Техника и технология гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов с использованием совмещённых процессов их подготовки

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ 
ГРАНУЛИРОВАНИЯ 
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ 
ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВМЕЩЕННЫХ 
ПРОЦЕССОВ ИХ ПОДГОТОВКИ

Д.А. МАКАРЕНКОВ
В.И. НАЗАРОВ

Москва
ИНФРА-М
2023

МОНОГРАФИЯ

УДК 620.18(075.4)
ББК 30.36
 
М15

Макаренков Д.А.
М15  
Техника и технология гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов с использованием совмещенных процессов их подготовки : монография / Д.А. Макаренков, В.И. Назаров. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 297 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/1873862.

ISBN 978-5-16-017767-0 (print)
ISBN 978-5-16-110668-6 (online)
В монографии рассмотрены теоретические основы и практика гранулирования многокомпонентных полидисперсных отходов в различном 
аппаратурном оформлении. Разработаны способы структурирования многокомпонентных полидисперсных материалов, выявлена роль технологических добавок и процессов механоактивации, позволяющая уменьшить 
энергозатраты в процессах гранулирования. Предложены физические 
модели уплотнения многокомпонентных полидисперсных материалов 
в гранулирующем оборудовании с очагами деформации различных форм. 
Проведен системный анализ химико-технологических процессов гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов на валковых 
прессах, на роторных грануляторах и грануляторах окатывания тарельчатого типа и скоростных аппаратах. Приведены инженерные методы расчетов силовых параметров многокомпонентных шихт в различных типах гранулирующего оборудования с получением целевых продуктов различных 
форм.
Рассчитана на студентов, аспирантов и научных сотрудников химикотехнологических и политехнических университетов, а также инженернотехнических работников различных отраслей промышленности.

УДК 620.18(075.4)
ББК 30.36

Р е ц е н з е н т ы:
Ильина Т.Н., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования Белгородского 
государственного технологического университета имени В.Г. Шухова; 
Долгунин В.Н., доктор технических наук, профессор, профессор 
кафедры технологии и оборудования пищевых и химических производств Тамбовского государственного технологического университета

ISBN 978-5-16-017767-0 (print)
ISBN 978-5-16-110668-6 (online)
© Макаренков Д.А., Назаров В.И., 
2022

Печатается по решению Национального исследовательского 
центра «Курчатовский институт» — ИРЕА

Введение

Вопросы повышения эффективности и интенсификации технологических процессов в химической, фармацевтической, металлургической, угольной и других отраслях промышленности решаются путем 
перевода сыпучих порошковых и зернистых сред в гранулированное 
состояние. В технологии приготовления гранулированных продуктов 
широко используются вторичные материальные ресурсы (ВМР).
Значительный вклад в научное развитие процессов гранулирования внесли отечественные ученые разных поколений: П.А. Ребиндер, М.Б. Генералов, П.В. Классен, И.Г. Гришаев, В.С. Севостьянов, В.Н. Пащенко, Л.М. Сулименко и др. В настоящее время 
при получении гранулированных продуктов, кроме природного 
исходного сырья, возрастает доля твердых отходов в виде техногенного сырья и ВМР. Разработка процессов гранулирования 
таких материалов с использованием совмещенных процессов их 
подготовки повышает качество целевых продуктов, экологическую 
безопасность этих процессов и позволяет ввести в хозяйственный 
оборот новые источники сырья. В ряде технологий используются 
отходы с различными физико-химическими и механическими 
свойствами, а также ряд специальных добавок.
При производстве стеклоизделий используются гранулированные стеклообразующие шихты на основе ВМР (золы, шлаки, 
горелые пески, хвосты рудопромывки фосфоконцентрата и отработанные формовочные смеси).
При получении минеральных удобрений наряду с простыми 
и сложными удобрениями (типа NPK) появляются модернизированные рецептуры, такие как известковая аммиачная селитра и органоминеральные удобрения. При получении ряда удобрений используют местное сырье и отходы (торф, сапропель, золы и шламы 
с сернокислым магнием). Кроме того, из-за дефицита в почвах 
России микроэлементов, удобрения последнего поколения должны 
содержать как микроэлементы (соли железа, бора, марганца, меди, 
молибдена, цинка, кобальта), так и соединения кальция, магния, 
серы, а также обладать пролонгированным действием.
В промышленности строительных материалов применяют гранулированные тяжелые и легкие наполнители, как природные, так 
и искусственные (перлит, пермаит).
Среди продуктов пищевой и медицинской промышленности 
и твердых биотоплив особое место занимают молокосвертывающие 
ферментные препараты (МФП) различного назначения, кормовые 
смеси, комбикорма, пивная дробина и топливные пеллеты на ос

