒温器16调节到所需温度。
    该方法的长处在于,通过调整搅齿的圆周线速度和均匀停留时间,即可知足任一特定炭黑品种的造粒质量要求。另外,与传统的转鼓式造粒机比拟,过程效率明显进步。适当选择搅齿造粒机尺寸,如内径700~800ram,在保持理想的造粒质量的前提下,设备出产能力可达2t/h或更高。
2.1 工艺参数对造粒质量的影响
    下面,以一台实验用搅齿造粒机为例,研究工艺参数对造粒质量的影响。这台实验用造粒机,筒壁内径200mm,长度1200mm,夹套温度控制在100℃,粉状炭黑最大处理能力约60kg/h。实验用粉状炭黑,近似于N231类产品,其BET表面积120m2/g,DBP吸油值106ml/100g,24M4DBP值81ml/100g,而堆积密度约为120g/L。
    (1)停留时间
    当搅齿轴的转速保持恒定的前提下,炭黑在造粒机中的停留时间,可通常以下式表达:
                                             t=mf/m
    式中,t为均匀停留时间;mf为造粒机中炭黑填充量;m为炭黑进料量。均匀停留时间,取决于造粒机中的炭黑填充量和炭黑进料量。
    粉状炭黑,通常是由螺旋输送机送入搅齿造粒机的。因此,在设备达到不乱运转的前提下,造粒炭黑产量、粉状炭黑处理和螺旋输送机的喂料量皆是相同的,并可在很宽的范围内调节。显然,可以通过调节搅齿造粒机轴线与水平线的夹角,来改变造粒机中的炭黑填充量和延长停留时间。
    当然,炭黑在造粒机中的填充量与停留时间也受搅齿轴转速的影响。造粒炭黑产量保持恒定时,跟着搅齿轴转速的加快,炭黑填充量与停留时间彼此成比例地减少。
    实验表明,停留时间的调整,应在保持造粒机产量恒定的前提下,改变造粒机的倾斜度,即造粒机轴线与水平线的夹角在0—15。之内,优选的停留时间宜在20~180s范围之内。为此,要为每个倾斜角度计算出不乱运转前提下造粒机内的炭黑填充量。
    跟着造粒机倾角的增大,造粒炭黑的细粉量和粒子磨损量下降,均匀颗粒尺寸增大,尺寸分布显著变窄,堆积密度基本不变,而单个粒子强度有所下降。
    (2)母粒回流量
    原则上说来,任何类型的炭黑均可用搅齿造粒机实施干法造粒。实验证明,比表面积和结构均较低的炭黑轻易造粒。比表面积和结构均较高的炭黑也轻易造粒。相反地,比表面积高而结构低的炭黑或比表面积低而结构高的品种,则难于造粒。为了引发造粒过程,因此将一部门母粒送回造粒机。母粒回流量最好是造粒炭黑产量的5%-15%。对难于造粒的炭黑品种,母粒回流量可高达50%。对易于造粒的品种,母粒可以不回流或在造粒设备开始运转正常之后休止回流。
    
    对实验所用的炭黑而言,跟着母粒回流量的增加,细粉量和磨损量均开始减少,在回流量达到30%时,二者呈最小值;然后,跟着回流量的进一步加大,二者又回升至较大值。当回流量比较高时,粒子尺寸分布显著变窄,堆积密度稍有增加。 然而,粒子硬度几乎不受母粒回流量的影响。
    应当夸大,母粒的最佳回流量,取决于炭黑类型。它必需由各种炭黑分别通过实验确定。表10中数据仅是该实验炭黑(近似于N231)的测定结果。
    (3)搅齿轴转速
    当实验用造粒机的搅齿轴转速在150~500r/min内变化,搅齿尖的圆周线速度相称于在1~6m/s范围内。看来,跟着搅齿轴转速的增加,细
粉量和磨损量开始减少,粒子尺寸分布亦更窄。

    当搅齿轴转速在400r/min时(搅齿尖线速度相称于4.2m/s),这3项指标均呈现一最小值。尔后,跟着转速的增加,它们又呈上升趋势。当转速在500r/min(相称于搅齿尖线速度5.3m/s),粒子大量破碎,细粉量急剧增加。
    (4)粉状炭黑处理量
    为了考察造粒机的粉状炭黑处理量对造粒过程的影响,进料量从10kg/h至60kg/h变化,。从表中结果可知,细粉量与粉状炭黑处理量的多少无关,细粉量在1.4% ~3.2%之间变化。磨损量则随处理量的增加而减少。

