Granulacja w teorii i w praktyce

heim-andrzej-2015Proces granulacji najogólniej rozumiany jest jako wytwarzanie cząstek stałych o odpowiednim kształcie, wymiarach i właściwościach fizyko-chemicznych. W definicji tej mieści się wiele, często odmiennych sposobów otrzymywania takich produktów. Chociaż z założenia otrzymane granulki mają być w stanie stałym, to można je uzyskiwać ze stopu, zawiesiny lub z proszku (pyłu). Wprzypadku stopu lub zawiesiny proces najczęściej jest re-alizowany w złożu fluidalnym i może być powiązany z wymianą ciepła, krystalizacją czy też odparowaniem. W warstwie fluidalnej następuje ponadto zderzanie drobnych cząstek, w rezultacie czego może dochodzić do ich łączenia (aglomeracji). Granulacja z zawiesiny może być również prowadzona w aparatach z mieszadłami mechanicznymi, zwykle zaopatrzonymi w płaszcz grzejny, w których w wyniku odparowania cieczy układ przybiera najpierw formę pasty, a potem ciała stałego, w sposób ciągły rozdrabnianego na zwykle nieregularne aglomeraty.

 

 prof. dr hab. inż.
Andrzej Heim
Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska
Politechniki Łódzkiej, Wydział Politechniczny
Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Kaliszu

 

Granulacja ciśnieniowa a bezciśnieniowa

Najczęściej jednak granulację prowadzi się, używając jako surowca drobnych cząstek stałych (proszku, pyłu), a produktem są większe wymiarowo granulki, będące aglomeratami tych cząstek pierwotnych. Taka granulacja aglomeracyjna może być realizowana bezciśnieniowo lub ciśnieniowo. W pierwszym przypadku proces prowadzi się w złożu fluidalnym lub w przesypującej się warstwie materiału granulowanego (aparaty bębnowe, talerzowe, wibracyjne). W granulacji ciśnieniowej (pastylkowanie, brykietowanie, prasowanie) wytworzenie wysokiego ciśnienia w zamkniętych porcjach materiału powoduje wzajemne zbliżanie się ziaren pierwotnych i ich deformację plastyczną, a w konsekwencji powstawanie odpowiednio wytrzymałych mechanicznie aglomeratów. W granulacji bezciśnieniowej, a często również w granulacji ciśnieniowej, gdy surowcem są proszki (pyły), stosuje się dodatkowo ciecz wiążącą, ułatwiającą proces aglomeracji, która na dalszym etapie technologicznym jest odparowywana. Porównując granulację ciśnieniową i bezciśnieniową, trzeba stwierdzić, że urządzenia do granulacji ciśnieniowej są znacznie bardziej rozbudowane konstrukcyjnie, ich cena jest wysoka, a nakłady energetyczne dużo wyższe w porównaniu z aparatami do granulacji bezciśnieniowej. Natomiast produkty granulacji ciśnieniowej charakteryzują się identycznością kształtu i wielkości oraz znacznie wyższą wytrzymałością mechaniczną.

Zalety i funkcje granulacji

Forma zgranulowana materiału w porównaniu z formą proszkową (pylistą) posiada istotne zalety: w dużym stopniu eliminuje pylenie w czasie manipulacji tymi materiałami, pozwala uniknąć kłopotliwego zbrylania się materiału, wpływa na korzystniejsze zachowanie się materiałów zgranulowanych w czasie transportu w przenośnikach i przy dozowaniu, a także zapobiega segregacji w materiałach wieloskładnikowych. Ponadto odpowiednio uformowane granulki dają możliwość uzyskania odmiennych właściwości dotyczących szybkości ich rozpuszczania. Klasyczne metody granulacji bezciśnieniowej są też stosowane do wytwarzania granulek wieloskładnikowych w takiej postaci, że poszczególne składniki są nakładane w formie warstw powierzchniowych, co determinuje ich uwalnianie w wyniku rozpuszczania. Granulacja jest stosowana w celu uzyskania wygodnej, akceptowanej przez użytkowników końcowej formy produktu, ale często granulowane są również surowce lub półprodukty, aby ułatwić bądź nawet umożliwić ich stosowanie w odpowiednich technologiach. Przykładem może być granulowanie surowców czy odpadów kopalnianych przed ich dalszym przetworzeniem, jak również stałych biopaliw współspalanych w konwencjonalnych piecach energetycznych. Granulację produktów stosuje się w wielu technologiach wytwórczych. Ze względu na wielkość produkcji dominuje przemysł chemiczny (nawozy sztuczne) i farmaceutyczny, ale równie często ta operacja jednostkowa stosowana jest w przetwórstwie żywności, tak dla ludzi, jak i dla zwierząt, czy też szeroko pojętej produkcji stałych surowców energetycznych. Wykorzystuje się ją także w wielu technologiach związanych z inżynierią środowiska.