нове растительных отходов. При их получении используют методы 
компактирования, формования, таблетирования или окатывания.
Из-за полидисперсности, многокомонентности состава и разнородности свойств их гранулирование происходит при высоких 
энергозатратах. Существующие физические и математические модели процессов гранулообразования основаны на большом объеме 
экспериментальных данных и не учитывают физико-механические 
характеристики и реологические свойства МПМ на разных стадиях 
переработки. Для выбора энергосберегающих процессов гранулирования МПМ необходимо учитывать их физико-механические 
характеристики и управлять их свойствами на стадиях смешения, 
механоактивации и его движения в очаге деформации. Это также 
требует использовать обоснованный метод расчета процесса гранулирования на оборудовании различных типов.
В монографии выполнена разработка энергосберегающих процессов гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов на основе единой методологии уплотнения. При этом 
используются методы компактирования на валковых прессах, прокатки на роторных грануляторах с плоской матрицей с каналами 
переменного сечения и окатывания в скоростных горизонтальных 
и тарельчатых грануляторах.
Результаты разработок в виде процессов и технологических 
линий были внедрены на ряде предприятий в Российской Федерации.

Глава 1
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОВ 
ГРАНУЛИРОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ 
ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ И РОЛЬ КОМПЛЕКСНЫХ 
ПРОЦЕССОВ ИХ ПОДГОТОВКИ

Вопросы ресурсосбережения и расширения сырьевой базы на основе наиболее дешевых природных сырьевых аналогов для производства целевых продуктов являются в настоящее время актуальными применительно к различным отраслям промышленности. 
Разработка процессов гранулирования такого сырья (шихты) позволяет получать новые высококачественные целевые продукты, 
а также снижает экологическую нагрузку на окружающую среду.

1.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ 
ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СРЕД НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНЫХ 
МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Выбор метода и способа гранулирования зависит от свойств 
перерабатываемых сред и от требований к конечному продукту 
[40, 49, 64, 108, 109, 120, 189, 293].
В настоящее время из дисперсных сред (ДС) методами компактирования и окатывания получают прессовки и гранулы заданной 
формы с требуемыми структурно-деформационными свойствами.
Методы гранулирования и аппаратурное оформление для его проведения классифицируются следующим образом [50, 290]: 1 — стихийная агломерация в процессах измельчения (шаровые и вибрационные мельницы, элеваторы, конвейеры); 2 — перемешивание 
в смесителях различного типа (шнековые, лопастные, вибрационные); 3 — формование методом продавливания через фильеру 
с термообработкой (шнековые, плунжерные экструдеры, прокатка 
через фильеру); 4 — окатывание на неподвижной или движущейся 
поверхности (грануляторы барабанного и тарельчатого типа, роторные, аппараты «КС»); 5 — прессование и компактирование 
на таблеточных машинах, валковых и брикетных прессах. Получаемые при этом гранулы, таблетки и прессовки характеризуются 
уплотнением структуры.
Агломерация, происходящая в процессах измельчения порошковых и зернистых сред, вызвана механическим воздействием 

на тело и возникающими при этом дополнительными контактами 
между частицами [2, 29, 317, 338]. Коэффициент однородности 
в процессе агломерирования оценивается как

 
−
= −
1
m
bDd
A
e
,  
 (1.1)

