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          硫磺造粒技術

           

          作者:陳 剛 (南京三普造粒裝備有限公司 郵編:210012)
            摘自:《粉體工程設計》1999年第1期
           ?。壅蓦S著我國進口油用量的不斷增加,人類環保意識的日益強化,以及因工業生產整體水平的提高而對原材料外觀質量的要求更加苛刻,本文從資源、市場、環保、技術等多方面闡述了硫磺造粒的必要性和充分條件,詳細介紹了CF型回轉帶式冷凝造粒機的工作原理、性能特點、工藝配置及其在硫磺造粒生產過程中的應用。
            一、概述:
            硫及其硫化物、硫酸鹽產品是無機鹽工業中的一個多品種系列,直接品種多達60余種,以此為原料的派生產品無計其數。在石油、紡織、橡膠、冶金、日化、涂料、染料、農藥、肥料、造紙、電鍍、水處理等方面已廣泛使用并發揮著重要作用。隨著各產業部門工業技術的整體進步,國內外在環境保護方面的要求、法規等逐漸嚴格、完善,對石油烴的脫硫、煙道氣脫硫以及其它廢料中的回收硫的綜合利用必將日益得到重視??梢詳嘌?,回收硫磺在現代工業的硫化物、硫酸鹽及其硫系列派生產品的生產上,將成為主要的原料來源;而傳統的獲取硫的生產工藝或方法,將因生產成本、環保等諸多方面的因素而逐漸減少原有的市場份額。
            1、國內外現狀:
            環保問題,是二十一世紀全球面臨的主要問題之一。發展中的中國工業,面臨著巨大的壓力。我們必須面對現實,承認差距,迎頭趕上。
            在回收硫的技術及其對硫的綜合利用等方面,國外發達國家在近二十年中已發生了很大變化。例如,大規模的廢氣脫硫工業裝置已達60000立方米/小時以上,除硫率大于98%;硫磺冷凝造粒技術得到了廣泛應用,其生產過程的操作條件及環境、產品的最終形態及性能都得到了大大改善;利用回收硫直接生產高附加值的含硫產品的工藝技術多種多樣;硫酸工業采用硫磺制酸的比重已達60%以上,環境污染得到有效控制。
            近幾年,我國在硫磺回收與利用方面,已取得了較大的成績 ,但與國外發達國家相比仍存在不小的差距。主要原因是由于環保意識不強,各類生產裝置的規模較小,因此長期以來對硫的回收與利用重視不夠,有的甚至處于不回收、不利用的狀態。隨著各類生產裝置規模的擴大,以及高含硫的進口油用量的增加,硫的回收與利用問題已迫切地擺在了我們面前,而傳統的處理方式已不能適應大規?;厥樟康纳a要求。因此,個別企業已不得不花費大量外匯引進國外先進技術和裝備,但這對絕大多數企業來說卻難以承受。另一方面,由于我們對硫磺的市場開發工作重視不夠,對其市場前景信心不足,這也影響了對硫的回收與綜合利用的技術開發和技術改造工作。由于硫磺對我們石化企業而言僅僅是一種回收的副產品,或者說是因環保的需要而不得不回收的副產品。這種基本觀念的定位,必然仿礙技術改造和技術進步,導致產品檔次不高、市場開發不力,形成惡性循環。而與此形成鮮明對比的是,國外的顆粒狀硫磺(如加拿大殼牌公司的產品)卻隨處可見,大量進入我國市場。據有關資料統計,我國的硫酸工業自1978年以來產量一直居世界第三位,但目前采用硫磺法制酸的僅占2%(國外為60%),其余為硫鐵礦制酸占83%,冶金煙氣制酸占15%。而采用硫磺法制酸,占地、投資均最少,生產工藝簡短,產品質量穩定,三廢極少,生產成本也低。上海硫酸廠改用硫磺制酸工藝已多年,取得了較好的社會、經濟效益。隨著企業環保意識和綜合管理的強化,我國硫酸工業這一領域,就是回收硫磺的一大潛在市場。值得高興的是,我們石化企業的個別廠家已開始策劃與硫酸廠的合作開發事宜。這將為回收硫磺生產廠家探索出一條新路,也將對我國傳統工業的改造及工業整體技術水平的提高作出積極的貢獻。