Granulacja w centrum uwagi

W kontekście powyższych stwierdzeń nie dziwi, że granulacja – tak punktu widzenia procesowego, jak aparaturowego – znajduje się w centrum zainteresowania wielu naukowych grup badawczych. Tematyka ta najczęściej występuje w obszarze inżynierii chemicznej i procesowej, ale ma również swoje miejsce w grupach specjalistów z przetwórstwa kopalin oraz przetwórstwa rolno-spożywczego. Prowadzone w różnych ośrodkach naukowych badania dotyczą w szczególności takich zagadnień, jak analiza sił spójności między ziarnami, zarówno suchymi, jak i przy powstających mostkach cieczowych, wzajemne zachowanie się kropel cieczy i cząstek granulowanych przy ich kontakcie, mechanizmy tworzenia i niszczenia aglomeratów na różnych etapach procesu, przemieszczanie się materiału granulowanego w aparatach różnych typów (fluidyzacyjne, przesypowe, ciśnieniowe), w tym kinematyka i dynamika złoża, kinetyka procesu aglomeracji bezciśnieniowej, rozumiana jako zmiana w czasie średniego wymiaru aglomeratu i wpływ na tą kinetykę parametrów procesowoaparaturowych, wreszcie – wpływ warunków prowadzenia granulacji na właściwości produktu, tj. wytrzymałość granulek, a w przypadku granulacji bezciśnieniowej ich kształt, wielkość i jednorodność. W przeszłości dominowały w badaniach metody eksperymentalne. Ostatnio coraz częściej prowadzi się symulacje numeryczne, w szczególności dynamiki cząstek czy przemieszczania się wilgoci w granulkach oraz w złożu. W skali światowej odbywają się cykliczne konferencje dotyczące procesu granulacji pod nazwą „International Symposium on Agglomeration”, firmowane przez European Federation of
Chemical Engineering, Society of Powder Technology of Japan oraz Particle Technology AIChE. W Polsce tematyka ta występuje na różnych konferencjach, jednak wiodące jest tutaj sympozjum pt. „Granulacja – stan techniki i perspektywy rozwoju procesów i aparatury”, organizowane od 1982 roku. Spotykają się na nim przedstawiciele ośrodków badawczych oraz zakładów przemysłowych zainteresowani tematyką granulacji. Głównym organizatorem od pierwszej edycji jest Oddział SITPChem w Puławach, przy współpracy z Instytutem Nowych Syntez Chemicznych, spółką PROZAP i Zakładami Azotowymi w Puławach, a ostatnio również z Politechniką Łódzką i Komitetem Inżynierii Chemicznej i Procesowej PAN. Jubileuszowe X Sympozjum odbędzie się w maju 2015 roku w Nałęczowie.

Rynek Inwestycji, nr 8/2015. PDF

Kalendarium

Komitet naukowy

  • prof. dr hab. inż. Andrzej HEIM – Politechnika Łódzka
  • prof. dr hab. inż. Andrzej BIŃ – Politechnika Warszawska
  • prof. dr hab. inż. Marek HRYNIEWICZ – AGH Kraków
  • prof. dr hab. inż. Wojciech WEINER– UTP Bydgoszcz
  • prof. dr hab. Inż. Roman HEJFT Politechnika Białostocka
  • dr inż. Andrzej BISKUPSKI – Politechnika Wrocławska
  • prof. dr hab. inż. Janusz Igras - Instytut Nowych Syntez Chemicznych