где D — диаметр мельницы; d — размер мелющих тел; b и m — константы, зависящие от плотности измельчаемого материала и мелющих тел, а также природы агломерации. При этом происходит 
резкое замедление прироста удельной поверхности, что связано 
со способом ввода в систему механической энергии и ее величиной. Процесс одновременного измельчения и грануляции осуществляется в шаровых мельницах, вибрационных аппаратах, элеваторах и конвейерах.
При вибрационном воздействии на дисперсную среду в аппаратах различного типа также возможен эффект стихийной агломерации. Колебания, которые распространяются в обрабатываемом 
порошке, вызывают соударения частиц, способствующие их агломерации. На возникающие зародыши налипают частицы порошка, 
происходит их окатывание и уплотнение агломератов.
Гранулирование формованием основано на способности увлажненных или пластичных материалов при определенных технологических условиях и силовом воздействии рабочих органов 
образовывать вследствие пластических деформаций гранулы требуемых форм и размеров [1, 65, 173, 252]. Метод формования включает стадии подготовки (пластификации) материала, формование 
и конвективную обработку сформированных частиц. Формующие 
грануляторы условно подразделяют на четыре класса — шнековые, 
роторные, плунжерные и комбинированные [127]. Наиболее производительными из формующих устройств являются роторные 
грануляторы, которые подразделяются на протирочные и валковые 
(с плоской или кольцевой матрицей) [192, 274, 277]. Применение 
грануляторов с кольцевой матрицей предполагает такое состояние 
материала, при котором сформованные гранулы должны обладать 
текучестью, не слипаться и сохранять форму. При гранулировании 
пластифицированных дисперсных материалов целесообразно использовать валковые грануляторы с плоской матрицей. При экструзии в шнековых и роторных грануляторах в шихту вводят 
жидкую фазу (15÷18)% для перевода материала в пластичное состояние [34, 88, 110, 305]. Ввод связующего, обеспечивает как относительное перемещение частиц при их уплотнении, так и появление 
сил поверхностного натяжения. Это увеличивает силу сцепления 
между частицами и облегчает их формование.
Кинетика гранулообразования в барабанных и тарельчатых 
грануляторах описана в работах [45, 93, 94, 100, 111, 125, 131, 132, 

171, 245, 246, 294, 326, 342]. Гранулирование включает стадии: смешение исходных частиц шихты со связующим и ретуром, образование гранул из мелких частиц, их дробление, окатывание и уплотнение гранул и агломератов на движущейся поверхности аппарата. 
Упрочнение связей между отдельными частицами и гранулами 
происходит в результате термической или иной обработки.
В тарельчатом грануляторе порошковая шихта подается на наклонно вращающуюся поверхность с одновременной подачей дозированного количества связующего. Образующиеся в результате 
окатывания гранулы, движущиеся по тарели, укрупняются, а благодаря разнице между коэффициентом внутреннего трения частиц 
разного размера и коэффициентом внешнего трения частиц о поверхность тарели происходит их классификация по размерам. Недостатком является чувствительность процесса к количеству связующего и узкий диапазон изменения режимных параметров.
В скоростных грануляторах окатывания перемещение частиц 
по цилиндрической поверхности осуществляется за счет вращения 
ротора с лопатками от зоны загрузки к выгрузке. Эти грануляторы 
обеспечивают высокую удельную производительность [24, 67, 72, 
130, 327]. Гранулообразование в скоростном грануляторе происходит при воздействии на гранулируемый порошок лопастей вала, 
вращающегося с высокой скоростью. Упрочнение гранул проводится на стадии сушки c получением гранул диаметром от 0,2 
до 1,5 мм. При гранулировании происходит турбулизация потока 
частиц и связующего, что обеспечивает образование гомогенной 
трехфазной системы (твердое вещество — жидкость — газ). В некоторых аппаратах при гранулировании протекают реакции между 
химически активными компонентами, что обеспечивает получение 
прочных агломератов [16, 40].
Кроме того, за счет интенсивного перемешивания происходит 
повышение температуры в гранулируемых слоях, что приводит 
к термопластификации или к фазовому переходу из твердого состояния в жидкое. За счет тепла экзотермических реакций может 
проходить подсушка гранулята и при уменьшенном количестве 
связующего можно обходиться без сушки. Этот процесс применяют 
при производстве сложно-смешанных удобрений на основе аммиачной селитры или карбамида [293, 295].
Недостатком таких грануляторов является возрастание осевой 
скорости частиц от загрузки к выгрузке. Неравномерность движения 
потоков исходного сырья приводит к проскоку частиц, не прошедших 
стадию гранулирования в зоне интенсивного движения и, соответственно, к увеличению полидисперсности готового продукта.
Метод прессования, таблетирования, брикетирования и компактирования на валковых прессах позволяет гранулировать ДС 

