26

УДК 631.811.9

Я.А. Калимон, О.О. Тригуба, В.Т. Яворський

Національний університет “Львівська політехніка”,

кафедра хімії і технології неорганічних речовин

НАНЕСЕННЯ СІРЧАНОГО ПОКРИТТЯ НА ГРАНУЛИ

МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ У АПАРАТІ “КИПЛЯЧОГО” ШАРУ

© Калимон Я.А., Тригуба О.О., Яворський В.Т., 2004

Встановлені умови нанесення сірчаного покриття на гранули мінеральних добрив у

апараті “киплячого” шару. Теоретично і експериментально визначені швидкість нагріву

гранул і коефіцієнт тепловіддачі від гарячого повітря до гранули в “киплячому” шарі.

Отримано розподіл температури в гранулі за нестаціонарного режиму нагріву. Одержані

залежності дозволяють максимально наблизитись до створення повної математичної

моделі процесу нанесення рівномірного і мікропористого сірчаного покриття на гранули

мінеральних добрив.

The condition of fixing a sulfuric covering on granules of the mineral fertilizers in a “boiling”

layer aparatus was installed. Theoretically and experimental is determined velocity of the heating the

granules and factor convection from warmed of the air to granule in "boiling" layer. The temperature

allocation in granule with non-stationary heating mode was received, that allows greatly approach

to making the full mathematical model of the process of fixing a sulfuric covering on granules

of the mineral fertilizers.

Постановка проблеми. У нашій країні, як і в багатьох інших, спостерігається стійкий

дефіцит сульфат-іонів у ґрунтах. Це пов’язано із значним виносом сірки з ґрунту (10–50 кг/га)

рослинами та невеликим поступленням її у ґрунт з мінеральними добривами.

Іншою важливою проблемою сільського господарства є запобігання вимивання мінеральних

добрив дощовими водами, вирішення якої досягається зменшенням швидкості розчинення добрив,

а саме їх гранулюванням та покриттям плівками різних речовин. Деякі покриття не тільки

пролонгують дію добрива, а й покращують їх фізико-хімічні властивості. Встановлено, що до таких

покрить належить сірка [1], яка, крім того, є поживною речовиною.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У літературі описаний спосіб створення сірчаного

покриття на гранулах мінеральних добрив, суть якого полягає у нанесенні порошкоподібної сірки

на поверхню попередньо нагрітих гранул до температури нижче їх плавлення [2]. Нанесене таким

чином на гранули мінеральних добрив сірчане покриття не повністю окутує гранулу, тому

недостатньо знижує гігроскопічність та злежуваність добрив. Інші автори мікрокапсулюють

добрива в плівку сірки [3]. Процес проводять нанесенням порошкоподібної сірки на сухі гранули з

подальшим оплавленням сірчаного покриття. Цей метод має теж суттєві недоліки: неможливість

одержання добрив з вмістом сірки більше 2,0–2,4 мас. %; оплавлення сірки на сухих гранулах

призводить до утворення непористої плівки, що утруднює розчинення добрив у ґрунті.

Мета досліджень полягала у встановленні умов нанесення на гранули мінеральних добрив

суцільного, проте мікропористого сірчаного покриття. Це дозволить розробити технологію

мінеральних добрив пролонгованої дії з покращаними агротехнічними і фізико-хімічними

властивостями.

Пошукові дослідження показали, що у “киплячому” шарі можна розплавити сірку на покритті

і за певних умов гранули не злипнуться між собою, а також здійснити кристалізацію сірки на

поверхні гранул. Залежно від температури повітря, що подається на псевдозрідження, часу

нагрівання, вологості гранул та кількості сірки на них, отримується покриття з різними

властивостями. Встановлено, що для одержання рівномірного і пористого покриття, температура

Lviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua

27

повітря, яке подається на псевдозрідження, повинна поступово і режимно спадати під час процесу;

час нагріву гранули до температури оплавлення повиний бути чітко фіксованим; кристалізацію

розплавленої сірки на гранулах проводити за певної температури повітря. Підсумовуючи окремі

залежності впливу різних чинників на процеси опудрення дрібнодисперсною сіркою гранул добрив,

оплавлення її на гранулах і кристалізацію, нами розроблена методика нанесення сірчаного покриття

на гранули мінеральних добрив у апараті “киплячого” шару. Процес нанесення сірчаного покриття

містить такі операції:

1) опудрення вологих гранул мінеральних добрив меленою сіркою у барабані-грануляторі.

