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应用于农业化学领域的干法精细研磨技术
作者:Michel Hamelin,耐驰干法技术有限公司 来源:农药工业网 日期:2019-12-25

    2017年,世界人口估计为75亿人。预计到2030年,这一数字将达到85亿至89亿(来源:UNO人口数据库)。人类将面临着巨大的挑战。对于农业来讲,未来面临的最大挑战可能是找到足够养活这么多人的方法。增加耕地数量是解决办法之一,也是公众讨论的一个主要话题。而通过施肥及增加对农作物的保护来提高农作物产量则是另一个重要的解决办法。

    在本文中,我们将集中讨论对农作物起到重要保护作用的农药制剂的生产,尤其是其生产过程中的重要步骤之一:研磨。

生产工艺:

    农药生产商之所以要研发特定组分及剂型,其目的就是希望使活性成分在作物需要保护的适当时刻,以适当的用量,有效减少对作物生长不利的因素(如害虫、杂草或真菌……)。因此,植物保护剂本质上可以说是一种包含各种不同成分的混合物。这些成分基本可以概括为三大类别:配方中的活性成分;用于稀释活性物质的填料,如粘土、滑石、高岭土或二氧化硅;用于改善配方品质的助剂和添加剂(如稳定剂、润湿剂、防护剂、消泡剂等)。

    在农药生产工艺中,第一步是喂料及混合;第二步为研磨,通过如下展示的不同种类的研磨设备,将混合后的物料颗粒研磨、分散到目标细度,以达到应用要求。研磨过后,通过筛分工序,以防可能存在的过大颗粒。最后,加入无需研磨的助剂或填料,进行再次的分散混合。

    通过以上工序,我们获得最终的产品:可湿性粉剂(WP),等待包装。如果需要增加造粒这道工序,则获得的最终产品称为水分散粒剂(WG)。

图1:农药制剂生产工艺流程
1:喂料罐;2:螺杆进料;3:预混机;4:气流磨;5:风机,6:过滤器,7:批混机,8:成品罐

    农药颗粒要求为超细颗粒和窄的粒径分布的原因:越细的活性成分颗粒,作用越有效,这意味着使用较少的量就可以达到相同的药效。这是利于安全、环境和经济方面的因素:减少对处在喷洒区内人员的毒性影响;减少对环境的污染;减少配方中成本最高的活性成分的使用量,从而降低农药生产成本,增加利润。

    窄的粒径分布有利于简化农药使用步骤:在作物上施用之前,将粉末分散在水中。颗粒更细,悬浮液就更稳定,并且在操作过程中不会发生沉淀。在农药喷洒过程中,有效减少了大颗粒对喷洒系统的喷头堵塞的问题。

图2:经CGS流化床气流磨粉碎后,典型粒径分布

    选择合适的磨机至关重要,根据农药生产商要求的细度和规格,耐驰可提供不同的干法研磨技术。

Condux 机械磨:

图3:带分级机的CONDUX 680精细机械磨

    机械冲击磨可用于软至中等硬度物料的精细研磨。粒径中值的典型细度范围为20至500μm。圆周速度为25至150 m/s。耐驰还可以提供对向旋转方式,速度高达250米/秒的另一种机型。空气流量取决于转子类型,从而确保温度稳定的研磨。转子水平安装,因为轴转速很高,轴封采用了无接触式迷宫式类型。
    机械冲击磨可使用不同类型的研磨盘,适合两种不同的研磨任务:定子(筛网或研磨轨道)相结合的结构,CONDUX磨机可进行预研磨。旋转的转子具有鼓风效果,产生较高的风量,从而降低研磨腔内的温升,适用于温度敏感物料。研磨后物料细度可小于100μm。
  配有研磨盘和分级轮相结合的结构,CONDUX磨机可生产标准细度在30um以下的农药粉体。该机器的设计简单,只需一个马达用于驱动研磨盘和分级轮的转动。粒度上限可通过调整分级轮的高度来调节。研磨部件易于拆卸清洗,可快速切换两种不同物料的研磨。