в широком диапазоне соотношений исходных компонентов [9, 31, 
36, 37, 42, 91, 117, 185, 288, 304, 314]. При прессовании стекольных 
и других дисперсных сред грануляция обеспечивает гомогенность 
смеси, равномерность распределения компонентов в гранулах и их 
высокую плотность и прочность.
В ряде отраслей широко используется компактирование шихты 
на валковых прессах [25, 80, 96, 98, 138, 197, 222, 254]. В общем 
случае процесс компактирования происходит следующим образом. 
Исходная шихта подается в загрузочный бункер пресса, обеспечивающий непрерывную подачу шихты в зону силового воздействия 
вращающихся валков. Получаемый прессат имеет форму ячейки 
валка (гранулы, брикеты) или получается в виде плитки толщиной, 
соответствующей зазору между валками.
Особенность компактирования заключается в том, что дисперсные среды значительно отличаются по своим свойствам. 
Например, стекольные, эмалевые и стеклообразующие шихты 
по структурно-деформационным свойствам занимают промежуточное положение между строительным материалом, минеральными удобрениями и топливо-рудным сырьем [200]. По составу 
они многокомпонентные, а их свойства перед компактированием 
изменяются в зависимости от условий подготовки, что не всегда 
позволяет использовать известные закономерности процессов 
прессования при определении требуемых нагрузок (например, минеральные удобрения или металлические порошки) [143, 150, 166]. 
В производстве стройматериалов перспективно применение гранулированных пористых наполнителей на основе силикатообразующих материалов, сходных по составу со стеклообразующими шихтами [216].
Традиционные процессы компактирования предусматривают 
наличие нескольких стадий: смешения компонентов шихты со связующим, механического уплотнения и рассева по фракциям [25, 42, 
51, 201]. К достоинствам компактированных шихт следует отнести: 
высокие структурно-деформационные характеристики получаемой 
плитки, отсутствие стадии сушки и пыления при загрузке. Кроме 
того, уплотненная стекольная шихта в виде плитки дает существенный выигрыш при плавлении в печах [38, 180, 181, 249, 325].
По сравнению с порошковой использование гранулированной 
шихты повышает эффективность теплопередачи и снижает расходы тепла [324, 325]. Процесс компактирования требует больших 
усилий прессования и, соответственно, высоких энергозатрат, 
а также сопровождается износом поверхности валков из-за наличия 
абразивных компонентов в шихте.
Особенности процесса компактирования широко исследованы 
при гранулировании металлических порошков и минеральных 