    应当指出,上述4项工艺前提对造粒质量的影响均是在特定的造粒机尺寸和一种实验炭黑前提下获得的数据。为了在搅齿造粒机中造出合乎要求的炭黑粒,必需适当地调整操纵参数,以与干法造粒的质量要求相匹配。
2.2 搅齿造粒机与转鼓造粒机串联
    尽管搅齿造粒机完全可单独用于干法造粒,制备出质量合乎要求的粒子,但另有一项技术方案是,把搅齿造粒机串联在传统的转鼓式造粒之前,使后者的出产能力进步1.5~2.5倍,大幅进步了设备效率。
    实验炭黑,选用一种普通色素品种,其BET表面积为90m/g,DBP 吸油值52ml/100g,24M4DBP值46ml/100g,粉状产品的堆积密度为194g/L。实验用搅齿造粒机的设备尺寸与上述的相同。其主要工艺参数为,搅齿轴转速350r/min,粉状炭黑进料量40kg/h,母粒回流量11kg/h。在这种前提下干法制备的产品,再作为原料送入传统的转鼓造粒机中。
    实验所用的转鼓造粒机,直径600mm,长度4000mm。当造粒机以传统操纵,送入粉状炭黑,处理量从10kg/h开始,以增量20kg/h逐步递增,到处理量为30kg/h时,造粒质量尚能知足要求;当处理量增至50kg/h时,已完全不能造粒。当以搅齿造粒机的产品为原料时,该转鼓造粒机的炭黑处理量可达70kg/h。
3 搅齿造粒机中加入添加剂
    对干法造粒而言,Jordan曾开发了一种在粉状炭黑中添加2%-15%可溶于油墨的一种油料,然后再进行干法造粒"J。这种造粒品要比普通的干法产品的粒子更牢固,而且很轻易分散在油墨中。这是因为粒子中炭黑的密度较低,而且又含有可溶于油墨的油料,所以分散效果颇佳。
    后来,人们又尝试看向粉状炭黑中添加各种蜡,以不同方式进行造粒。然而,在这些研究工作中,蜡的添加量普遍偏高,有的竞高达40% 以上,影响到造粒品的应用。最近,Vogler和Callahan等人分别研究,将一种在环境温度下呈固态的可熔融材料,以低于10%的添加量,用于搅齿造粒机的干法造粒过程。
3.1 添加剂的添加位置及喷入方式
    Vogler研究,向粉状炭黑中加入熔融的蜡或蜡的混合物,以强化搅齿造粒机的干法造粒过程。为了防止炭黑粘在造粒机筒壁及机内部件上,加蜡之后,整个造粒机的温度要比蜡的熔点高上10% ~20%。
    蜡的加入位置,要尽量靠近粉状炭黑进口,必需在造粒区的前三分之一段内将蜡喷洒到炭黑上。这样,方能保证蜡尽可能早地与炭黑平均混合。
    蜡的加入方式也严峻地影响着造粒品的质量。实验表明,只有当蜡的均匀液滴尺寸小于501微米时,即蜡是以极微细液滴喷洒到粉状炭黑上时,方能使成品炭黑在蜡含量低于10%的情况下合乎质量要求。当蜡滴尺寸比较大时,它不能平均散布在炭黑中,则需要更多的蜡含量,才能获得预期的粒子强度。
    首先,蜡要加热到比其熔点高10% ~20%的温度;然后,再喷人造粒机中。Vogler经实验证明,用6kg/cm 的机械雾化喷咀,结果不能令人满足,均匀蜡滴尺寸大于100微米。在这种情况下,只有当含蜡量高于20%,颗粒强度才会大于0.15N。后来,改用一种双流体喷咀,以6kg/cm的压缩空气雾化蜡液,获得均匀尺寸为20微米的蜡滴。另外,Callahan等人也证明,采用Delevan双流体喷咀雾化蜡液,效果比较理想。
    蜡液喷咀在造粒机上的设置,有些类似于反应炉喉管段原料油的喷入方式,即2~4个喷咀在垂直于搅齿轴的统一平面内,从造粒机筒壁径向喷入。这样,才可保障蜡滴平均地混入炭黑中。
3.2 蜡含量对造粒炭黑机能的影响
    Callhan等使用一种在环境温度下呈固态的可熔融材料,熔点为62℃的四硬脂酸季戊四醇酯蜡
(PETS。Pentaeritol Tetrastearate)为搅齿造粒机的造粒添加剂。由于这种蜡在众多的聚合物配方中都用作润滑剂,它与这类聚合物具有相容性。他们引用一系列数据,把这种干法造粒产品的粒子强度及分散性与湿法造粒炭黑比拟较。
    (1)实验过程的简朴描述
    粉状炭黑,以热空气风送至带夹套加热的搅齿造粒机中。搅齿轴的转速为750r/mm。大约
100℃呈熔融状态的PETS蜡,经双流体喷咀雾化后,与粉状炭黑在造粒机中混合和初步造粒。然后,再把这种经初步造粒的含蜡炭黑送人产业用的大直径转鼓式造粒机中。这就相称于搅齿造粒机与转鼓造粒机相串联的加工方式。转鼓造粒机出口排出的产品,一部门作为母粒再回流到转鼓的人口。母粒回流量和转鼓的进料量相同。炭黑在转鼓中的温度约为60℃ ,在这个温度下蜡是呈熔融状态。转鼓造粒机的产品经螺旋输送机送至料仓,经冷却4~6h之后,装人容量为1000kg的太空包中。实验从含蜡量5%开始,逐步增加含蜡量,直到最大值为15%左右。这样,一共收集了24个太空包的造粒炭黑样品。
    为了对比,也用普通的搅齿造粒机进行湿法造粒。粉状炭黑在造粒机中与水混合并形成湿粒子,经旋转干燥机干燥之后,也送人料仓和装人太空包。因为湿法造粒所用的粉状炭黑与干法造粒的完全一样,因此,两种造粒品的造粒质量具有可比性。
    (2)含蜡量与造粒炭黑贮运机能
    由搅齿造粒机加水制备的湿法造粒炭黑以及不同含蜡量的干法产品的机能示于表5中。表中数据表明,对干法造粒的炭黑而言,跟着含蜡量的增加,颗粒的均匀尺寸增大,而细粉量减少。

