專利名稱：一種制造聚合物包膜控釋肥料的工藝和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料包覆技術(shù)范圍，特別涉及采用噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法制造高分子聚合物包膜控釋肥料的工藝和設(shè)備。該工藝方法和設(shè)備適用于把以高分子聚合物為主要材料的各種包膜液，霧化沉淀到肥料顆粒上形成具有控釋性能的膜，生產(chǎn)具有控釋性能的包膜肥料。該工藝和設(shè)備主要用于顆粒表面膜，尤其適合于在肥料顆粒表面噴涂包裹有機(jī)聚合物，生產(chǎn)包膜控釋肥料。
背景技術(shù)：
控釋技術(shù)可以有效的控制肥料中所含營養(yǎng)元素的釋放過程，從而更好的調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的作用強(qiáng)度和作用時間，這樣就可以針對不同作物的養(yǎng)分吸收特點，達(dá)到精細(xì)施肥、改善植物營養(yǎng)供應(yīng)狀況和肥料利提高用率的目的。通過化學(xué)工程手段，把有機(jī)高分子材料噴涂沉淀在肥料顆粒表面形成結(jié)晶膜，或者使有機(jī)單體或預(yù)聚體在肥料顆粒表面反應(yīng)形成聚合物膜，均可以使肥料養(yǎng)分得到控制釋放。
1974年Chissoasahi肥料公司申請的美國專利“包衣肥料的生產(chǎn)方法”(U.S.Pat.No.4019890)中，介紹了使用流化床將聚烯烴溶液噴涂到肥料顆粒表面，制備控釋肥料的方法。該專利附圖中給出了所涉及流化床設(shè)備的工藝流程圖，它包括流化床、鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、溶液箱、蠕動泵和噴嘴等組成部分。但是該工藝并沒有涉及溶劑回收系統(tǒng)和包膜加工控制系統(tǒng)的工藝過程。該專利也沒有對所涉及設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)描述。該公司申請的另外一些專利(U.S.PatNo.5147442，1988；U.S.Pat.No.5147442，1989；中國專利87105398，87105467，89101193)中，均涉及使用該工藝流程的包膜設(shè)備。這些設(shè)備參考于早期的美國專利(U.S.Pat.No.2648609，1953；U.S.Pat.No.3089824，1963)，不過這些專利文獻(xiàn)涉及的流化床主要是針對藥物包衣，而不是針對制備肥料控釋膜，所以在實際的肥料包膜操作中，這些流化床設(shè)備的結(jié)構(gòu)均有所改變。目前在肥料包膜領(lǐng)域中，所申請的與流化床設(shè)備有關(guān)的專利還有1991年Shirley等人開發(fā)過連續(xù)包膜肥料生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備前后由四室相連，底部是氣流分布板，保證肥料顆粒呈流化態(tài)，并逐室推進(jìn)，從第四室出料口出料，顆粒肥料在這個流化過程中被包膜(U.S.Pat.No.5211985)；2004年北京市農(nóng)林科學(xué)院發(fā)明了“顆粒連續(xù)包衣設(shè)備”(中國專利03256417.1)，該設(shè)備強(qiáng)調(diào)在噴流塔內(nèi)設(shè)置一個可以開閉的閘板閥來實現(xiàn)顆粒從一個塔到另一塔的轉(zhuǎn)移；這些連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備運行中的不穩(wěn)定性限制了其在實際中的應(yīng)用，而間歇式單室流化床仍然是實際生產(chǎn)中使用的主體設(shè)備。2005年山東農(nóng)業(yè)大學(xué)就包膜液配置設(shè)備做了深入研究，開發(fā)了“高壓氣流快速加熱恒溫器”(中國專利200420096624.X)和“管盤式多層尿素、硫磺快速熔融器”(中國專利200420096625.4)用來加熱包膜材料，改善了傳統(tǒng)的溶液箱性能，但是并沒有從整體上改善流化床包膜設(shè)備的性能。由此可見現(xiàn)有專利涉及的只是局部改進(jìn)的流化床和包膜液配置設(shè)備，控釋肥料研究和生產(chǎn)中缺乏一套完整的生產(chǎn)工藝方法和設(shè)備。
在另一些專利(U.S.PatNo.4019890，No.5147442，No.5147442；中國專利87105398，89101193，03155813.5)中，均涉及將聚合物溶解于某種有機(jī)溶劑制備包膜液的方法，而該方法所得的包膜液需要加熱到一定的溫度，一般在60℃～160℃的范圍內(nèi)，具有遇冷粘度變大，容易凝固的特點；另外，加熱的包膜液對于聚烯烴類塑料常具有很強(qiáng)的溶解性。因此，這對傳統(tǒng)的溶液調(diào)配桶、包膜液輸送方式和噴頭霧化模式等都提出了更高的要求。而現(xiàn)有的專利中，并沒有針對于此的相關(guān)工藝方法和設(shè)備發(fā)明。
