Granulacja – proces wciąż ważny

pellets-1Pod pojęciem granulacji rozumie się wytwarzanie cząstek stałych o odpowiednim kształcie, wymiarach oraz własnościach fizyko-chemicznych. Wieloznaczność tej definicji powoduje, że mieszczą się w niej różne, często istotnie odmienne, sposoby otrzymywania takich produktów. Mogą one być powiązane z innymi operacjami jednostkowymi, takimi jak krystalizacja czy suszenie. Z tych powodów trudno jest przedstawić prostą klasyfikację, czy też podział metod granulacji, chociaż niektórzy autorzy opracowań próbują tego dokonać.

 

Granulacja – proces wciąż ważny

 

Prof. dr habil., inż. Andrzej Heim

 

Katedra Aparatury Procesowej, Politechniki Łódzkiej

Katedra Inżynierii Środowiska, Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Kaliszu

Przewodniczący Komitetu Naukowego

 

Pod pojęciem granulacji rozumie się wytwarzanie cząstek stałych o odpowiednim kształcie, wymiarach oraz własnościach fizyko-chemicznych. Wieloznaczność tej definicji powoduje, że mieszczą się w niej różne, często istotnie odmienne, sposoby otrzymywania takich produktów. Mogą one być powiązane z innymi operacjami jednostkowymi, takimi jak krystalizacja czy suszenie. Z tych powodów trudno jest przedstawić prostą klasyfikację, czy też podział metod granulacji, chociaż niektórzy autorzy opracowań próbują tego dokonać.

Do tworzenia granulek jako surowiec może być użyty materiał w postaci stopionej, który rozpylany na odpowiedniej wielkości krople i chłodzony może krystalizować w formie mniej lub bardziej regularnych kulek. W taki sposób przykładowo można otrzymywać krystaliczną siarkę a proces prowadzi się w tzw. granulatorach wieżowych, w których w górnej części aparatu rozpyla się stop, a od dołu tłoczy z odpowiednią prędkością powietrze. W podobny sposób i w podobnej aparaturze można realizować proces granulacji z zawiesiny, w połączeniu z procesem suszenia i procesem aglomeracji (łączenia się w większe granulki) powstających w pierwszym etapie drobnych cząstek ( w wyniku ich zderzeń).

Proces granulacji z zawiesiny może być też prowadzony w mieszalnikach z mieszadłami mechanicznymi (zaopatrzonych zwykle w płaszcz grzejny), w których w wyniku odparowania cieczy układ przybiera formę najpierw pasty a potem ciała stałego, w sposób ciągły rozdrabnianego, na zwykle nieregularne aglomeraty.

Najczęściej jednak granulację prowadzi się używając jako surowca drobnych cząstek stałych (proszku, pyłu) a produktem są większe wymiarowo granulki, będące aglomeratami tych cząstek pierwotnych. Procesowo i aparaturowo taka operacja może być różnie realizowana. Często rozróżnia się w tym przypadku granulację bezciśnieniową i ciśnieniową. Granulacja bezciśnieniowa może być prowadzona w złożu fluidalnym lub w swobodnie przesypującej się warstwie materiału granulowanego (aparaty bębnowe, talerzowe, wibracyjne). W granulacji ciśnieniowej (pastylkowanie, brykietowanie, prasowanie) wykorzystuje się zwiększone ciśnienie, powodujące umacnianie mechaniczne określonych porcji ziaren pierwotnych, w wyniku zbliżenia tych ziaren do siebie i często ich deformacji plastycznej. W niektórych przypadkach stosuje się podwyższenie temperatury granulowanego ciśnieniowo materiału, co może wynikać z pewnych wymogów technologicznych, bądź użytkowych przyszłego produktu (przykładowo ekstrudery stosowane w przemyśle przetwórczym środków spożywczych). Jeżeli granulacji podlegają surowce proszkowe, to niezależnie od tego, czy jest to granulacja ciśnieniowa, czy bezciśnieniowa, wykorzystuje się w procesie aglomeracji ciecz wiążącą. Może ona ułatwiać zbliżenie cząstek pierwotnych jedynie w czasie granulacji, albo też wywoływać trwałe siły spójności, zwiększające wytrzymałość połączeń między ziarnami pierwotnymi również po wysuszeniu produktu.

Omówione wyżej różne sposoby granulacji pokazują wyraźnie jak bardzo odmienne są mechanizmy i zjawiska fizyko-chemiczne jakie występują w poszczególnych przypadkach. Świadczy to o obszerności pola badawczego ogólnie rozumianej granulacji. O jej znaczeniu i ważności świadczą cechy wyróżniające formę granulowaną surowców i produktów w porównaniu z formą proszkową (pylistą). Do najistotniejszych zalet tej pierwszej można zaliczyć:

1) Wyeliminowanie w dużym stopniu pylenia w czasie manipulacji tymi materiałami.

2) Uniknięcie kłopotliwego zbrylania się materiału.

3) Korzystniejsze zachowanie się materiałów zgranulowanych w czasie transportu w przenośnikach i przy dozowaniu.

4) Zapobieganie segregacji w materiałach wieloskładnikowych.

