Физико-химическая механика и интенсификация

661.06/У Урьев Н.Б., Талейсник М. А. Физико-химическая механика и интенсификация 853303 (К. М-са ) образования пищевых масс. – М.: 1975 … В заключение следует подчеркнуть перспективность применения ГДД как универсального средства управления динамическим состоянием не только высокодисперсных структурированных систем, но практически всех дисперсных продуктов, включая грубодисперсные. Параметры газодинамического диспергирования могут варьироваться в широких пределах. И хотя закономерности воздействия рабочего тела на различные системы имеют существенные отличия, общим следствием его применения во всех случаях является возможность создания с его помощью регулируемого и, в пределе, оптимального динамического состояния. Использование именно этой особенности газодинамического. диспергирования, как наиболее эффективной формы механического воздействия, представляет целесообразность, а во многих случаях необходимость её применения в ряде производств с целью интенсификации процессов и повышения качества продукции. Сделать такой вывод стало возможным в результате анализа путей и методов управления технологическими процессами производства самых различных пищевых продуктов в условиях интенсивных механических воздействий. Поэтому в последующих разделах книги существенное внимание будет уделено управлению процессами структурообразования в условиях воздействия механических колебаний — вибрации, особенно в сочетании с ПАВ, в частности, при смешивании, как одном из наиболее общих и типичных процессов приготовления различных видов пищевых масс во многих отраслях промышленности. Вместе с тем, было бы совершенно неверно ограничивать все многообразие воздействий на дисперсные системы в процессах их получения и переработки только в струях газа. Речь идет о том, что газодинамическое воздействия позволяют выявить закономерности поведения пищевых дисперсных систем в динамических условиях, характерных для технологии, и регулировать свойства этих систем в весьма широких пределах.

ГЛАВА VII. ОСНОВЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОШКООБРАЗНЫХ СИСТЕМ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В пищевой промышленности весьма широкое применение в качестве исходных сырьевых компонентов нашли высокодисперсные порошкообразные материалы: (6<б_с): мука, сахарная пудра, сухое молоко, какао-порошок, продукты тонкого измельчения и т. д. Такие системы образуют пространственный структурный каркас арочного типа, прочность которого определяется дисперсностью частиц твердой фазы и их концентрацией, т. е. в конечном счете числом работающих контактов в единице объема. Дисперсные порошки могут в широких пределах изменять занимаемый объем и текучесть. Несмотря на значительный теоретический интерес и большое прикладное значение для пищевой промышленности поведение образующихся в порошках структур под действием внешних сил изучено недостаточно, а это существенно важно для очень многих технологических процессов, связанных с получением и переработкой сыпучих пищевых продуктов. nike air max thea • Транспорт, хранение порошкообразных материалов, их дозирование, сушка и перемешивание, проявление слеживаемости, агрегируемости, и их предотвращение, — все эти процессы и явления связаны с образованием и разрушением структур в высокодисперсных порошках. При этом существенно важно установить особенности поведения таких порошков не только в статических, но главным образом в динамических условиях, реализация которых должна соответствовать характеру процесса. Создание таких условий, регулирование динамического состояния порошков и его моделирование весьма эффективно достигается с помощью вибрации. 176 В связи с этим в VII главе будут рассмотрены закономерсти регулирования структурно-механических свойств высокодисперсных порошков в динамических условиях при осуществлении различных технологических процессов.

§ 1. Закономерности процессов образования и разрушения • структур высокодисперсных порошков в динамических условиях.