带分级功能的机械磨CSM

    该类分级磨提供了在一个系统中同时实现研磨和分级两种功能的可能性。CSM分级机是一种精细冲击式分级机和导向轮分级机的组合。使用两个独立的马达驱动,一个用于磨盘,另一个用于分级轮,CSM可以精确地调整分级轮转速,从而获得从d97=9μm到200μm的大范围最终产品细度(见表1)。通过利用分级机叶轮的几何形状及分级轮与机顶盖间的间隙气封,确保研磨物料颗粒大小上限的精准控制,从而达到精细分级。

表1:分级磨的参考数据:

流化床气流磨 CGS

图4:流化床气流磨CGS 50

    该气流粉碎机适用于用于各种硬度的物料(软至极硬)的超细粉碎。在研磨区,颗粒受高速气流带动相互碰撞研磨,无额外研磨部件,动态分级机控制了最大粒径。研磨室内喷嘴出口处的气流速度可达500至600 m/s。因为在流化床中可以产生很高的研磨能量和冲击速度,D50细度达到1至5μm成为可能(见表2)。

    由于这样的结构特性,气流磨具备一个非常吸引人的特点:在研磨过程中,研磨腔内不会有温度升高。原因在于颗粒间相互碰撞时所产生热量,被膨胀的压缩气体所产生降温现象所抵消,这样研磨室内的温度保持一定,活性物质分子就不会被破坏。

    分级发生在CGS气流磨的顶部,在一个与研磨区分离的独立区域。特殊设计的ConVor分级轮可以分离出几微米的大颗粒,从而实现狭窄的粒径分布。分级轮转速可通过变频器进行简便控制,这使得对CGS型气流磨适用于研磨不同细度范围的物料(见图5)。

图5:粒度分布随分级机速度而变化,CGS 16流化床气流粉碎机粉碎两种除草剂

表2:流化床气流磨CGS的参考数据:


    无论选择何种研磨技术,都应该重视整个研磨系统的整体设计。下面我们将解释两个必须考虑的重要方面:粉尘爆炸风险的安全防护和防止物料交叉污染。

    研磨粉碎过程中,避免粉尘爆炸的防护措施:

    在大多数情况下,杀虫剂都含有易发生粉尘爆炸的危险有机成分。有资质的实验室会对完整配方进行分析,从而确定预防粉尘爆炸的安全值。这主要涉及最小点火能量、点火温度和爆燃指数KSt值。根据该数据,当超过限值时,研磨系统必须配备足够的保护。一种好的防爆解决方案可通过加装诸如防爆阀、泄爆片等防爆元件来实现,这将有利于限定生产成本,简化操作步骤。第二种解决方案是研磨工艺在惰性气体保护下进行,同时控制氧含量。第三种解决方案是通过控制工厂的氧气含量进行研磨。第四种解决方案是使用阻燃抑爆系统,如在研磨系统中安装合适的粉末灭火装置。

    研磨设备及系统必须易于清洁:
    同一设备(或生产线)经常被用于生产几种配方完全不同的产品,可能还有相互作用的活性成分。在这种情况下,生产商必须特别注意的是在两次生产活动之间必须清洁研磨系统。

    作为一家机械制造商,耐驰一直致力于设计研磨设备和系统,机器具有很多方便客户维护的设计。可以完全打开安装有分级轮组件的顶盖设计,旋转型的腔体外型及选位合适的维护门都可使用户非常容易触及到内部的部件。采用不锈钢结构、精抛光,研磨机底部排放阀,因此可以用水清洗,非常简便。

总结:


    目前,农药生产具有越来越重要的战略意义。必须重新评估以更加重视环境所受限制,无论是在产品生产过程中,还是在农业作物上使用的过程中。然而,满足世界人口需求仍然是个巨大的挑战。化工的作用是以最好的方式生产农药,这需要选择最适合的研磨技术来实现。

    CONDUX机械磨非常适合粗磨和预磨。配有分级轮的机械磨,设计简单,可以满足最终产品需要的标准规范。如果需要获得无超大颗粒的最佳粒径分布,建议使用CSM型分级机。对于高质量农药的生产,选择流化床气流磨CGS是最佳选择,它具有更好的细度分布。具有最终产品不含过大颗粒,活性成分保存最佳等关键优点。无论选择何种工艺,研磨系统的设计都必须满足具体的应用要求,主要是避免粉尘爆炸风险,以及对交叉污染的控制。

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