調(diào)配包膜液時需要使用大量的有機(jī)溶劑，一般包膜液的濃度(聚合物材料質(zhì)量kg/溶劑體積L)在5％左右，如果按照包膜率(聚合物質(zhì)量kg/肥料質(zhì)量kg)為5％計算，每加工1噸包膜肥料，則需要消耗1m3的溶劑，因此溶劑回收對于降低成本、保護(hù)環(huán)境都至關(guān)重要，而過去的工藝和設(shè)備中并沒有包括這一部分。
隨著包膜材料體系和加工工藝的研究發(fā)展，采用噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法制備包膜控釋肥料的工藝已經(jīng)越來越普遍，流化床成了研制和生產(chǎn)包膜控釋肥料的設(shè)備，但是上述工藝和設(shè)備問題卻限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。針對現(xiàn)有工藝不完整，設(shè)備需要優(yōu)化組合，蠕動泵容易堵塞、溶劑無回收、溶液箱控制能力差等問題，發(fā)明設(shè)計加熱能力強(qiáng)、加熱溫度范圍寬、控溫精度高、耐壓、具攪拌功能的包膜液配置設(shè)備一反應(yīng)釜，代替溶液箱；設(shè)計空氣冷凝、冷卻回收系統(tǒng)回收溶劑；設(shè)計霧化顆粒小、流量可調(diào)控和不易堵塞的二流體噴頭用以霧化包膜液，代替蠕動泵驅(qū)動噴頭霧化包膜液的霧化系統(tǒng)。并組建立起一種基于噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法工藝方法，以及以噴動流化床為主體的肥料包膜成套設(shè)備。期望從整體上提供一個經(jīng)濟(jì)可行的工藝方案和可控能力強(qiáng)、運行穩(wěn)定、耐用的成套設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造聚合物包膜控釋肥料的工藝和設(shè)備。其特征在于該工藝是將流化床噴霧熱解法與溶劑蒸發(fā)沉淀相轉(zhuǎn)化法結(jié)合起來，建立起基于噴霧流化床制備肥料控釋膜的一種噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法。該法首先使物料顆粒處于穩(wěn)定的循環(huán)流化狀態(tài)，然后利用二流體噴頭把有機(jī)聚合物等制膜液噴涂到運動中的顆粒表面，通過熱空氣等手段促使沉淀到顆粒表面的制膜液的溶劑和溶質(zhì)分相，溶劑由液相變?yōu)闅庀鄵]發(fā)，溶質(zhì)由高度分散的液相變?yōu)榫哂型高^性膜結(jié)構(gòu)的固相。所說的工藝流程是第一步將有機(jī)溶劑和聚合物包膜材料加入反應(yīng)釜內(nèi)，攪拌。
第二步使用電加熱棒對加熱套中導(dǎo)熱油直接加熱，導(dǎo)熱油使反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度逐漸升高；當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度達(dá)到預(yù)定溫度110～150℃時，由自動控制系統(tǒng)控制釜內(nèi)物料溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，聚合物在反應(yīng)釜內(nèi)逐漸溶解完全，變成均一的包膜溶液。
第三步使用羅茨鼓風(fēng)機(jī)和緩沖罐提供平穩(wěn)氣流，用流量計調(diào)節(jié)空氣流量，之后氣流通過電加熱器被加熱，并被傳輸?shù)搅骰驳撞?，?jīng)錐斗底口噴入流化床，提供烘托氣流，其中烘托氣體流量控制在30～40/sec的范圍內(nèi)；烘托氣體溫度由可控硅三相調(diào)壓器自動控制在100±2℃范圍內(nèi)。
第四步將進(jìn)料斗中的肥料顆粒送入流化床，在熱空氣的烘托和導(dǎo)筒的引流作用下，肥料顆粒處于循環(huán)流化狀態(tài)。
第五步使用二流體噴頭將包膜液霧化到肥料顆粒表面，促進(jìn)溶劑揮發(fā)、聚合物沉淀，制備包膜肥料包膜液從噴頭液相入口端進(jìn)入噴頭內(nèi)部液體分布帽，并被0.5MPa的高壓氣流由空氣分布帽噴射出去，包膜液被霧化成液滴，霧化液滴在烘托氣體的帶動下，向上運動，在導(dǎo)筒中，與循環(huán)運動的肥料顆粒接觸，并粘附在顆粒表面凝結(jié)形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物膜。隨著顆粒的不斷往復(fù)循環(huán)，肥料顆粒表面能夠均勻的包覆上一層具有控釋性能的膜。
第六步含有機(jī)溶劑的熱空氣進(jìn)入列管式冷凝器和空氣冷卻器，氣態(tài)溶劑被逐步冷卻為液態(tài)，回收再利用。
第七步包膜率達(dá)到4％～8％的時候，關(guān)閉包膜液出料閥，關(guān)閉噴頭，打開緩沖罐放空閘閥，關(guān)閉流化氣體，肥料顆粒停止循環(huán)流化；打開流化床底放料展型閥門，卸料；進(jìn)入下一周期。