Свойства высокодисперсных порошков (δ<δ_с), в которых образуются структуры типа Т—Г, определяются прочностью непосредственных атомных контактов между частицами и их числом в единице объема. 1 Структурно-механические свойства двухфазных систем типа Т—Г по мере роста концентрации твердой фазы в газовой среде также претерпевают качественные изменения: от разбавленных бесструктурных коллоидных дисперсий — аэрозолей [104] до плотно упакованных и прочных структур — порошков [100], существенно различающихся по химическому составу и свойствам. Разработка методов определения и количественной теории прочности дисперсных структур — одна из важнейших проблем физико-химии дисперсных систем. Это объясняется спецификой законов разрушения дисперсных структур, отличающихся, как правило, относительно высокой (по сравнению с массивными твердыми телами) пористостью. Модель пористой структуры глобулярного типа, лежащая в основе современной статистической теории прочности пористых тел, предполагает пропорциональность прочности структуры произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. Это означает, что прочность такой структуры есть результат аддитивного сложения сил сцепления в контакта ч при условии, что прочность контактов между частицами меньше прочности самих частиц. При этом подразумевается относительно равномерное распределение дефектов (пор), сравнимых по размеру с размером частиц [111, 112, 114]. Отметим, что для реальных твердых (плотных) тел такое предположение недопустимо, а разрушение реального твердого тела носит характер локального развития опасного дефекта, сопровождающегося разрывом незначительной части (от общего числа) межатомных связей. В последние годы предположение об аддитивности сложения прочности элементарных контактов при определении макропрочности пористой структуры нашло экспериментальное подтверждение [100]. В соответствии с этим прочность структуры Р_т имеет вид Pm=γ ₁F _c n ^2/3 =γ ₂ F_c φ S ²₁ = γ ₃ F_c (1 — П )^{δ – 2} , (VII. 1) где yi, уз, V^s — постоянные величины; Р_с— средняя сила сцепления в контакте; п — число контактов в единице объема; S —удельная поверхность частиц с характерным размером б; (1—П)= φ ₁— пористость дисперсной системы. 177 Полученная Е. Д. Яхниным [114] на основе аналогичных исходных предпосылок зависимость прочности Р_т от параметров структуры имеет вид P_m = Kfcl[^(V_s^.V’_m)\-P_r, (VII.2) где — Р, = КТ*с№? (Уз, — V’m)} — рт, (VH.3) здесь К— безразмерный коэффициент, учитывающий микрогеометрию структуры (/(«!); 6 —средний характерный размер частиц; р —плотность дисперсной фазы; Vs — удельный объем, т. е. объем, отнесенный к единице массы структуры; V’_m — объемная поправка, учитывающая объем узловых частиц в структурной сетке; Р_г — избыточная и «нереализуемая» прочность системы, объем которой Vs < ^501 ^гД^е vsq~ критический удельный объем системы, выше которого структура не образуется,^ Р_т = 0 при^з = V$₀,no P_m>0 при v_s<vs₀. Величина Vs₀ определяет такой удельный объем системы, при котором возникает структура, по мере его уменьшения она упрочняется, достигая максимума при приближении значения Vsк v_m. — . ; . chaussures timberland soldes Графически зависимость Р_т (а значит, и величины реологического сопротивления) .от φ в соответствии с приведенными соотношениями выражается кривой (см, рис. 6) с двумя участками, близкими к линейным, первый из которых характеризуется относительно малым ростом Р_т с увеличением ер, а второй, наоборот, весьма резким ростом Р_т с увеличением ? > Чс₂— Величина φ _с1 характеризует объемную концентрацию дисперсной фазы в дисперсионной среде (первая критическая концентрация) , при достижении которой (при ч >fci) начинает возникать пространственная структурная сетка — коагуляционная структура. Величина ?е₂ — вторая критическая концентрация, начиная с которой (при ¥><Ре2) возникает резкое упрочнение коагуляционной структуры в узком диапазоне изменения Дер. ugg boots pas cher Ясно, что величина Р_т будет тем больше, чем выше «кон центрация» молекулярных связей (сил) в единице объема системы, число которых пропорционально числу элементарных кон тактов между частицами дисперсных фаз в единице объема дисперсной системы. Число же этих ^:контактов, естественно, тем больше, чем выше дисперсность и концентрация твердой фазы в жидкой или газовой дисперсионных средах. Нельзя исключат;, и роли анизометричности и шероховатости поверхности частиц. По мере увеличения удельной площади поверхности частиц .S и соответствующего уменьшения их размера б такие npocfpaHci -венные структуры возникают при непрерывно уменьшающейся начальной (т. е. наименьшей) объемной концентрации тверды! фазы ф. Для порошков с размером частиц б порядка нескольких микрон обычно величина ср<0,5. Это значит, что в такой структуре пустотность (в %) Я=(1—ф)100>50. 