            2、造粒的必要、充分條件:
            眾所周知,硫磺屬二級易燃固體,比重為1.92~2.07,熔點為112.8~120℃,燃燒溫度為248~261℃。硫磺粉末在空氣中,或與氧化劑混合極易燃燒、甚至爆炸,其燃燒溫度只有190℃。同時,在生產現場操作長期吸入粉塵后,易疲勞、頭痛、多汗、失眠、心區疼痛不適、消化不良等現象。生產中最高允許濃度為 2mg/m3 。
            硫磺造粒的必要性主要體現在如下幾個方面:
            其一,石化企業的各類裝置要達到經濟規模運行,以增強產品參與國際市場競爭的能力,進一步擴大生產裝置規模已是必然。規模的擴大及高含硫量原油的增加,都將使得回收硫的處理量相應增加。而原來的生產方式很難滿足大規模生產的需要。
            其二,環保要求將更加嚴格,大處理量的硫必須回收。
            其三,粉狀、不規則塊狀或片狀硫磺,很難與國外同類產品競爭。因規則的顆粒狀硫磺,在使用過程中粉塵極低,流動性、計量性能好,便于分散與溶解,性能穩定等特點,因此具有較強的競爭力。
            其四,采用回轉帶式冷凝造粒技術,有利于改善硫磺生產現場的操作條件和環境,使造粒、輸送、包裝的過程的粉塵含量得到有效控制。而傳統的轉鼓冷卻刮片的處理方式,在對大處理量的硫磺生產過程中,很難達到規定的硫磺粉塵含量控制指標。
            目前,在我國對硫磺實施造粒的條件已經基本具備,其主要體現在如下幾個方面:
            其一,在國外顆粒硫磺產品對我國市場的影響、推動下,國內相關產業對顆粒硫磺的認識已有了相當的基礎,對高質量、低粉塵的硫磺有了更迫切的需求。國內市場基本趨于成熟。
            其二,國內石化企業綜合利用回收的硫磺及其硫系列產品,成本較低、質量穩定可靠,在市場上具有相當的競爭力。
            其三,國產化的硫磺造粒技術及其成套裝備已更加成熟、可靠,并且已經在包括硫磺在內的多種產品上得到應用。國產化裝備將為硫磺行業的使用廠家提供更便捷、更良好的售后服務保障。而最關鍵的是國產化設備較低的價位,將為企業節省大量的投資。使絕大多數企業用得起,用得稱心。
            二、回轉帶式冷凝造粒技術介紹:
            化工部化機院南京新型粉體工程研究所從1990年開始從事CF型回轉帶式冷凝造粒技術及其成套工藝裝備的研究、開發,1995年正式完成產品定型并同時推向市場。截止目前,CF系列產品在全國各行業多種物料體系上的應用總數已達50余臺套。并且得到了德國、英國等世界著名公司的認可、采購和使用,受到了較高的評價。
            南京新型粉體工程研究所是固體物料后處理技術及其裝備為專業發展方向的科、工、貿相結合的一體化實體。在回轉帶式冷凝造粒技術及其成套裝備的開發方面,我們是國內起步最早,并且是唯一走過從市場調研、技術開發、產品制造與定型全過程,并最早投入工業應用的研制單位。在該產品的開發上,我們先后獲得四項專利。
            下面結合我們多年來的技術實踐、體會和認識,對回轉帶式冷凝造粒技術及裝備作一詳細介紹。
            1、工作原理:
            眾所周知,低熔點物料(通常指熔點在40-300℃之間的物料)在熔融狀態下具有可流動性,在常溫下呈固態形式。在熔點以上,物料的粘度、表面張力隨溫度的變化而變化。當我們將熔融液間斷地滴落在平板上,由于液體的表面張力的作用,液滴在板上呈半球狀,經冷卻后得到半球狀的固體顆粒。日本《造粒便覽》將此物理過程稱之為“板上滴下自然落模成型造粒法”。根據這一原理,我們研制、開發了CF型回轉帶式冷凝造粒技術及其裝置,其工作原理見圖一。
            CF型造粒機主要由以下幾部分組成:①布料器,見圖二;②鋼帶輸送系統;③噴淋冷卻系統;④操作控制系統(溫度、速度控制)。其工作原理為:熔融物料連續進入被恒溫控制的布料器內,并由該裝置將熔融料經壓力均布后沿鋼帶寬度范圍向下轉化為斷續滴落的液滴,同時滴落在其下方勻速移動的鋼帶上。在鋼帶下設有霧化噴淋冷卻裝置,使滴落在鋼帶上面的物料經薄鋼帶傳熱并在移動、輸送的過程中得到強制冷卻固化。從而形成規則的半球狀顆粒產品。根據成型和物性的需要,布料器可選擇斷續滴落、連續出條和全寬度溢流的形式,從而可分別得到半球狀、條狀和不規則片狀產品。
            從布料器滴出到卸料端,熔融物料在鋼帶上的冷卻過程一般分為三個階段(見圖一):第一階段為預冷過程,此時隨冷卻時間的延長,物料由造粒溫度逐漸被冷卻至固化點的溫度。第二階段為固化過程,物料由液態開始凝固到完全固化,此過程對一般物料而言其溫度基本維持不變。第三階段為固體物料的冷卻、硬化過程,此過程隨著冷卻的進行,固體物料將得到進一步的冷卻、降溫和硬化。針對具體物料的特性,這三個階段的時間各不相同。根據物料在造粒機鋼帶由液態到固態的變化過程,我們建立了一個數學模型,見圖三。這可指導我們確定物料的冷卻、固化時間,根據所要求的生產能力計算出鋼帶所需的傳熱面積,并選用具體的機型。為計算簡化,我們對這一模型作三點假設:①物料滴是與一個無窮大的恒溫平板進行熱交換;②忽略物料滴與大氣之間的熱交換;③忽略薄鋼帶的熱阻。通過上述簡化,我們得到如下三個關系:
            熔融液預冷時間 θl〔S〕: (tl-tk) / (tc-tk)=exp(h1θl / lClρl)
            恒溫固化時間 θc〔S〕: θc=lρcLf / hc(tc-tk)
            冷卻、硬化時間 θs〔S〕: (tc-tk) / (ts-tk)=exp(hsθs / lCsρs)
            式中,tl、tc、ts、tk分別為熔融液的造粒溫度、固化點溫度、顆粒產品卸料溫度和冷卻水溫度(℃);hl、hc、hs分別為物料在熔融液期間、固化期間、固體冷卻期間鋼帶表面與顆粒之間的傳熱系數(kcal / m2 .s. ℃);Cl、Cs分別為物料熔融液、固體時的定壓比熱(kcal / kg℃);Lf為物料的固化潛熱(kcal / kg);ρl、ρc、ρs分別為物料熔融液時、固化過程中、固體時的定壓密度(kg / m3 );l為顆粒的厚度(m)。
            從上述公式中,即可得出:
            冷凝造粒全過程的時間 θ〔S〕:
            θ=θl+θc+θs
            鋼帶以速度Vt運動時,所需鋼帶的長度 L〔m〕:
            L=Vt×θ
            由此,我們就可根據實際生產能力,來確定所需設備的特性參數及其具體的規格、型號。
            2、性能特點:
            依據上述所介紹的冷凝造粒過程機理,我們對CF型回轉帶式冷凝造粒機的性能特點歸納如下:
            1)、顆粒形狀及粒度均勻,有利于運輸、包裝和使用,有利于生產和使用過程操作條件和環境的改善,產品品質和競爭力得到顯著提高。
            2)、采用薄鋼帶傳熱和霧化噴淋強制冷卻,使熱熔料得到迅速冷凝、固化,生產效率明顯提高。