所述聚合物包膜材料和有機(jī)溶劑按kg/L比1∶(10～20)混合，所述石蠟和有機(jī)溶劑按kg/L比為1∶100。
所述聚合物包膜材料為聚乙烯。
所述有機(jī)溶劑為四氯乙烯。
所述肥料顆粒是粒徑為2-4mm的大顆粒尿素或三元復(fù)合肥。
基于上述工藝操作要求，本發(fā)明涉及的噴霧流化床設(shè)備由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、氣體緩沖罐、電加熱器、流化床、列管式冷凝器、空氣冷卻器、空氣壓縮機(jī)、加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜、噴頭等設(shè)備和控制系統(tǒng)組成，其設(shè)備是羅茨鼓風(fēng)機(jī)1連接氣體緩沖罐2，氣體緩沖罐2通過轉(zhuǎn)子流量計3、電加熱器4連接到噴動流化床5底部；導(dǎo)筒22固定在噴動流化床5下部，作為霧化系統(tǒng)的二流體噴頭16、空氣壓縮機(jī)17固定在噴動流化床5底部的噴頭液相入口；噴動流化床5頂部連接冷凝器6入口，冷凝器6出口和作為空氣冷卻器的室內(nèi)機(jī)7、室放機(jī)8連接；作為溶劑收集系統(tǒng)的視盅9接到冷凝器6出口和室內(nèi)機(jī)7連接處、溶劑收集器10和溶劑回收罐11接在視盅9下面；作為包膜液調(diào)配系統(tǒng)的導(dǎo)熱油泵12、導(dǎo)熱油儲槽13、恒溫加熱攪拌反應(yīng)釜14和15串聯(lián)后通過控制閥門和噴動流化床5底部的噴頭液相入口連通；
所述噴動流化床5的底錐部21底錐角為55°～65°。，為了便于觀察，在噴動流化床5床壁設(shè)置第一觀察口24、第二觀察口25、第三觀察口26和第四觀察口27；在流化床壁下沿160mm高處設(shè)置螺旋進(jìn)料器18和進(jìn)料漏斗19；底部設(shè)置出料口。
本發(fā)明有益效果是一、通過對控釋肥料生產(chǎn)方法的比較研究，根據(jù)制膜工藝和控釋膜成膜機(jī)理，建立一種生產(chǎn)包膜肥料的工藝方法噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法。二、根據(jù)此工藝方法的要求，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、操作完整、清潔無污染的噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法包膜工藝流程。三、根據(jù)工藝條件設(shè)計了成套設(shè)備，設(shè)備可控能力強(qiáng)，可操作范圍寬，控制精度高。四、采用的有機(jī)溶劑低溫冷卻回收系統(tǒng)為封閉結(jié)構(gòu)，溶劑理論回收率可以達(dá)到99％以上。五、整套生產(chǎn)設(shè)備總功率為38kw，經(jīng)濟(jì)實用。


圖1為噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法包膜工藝流程圖。
圖2為緩沖罐設(shè)備簡圖。
圖3為電加熱器設(shè)備簡圖。
圖4為流化床裝配圖。
圖5為二流體噴頭裝配圖和空氣帽零件圖。
圖6為冷凝器設(shè)備簡圖，a為冷凝器簡圖。b為截面圖，c為按照等腰三角形均勻排列的列管示意圖(如圖6b、c所示)。
圖7a為溶劑收集器設(shè)備簡圖，圖7b為進(jìn)料斗簡圖。
圖8為儲油罐設(shè)備簡圖。
圖9為反應(yīng)釜設(shè)備簡圖。
圖10為包膜肥料的養(yǎng)分累積釋放曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種制造聚合物包膜控釋肥料的工藝和設(shè)備。如圖1所示的噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法包膜工藝流程圖。該工藝是將流化床噴霧熱解法與溶劑蒸發(fā)沉淀相轉(zhuǎn)化法結(jié)合起來，建立起基于噴霧流化床制備肥料控釋膜的一種噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法。該法首先使物料顆粒處于穩(wěn)定的循環(huán)流化狀態(tài)，然后利用二流體噴頭把有機(jī)聚合物等制膜液噴涂到運動中的顆粒表面，通過熱空氣等手段促使沉淀到顆粒表面的制膜液的溶劑和溶質(zhì)分相，溶劑由液相變?yōu)闅庀鄵]發(fā)，溶質(zhì)由高度分散的液相變?yōu)榫哂型高^性膜結(jié)構(gòu)的固相。