178 Если получение информации о параметрах структуры обычно не представляет особых трудностей, то получение расчетным путем с достаточной степенью точности величины F_c существенно сложнее. Вместе с тем приведенные выше формулы прочности, и в частности формулы (2, 3), позволяют по экспериментально устаноленным значениям Р_т при известных геометрических папаЬт-рах структуры. (Vs, V_So, V’_m) ‘ рассчитать среднее знлчЯЬге ^^: ‘ ‘ ‘ • ‘ 1 -F_c=P_mVv(V_s-V’_m)(V_So-V’_m)i(V_So-V_s); , (VBl) Vs₀>Vs; V_s>V_m. • Была сделана, попытка установить взаимосвязь между прочностью коагуляционной структуры, ее упругостью и деформируемостыр с учетом в общем виде физико-химической прочности контактов между частицами (вернее, интегральных значений энергии и силы взаимодействия между частицами). В частности А. Ф. Ползком [100]. получено выражение для прочности такой структуры: Р_да=-С₁/ [8ЯЗ(а+Я)2], (VII.sB где Ct —»параметр, учитывающий физико-химическую природу сил чеждучастицами; Н—равновесное расстояние между частицами; а — диаметр частицы. Применение этого соотношения затрудняется в связи с необходимостью конкретизации значения Cj. Вместе с тем из приведенного соотношения следует, что прочность обратно пропорциональна кубу расстояния между частицами в .контакте. Прочность I пространственной структуры дисперсной системы и ее фи.чико- | химическая устойчивость (агрегативная и кинетическая) hiпос-рёдств^нно связаны друг с другом и в конечном счете определяются природой элементарных контактов между частицами дисперсных фаз, их числом и распределением в объеме структуры. Из приведенной выше зависимости (формула VII. 1) прочности структуры от числа частиц в единице объема и средней прочности элементарного контакта между частицами следует, что без разрушения структуры порошков невозможно управлять их структурно-механическими свойствами. Вместе с тем анализ этой зависимости показывает, что управление свойствами порошков можно и целесообразно осуществлять, как мы уже отмечали, сочетая механические вибрационные воздействия с ослаблением прочности сцепления в контактах между частицами путем введения в порошки малых добавок адсорбирующихся на поверхности частиц поверхностно-активных веществ. Учитывая, что ассортимент, качество и количество применяемых в пищевой промышленности различных по химической природе и строению поверхностно-активных веществ непрерыв- 179

Постановка задачи оптимизации режимов нагружения частиц

Задача оптимизации режимов газодинамического диспергирования материалов, является общей задачей проектирования газодинамического дезинтегратора (установки), выбора его основных конструктивных вариантов и параметров. В качестве исходных данных процесса оптимизации используется производительность, заданная геометрия внешнего облика установки и её энергетический потенциал. Взаимосвязь указанных показателей очевидна из следующих рассуждений. Производительность установки по измельченному сырью, является определяющим фактором массы, транспортируемого по отдельным элементам установки, материала. Последняя складывается из массы подаваемого исходного m_исх и циркулируемого в мельнице m_цирк материала: m = m_{исх +} m_цирк . Cущественным моментом в этой зависимости является то обстоятельство, что количество подаваемого в мельницу материала задается своими абсолютными значениями удовлетворяющих технологические требования, величина же циркулируемой в мельнице массы материала определяется энергетическими условиями разрушения и свойствами измельчаемого материала. Если учесть, что для достижения определенных условий (работа без завалов) совершения внутримельничных процессов (разрушения, классификации по размерам и транспортировки частиц материала) требуется определенное количество энергии, вносимой в мельницу рабочим телом- газом, то при данном энергетическом состоянии (давлении, температуре, скорости) определится потребная его масса m_г. Материальный баланс потока, проходящего через любое рабочее (кроме труб возврата ???) сечение мельницы будет иметь вид: Или в буквенном выражении: , где   = m_загр = m _исх+ m_цирк+ m_газа ( ) Некоторые массы задаются своими абсолютными значениями, другие – относительными:   _цирк =; _исх=; _{цирк ==1; загр} =. nike air max pas cher Для снижения удельных энергозатрат на измельчение, очевидно, нужно снижать величину циркуляционной нагрузки _цирк=. Таким образом, критерий минимума относительной массы циркулирующей нагрузки является одним из основных и должен использоваться во всех задачах оптимизации процесса газодинамического