    另外,一些强度指标,如堆积强度、单个粒子破碎强度(PCS,pellet crushing strensth)以及粒子耐磨损机能均跟着含蜡量的增加而改善。与湿法造粒炭黑比拟,含蜡干法造粒品(除了含蜡量最低的两个试样之外)的各项强度指标均得到全面进步,而细粉量亦少。
    无蜡干法造粒炭黑的堆积强度,可由图3所示的不同含蜡粒子的堆积强度数据的线性回归方程外延至蜡含量为0%时的纵坐标上的截距来估算。由图可见,无蜡干法造粒炭黑的堆积强度值为0.6±2.7kg,这远远低于湿法粒子的数值(5kg)。这种无蜡干法造粒炭黑在运输过程中很轻易破碎。当蜡含量超过2.5%时,这种干法炭黑粒子的堆积强度则高于普通的湿法造粒品。
(3)含蜡量与摇实密度
    如上所述,造粒炭黑的粒子强度和分散性与其密度呈明显的函数关系。造粒炭黑的真实密度不便于直接测定,可由尺寸为0.25~0.5mm范围的粒子摇实密度来评价。因为摇实密度测定的所
有造粒品均有相似的尺寸分布(0.25~0.5mm),粒子间隙体积也应具有可比性u引。因此,表6中的数据表明,摇实密度跟着含蜡量的增加而进步。然而,只有含蜡量最高的干法造粒炭黑的摇实密度才超过了湿法造粒品。表4中的“无蜡摇实密度”系指造粒炭黑中不含蜡的炭黑摇实密度。当含蜡在5.2%-14/5%范围内,这些无蜡摇实密度均是相似的,其均匀值为44+-6kg/m 。于是,可以得出结论,至少在所研究的含蜡量范围内,含蜡干法造粒炭黑的密度对蜡含量不敏感,约为湿法造粒炭黑的0.88 (422/477=0.88)。看来,与湿法粒子比拟,含蜡干法造粒炭黑的特点是,粒子强度较高,而炭黑密度又较低。这对贮运机能和分散机能都是有利的,也恰是人们所但愿的。
(4)含蜡量与分散性
    为了测定含蜡干法造粒炭黑在聚碳酸酯塑料中的分散性,分别用含蜡干法试样、普通湿法试样以及色母粒(含30%粉状炭黑)制备含1%炭黑的塑料分散体。
    尽管这些实验数据的规律性不很强,但仍可由分散体在挤出过程中筛网堵塞数量和压力增高(△P)情况,观测出它们在塑料体系中的宏观分散水平。含蜡造粒炭黑的分散性介于普通湿法造粒品及色母粒稀释料之间。干法造粒品的含蜡量对筛网堵塞数量及AP的影响不大。

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