基于上述工藝操作要求，本發(fā)明涉及的噴霧流化床設(shè)備由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、氣體緩沖罐、電加熱器、流化床、列管式冷凝器、空氣冷卻器、空氣壓縮機(jī)、加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜、噴頭等設(shè)備和控制系統(tǒng)組成，其設(shè)備是羅茨鼓風(fēng)機(jī)1連接氣體緩沖罐2，氣體緩沖罐2通過轉(zhuǎn)子流量計3、電加熱器4連接到噴動流化床5底部；導(dǎo)筒22固定在噴動流化床5下部，作為霧化系統(tǒng)的二流體噴頭16、空氣壓縮機(jī)17固定在噴動流化床5底部的噴頭液相入口；噴動流化床5頂部連接冷凝器6入口，冷凝器6出口和作為空氣冷卻器的室內(nèi)機(jī)7、室放機(jī)8連接；作為溶劑收集系統(tǒng)的視盅9接到冷凝器6出口和室內(nèi)機(jī)7連接處、溶劑收集器10和溶劑回收罐11接在視盅9下面；作為包膜液調(diào)配系統(tǒng)的導(dǎo)熱油泵12、導(dǎo)熱油儲槽13、恒溫加熱攪拌反應(yīng)釜14和15串聯(lián)后通過控制閥門和噴動流化床5底部的噴頭液相入口連通。
所述噴動流化床5的底錐部21底錐角為55°～65°。，為了便于觀察，在噴動流化床5床壁設(shè)置第一觀察口24、第二觀察口25、第三觀察口26和第四觀察口27；在流化床壁下沿160mm高處設(shè)置螺旋進(jìn)料器18和進(jìn)料漏斗19；底部設(shè)置出料口。
圖2所示為氣體緩沖罐2的具體結(jié)構(gòu)。緩沖罐具有進(jìn)氣口72、出氣口70、放空口69、底部設(shè)置液體排放口71、頂部設(shè)置壓力表68。它的作用是緩沖羅茨鼓風(fēng)機(jī)1輸送來的氣體，使其平穩(wěn)。葉輪式羅茨鼓風(fēng)機(jī)提供的氣體是脈沖氣流，該氣流使顆粒的流化狀態(tài)具有波動性，為此使用緩沖罐讓氣流在此混合均勻，平衡氣流的穩(wěn)定性。如果羅茨鼓風(fēng)機(jī)的額定工作流量為0.25m3/sec，轉(zhuǎn)數(shù)為960r/sec，可設(shè)計其停留時間為5sec，則緩沖罐容積需為0.75m3。設(shè)計一個DN800mm，高1560mm的罐體既可滿足要求。
電加熱器設(shè)計功率為15kw，135根功率為1kw的電熱絲57套上瓷環(huán)，穿在水平均布的270根DN32的鐵管56內(nèi)(如圖3所示)，電熱絲每三根串聯(lián)后，并聯(lián)，每15組為一相，按照星型連接為三相60。大量的電熱絲和鐵管，能夠保障換熱器有大的換熱面積和換熱效率；采用功率為1kw的電熱絲并且每三根串聯(lián)，可以在保障電熱絲的耐用性的同時，降低單根電熱絲的負(fù)荷(其實際功率只是額定功率的11％)，電熱絲僅僅發(fā)熱而不發(fā)紅，能提高其使用壽命。另外使用可控硅三相調(diào)壓器對其電壓進(jìn)行控制，實際工作電壓按照設(shè)計控制在120伏特(V)以內(nèi)，能夠提高設(shè)備用電的安全性；同時，通過自動調(diào)節(jié)電壓的高低，可以精確控制被加熱空氣的溫度，并使其恒定在設(shè)定溫度的±2℃范圍內(nèi)。兩端分別為管道入口58和出口59。
圖4所示為噴動流化床5設(shè)計依據(jù)是直徑為2-4mm的肥料顆粒，在噴動流化床5底部被吹起，頂部回落，為此，烘托氣流速應(yīng)該大于30m/sec，如果以供風(fēng)能力為0.25m3/sec設(shè)計，則噴動流化床5底部烘托氣體入口直徑為DN100mm，噴動流化床5圓筒直徑DN500mm，流化床高2000mm，導(dǎo)筒22固定在噴動流化床5下部，導(dǎo)筒22的直徑DN200mm，高600m，可以自由升降；為了使肥料顆粒循環(huán)良好，底部不存在死角，則噴動流化床5底錐部21的錐角小于60°。為了便于觀察，噴動流化床5床壁設(shè)置第一觀察口24、第二觀察口25、第三觀察口26和第四觀察口27；在流化床壁下沿160mm高處設(shè)置螺旋進(jìn)料器18和進(jìn)料漏斗19；底部設(shè)置出料口。
圖6為冷凝器設(shè)備簡圖，冷凝器設(shè)計為氣-氣交換列管式，熱空氣走管程，冷卻空氣走殼程。根據(jù)熱量守衡定律和換熱計算公式，以及溶劑在空氣中飽和濃度，確定換熱器總體傳熱效率和換熱面積。具體結(jié)構(gòu)是筒體直徑為DN500mm，長3000mm，筒體兩端分別設(shè)置冷卻介質(zhì)入口46(如圖6a所示)和出口47，內(nèi)部設(shè)置100根DN20，長3000mm的列管45，按照等腰三角形均勻排列(如圖6b、c所示)。
空氣冷卻系統(tǒng)包括室內(nèi)機(jī)7、室外機(jī)8，室內(nèi)機(jī)為帶翅片的蛇行管蒸發(fā)器與其箱體構(gòu)成，室外機(jī)為提供冷源的壓縮機(jī)組。首先使用一段彎管排氣筒，把室內(nèi)機(jī)與冷凝器連接起來，再使用一段帶彎管的排氣筒把室內(nèi)機(jī)接入冷凝器殼程。室內(nèi)機(jī)箱體結(jié)構(gòu)長、寬和高分別是1440mm、900mm和900mm，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計為片距3.5mm，排深為5排，實際傳熱面積FZ1S＝38.5m2。室外機(jī)采用兩級壓縮機(jī)組，總制冷量Q0＝22.89kw。