            3)、布料器與鋼帶均采用變頻器調速驅動裝置,可根據生產能力及物料特性無級調節控制。
            4)、采用智能PID溫控儀分步控制各點溫度,確保了物料溫度及物料狀態的穩定,造粒品質量得到可靠保障。
            5)、由于鋼帶在卸料端的換向彎曲,使固化顆粒與鋼帶的結合面易于剝落,因此卸料時粉塵極少,顆粒形狀得到保護,同時也降低了刮料時帶入產品的雜質含量。
            6)、采用分段冷卻,可根據物料冷凝、固化特性,選擇各段的冷卻溫度,對特殊物料實現快速冷卻、固化極為有利。
            7)、CF型回轉帶式冷凝造粒機在其結構設計上采用了積木式組合的方案,一方面有利于根據物料特性和生產能力選擇設備規格,同時更有利于大規格裝置的運輸與安裝。
            3、工藝配置:
            采用CF型回轉帶式冷凝造粒裝置,其工藝流程的配置因不同的物料特性和生產過程而有所差異。對具有特殊結晶過程的物料,如有“過冷”現象的物料,需進行預結晶處理再進入造粒工序;如有物料溫度比造粒所需的溫度相差較大,則需在造粒前對物料進行換熱處理,以降低或升高物料溫度更有利于造粒操作。
            這里,僅針對如下典型的工藝流程(見圖四)作一簡單介紹。適合造粒溫度需要的熱熔料,由儲液罐經熱過濾器去除雜質、再經定量給料泵輸送至旋轉的布料器內。并由布料器對熔融料進行快速、均勻地滴落,回轉鋼帶完成對顆粒物料的冷卻、固化和輸送。在這一過程中,自儲液罐至造粒機布料器進口的所有管路及其管路附件(如閥門、過濾器、泵等)均需加熱和溫控,以保證物料狀態的穩定。
            4、與其它處理方式的比較:
            我國目前對低熔點物料的后處理主要有如下四種:
            1)、直接將熔融料灌裝進鐵桶內,自然冷卻固化。這種處理方式,冷卻時間長,生產規模受到限制;包裝費用高,造成材料的大量浪費;同時,用戶使用時需將鐵桶破開,給使用帶來極大的不便。目前,仍采用這種處理方式的產品主要有:硫化堿、松香樹脂、對硝基氯化苯、間苯二胺及其它有機化工產品。
            2)、將熔融料放置于托盤或地槽中,待自然冷卻固化后破碎、包裝。此方法固化時間長,生產環境惡劣,產品使用不方便。典型產品有硫磺、石蠟、石油樹脂、硬脂酸及其鹽類等。
            3)、目前普遍采用的處理方法是傳統的冷轉鼓制片機。該機的工作原理見圖五。充滿冷卻水的轉鼓下端局部浸入托槽內的熱熔料液面下,粘附在鼓壁面的熱熔料隨轉鼓的旋轉被帶出液面,并在轉鼓壁面得到冷卻、固化。經冷卻、固化附著在鼓壁的物料在卸料端處被刮刀強制剝落,形成不規則的碎片。這種處理方式主要存在以下不足:①成品形狀不規則,影響使用,產品缺少競爭力;②粉塵污染嚴重,生產環境惡劣;③由于轉鼓鼓壁較厚,傳熱較差,生產能力受到制約;④易損件即為設備的主體—轉鼓,日后生產中的維護、管理成本較大。目前,仍采用這種處理方式的產品有硫磺、橡膠防老劑RD、4010NA、高碳醇、苯酐、片堿等。
            4)、采用造粒塔的方式處理低熔點物料。這種造粒方式生產能力大,顆粒大小均勻,成粒率高。不足之處是工藝過程復雜,設備投資大。不適宜于易燃、易爆、易氧化,以及中、小規模的產品使用。采用此法的典型產品是尿素。
            三、影響造粒成型質量的幾個主要因素:
            1、物料溫度的影響:
            物料溫度的高低,直接影響造粒裝置的生產能力。這里所說的高低,是指造粒前的料溫距離自身的熔點或軟化點溫度的大小。一般而言,溫度越高產量越小。因此對于料溫太高的物料(一般指大于熔點或軟化點50℃以上),建議在造粒前對物料進行換熱處理,以利于充分發揮造粒機的生產能力。