Ponadto odpowiednio formowane 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 nakładane są w formie warstw powierzchniowych, co determinuje kolejne ich uwalnianie w wyniku rozpuszczania.

Granulacja jest stosowana aby uzyskać wygodną, akceptowalną przez użytkowników końcową formę produktu, ale też często są granulowane surowce, bądź półprodukty, aby ułatwić, bądź nawet umożliwić ich stosowanie w odpowiednich technologiach. Przykładem może być granulowanie surowców, czy odpadów kopalnianych, przed ich 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 w szczególności nawozów sztucznych, ale równie często stosujemy tą operację jednostkową w przetwórstwie żywności, tak dla ludzi jak i dla zwierząt, czy też szeroko pojętej produkcji stałych surowców energetycznych. Wykorzystuje się ją również w wielu technologiach związanych z inżynierią środowiska.

W kontekście powyższych stwierdzeń nie dziwi to, że granulacja tak z punktu widzenia procesowego jak i aparaturowego znajduje się w centrum zainteresowania wielu naukowych grup badawczych na całym świecie. 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. 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 Forum AIChE. W Polsce tą tematyką zajmują lub zajmowały się grupy badawcze w kilkunastu ośrodkach, min. W Instytucie Nawozów Sztucznych w Puławach, Instytucie Chemii Przemysłowej w Warszawie, Instytucie Przemysłu Organicznego w Warszawie, Instytucie Szkła i Ceramiki w Warszawie, Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Instytucie Chemii Nieorganicznej w Gliwicach, AGH w Krakowie, Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie, Politechnikach: Białostockiej, Łódzkiej, Warszawskiej i Wrocławskiej.

Doceniając ważność prac badawczo-wdrożeniowych dotyczących procesu granulacji ówcześni decydenci, na przełomie lat 1970-80, ustanowili, finansowany z budżetu państwa, a dotyczący tej tematyki, problem badawczy w ramach Problemu Węzłowego 03.07 „Inżynieria i aparatura chemiczna oraz systemy sterowania i projektowania instalacji chemicznych". Był on koordynowany przez Instytut Nawozów Sztucznych w Puławach, a rezultaty prac kilku zespołów w nim uczestniczących były prezentowane na zorganizowanym w Puławach w r. 1982 sympozjum pt. „Granulacja – stan techniki i perspektywy rozwoju procesów i aparatury". Nadano mu numer I i był to początek cyklicznych już spotkań naukowców i praktyków zainteresowanych tą tematyką. W roku 2012 odbędzie się już takie IX sympozjum. Tradycyjnie zawsze ma ono miejsce w Puławach lub w najbliższej okolicy (Kazimierz Dolny, Nałęczów), a głównym organizatorem (trzeba przyznać wzorowym) jest miejscowy Oddział SITPChem, przy współpracy z Instytutem Nawozów Sztucznych, Spółką PROZAP i Zakładami Azotowymi w Puławach, oraz od pewnego czasu z Politechniką Łódzką. Spotykają się na nich przedstawiciele ośrodków badawczych z takich dyscyplin i specjalności jak: inżynieria chemiczna i procesowa, technologia chemiczna, aparatura procesowa, przetwórstwo kopalin, przetwórstwo rolno-spożywcze oraz inżynieria środowiska. We wszystkich sympozjach ze strony przemysłu uczestniczyli przedstawiciele Zakładów Azotowych w Puławach, Zakładów Azotowych w Kędzierzynie i Zakładów Azotowych (obecnie „Anwil") Włocławek, a w pierwszych sympozjach min.: Przedsiębiorstwa Zagospodarowania Odpadów Elektrownianych w Katowicach, Biura Projektów PROZAP Puławy, Biura Projektowo-Konstrukcyjnego Zakładów Azotowych „Kędzierzyn". Przeciętnie w dotychczasowych sympozjach uczestniczyło po ok. 60 osób i było prezentowanych po kilkanaście referatów.

Bardzo ważną i cenną cechą tych sympozjów jest duży w nich udział przedstawicieli przemysłu i jest to udział w pełni merytorycznie czynny. Stanowią oni zwykle ponad 50% uczestników i przedstawiają przeciętnie ok. 40% referatów. Prezentują tak wyniki własnych doświadczeń, jak i przedstawiają istotne problemy na jakie napotykają w swoich zakładach produkcyjnych. Rzadko w Polsce organizowane są takie spotkania na których naukowcy i praktycy mają okazję wymienić między sobą opinie i przedstawić z jednej strony wyniki badań a z drugiej strony rzeczywiste potrzeby w danej tematyce. Dyskusja w tym gronie daje również możliwość ukierunkowania dalszych prac badawczych w ośrodkach naukowych.

Niesłabnące zainteresowanie sympozjum, na co wskazuje znaczny wzrost liczby uczestników i referatów na tegorocznym spotkaniu, świadczy o jego celowości co, o czym jestem przekonany, satysfakcjonuje organizatorów i w pewnym sensie zobowiązuje do kontynuowania tej idei.

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

Sponsorzy

LOGO GRUPA AZOTY Pulawy

logo ins

prozap logo grupa pulawy 100

ARKEMA logo rgb