溶劑收集系統(tǒng)包括用以觀察冷凝回收下流溶劑的視盅9、回收的溶劑被溶劑收集器10臨時收集，收集器內(nèi)過多的溶劑由其底部的排放口進(jìn)入溶劑回收罐11。視盅中間為一玻璃筒體，兩端用法蘭連接；溶劑收集器如圖7a所示，上部設(shè)置一個溶劑入口61和一個放空口62；收集器垂直方向設(shè)置液位計安裝口63，64；下部為錐形，設(shè)置一個排放口65。圖7b所示為進(jìn)料斗簡圖，在進(jìn)料斗19下面由連接法蘭66連接進(jìn)料口67。
包膜液調(diào)配系統(tǒng)包括導(dǎo)熱油泵12、導(dǎo)熱油儲槽13、恒溫加熱攪拌反應(yīng)釜14和15。導(dǎo)熱油儲槽(如圖8所示)為直徑為DN600mm，高為1260mm的封閉筒體，內(nèi)部設(shè)置冷卻水盤管55，筒體上設(shè)置盤管進(jìn)口50和出口51，垂直方向設(shè)置液位計安裝口52和53；頂部設(shè)置導(dǎo)熱右入口48和排空口49，下部側(cè)面設(shè)置導(dǎo)熱油出口54。
電加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖9。為了精確控制反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度(如120℃±2℃)，采用導(dǎo)熱油對有機(jī)溶劑進(jìn)行加熱，導(dǎo)熱油由電熱棒直接加熱。為了使聚合物溶解快速、溶液均一，設(shè)置一個葉輪機(jī)械攪拌釜44；為了使包膜溶液能夠順利輸送到噴頭，該反應(yīng)釜設(shè)計為耐壓設(shè)備，釜體、法蘭和封頭設(shè)計耐壓能力為10MPa；機(jī)械攪拌與反應(yīng)釜封頭連接處設(shè)置防爆密封。具體的管口設(shè)置包括頂部封頭溶劑入口33、高聚物等固體物料入口34、溫度監(jiān)控孔37、壓縮氣入口35、放空口36；釜底設(shè)置包膜液排放口43；加熱套上部設(shè)置一個溫度監(jiān)控孔38、溫度自動控制傳感器孔39，下部設(shè)置四個電熱棒插孔41，均勻分布，每根電熱棒功率為2kw，預(yù)留一根備用，其它三根按照三相星型連接方式連接，加熱套底部設(shè)置一個導(dǎo)熱油入口42、頂部設(shè)置一個導(dǎo)熱油出口40。
霧化系統(tǒng)包括壓縮空氣機(jī)17和二流體噴頭16。因為噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法的一個核心點就是要使包膜液分散成超細(xì)粒子，以促使溶劑揮發(fā)速度和聚合物分子重組結(jié)晶，而二流體噴頭能夠使液體的霧化達(dá)到微米級。通過改變兩相的壓力和流量，能夠在一個比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)霧化狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)包膜肥料控釋性能。但是傳統(tǒng)的二流體噴頭一般針對的液相是水，其空氣帽的設(shè)計在此工藝中不能使用。為此，本發(fā)明改進(jìn)設(shè)計了一種二流體噴頭的空氣帽(如圖5所示，28為液體流量調(diào)節(jié)螺栓、29為氣相入口、30液相入口、31為液體分布帽、32為空氣分布帽。)把原來空氣帽出口變短，使空氣和液體的混合直接在空氣中進(jìn)行，解決了包膜液在出口處結(jié)晶堵塞的情況，確保操作正常。
實驗一使用恒溫攪拌反應(yīng)釜配制包膜液使用聚乙烯和四氯乙烯作為主要的包膜液組分，實驗考察恒溫攪拌反應(yīng)釜的加熱和控溫能力，包膜液需要被加熱到118℃。實驗時首先向反應(yīng)釜內(nèi)加入50L四氯乙烯，然后加入2.5kg聚乙烯。開啟反應(yīng)釜加熱。實驗中結(jié)果如表1，由表中的數(shù)據(jù)來看，設(shè)備在加熱過程中，實際加熱時間上比設(shè)計值超出0.2個小時，使加熱時間延長外，其他參數(shù)指標(biāo)與實驗要求比較接近，符合設(shè)計要求。要縮短加熱時間的一個辦法是更換電加熱棒的功率，把原來功率2kw的電熱棒，更換為3kw，使其單位時間內(nèi)的加熱能力提高50％，就可以使其加熱時間縮短。另外，對釜體進(jìn)行保溫，防止熱量輻射擴(kuò)散，也是一項必不可少的措施。
表1反應(yīng)釜設(shè)計參數(shù)和加工使用參數(shù)的對比表

實驗二冷凝器的溶劑回收效率測定實驗采用實驗一所調(diào)配的包膜液，對50kg大顆粒肥料進(jìn)行包膜，含四氯乙烯的尾氣進(jìn)入冷凝器和空氣冷卻器。在單獨使用冷凝器的時候，分別采用風(fēng)、水為冷卻劑，其冷凝效果如表2所示對于四氯乙烯的回收，使用空氣冷卻回收的效率很低，只有13％，而使用水作為冷卻劑回收率可以達(dá)到54％，只能夠起到一定的回收效果。在冷凝器后端連接一空氣冷卻蒸發(fā)器，并讓整個氣路系統(tǒng)封閉循環(huán)，則溶劑回收效果可以達(dá)到99％。尾氣中的所含四氯乙烯的濃度通過這些操作，加工車間空氣中的四氯乙烯含量能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，減少其對操作工人的危害。