диспергирования. Взаимосвязь между относительной массой циркулирующей нагрузки и требуемой относительной массой рабочего тела проявляется через аэродинамическое качество К установки, зависящее от геометрических параметров её конструктивных элементов (измельчителя –помольной камеры с инжекторными устройствами, классификатора, пылеулавливающей системы, транспортных трубопроводов). Как было показано в более ранних работах автора, до 80%, от общего количества подводимой к мельнице энергии, приходится на инжекторные устройства. Поэтому, оптимизация режимов и конструктивных параметров инжекторов является актуальной задачей и может быть решена в процессе специальных исследований. Учитывая имющую место зависимость между m_цирк и m_г минимизировать следует не только одну относительную массу циркулирующего материала, но и сумму приведенных значений циркуляционной нагрузки и массы перемещающегося газа (_{цирк + цирк}). В ряде случаев бывает целесообразным несколько увеличить m_цирк, но при этом значительно уменьшить m_г, минимизируя сумму (_{цирк +цирк}) путем рационального выбора геометрических параметров функциональных элементов установки. !!!!!! Показать ниже. Как было показано ранее, величина циркулирующей нагрузки является функцией измельчаемости материала, зависящей, в свою очередь, от физико-механических свойств материала и условий нагружения его частиц. botte ugg pas cher Действующие на частицу в потоке газа нагрузки по своей физической природе можно разделить на три группы: — нагрузки, вызванные столкновением частиц с ограничивающей поток преградой; — нагрузки, вызванные сдвиговой деформацией турбулентного потока газа (рабочего тела), в котором находятся частицы; — нагрузки, вызванные столкновением с другими частицами. Следует отметить, что вся действующая система внутренних (инерционно-массовых) и внешних (аэродинамических или реактивных) нагрузок не должна быть самоуравновешенной. Динамизм гетерогенной системы – непременное условие эффективности газодинамического диспергирования. Каждая из трех групп нагрузок вызывает определенные распределения для каждого сечения суммарных разрушающих сил. В силу сложности количественной оценки поведения частиц в потоке газа четко сформулировать условия изменения внешних нагрузок для различных типов нагружения, очень трудно. Однако можно указать на ряд правил, с которыми следует считаться при максимизации внешних нагрузок. Во-первых оптимизацию загрузки мельницы следует производить одновременно с максимизацией внешних нагрузок. Во-вторых, в процессе максимизации нагрузок следует варьировать не только распределением массовых сил, но и использовать специальные методы управления этими силами с учетом физико-механических и химических свойств измельчаемого материала. (см. Оптимизацию теплоэн-х уст-к). При изучении законов равновесия и движения жидкостей и газов (а также взаимодействия движущихся жидкостей и газов с обтекаемыми или твердыми телами) в гидромеханике жидкость или газ * рассматривают как непрерывно распределенную в пространстве сплошную среду. Жидкость (газ) движется под действием массовых (объемных) и поверхностных сил. Примером массовых сил может служить сила тяжести, действие которой в выделенном элементарном объеме не зависит от других частиц жидкости, а по величине пропорционально массе выделенного элемента жидкости (газа). Поверхностные силы представляют собой силы, действующие на поверхность выделенного элемента со стороны соприкасающихся с ним других частиц жидкости. Поверхностные силы могут быть разложены на нормальную (давление) и касательную (трение) составляющие. В условиях равновесия касательные напряжения** в жидкости равны нулю и поверхностные силы выражаются лишь силами давления (причем давление в данной точке распространяется одинаково по всем направлениям), которые действуют как в неподвижной, так и в движущейся жидкости. Таким образом, при выводе уравнений движения жидкости в основу берется второй закон движения Ньютона, согласно которому изменение скорости движения во времени пропорционально действующей силе и имеет одинаковое с нею направление. Другими словами, векторная сумма всех сил, действующих на выделенный элемент жидкости (рис. 3.3), равна произведению его массы на ускорение (принцип Д’Аламбера). { Баланс действующих в потоке сил выражается в случае дви-\ жения идеальной жидкости уравнениями Эйлера, а в слу-|чае движения реальной жидкости—уравнениями Навье -— ‘Стокса. Рассмотрим общий случай и составим уравнения движения вязкой сжимаемой жидкости. (см. с. 52 — Романков П. Г., Курочкина М. И. Гидромеханические процессы химической технологии. — Л-д: «Химия» 1982.) * Это допущение неприменимо к разреженным газам.