            2、物料性質的影響:
            不同特性的物料,其造粒性能差異較大。影響造粒過程及質量的物性參數主要有熔點(或軟化點)、比重、傳熱系數、比熱、結晶特性、粘度及液態表面張力等。粘度和表面張力,主要影響造粒產品的成型質量;而其它參數,則主要影響物料的冷卻、固化速度,從而影響其產量。一般而言,物料的熔點、比重、傳熱系數越大,比熱越小,其產量就越大;反之亦然。
            3、粘度(或表面張力)、溫度對顆粒成型質量的綜合影響:
            物料溫度、液態粘度對顆粒成型形狀的影響關系如圖六所示。物料在對應溫度點的粘度和表面張力越大,半球狀顆粒越飽滿;反之,便越扁平。對一般物料而言,熔融物料的粘度隨溫度的升高而降低。但是,經我們實驗研究發現,硫磺在造粒溫度點附近的一段溫度范圍內呈現出與其它物料相反的趨勢(見圖六)。這一特性的發現,對我們在硫磺造粒方面的技術實踐尤為重要。
            總之,特定品種的物性參數是物料本身所固有的,我們無法改變。唯一可由我們在生產操作中選擇、調節和控制的,只有物料的溫度。而物料溫度又是我們保證產量和質量的最主要的參數。因此,對不同的物料選擇特定的熔融料造粒溫度點,是CF型回轉帶式冷凝造粒裝置的關鍵。
            四、硫磺造粒工藝及其應用:
            在對CF型造粒機的工作原理、應用特點及硫磺的生產工藝、物料特性深刻理解、認識的基礎上,我們采用了如圖四所示的工藝配置方案。這種配置方案與現在采用轉鼓制片的工藝流程基本一致,因此對現有流程的改造工作較為有利。經改造后的生產工藝具有生產效率高、顆粒規整,基本上能做到無塵操作。
            針對硫磺比重大、粘度低、固化快,以及在造粒溫度范圍硫磺熔融液的粘度值隨溫度升高而升高的特殊性,為了得到形狀飽滿的硫磺顆粒,實現高速布料,我們從布料器結構、結構參數及工藝條件等多方面進行了專題研究,取得了較好的效果?,F將CF型回轉帶式冷凝造粒機在硫磺造粒上應用的主要技術參數介紹如下,供大家考慮方案時參考。大家也可根據各廠情況,提出具體的生產工藝條件和要求,我們將非常樂意為大家提供完整的技術解決方案。
            硫磺造粒工藝主要參數:
            造粒物料溫度: 130~135℃
            顆粒硫磺卸料溫度: ~50℃
            冷卻水進口溫度: ≤30℃
            固化時間(包括預冷過程): 17 S
            冷卻時間(卸料溫度為50℃時): 24 S
            單位面積產量: ~200 kg/h.m2
            五、結束語:
            多年來,我們一直辛勤耕耘在固體產品后處理造粒成型這一技術領域,開發研制了多種新型裝備和成套技術,填補了國內空白,得到了廣大用戶的承認。為我國這一領域的技術進步和繁榮作出了我們應有的貢獻,對此我們感到欣慰與自豪。我們在開發、推廣、應用這些新產品、新技術的的過程中,結識了許多行業的朋友,并一直得到大家的真誠支持。在此,特向大家表示感激。同時,我們希望進一步與新老朋友們共同努力,為振興民族產業,改變我國固體產品生產的落后面貌,作出更大的貢獻。

          【本文抄錄自網絡,謹向原作者表示感謝】


           


           
           
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