表2空氣和水作冷卻劑的回收效果對比表

實驗三包膜肥料中試加工以本發(fā)明涉及的工藝條件和流化床等設(shè)備建立聚合物包膜中試設(shè)備，以聚乙烯等材料溶解于四氯乙烯為包膜液體系，進(jìn)行實驗。具體的包膜液配置方案見表3，實驗參數(shù)設(shè)置見表4。
表3包膜材料組成配方方案和包膜肥料氮素釋放特性表

注實驗中使用的PE為燕山石化生產(chǎn)的農(nóng)膜用聚乙烯粒料，牌號為1F7B；石蠟為燕山石化生產(chǎn)，熔點為60℃；溶劑為美國杜邦公司生產(chǎn)，330kg/桶；顆粒肥料為河北滄州大化生產(chǎn)的大顆粒尿素，粒徑為2-4mm。
ηΔt為微分溶出率，ηt1為初期溶出率，T為養(yǎng)分釋放期，r為相關(guān)系數(shù)。其中，微分溶出率ηΔt＝(ηtn-ηti)/(tn-ti)×100％；初期溶出率ηt1＝Mt1/M×100％；累積釋放率η＝∑ηtn/M ×100％；養(yǎng)分釋放期T＝1+(80％-ηt1)/ηtn。tn為第n天，ti為第1天，ηtn為第n-i天累計釋放率，ηt1為初期溶出率，Mt1為第1天溶出的養(yǎng)分量，M為包膜肥中的養(yǎng)分總量。
表4加工工藝參數(shù)設(shè)置詳表

注測定儀表均固定安裝在設(shè)備特定部位。
操作步驟為1、準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備好實驗所需要的物質(zhì)材料。篩分肥料顆粒，準(zhǔn)確稱取所需要的包膜材料，準(zhǔn)確計量溶劑。
2、包膜液的配制操作步驟檢查電加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜的閥門使之處于工作位置；通過溶劑入口由電動泵把溶劑送入釜內(nèi)，注意準(zhǔn)確計量送入的溶劑體積，然后關(guān)閉溶劑入口閥門；通過進(jìn)料閥門加入稱量好的固體物料，并關(guān)閉進(jìn)料閥門；把釜1(或釜2)電加熱自動/手動轉(zhuǎn)化開關(guān)旋轉(zhuǎn)到手動檔，按下釜1(或釜2)電加熱啟動按鈕，檢查溫度控制表上設(shè)定溫度值和實際數(shù)顯溫度、溫度表顯溫度；按下釜1(或釜2)攪拌啟動按鈕，攪拌；在包膜液配制完成后，把釜1(或釜2)電加熱自動/手動轉(zhuǎn)化開關(guān)旋轉(zhuǎn)到自動檔，使包膜液處于恒溫狀態(tài)。并按下釜1(或釜2)攪拌停止按鈕。
3、流化床預(yù)熱和肥料進(jìn)料把肥料置于進(jìn)料斗中；把電加熱器自動/手動轉(zhuǎn)化開關(guān)旋轉(zhuǎn)到手動檔，按下電加熱器啟動按鈕，檢查溫度控制表上設(shè)定溫度值和實際數(shù)顯溫度。旋轉(zhuǎn)三相調(diào)壓器的手動調(diào)壓電位器，使電壓值有0伏特(V)緩慢地升高到160伏特(V)；2分鐘后，按下大羅茨鼓風(fēng)機(jī)啟動按鈕，打開緩沖罐放空閥門，調(diào)節(jié)烘干氣體流量為400m3/h；打開大空氣壓縮機(jī)，打開噴頭氣相閥門；逆時針方向把肥料顆粒完全旋進(jìn)流化床；按下電加熱帶調(diào)壓器啟動按鈕，打開調(diào)壓器開關(guān)，調(diào)節(jié)電壓輸出值為100伏特(V)，連接數(shù)顯溫度表；關(guān)閉緩沖罐放空閥門，調(diào)節(jié)烘干氣體流量為900m3/h，使肥料顆粒呈良好的流化狀態(tài)；觀察電加熱器工作溫度是否達(dá)到設(shè)定溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后，調(diào)節(jié)電壓到120伏特(V)4、包膜操作全面檢查肥料顆粒流化狀態(tài)，烘干氣溫度、流量參數(shù)，包膜液溫度參數(shù)、壓力參數(shù)等，檢查其它閥門和噴頭閥門；打開釜底閥門；記時，從視鏡觀察包膜過程，注意記錄各項參數(shù)值。
5、包膜加工結(jié)束包膜液被霧化完畢以后，給一點壓力使包膜液完全排出，關(guān)閉釜底閥門。按下釜1(或釜2)電加熱停止按鈕。把電加熱帶調(diào)壓器調(diào)到0伏特(V)。關(guān)閉電源，按下電加帶調(diào)壓停止按鈕；按下電加熱器停止按鈕；按下大羅茨鼓風(fēng)機(jī)停止按鈕；把盛包膜肥料的容器置于流化床底，拉閘放料。；插上插板，拉出容器，檢查肥料表觀狀態(tài)，并記錄。
6、結(jié)束檢查各個閥門是否恢復(fù)到起始狀態(tài)，做好相關(guān)記錄和標(biāo)簽。