Залежно від вологості добрив, на гранули може налипнути до 8 мас. %. сірки;

2) завантаження опудрених гранул в апарат “киплячого” шару, в який подається гаряче

(160…170 °С) повітря з витратою, що забезпечує “кипіння” гранул. Цю операцію проводять за

максимально короткий час;

3) режимне зниження температури повітря, що надходить в апарат “киплячого” шару, від

160…170 °С до 100…105 °С за 3–5 хв. За цей час проходить нагрівання гранул, плавлення сірки на

їх поверхні, часткове випаровування вологи і кристалізація сірки на гранулах добрив. Водяна пара,

що утворюється під час нагрівання вологих гранул, проходить через шар рідкої сірки, утворюючи

мікропори в сірчаному покритті. Кристалізацію сірки проводять за умови подальшого випарову-

вання водяної пари, що забезпечує збереження утворених мікропор;

4) сушіння добрива до вологості 0,7–0,8 % гарячим повітрям (100…105 °С) в апараті

“киплячого” шару з наступним охолодженням гранул у цьому ж апараті.

Досліджена швидкість нагріву гранул з сірчаним покриттям в умовах режимного зниження

температури гарячого повітря, що подавалось на псевдозрідження. Експерименти проводились так.

Опудрені гранули нітроамофоски висипали в апарат “киплячого” шару і знижували температуру

гарячого повітря із швидкістю приблизно 40 град/хв. Для досліджень була взята нітроамофоска з

розміром гранул 2–3 мм (середнє 2,48 мм). Маса нітроамофоски для разового завантаження – 23 г,

сірки на покритті – 1,15, вологи в гранулах – 0,345. Об’ємна витрата повітря становила 0,00125 м3/с.

Для визначення середньої температури гранул добриво “миттєво” висипали з апарата у термо-

ізольовану ємність, заповнену етиловим спиртом. Знаючи температуру спирту перед засипанням

гранул і вимірявши температуру його після висипання в нього добрива, за рівнянням теплового

балансу визначали середню температуру гранул (калориметричний метод). Етиловий спирт

найменше із доступних речовин розчиняє компоненти мінеральних добрив, тому на результати

досліджень практично не накладались теплові ефекти розчинення.

Рівняння теплового балансу:

Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 + Q7; (1)

Q1 = с1 ⋅ m1 ⋅ t1; (2)

Q2 = (с2 ⋅ m2 + с3 ⋅ m3 + с4 ⋅ m4) ⋅ tx; (3)

Q3 = с5 ⋅ m5 ⋅ t1; (4)

Q4 = с1 ⋅ m1 ⋅ t2; (5)

Q5 = (с2 ⋅ m2 + с3 ⋅ m3 + с4 ⋅ m4) ⋅ t2; (6)

Q6 = с5 ⋅ m5 ⋅ t2; (7)

Q7 = 0,02 ⋅ (Q1 + Q2 + Q3); (8)

де Q1, Q2, Q3 – фізична теплота перед засипанням добрива, відповідно, спирту, добрива і ємності;

Q4, Q5, Q6 – фізична теплота після засипання добрива, відповідно, спирту, добрива і ємності; Q7 –

втрати теплоти у довкілля; с1, с2, с3, с4, с5 – теплоємність, відповідно, спирту, нітроамофоски, води,

сірки, матеріалу ємності; m1, m2, m3, m4, m5 – маси, відповідно, спирту, нітроамофоски, води, сірки,

ємності; t1 – температура спирту і ємності (перед засипанням); t2 – температура спирту, добрива,

ємності (після засипання); tx – середня температура гранул (перед засипанням).

Lviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua

28

Результати досліджень наведені на рис. 1 (криві 1 і 3).

Рис. 1. Залежності температури повітря, що подається в апарат

“киплячого” шару (крива 1), розрахункової середньої температури гранул (крива 2)

та експериментально визначеної температури гранул (крива 3) від часу нагріву

Процес тепловіддачі від газу до твердого тіла в апараті “киплячого” шару достатньо

вивчений. Тому ми скористались відомими залежностаями і розрахували коефіцієнт тепловіддачі

від нагрітого повітря до гранули у апараті “киплячого” шару. Розрахунки проводили так:

α1= Nu⋅λпов/dгр, (9)

де α1 – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2⋅ град); Nu – критерій Нуссельта; λпов – теплопровідність

повітря, λпов =0,0342 Вт/(м⋅град) за 140 °С; dгр – діаметр гранул, dгр = 2,48⋅10-3 м.