удоб рений [51, 64, 107, 188, 189, 244]. Процессы гранулирования 
эмалевых и стеклообразующих смесей позволяют улучшать качество как промежуточных, так и целевых продуктов.
В ряде отраслей образовался большой объем продуктов и отходов на основе ВМР, которые необходимо гранулировать [118, 
270, 318]. Рассмотрим некоторые из них.
Стеклообразующие и эмалевые шихты и строительные смеси 
являются, многокомпонентными и полидисперсными по составу 
и содержат вещества, как с большой твердостью, так и с кристаллической структурой. В эмалевых шихтах используются и золошлаковые отходы, которые также могут применяться в качестве заполнителей для бетона или при получении безобжигового силикатного 
гравия [213, 270, 318]. Золошлаковые отходы можно гранулировать 
на дырчатых вальцах с получением цилиндрических гранул или 
брикетов длиной 7÷20 мм [59].
Процессы гранулирования стекольных шихт различных составов 
методом компактирования, разработанные в Московском государственном университете инженерной экологии, были опробованы 
в промышленных условиях и внедрены на ряде предприятий [95, 
97, 200, 325]. Использование компактированной шихты уменьшает 
расход сырья, снижает расход топлива и улучшает экологическую 
обстановку как в зоне загрузки печей, так и при выбросе дымовых 
газов в атмосферу [180, 181, 196].
Энергозатраты на их гранулирование можно снизить, изменив 
химический состав, качество и структуру шихты на стадиях подготовки (смешение, механоактивация) и гранулирования [11, 97, 138, 
178]. Рассмотрение дополнительных процессов подготовки шихт 
и анализ изменения физико-механических свойств позволяет обоснованно выбрать метод гранулирования.
К мелкодисперсным порошковым материалам, используемым 
в различных отраслях, относятся диоксид титана, микротальк, 
древесная мука и пигменты на основе техногенного сырья. Они 
находят широкое применение в качестве адсорбентов и наполнителей в бумажной, лакокрасочной, керамической и хиимической 
промышленности, а также при очистке воды от различных загрязняющих веществ [23, 55, 60, 76, 90].
Основными свойствами, обусловливающими применение микроталька и диоксида титана в производстве бумаги и лакокрасочных материалов (ЛКМ), являются их чешуйчатая структура, 
мягкость, белизна, гидрофобность, атмосферостойкость, кислотостойкость, термостойкость, химическая инертность, высокая температура плавления, диэлектрические и адсорбирующие свойства 
[46, 55, 195, 289]. В качестве наполнителей также используют тонкоизмельченные порошки мела, диатомита, каолина, гипса, а также 

техногенное сырье. Так, например, микротальк обеспечивает прочность целевому продукту, а также повышает укрывистость краски, 
образуя ровное покрытие. Наполнители придают бумаге глянцевый 
блеск, пористость, меньшую фрикционность и улучшенние качества при печати [310]. В современных технологиях все большее 
применение они находят в гранулированном виде [55, 92, 153]. Однако вопрос их получения мало изучен и является перспективным 
с точки зрения экономии дорогостоящего сырья.
В зависимости от дисперсности пигментов изменяются оптические свойства ЛКМ (в частности укрывистость), а также улучшаются их физико-механические и антикоррозионные характеристики [253]. Диоксид титана является белым пигментом и существует в виде нескольких модификаций: рутильной (кубическая 
сингония), брукитной (ромбическая сингония) и анатазной [61]. 
Его переход из анатазной формы в рутильную возможен при наложении давления и проведении процесса механоактивации [336, 337] 
и практически мало исследован.
Древесные и растительные отходы в последние годы используются для получения топливных гранул в качестве возобновляемых 
энергетических ресурсов [3, 21, 129, 183, 225, 251]. Для получения 
новых типов топливных гранул перспективно использование растительных и древесных отходов, а также техногенного сырья, являющегося крупнотоннажным отходом различных отраслей промышленности (например, пивная дробина, щепа, лузга, технический 
углерод). В настоящее время для получения топливных гранул используются отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. Древесные гранулы являются стандартизированным видом 
топлива, поэтому для них существуют нормативы и стандарты, 
по которым нормируются такие параметры как зольность, диаметр 
гранул, насыпная плотность, влажность и пр. [41].
Процесс получения гранулирования топливных композиций, составленных на основе растительных отходов, техногенного сырья 
и отходов пищевой промышленности мало исследован. В настоящее 
время их гранулируют методом формования, на роторных прессах 
используя плоскую или кольцевую матрицу. Диаметр гранул изменяется от 4 до 10 мм, а их размер играет значительную роль в настройке работы печей и котлов для эффективного отопления [39].
Технологические схемы производства гранулированных продуктов содержат кроме грануляторов различное вспомогательное 
оборудование, и их выбор может быть обоснован с позиций системного анализа [51, 65, 97, 10, 116, 175, 332, 333]. Так, например 
[64, 112, 325], в производстве стекла (стекловолокна) с использованием гранулированной шихты выделено пять основных подсистем: 
1 — подсистема подготовки: измельчение, дозировка, смешение,