所得產(chǎn)品控釋性能采用水泡法測定包膜肥釋放期，具體方法是稱取包膜肥10.00g，裝于尼龍網(wǎng)袋中，將肥料袋置于塑料瓶里，然后加入200ml蒸餾水，蓋好瓶蓋，放入25℃的恒溫箱內(nèi)靜止、浸提。每個樣品設(shè)3個平行。每次取樣時，把塑料瓶中的浸提液全部取出，用于N、P、K的測定。取樣測定時間為1天、4天、7天、10天、14天、21天、28天。測定浸提液中尿素氮含量反應(yīng)包膜尿素的釋放性能，使用對二甲氨基苯甲醛-分光光度法測定(鮑士旦，2002)。
由表1可以看出，采用本工藝和設(shè)備生產(chǎn)的包膜肥料，初期溶出率在0.3％～1.3％，微分溶出率在0.4％～0.8％，釋放期為3.5個月、4個月和6個月，符合控釋標(biāo)準(zhǔn)。初期溶出率低，說明包膜均勻，即流化和包膜工藝穩(wěn)定可靠；釋放期在3.5～6個月符合大多數(shù)植物生命期，可以一次施用滿足整個生育期養(yǎng)分需求。由擬合的直線方程相關(guān)系數(shù)(r＜0.98)來看，該工藝和設(shè)備加工所得肥料按照直線模式釋放，根據(jù)28天水浸泡法測定氮素累積釋放率，擬合的累積釋放曲線(如圖10所示)來看，符合典型的直線釋放模式。另外肥料氮素釋放期隨著聚乙烯用量的增加而延長。
權(quán)利要求
1.一種制造聚合物包膜控釋肥料的工藝，其特征在于，該工藝是將流化床噴霧熱解法與溶劑蒸發(fā)沉淀相轉(zhuǎn)化法結(jié)合起來，建立起基于噴霧流化床制備肥料控釋膜的一種噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法；該法首先使物料顆粒處于穩(wěn)定的循環(huán)流化狀態(tài)，然后利用二流體噴頭把有機(jī)聚合物等制膜液噴涂到運動中的顆粒表面，通過熱空氣等手段促使沉淀到顆粒表面的制膜液的溶劑和溶質(zhì)分相，溶劑由液相變?yōu)闅庀鄵]發(fā)，溶質(zhì)由高度分散的液相變?yōu)榫哂型高^性膜結(jié)構(gòu)的固相；所說的工藝流程是第一步將有機(jī)溶劑、石臘和聚合物包膜材料加入反應(yīng)釜內(nèi)，攪拌；第二步使用電加熱棒對加熱套中導(dǎo)熱油直接加熱，導(dǎo)熱油使反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度逐漸升高；當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度達(dá)到預(yù)定溫度110～150℃時，由自動控制系統(tǒng)控制釜內(nèi)物料溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，聚合物在反應(yīng)釜內(nèi)逐漸溶解完全，變成均一的包膜溶液；第三步使用羅茨鼓風(fēng)機(jī)和緩沖罐提供平穩(wěn)氣流，用流量計調(diào)節(jié)空氣流量，之后氣流通過電加熱器被加熱，并被傳輸?shù)搅骰驳撞浚?jīng)錐斗底口噴入流化床，提供烘托氣流，其中烘托氣體流量控制在30～40/sec的范圍內(nèi)；烘托氣體溫度由可控硅三相調(diào)壓器自動控制在100±2℃范圍內(nèi)；第四步將進(jìn)料斗中的肥料顆粒送入流化床，在熱空氣的烘托和導(dǎo)筒的引流作用下，肥料顆粒處于循環(huán)流化狀態(tài)；第五步使用二流體噴頭將包膜液霧化到肥料顆粒表面，促進(jìn)溶劑揮發(fā)、聚合物沉淀，制備包膜肥料包膜液從噴頭液相入口端進(jìn)入噴頭內(nèi)部液體分布帽，并被0.5MPa的高壓氣流由空氣分布帽噴射出去，包膜液被霧化成液滴，霧化液滴在烘托氣體的帶動下，向上運動，在導(dǎo)筒中，與循環(huán)運動的肥料顆粒接觸，并粘附在顆粒表面凝結(jié)形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物膜，隨著顆粒的不斷往復(fù)循環(huán)，肥料顆粒表面能夠均勻的包覆上一層具有控釋性能的膜；第六步含有機(jī)溶劑的熱空氣進(jìn)入列管式冷凝器和空氣冷卻器，氣態(tài)溶劑被逐步冷卻為液態(tài)，回收再利用；第七步包膜率達(dá)到4％～8％的時候，關(guān)閉包膜液出料閥，關(guān)閉噴頭，打開緩沖罐放空閘閥，關(guān)閉流化氣體，肥料顆粒停止循環(huán)流化；打開流化床底放料展型閥門，卸料；進(jìn)入下一周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制造聚合物包膜控釋肥料的工藝，其特征在于，所述聚合物包膜材料和有機(jī)溶劑按kg/L比1∶(10～20)混合，石蠟和有機(jī)溶劑按kg/L的比例為1∶100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述制造聚合物包膜控釋肥料的工藝，其特征在于，所述聚合物包膜材料為聚乙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述制造聚合物包膜控釋肥料的工藝，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為四氯乙烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制造聚合物包膜控釋肥料的工藝，其特征在于，所述肥料顆粒是粒徑為2-4mm的大顆粒尿素或三元復(fù)合肥料。
6.一種制造聚合物包膜控釋肥料的設(shè)備，其特征在于，所述噴霧流化床設(shè)備由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、氣體緩沖罐、電加熱器、流化床、列管式冷凝器、空氣冷卻器、空氣壓縮機(jī)、加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜、噴頭等設(shè)備和控制系統(tǒng)組成，其設(shè)備是羅茨鼓風(fēng)機(jī)(1)連接氣體緩沖罐(2)，氣體緩沖罐(2)通過轉(zhuǎn)子流量計(3)、電加熱器(4)連接到噴動流化床(5)底部；導(dǎo)筒(22)固定在噴動流化床(5)下部，作為霧化系統(tǒng)的二流體噴頭(16)、空氣壓縮機(jī)(17)固定在噴動流化床(5)底部的噴頭液相入口；噴動流化床(5)頂部連接冷凝器(6)入口，冷凝器(6)出口和作為空氣冷卻器的室內(nèi)機(jī)(7)、室放機(jī)(8)連接；作為溶劑收集系統(tǒng)的視盅(9)接到冷凝器(6)出口和室內(nèi)機(jī)(7)連接處、溶劑收集器(10)和溶劑回收罐(11)接在視盅(9)下面；作為包膜液調(diào)配系統(tǒng)的導(dǎo)熱油泵(12)、導(dǎo)熱油儲槽(13)、恒溫加熱攪拌反應(yīng)釜(14)和(15)串聯(lián)后通過控制閥門和噴動流化床(5)底部的噴頭液相入口連通；在噴動流化床(5)床壁設(shè)置第一觀察口(24)、第二觀察口(25)、第三觀察口(26)和第四觀察口(27)；在流化床壁下沿160mm高處設(shè)置螺旋進(jìn)料器(18)和進(jìn)料漏斗(19)；底部設(shè)置出料口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造聚合物包膜控釋肥料的設(shè)備，其特征在于，所述導(dǎo)流筒(22)可以自由升降，頂部設(shè)置篩網(wǎng)，防止顆粒隨氣流帶出，噴頭位于錐底噴頭室內(nèi)，噴頭室為中空立方體，內(nèi)設(shè)導(dǎo)流擋板，噴頭室底部設(shè)置一拉閥，作為檢修口和卸料口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造聚合物包膜控釋肥料的設(shè)備，其特征在于，所述噴動流化床(5)的底錐部(21)底錐角為55°～65°。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造聚合物包膜控釋肥料的設(shè)備，其特征在于，所述噴動流化床(5)的底錐部(21)底錐角小于60°
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造聚合物包膜控釋肥料的設(shè)備，其特征在于，所述電加熱器通過采用串、并聯(lián)相結(jié)合的接線方式，使單根電熱絲使用功率為額定功率的11％，降低了電熱絲的工作負(fù)荷，電熱絲工作時不發(fā)紅，發(fā)熱元件最高溫度在400℃以內(nèi)，使用可控硅三相調(diào)壓器自動控制被加熱空氣的溫度，反應(yīng)釜使用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，可控制釜內(nèi)溫度在20℃～200℃內(nèi)的任意點，工作電壓設(shè)定在120伏以下的低壓范圍，提高安全性。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于材料包覆技術(shù)范圍的涉及采用噴霧沉淀相轉(zhuǎn)化法制造高分子聚合物包膜控釋肥料的工藝和設(shè)備。該法首先使物料顆粒處于穩(wěn)定的循環(huán)流化狀態(tài)，然后利用二流體噴頭把有機(jī)聚合物等制膜液噴涂到運動中的顆粒表面，通過熱空氣等手段促使沉淀到顆粒表面的制膜液的溶劑和溶質(zhì)分相，溶劑由液相變?yōu)闅庀鄵]發(fā)，溶質(zhì)由高度分散的液相變?yōu)榫哂型高^性膜結(jié)構(gòu)的固相；設(shè)備包括空氣電加熱器，噴動流化床，冷凝器，溶劑吸收水槽及其收集器，加熱恒溫攪拌反應(yīng)釜，二流體噴頭及其電路和自動控制系統(tǒng)等。該工藝方法和設(shè)備適用于把含高分子聚合物等材料的各種包膜液霧化沉淀到尿素或復(fù)合肥顆粒顆粒上，生產(chǎn)釋放期在1－9月的包膜控釋肥料。
文檔編號C05G3/08GK101037371SQ20071009861
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日
發(fā)明者曹一平, 楊相東, 江榮風(fēng), 張福鎖, 謝銀旦 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)