Критерій Рейнольдса:

Re = Ar/(1400+5,22 Ar ), (10)

де Ar – критерій Архімеда;

Ar = d3гр⋅ρпов⋅g⋅ρгр/µ

2пов, (11)

де ρпов – густина повітря за 140 °С, ρпов = 0,877 кг/м3; g – прискорення вільного падіння,

g = 9,81 м/с2; ρгр – густина нітроамофоски, ρгр = 1960 кг/м3; µпов – в’язкість повітря за 140 °С,

µпов = 2,34⋅10-5кг/(м⋅с); Ar =(2,48)3⋅10-9⋅0,877⋅9,81⋅1960/(2,34)2⋅10-10 = 469729,74;

Re = 469729,74 / (1400+5,22 74,469729 )=94,4.

Критерій Прандтля:

Pr = Спов⋅µпов/λпов, (12)

де Спов – теплоємність повітря за 140 °С, Спов = 1016,913 Дж/(кг⋅град);

Pr = 1016,913⋅2,34⋅10-5 / 0,0342 = 0,69578.

Критерій Нуссельта:

Nu = 0,5⋅Re0.5⋅Pr0.38(Pr/Prw)0.25 для 5 ≤ Re ≤ 103; (13)

(Pr/Prw)0.25 – дорівнює 1, тому що гранула обдувається повітрям зі всіх боків рівномірно.

Nu = 0,5⋅(94,4)0,5⋅(0,69578)0,38⋅1 = 4,234;

Тоді α1 = 4,234⋅0,0342/2,48⋅10-3 = 58,39 Вт/(м⋅град).

Поверхня гранул нітроамофоски, опудрена меленою сіркою, є шорохувата. Це означає, що

товщина нерухомої газової плівки, що оточує опудрену гранулу, очевидно, є більшою, а коефіцієнт

тепловіддачі є меншим, ніж за тепловіддачі від газу до гладкої поверхні. Крім того, при нагріванні

вологих опудрених добрив відбувається випаровування води і тому швидкість їх нагрівання буде

меншою, ніж сухих добрив. Наведене вище зумовило необхідність провести спеціальні досліджен-

ня з метою уточнення коефіцієнта тепловіддачі.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

t,0C

τ, с

1 2

3

Lviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua

29

Цей нагрів можна уподібнити до нестаціонарного режиму теплопередачі. Для того, щоб

знайти модель цього процесу, потрібно мати: коефіцієнт теплопровідності λ і теплоємність

нітроамофоски с; коефіцієнт тепловіддачі α і, головне, розподіл температур у гранулі за

нестаціонарного режиму теплопередачі. При розрахунках ми зробили такі допущення:

– гранула нітроамофоски є сферичної форми;

– товщина плівки сірки і води є набагато меншою, ніж радіус гранул, і не впливає на

теплопередачу в гранулі.

Користуючись графоаналітичним методом для теплопровідності в нестаціонарному режимі

[4], розрахували зміну температури на поверхні (t3) і всередині гранули (t4). Результати наведені в

таблиці.

Розподіл температур в гранулі нітроамофоски діаметром 2,48⋅10-3

м

за нестаціонарного режиму теплопередачі

Температура гранули, °С Час нагріву гранули в

апараті “киплячого”

шару τ, с на поверхні t3 всередині t4 середня t5

0 20,0 20,0 20,0

5 58,5 49,6 54,1

10 85,9 72,4 79,2

15 105,0 89,8 97,4

20 118,0 102,0 110,0

30 131,6 119,4 125,5

45 136,0 129,3 132,7

Розрахувавши t5 = (t3 + t4)/2, одержали теоретичну криву 2 (рис. 1). Як видно з рис. 1, крива 2

проходить вище від кривої 3, тобто швидкість нагрівання і коефіцієнт тепловіддачі, розраховані за

критеріальними рівняннями, є більшими, ніж експериментально отримані.

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі (α2) на основі експериментальних досліджень проводи-

ли за такою методикою:

α2 = Q8/(∆t1 ⋅F), (14)

де Q8 – кількість теплоти на нагрів однієї гранули за 1 с, Дж/с; ∆t1 – середня рушійна сила

нагрівання, °С; F – площа поверхні однієї гранули, м2.

Кількість теплоти на нагрів однієї гранули за 1 с становить:

Q8 = (с2 ⋅ m2 + с3 ⋅ m3 + с4 ⋅ m4)⋅∆t2 /(τ⋅n), (15)

де ∆t2 – збільшення температури гранули всередині за час τ; n – кількість гранул, шт.

Середня рушійна сила процесу:

∆t1 = (t6 + t7)/ 2 (16)

t6 = t8 – t3 (17)

t7 = t9 – t3

′ (18)

де t8, t9 – температура повітря, відповідно, початкова і кінцева за час τ, °С; t3, t3

′ – температура на

поверхні гранули відповідно початкова і кінцева за час τ, °С.

Результати наведені на рис. 2.

Характер кривої на рис. 2 показує, що в початковий момент нагрівання гранули (до 25–30 с,

що відповідає температурі 75…80 °С) коефіцієнт тепловіддачі α2 є постійним і становить при-

близно 38 Вт/(м2⋅град). З плином часу температура гранул підвищується і коефіцієнт тепловіддачі

різко падає. Такий характер залежності можна пояснити так. У діапазоні низьких температур

(20…80 °С) вся підведена теплота до гранули добрива витрачається на її нагрівання. З підвищенням

температури гранул різко зростає частка теплоти, що витрачається на випаровування води з

поверхні гранул, а це неминуче призводить до зменшення швидкості нагрівання гранули і падіння

Lviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua

30

α2. Порівняння значень коефіцієнта тепловіддачі, отриманого на основі критеріальних рівнянь і

експериментально визначеного, показує, що перший є приблизно у 1,5 раза більшим, ніж другий.

Цей факт, очевидно, можна пояснити двома причинами:

1) опудрена гранула є шорохуватою і це призводить до збільшення товщини газової плівки,

що окутує гранулу, а відтак, до зменшення коефіцієнта тепловіддачі;

2) сірчане покриття до оплавлення є рихлим: теплопровідність сірки, яка є значно меншою,

ніж нітроамофоски, ще падає за рахунок пустот, заповнених повітрям.

Рис. 2. Залежність коефіцієнта тепловіддачі від газу до поверхні гранул

(α2, Вт/(м2⋅град) від часу нагріву їх у апараті “киплячого” шару (τ, с)

Обстеження під мікроскопом сірчаних покрить, нанесених на гранули мінеральних добрив в

апараті “киплячого” шару, показали, що вони є суцільними, а на їх поверхні чітко видно мікропори.

Зрізи гранул свідчать про рівномірність (однакову товщину) покриття. Фізико-хімічні властивості

таких гранул і процес сушіння в апараті “киплячого” шару будуть вивчені у наступних наших

дослідженнях.

Висновок. Проведені дослідження дали змогу: виявити закономірності нанесення рівно-

мірного мікропористого покриття на гранули мінеральних добрив в апараті “киплячого” шару;

встановити дійсні значення коефіцієнта тепловіддачі від повітря до поверхні гранул під час

нагрівання їх у апараті “киплячого” шару; розрахувати розподіл температур у гранулі за

нестаціонарного режиму нагрівання. Це дало можливість максимально наблизитись до створення

математичної моделі та оптимального технологічного режиму процесу нанесення сірчаного

покриття на гранули мінеральних добрив у апараті “киплячого” шару.

1. Степанюк Л.С., Калымон Я.А., Брандыбура И.М. Изучение гигроскопичности серосодер-

жащих удобрений // Вестн. Львов. политехн. ин-та. – 1987. – № 211. 2. Чеховский А.И. и др.

Применение элементарной серы в производстве кормовых средств и удобрений // Хим. Промыш-

ленность. – 1974. – № 3. 3. А. с. 1079647 СССР. Способ микрокапсулирования удобрений в оболочку

серы / И.М. Плехов, Э.И. Левданский, В.И. Лобачевский, В.С. Стрельченок, Г.А. Усов. – Опубл. В.И. –

1984. – № 10. 4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60τ

α2

Lviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua