Измельчение, как средство улучшения качества производимой продукции

1.1.Основные принципы разработки высококачественной продукции

Качество продукции — совокупность свойств и состояний продукции, обусловливающих её пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с её назначением, отражающих уровень новизны, надежность, долговечность, экономичность, эстетичность и другие потребительские свойства. Назначение любой продукции наиболее четко проявляется через систему её воздействий на потребителя, через её совокупную функцию. Заказывая или производя продукцию, мы определяем не только сферу (область), где эта продукция будет использоваться, мы одновременно устанавливаем её желаемые свойства. Свойство продукции — объективная особенность продукта (в частном случае изделий), проявляющаяся при их создании, потреблении, эксплуатации. Качество продукции зависит от качества исходного сырья, материалов, способов получения (переработки), конструктивных и режимных параметров технологического оборудования от технической дисциплины и качества труда. Качество и характеризуется показателями качества. Под показателями качества продукции понимают количественную характеристику определенных её свойств. Свойство как признак качества продукции характеризует её способность вести себя соответствующим образом. Для каждого продукта устанавливаются номенклатурные группы показателей качества, обычно регламентируемые ГОСТами или определяемые заказчиком (потребителем). В группу показателей качества входят: показатели назначения, сохраняемости, технологичности, транспортабельности, эстетичности и т.п. Повышение качества продукции является комплексной проблемой, которая предполагает совершенствование методов её разработки, структуры производства, планирования, организации труда, ускорения научно-технического прогресса. Повседневное обращение изготовителей (производителей) продукции с материальными комплексами, которые, в результате соответствующих преобразований становятся продукцией, обусловливает необходимость осознания совокупности факторов, определяющих качество конечного продукта. Любое рациональное действие, реализуемое в процессе подготовки производства продукции можно свести к трансформирующемуся комплексу операций: анализа свойств исходного сырья, синтеза на его основе наиболее рационального вида продукции и разработки концепции производства. Задача разработки концепции производства, в свою очередь, должна включать глубокий анализ целей проектирования, расчетных моделей, критериев оптимизации конструктивных вариантов технологического оборудования, необходимого для реализации производства. Особое значение имеет описание потребности в продукции. Сформулированные потребности становятся объективным предметом анализа, результатом которого должен быть комплекс критериев, используемых как основы оценки концепции получения (синтеза), особенностей и свойств, прогнозируемой продукции. Результат этого синтеза в свою очередь должен подвергаться анализу, предметом которого являются прогнозируемые физико-химические свойства получаемой продукции, структурные параметры оборудования, обеспечивающие эти свойства, а также различные практические аспекты (экономичность, надежность, экологичность? и т. п.) производства, на которые должны указывать соответствующие критерии. Изучая состав, химические свойства, способы переработки твердых веществ, являющихся основой производимой продукции практически всех отраслей промышленности, нельзя обходиться без представления об их электронной конфигурации, кристаллической структуре, без знания закономерностей, которым подчиняются процессы получения твердых тел регулярного строения. Макроскопические свойства веществ, являются функцией их микроскопической атомной структуры и законов взаимодействия микроэлементов, составляющих эти вещества. Поэтому, определение свойств отдельных атомов и законов их взаимодействия в молекулах определенного вещества, а также способов их видоизменения, может служить основой разработки принципов преобразования физико-механических свойств материалов. К одной из первых ступеней в иерархической структуре преобразования физико-химических свойств твердых материалов в процессе производства различной продукции, относятся процессы измельчения, осуществляемые различными способами и в различных аппаратах. Наряду с такими свойствами, как величина удельной поверхности, определяющая поверхностные свойства частиц, к факторам, определяющим качество, получаемой на их основе продукции, относят изменения в морфологии, минералогии и химическом составе вещества, возникающие в процессе сокращения размеров. [П. Сомасундаран. Роль поверхностных явлений при обогащении тонкомолотых частиц. /Пер.с англ. журн. Mining Engineering, 1984. August, c. 1177 — 1186]/ Морфологические различия (форма, размер, структура могут возникать в силу различной структуры исходных минералов, различия в распределении их по крупности и различной способности к разрушению. Напряженные состояния внутри малых кристаллических (? и аморфных) частиц, обусловленное наличием поверхности, может проявляться в сокращении параметра решетки, изменении теплового расширения и в смещении точек фазовых превращений. Имеющаяся по этим вопросам информация, однако, весьма противоречива. (Петров Ю. И. Физика малых частиц. – М.: Наука, 1982, 359 с.) с.98 Изменение химических, электрофизических, механических свойств вещества зависят от его электронной конфигурации. Носителями этих свойств являются валентные электроны. Поглощение и эмиссия излучения обусловлены переходом валентных электронов из одних энергетических состояний в другие, окислением вновь образованной поверхности; взаимодействием на площади поверхности с другими веществами, ведущим к осаждению на ней других макромолекул; покрытия поверхности осадками или шламами. Природа вещества – его строение и свойства – определяются его составом и энергетическим состоянием. Все физические константы, характеризующие свойства вещества, согласно принципам квантовой механики, определяются четырьмя фундаментальными величинами: зарядом e и массой m электрона, постоянной Планка h и массы ядер. Из этого вытекает принцип дискретных фундаментальных форм – физическая основа теории строения вещества, а следовательно, и его качества. Тот факт, что из одних и тех же атомов (ядро + электронное облако) при одинаковых условиях образуются одно и тоже вещество, обладающее одними и теми же свойствами, объясняется тем, что каждому состоянию электронной волновой функции отвечают определенные пространственные конфигурации, обладающие простой симметрией, отражающей симметрию поля сил между ядром и электронами. Силы квантовомеханического взаимодействия – межатомные химические связи – удерживают атомы в определенном порядке, образуя молекулярные структуры вещества. Молекулы это сумма атомов, связанных за счет неполной компенсации электромагнитных сил, связывающих электроны с атомами Межатомные связи Е_мол, вызванные этими остаточными эффектами, слабее внутриатомных связей Е_ат (Е_мол ~ 0,1Е_ат). Молекулярная структура вещества (молекула) – это та форма, в которой может существовать вещество данного состава (т. е. данная электронноядерная система), находясь в данном энергетическом состоянии. При температуре Т средняя тепловая энергия молекулы ~ кТ, поэтому, чтобы вещество находилось в твердой фазе, кТ не должно превышать 0,1 Е_ат. Но Е_ат = (m_e e ⁴ / 16 π ² ε² ħ ²) ~ 10 ¹⁸ Дж, следовательно, вещество в твердом состоянии может находиться, если соблюдено условие: Т ≤ 10 ⁴ К. Твердость вещества – свойство, определяющее его прочность и пластичность, обусловлена сопротивлением электронных облаков сжатию, сопровождающегося увеличением энергии электронов. Известно то, что одно и тоже вещество, измельченное в аппаратах различных типов до одинаковой дисперсности (крупности его частиц), может значительно отличаться своими физико-механическими и химическими свойствами [Утеуш З. В., Утеуш Э. В. Управление измельчительными агрегатами. – М.: Машиностроение, 1975. 280 с.; Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов. Кафаров В. В., Дорохов И. Н., Арутюнов С. Ю. – М.: Наука, 1985. 440 с.]. Это связано с различным механизмом образования новой поверхности в процессе разрушения сплошности материала, обусловливающее новые её свойства. (Ред) Как процесс образование новой поверхности, так и сопутствующие ему явления (электризация, коагуляция, …) в разных аппаратах протекают по разному, с разной интенсивностью. Вид нагружения (статическое, динамическое, импульсное), условия нагружения (удар, скольжение, температура), скорость нагружения, вид напряженного состояния (однородное, неоднородное), средства нагружения (продукты химического превращения энергоносителя, металлические предметы – шары, стержни и т. п., …) и другие параметры, существенно меняют характер воздействия динамической нагрузки на измельчаемый материал и по разному влияют на структурные изменения вещества и, следовательно, являются регламентирующими факторами при выборе механизма измельчения и измельчительного устройства для получения продукта с заданными свойствами. Исследование проблемы измельчения шло именно в этом направлении, и было направлено на решение следующих задач:

• изучение механизма разрушения твердых тел под влиянием внешних воздействий, имитирующих внешние воздействия имеющих место в реальных измельчительных агрегатах;
• исследование закономерностей распределения частиц по размерам в зависимости от условий измельчения;
• установление взаимосвязи между одной из характеристик дисперсности порошков и затратами энергии на измельчение.

Решение этих задач требует познания и научного объяснения условий, которые обеспечивают получение материала с желаемыми морфологическими свойствами и минимального отношения вновь образованной поверхности к затраченной энергии, правильного раскрытия и объяснения их сущности, освещения настоящего состояния уровня их познания и раскрытия тенденций развития, научного предвидения результатов, которые могут наступить при их изменениях. В круг теоретического решения задачи входит также очерчивание и научное обоснование методов и средств, которые следует использовать для достижения требуемых условий. В связи с изложенным актуальным является анализ выполненных работ по исследуемому вопросу в части механики разрушения материала, а также установления связи между поведением материала частиц в результате воздействия на него внешних факторов.

Сравнительная оценка механизмов получения тонкомолотых материалов.

В процессе поиска эффективных методов получения тонкомолотых материалов промышленностью освоено десятки типов помольного оборудования отличающихся габаритами, видом используемой для разрушения материала энергии (механической, электрической, тепловой), механизмом передачи энергии от её источника к частицам измелчаемого материала (механическим, термическим, газодинамическим), а также механизмом разрушения раздавливание, истирание, удар) и разделения частиц по крупности. При этом, как показала практика, все больший интерес вызывают установки, характеризующиеся высокоскоростным ударным и раздавливающим разрушением. К этой группе относят машины в которых передача энергии к частицам измелчаемого материала осуществляется специальными механизмами — роторами, билами, бегунами, шарами, стержнями и т. п. Скорости удара роторных ударных мельниц составляет 100 — 200 м/с, что не достаточно для получения частиц крупностью 1 — 5 мкм, в силу низкой эффективности передачи энергии от ударяющего тела к ударяемому, зависящей от соотношения их масс. Установлено (эффект Александрова), что при упругом ударе с ростом отношения масс коэффициент передачи растет лишь до определенного критического значения, определяемого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел. Так, Шоннерт определил, что частицы размером меньшим предельной величины, равной примерно 1 мкм, уже не дробятся под воздействием ударной силы, а сжимаются, подвергаются остаточной деформации; хрупкость их при этом уменьшается. К особой проблеме, возникающей в процессе измельчения, относится проблема отвода тепла, образующегося в результате помола материала в оборудовании с высокоскоростными разрушающими механизмами. По аналогии с механическим эффектом упругого удара Александрова можно предположить существование предельных масс реагентов и, очевидно, концентраций твердых фаз, предельных температур, выше или ниже которых эффективность поцессов переноса масс, энергии, … не изменяется. В газодинамических дезинтеграторах измельчение происходит также преимущественно за счет удара. Однако скорости соударения частиц, особенно при организации встречного их движения, может достигать до 1000 м/с. При этом энергия соударения может достигать такой величины, что с поверхности кристаллической решетки срываются атомы, ионы, образуя механические активированные, химически не связанные дефекты. При дальнейшем разрушении частиц увеличивается количество активных дефектов с нескомпенсированными химическими связями, которые вступают во взаимодействие с различными средами, способствуя, тем самым, более глубоким структурным изменениям материала. Этим объясняется, например, приобретаемое пирофорное свойство порошков металлов, поглощение кислорода измельченным кварцем, самовозгорание графита, серы и т. п. В результате механических повреждений поверхностных слоев кристаллической структуры частиц материала, подвергаемых размолу и, вследвие наступившей пластической деформации, материал частично или полностью попадает в метастабильное – аморфное состояние, сопровождающееся увеличением свободной энергии, Характерно, что материалы, ставшие в результате механического измельчения аморфными, химически значительно активнее материалов, имеющих кристаллическю структуру. Степень аморфизации материала и степень сокращения размеров частиц в процессе струйного измельчения, по данным Меньхартне Кочиша М. (химико-технологический исследовательский институт МГА, Будапешт), зависит, при прочих равных условиях, от состава рабочего тела — энергоносителя. Основным преимуществом газодинамических дезинтеграторов является высокая интенсивность протекания физикохимических процессов, обусловленная большими площадями реакционной поверхности при контактном взаимодействии частиц дисперсной фазы между собой и с диспергирующим газовым потоком.……….. Историю развития струйных мельниц (газодинамических дезинтеграторов) по патентным источникам можно проследить с 1880 года, однако их доля в производственной сфере измельчения и классификации материалов, в силу не изученности процессов, до недавнего времени составляла не более нескольких процентов. Усилившийся в последние десятилетия технологический интерес к переработке материалов с микронными и субмикронными размерами частиц, а также к лучшему регулированию их размеров, обусловил большой интерес к этому оборудованию. Более мелкие частицы характеризуются большей площадью удельной поверхности, которая в свою очередь обеспечивает такие их технологические преимущества, как: высокую химическую активность, высокую абсорбционную (поглотительную) способность, высокоэффективное суспензирование, боле ровную структуру, высокоэфективную сушку и т. д. Кроме отмеченных качественных показателей измельчаемых материалов, к преимуществам газодинамического диспергирования относится возможность обеспечения ряда других технологических показателей, способствующих повышению эффективности производств, перерабатывающих измельченные материалы :

• узкие пределы распределения и максимально четкая классификация частиц по размерам;
• минимум загрязнения измельчаемого материала посторонними примесями, особенно при измельчении абразивов;
• отсутствие теплоты трения: адиабатическое расширение рабочего тела газа, движущегося с большой скоростью, после выхода из сопла полностью компенсирует любую теплоту трения, что дает возможность измельчать любые термочувствительные материалы, такие как: парафин, органические и фармацевтические материалы, инсектициды, смолы и другие материалы;

• возможностью совмещения в одном аппарате — газодинамическом дезинтеграторе, процессов измельчения, сушки, механохимической активации и смешивания разнородных материалов;
  • возможностью переработки материалов с исходной влажностью 60 – 65% и получения абсолютно чистого продукта с желаемыми конечной влажностью и размером частиц, регулируемым в диапазоне от 150 до –5 мкм;
  • низкими металлоемкостью и степенью износа оборудования (металлоемкость оборудования газодинамической технологии в 2-3 раза, а степень его износа – в 100 раз ниже традиционно используемого для этих целей оборудования);
  • низкими удельными затратами энергии, лежащими, в зависимости от вида решаемых технологических задач, в пределах 25 – 100 кВтч /т;
  • конструктивной простотой и низкой стоимостью используемого оборудования, лежащей в пределах 5 – 500 тыс. у.е., в зависимости от его мощности.

Технология отличается высокой универсальностью используемого оборудования, обеспечивающего комплексное решение проблем повышения эффективности целого ряда технологических процессов:

• обогащения полезных ископаемых, их металлургического и химического передела;
• подготовки твердых топлив к сжиганию;
• производства строительных материалов (цемента, сухих строительных смесей и т. п.), а также комплексных удобрений на основе минерального и органического сырья;
• производство лакокрасочной продукции из отходов металлургической и горнорудной промышленностей;
• производство высококалорийных хлебобулочных изделий из цельного зерна пшеницы, ржи, овса;
• производства лекарственных препаратов, косметических масок, пищевых добавок, порошкообразных продуктов из овощей и фруктов для приготовления напитков и детского питания;
• организацию безотходной технологии переработки плодоовощной, кондитерской, винодельческой и мясорыбной продукции.

Разработаны проекты технологических линий производительностью 5 кг/ч, 200 кг/ч, 2000 кг/ч, 5000 кг/ч, 25000 кг/ч, 50000 кг/ч и 100000 кг/ч, эффективность применения которых подтверждена результатами полупромышленных испытаний, внедрения и промышленной эксплуатации на предприятиях:

• горнометаллургической промышленности (Украина);
• стекловолоконной промышленности (Башкирия, Беларусь, Болгария, Россия, Украина);
• порошковой металлургии (Украина, Россия);
• в производстве строительных материалов (Россия);
• в химической промышленности (Грузия, Россия);
• в производстве пищевых продуктов и кондитерских изделий (Украина).

Разработки защищены 60 авторскими свидетельствами СССР, патентами Украины, США, Германии.

Характеристика прочностных свойств сырья

Твердые тела сохраняют свою форму благодаря химическим и физическим связям, существующим между их атомами и молекулами. Состояние любого тела, в том числе твердого, можно изменить, разорвав эти связи несколькими различными путями — механическим разрушением, плавлением или воздействием химическими реагентами. Поскольку в каждом случае при разрушении должны быть разорваны определенные внутренние связи одного типа, можно предположить. что существует некая простая связь между всеми названными формами разрушения. asics soldes И сегодня, когда известно, что прочность материала связана с химическими взаимодействиями его структурных элементов — атомов, ионов, молекул, её природу объясняют средствами классической химии и физики с привлечением основных законов механики. Атомы и молекулы, образующие вещества. удерживаются вместе химическими связями, сильно отличающихся по своим свойствам. Ковалентная связь возникает, когда электрон, двигаясь по эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Такая связь возникает труднее других, но раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой. Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомами углерода в графите и алмазе, а также в ряде других связей. Ионная связь возникает в результате поглощения электрона одного элемента другим элементом. В результате два атома взаимного притягиваются. Ионная связь в твердых телах характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются соединения, в которых связи имеют как ионный так и ковалентный характер. В то время, как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом. Металлическая связь держит вместе атомы металлов, когда они не образуют определённых химических соединений. В некоторых случаях некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно на орбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по металлу. Они образуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легко возникает, разрушается и восстанавливается. Водородная связь. Молекула воды Н₂О в целом электрически нейтральна, но распределение электрического заряда в ёё объёме неоднородно. Местное нарушение баланса зарядов могут обеспечивать большие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические имеют вдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягивать другие группы -ОН, молекулы воды и т.д. Так осуществляется связь между молекулами растений и животных. Силы Ван-дер-Ваальса намного слабее других сил и возникают вследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникать по всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определёнными химическими группами. Сцепление, основанное на Вандерваальсовских силах, встречается в природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и других искусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможность слабой «склейки» почти любой пары вещества при условии, что поверхность достаточно чистая и находится в хорошем контакте. Задача теории прочности, применительно к процессу измельчения, не столько в том, чтобы объяснить, почему материалы прочны, сколько в выяснении причин их разрушения…. (с.250 Гордон). Способность материалов выдерживать нагрузки (противостоять разрушению) обусловлена его структурой. Структура определена относительным расположением соединенных между собой частей целого с указанием взаимосвязи между этими частями. …Несмотря на то, что способ восприятия и передачи нагрузок связан с кинематическими и динамическими свойствами измельчающей системы, критическая оценка нагрузок окончательно проводится путем их подбора (согласования) со структурой измельчаемого вещества. nike huarache Анализ структур в процессе разработки механизма измельчения должен стать основой предложений к изменению силовых воздействий, а следовательно, к изменению нагрузок и, может быть, свойств структурных элементов измельчаемого материала. (с.233 ?). Исходя из общего определения химического соединения, было принято (Алесковский В. Б. Химия твердого вещества. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1978. 256 с.), что однородные твердые тела, имееющие одни и те же состав, строение и молекулярную массу, представляют собой образцы одного и того же индивидуального вещества — твердого химического соединения. Такие соединения называют твердыми телами. Это, конечно, идеализированное определение. Руководствуясь им, можно прийти к следующему практическому определению: однородное твердое вещество, состав и плотность которого практически одинаковы во всем объеме любых его образцов, представляет собой твердое соединение. Заметим, что постоянными состав и плотность можно считать в тех случаях, когда они не отклоняются от средних значений больше, чем на величину ошибки измерения а ответствующего параметра. Если плотность или другие связанные с ней константы твердого вещества, например показатель преломления, одни и те же для образцов одинакового состава, то очевидно, что строение этих образцов одинаково. Существеной особенностью твердого вещества является и то, что все его отдельные части — твердые тела — имеют поверхность (рис. 1). Частицы, составляющие поверхностный слой твердого вещества, находятся в состоянии неуравновешенного взаимодействия* с частицами остальной его массы, вследствие чего этот слой имеет, естественно, иное строение, чем глубинные слои вещества. Толщина приповерхностного слоя δ — величина порядка 10 Å. Следовательно, этот слой состоит, по крайней мере, из 3—4 монослоев соответствующих структурных единиц. Имея иное строение, приповерхностный слой заметно отличается по свойствам от глубинного вещества. Поэтому, твердые тела одного и того же состава, могут быть отнесены к одному и тому же твердому соединению только в том случае, если они характеризуются одиаковым отношением: m/(m + m ) = m/M = f, где m— молекулярная масса вещества приповерхностного слоя толщиной δ; — молекулярная масса внутренних слоев вещества; М – молекулярная масса данного твердого тела; — молекулярный фактор дисперсности твердого вещества. Рис. 1. Схематическое строение твердого тела: δ—толщина приповерхноcтного слоя; — масса вещества слоя; — масса внутренних слоев вещества Молекулярную массу твердого тела можно определить по формуле: М = G/Σn A , где G — масса твердого тела; A — атомные массы образующих его элементов, n- стехиометрические (количественные) коэффициенты. Твердые вещества, имеющие одинаковый состав, но разную молекулярную массу, представляют собой однотипные соединения, составляющие соответствующий гомологический ряд твердых соединений, например: МО , МО , …, МО , где МО -–структурные единицы; N (N+1) – количество структурных единиц в твердом теле, i = 1, 2, 3 … Свойства гомологов (имеющих одинаковое строение), в состав которых входит достаточно большое число структурных единиц, почти одинаковы. Это хорошо известно из органической химии, которая изучает многозвенные гомологические ряды, начиная с ряда парафинов. Высшие гомологи этого ряда — твердые вещества, которые образуют сложную смесь и считаются неразличимыми. Но это, конечно, не так. Любые вещества, в том числе и твердые, могут быть выделены и| отождествлены, как бы близки не были их свойства и в какую сложную смесь они не входили бы. Итак, каждое данное твердое соединение отличается от всех других соединений собственным значением молекулярной массы М. Это условие можно записать следующим образом: M = const.

Молекулы и макромолекулы.

Атомы являются первичными структурными единицами химических соединений. Вторичными структурными единицами, из которых строится вещество, служат молекулы и макромолекулы. Молекула — это, как известно, самая малая частица вещества, имеющая состав, химическое строение и молекулярную массу, присущие данному веществу. Изменение размеров этой частицы невозможно без изменения ее состава и строения. Молекулы состоят из сравнительно небольшого количества атомов. Макромолекулы — это не просто огромные молекулы, а качественно иные структурные единицы вещества. В то время как атомы являются электронно-ядерными системами, первого порядка, молекулы и макромолекулы представляют собой квантовые системы второго и третьего порядка соответственно. Молекулы и макромолекулы можно рассматривать как системы, построенные из атомных остовов и валентных электронов. Понятно, что каждому данному твердому соединению относится только одно твердое вещество, состоящее из бесчисленного количества одинаковых твердых тел. Последние представляют собой, таким образом, макромолекулы твердого вещества.

4. ТИПЫ ТВЕРДЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Существует два основных типа химических соединений: молекулярные и атомные соединения. Соединения промежуточного типа — атомно-молекулярные. Если твердое тело представляет собой образец соединения первого типа, то оно построено из молекул, связанных ван-дер-ваальсовскими связями; если оно — образец соединения второго типа, то все его структурные единицы связаны между собой межатомными связями. В этом случае данное твердое тело представляет собой макромолекулу. Следует иметь в виду, что отдельные межатомные связи в макромолекуле заметно слабее, чем в молекуле, но каждый атом макромолекулы находится в квантовомеханичееком взаимодействии со всеми ее атомами и благодаря этому связан в ней гораздо прочнее, чем в молекуле. Вследствие этого внешнее воздействие, например воздействие излучения, вызывает реакцию всей макромолекулы в целом, поглощенная энергия распределяется по всей системе связей, причем наблюдается сплошной спектр. Именно по этой причине эффект Мессбауэра обнаруживается при поглощении γ-лучей кристаллами, но не соответствующими молекулами. Макромолекулы устойчивы при сравнительно низких температурах. Однако при более высоких температурах макромолекулы теряют устойчивость, молекулы же остаются устойчивыми. Масса макромолекулы настолько велика, что образуется система межатомных связей, устойчиво противостоящая тепловому движению при данных условиях, не разрушающаяся при отрыве от нее одних структурных единиц и при соединении других. Очевидно, что отрыв структурных единиц от молекулы грозит катастрофическими для нее последствиями. Молекулы разных веществ могут иметь какую угодно массу — от массы одного атома до массы макромолекулы. Макромолекула же существует, только если ее масса больше некоторой критической величины. Важной характеристикой макромолекулы является величина отношения площади ее поверхности к размеру (массе). Молекулы, разумеется, не имеют поверхности. Таким образом, макромолекулами данного твердого вещества являются твердые тела одного и того же состава, строения и молекулярной массы не менее некоторой критической величины. Монокристаллы алмаза, граната, цеолитов представляют собой макромолекулы. Кусок каменного или древесного угля, стекла или других некристаллических твердых тел — тоже макромолекула соответствующего твердого вещества. Главные коренные физические различия молекул и макромолекул заключается в том, что маcca макромолекул, в сравнении с массой молекул, огромна и они обладают поверхностью. Отсюда вытекают и все особенности твердого вещества. В то время как молекулы подвижны, диффундируют в окружающей среде, макромолекулы в тепловом движении не могут перемещаться. Они реагируют только с теми веществами, которые попадают на их поверхность или, когда дело касаётся твердых веществ, плотно примыкают к их поверхности. В первом случае мы встречаемся с сорбцией — проявлением универсального, свойства твердых тел достраиваться с поверхности путем присоединения любых структурных единиц, любыми силами, включая силы Ван-дер-Ваальса; во втором — с адгезией — процессом синтеза пространственно разделенных твердых молекулярных соединений — аддуктов. Как уже упоминалось, наружные атомы по сравнению с внутренними атомами твердого тела связаны менее прочно и находятся в состоянии повышенной химической активности. Вот почему макромолекулы сравнительно легко вступают во всевозможные химические реакции, в том числе и при контакте твердых тел. При этом, благодаря большой массе и связанной с этим-особой прочности макромолекула является настоящим резервуаром избыточной энергии. Последняя, выделяясь при химическом взаимодействии, часто заставляет диссоциировать (распадаться) вовлеченные во взаимодействие молекулы или функциональные группы макромолекул, но не сами макромолекулы. Существенно то, что отдельные участки поверхности макромолекул могут иметь разное строение, состав (разные функциональные группы) и потому разные свойства, и благодаря этому на них могут протекать различные процессы. Особенно характерно для твердого тела одновременное протекание взаимно противоположных процессов, например процессов сорбции и десорбции. На этом основаны каталитические (повышение скорости реакции) свойства твердых тел. Очень существенно, что деление, макромолекулы на части до определенных пределов может проходить путем чисто механических воздействий. Макромолекулы достаточно больших размеров в первом приближении можно считать макромолекулами одного и того же вещества, несмотря на некоторое различие в молекулярной массе. Поэтому дробление твердого тела, если оно далеко не заходит за пределы средних размеров макромолекул, практически не вносит особых осложнений в вопрос о его химической природе. Однако замечено, что при дроблении наблюдаются разнообразные химические превращения твердого вещества. Изучением их занимается отрасль химии — механохимия. Молекула в ходе химических реакций часто разлагается на такие же подвижные, но более простые частицы — атомы, ионы, радикалы — или же присоединяется целиком к другим молекулам или ионам, образуя комплексы или (при достаточном количеств молекул) макромолекулы, т. е. полимеры. asics gel lyte 5 Макромолекула в ходе химических реакций может быть расщеплена на низкомолекулярные части — молекулы, атомы, ионы, радикалы — и тогда химическая реакция в дальнейшем имеет тот же характер, что и реакции молекул. Таким образом, существуют переходы от молекулы к макромолекуле и обратно. Но при определенных условиях макромолекула вступает в реакцию целиком и превращается в новую макромолекулу — это особый тип химических реакций, который главным образом и привлекает наше внимание. К этому же типу взаимодействий относятся и реакции, в которых макромолекула сначала распадается на несколько частей, но в последующем ходе взаимодействия крупные ее части играют роль новых самостоятельных макромолекул. Из всего сказанного выше ясно, что молекула и макромолекула представляют собой качественно различные структурные единицы вещества. Это с полной очевидностью также следует из закона диалектики о переходе количества в качество. Широко распространенный взгляд на макромолекулы как на «гигантские молекулы» не точен. И существенное различие свойств твердых молекулярных и атомарных соединений есть одно из проявлений различия природы этих структурных единиц. Молекулярные и атомные твердые соединения. Молекула твердого тела, являющегося частицей — образцом какого-то молекулярного соединения, — это лишь отдельная субмикроскопическая частица, связанная с другими такими же частицами межмолекулярными связями.

Кинетика структурных изменений материалов в процессе диспергирования

В процессе механического диспергирования твердых тел явления перестройки структуры материала существенно зависят от целого ряда факторов: величины механической и тепловой нагрузки, скорости нагружения и нагрева, величины механической и тепловой мощности. Другими словами, структурные превращения определяются кинетикой тепловых и механических процессов. Модель реального твердого тела может быть представлена сплошной средой с определенными физико-механическими свойствами, определяемыми его структурой, заключенной в области D объема V с площадью поверхности S. Физическое состояние среды характеризуется уравнением состояния: s = s (e, έ, Т …), (1) устанавливающего связь между средним напряжением s (давлением р) и средней деформацией e (плотностью ρ) в зависимости от температуры Т, средней скорости деформации έ и других параметров. Уравнение (1) характеризует механическое поведения среды. Его определяют экспериментально или теоретически для каждой среды отдельно с учетом её физико-механических свойств и способа нагружения. При статическом нагружении и фиксированных параметрах нагружения (температуры, давления и т. п.) уравнение (1) упрощается и принимает вид: s_i = s_i (e_i) (2) Твердые вещества могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от сруктурного их состояния, внешних условий и характера нагружения. В определенном интервале изменения внешних условий при данном структуре можно наблюдать переход от вязкого разрушения к хрупкому. Таким образом, вид уравнения (2) зависит от физико-механических свойств нагружаемой и нагружающей среды. Так, для упругой среды эта зависимость линейная: s_i = 3Ge_i, где G -модуль сдвига. При повышении температуры упругие характеристики (G и ν) практически не изменяются, а пределы текучести s_т и прочности s_в снижаются, причем s_в сильнее. В результате уменьшается способность к упрочнению, т.е. сопротивление среды к пластическому деформированию. При динамическом нагружении тела, как показывают результаты исследований, поведение среды (материала) иное, чем при статическом: изменение скорости деформации приводит к существенным изменениям её свойств. Установлено, что:

1. динамический модуль упругости Е_д тел кристаллической структуры мало отличается от статического Е_с, тогда как в органических телах с высокомолекулярной структурой влияние скорости деформации заметно в пределах упругости;
2. с увеличением скорости деформации предел текучести (свойство тел пластически или вязко деформироваться) s_т увеличсивается, причем увеличение значительнее в средах с выраженной площадкой текучести;
3. предел прочности (напряжения или деформации, соответствующие максимальному — до разрушения образца, значению нагрузки) s_в также зависит от скорости деформации, увеличиваясь с ростом последней, причем разрушение с большей скоростью деформации вызывает меньшую остаточную деформацию, чем разрушение с малой скоростью деформации при прочих равных условиях;
4. упрочнение среды (материала) (повышение сопротивляемости металлов и сплавов пластической деформации или разрушению) с увеличением скорости деформации уменьшается.

   Исследованиями рядом …. Указанные особенности современных представлений о механизме разрушения среды, имеющиеся достижения в этой обласи. а также отмеченные недостатки в исследовании механизма разрушения материала в потоке газа, позволяют сформулировать локальную цель исследования процесса газодинамического диспергирования материалов: — на основании теоретических и экспериментальных исседований, в рамках системного анализа, построить комплексную математическю модель поведения материала, описывающую основные физические явления в зонах разрушения, классификации по размерам и транспортировки материала в струях газового энергоносителя, позволяющую разработать, в рамках этой модели, технологию получения тонкомолотых продуктов с заданными физико-механическими свойствами;

• в рамках полученной модели определить критерии оптимизации и оптимизацию основных функциональных элементов технологической схемы газодинамического диспергнирования и качество получаемого продукта.

  Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. исследовать кинематику (геометрические свойства движения) взаимодействия измельчаемого материала с рабочим телом — газовым энергоносителем с целью установления кинематических характеристик этих движений (траектории, скорости и ускорения частиц);
2. исследовать динамику разрушения и классификации частиц материала в потоке газа;
3. построить соответствующие модели;
4. в рамках полученной модели разработать критерии оптимизации внутримельничных процессов;
5. исследовать (экспериментально) изменение структурных, физикохимических и механических свойств измельчаемого материала;
6. экспериментально проверить адекватность полученных моделей;
7. результаты оптимизации реализовать практически.

Анализ процесса газодинамического диспергирования материалов

1. Т. Хомм. Обогащение пол. ископаемых с помощью гидроэнергетической мельницы. /Пер. с японского.Ж. «Нихон когё кайси», т. 85, № 978, 1969, октябрь, с. 838 – 844. Перевод 86412/0, Бюро переводов ВИНИТИ Госкомитета Совмина СССР, 1971.
   1. Никеров В.А. Применение частиц и излучений высокой энергии: Учебное пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1988. 152 с. ил.
   2. Ионов В. Н., Селиванов В. В. Динамика разрушения деформируемого тела. – М.: Машиностроение, 1987. – 272 с., ил.)

Постановка динамической задачи газодинамического диспергирования.

При изучении процесса деформации и разрушения твердого тела, находящегося в условиях нагружения, решаются следующие задачи: а) установливаются системы внешних сил и нагрузок, действующих на тело, исходя из реальных условий его работы; б) изучаются напряженно-деформируемые состояния тела, находящегося в условиях нагружения; в) оценивается прочности и степень разрушения тела при нагружении. Одной из целей исследования механизма газодинамического диспергирования материалов – обобщенное изложение физических принципов, положенных в основу изменения физико-механических и химических свойств частиц, ускоренных газовым потоком. Целесообразность такого обобщения обусловлена подобием механизмов изменения физико-химических свойств материала частиц при динамическом их нагружении в условиях изменяющихся свойств среды.

1. Энергетические аспекты газодинамического разрушения твердых тел

Одна из центральных задач теории измельчения состоит в выяснении причин разрушения твердых тел и затрачиваемой на это энергии. Эта задача в целом претенциозна, поскольку методы решения её определяются используемыми научными средствами, зависящими от того круга явлений, который интересует (рассматривается) исследователя. Представляется совершенно ясным, что расширение круга рассматриваемых явлений влечет за собой и расширение научных средств, необходимых для их трактовки. В частности, решение проблемы энергоемкости разрушения материалов в орбиту механики твердых тел включены попытки вычисления энергии связи кристаллов, отсчитываемую от некоторого уровня системы изолированных атомов [Иоффе ?].

3.1. Анализ вероятности разрушения материалов в потоке газа.

Рассмотрим вероятность измельчения, лежащую в основе теории упругости и пластичности, для идеальной гидроэнергетической мельницы. Учитывается только разрушение в результате соударения и отталкивания между частицами. Разрушение в результате столкновения частиц со стенкой и дном мельницы, а также в результате истирания , не учитывается. При обсуждении механизма измельчения следует рассмотреть следующие три вопроса. 1. Какова вероятность соприкосновения между частицами? 2. nike air max 90 pas cher Образуются ли напряжения, приводящие к разрушению, при соприкосновении или соударении частиц? 3. Как используется энергия при соударении? Обозначим вероятность явления разрушения при столкновении или соударении частиц в газодинамической мельнице через Р_с. Canada Goose Pas Cher При отсутствии столкновения Р_с=0, при столкновении во всем объеме р_с= I. Обозначим вероятность разрушения при столкновении через Р_σ. Если совокупность частиц размером х разрушается при столкновении и удельная поверхность измельченного продукта увеличивается на ΔS, то, поскольку ΔS, очевидно, пропорциональна значениям вероятностей, можем записать . ΔSµР_с • Р_σ ▪ x ^{— β}

2. Вероятность соударения

Вероятность столкновения Р_с определяется из зависимости между числом разделений и к.п.д. столкновений, используемой для инерционной пылеочистки и других целей. Однако, поскольку скорость частиц в гидроэнергетической мельнице значительна, подразделим вероятноет» р_с на вероятность соприкосновения Р₁ и вероятность Р₂ лобового столкновения или близкого к нему состояния при контакте частиц. В элементарной теории явлений в газах существует величина, имеющая первостепенное значение. Это средняя длина свободного пробега молекулы, т. е. среднее расстояние проходимое молекулой газа между двумя её «столкновениями» при термодинамическом равновесии. Этой величиной часто пользуются при анализе процессов измельчения материалов в струях газа. • Необходамым условием для столкновения является незначительный по величине средний свободный пробег частиц. Располагая реологической кривой течения структурированной системы, на основе анализа ее реологического поведения с использованием молекулярно-кинетических представлений Румпфом сделана попытка количественно обосновать оптимальные параметры осуществления большинства технологических процессов. Для этого ушовмя Румфу Ел следующую fopaqriy 1 г 1 • — j.^.rt……… ………………………₍₄₎ 1 I 1 рде Л — средами свободный пробег, а — дмвметр части!, I £ — концентрация частиц. [ Ддя возникновения контакта двух частиц необходимо, чтоф расстояние, которое cnoooAi пролететь частмца, попевшая в поток воздуха, превышало среднее значение свободного пробега. Частица, выброменная с началь-: мой окороотм т* МИВДДяет свое двмяенме под действием сомротнвле-нмя воздуха, проио^цмонального скорости во второй степени. Однако до того, как т станет равна нулю, частица овособна пэолететь расою] нме s₀. .S=-i»^r>— ……………… ………. .. asics aaron (51 ^u 18. ^(s> где / — плотность частицы, 7. » вязкость воздуха. Исходя из формул (4) и (5) вероятность Р-j соприкосновения одной частицы с другой частицей в мельнице можно описать следующим выражением. />-/’] ‘,»-(i 1.8^(1-«)1», ‘ ,- ‘~~с I¹«———— ————— , •>•’ ( ат,/> ] *,=const. ………………………(6) Далее, если предположить, что частицы имеют форму шара, и обозначить угол между центральной осью пары соирикоснувмюся частиц и направлением движения через aL , то вероятность соприкосновения по направлению в плоскости можно выразить приближенно фа: костью (1- сое di ) . При значении ^ , близком к нулю, шее т место лобовое столкновение и поэтому [‘ =1-г«. а = 0.1 ………………..-………(7 .: в—О Из формул (6) и (7) вероятность лобового столкмове>ия частиц можно представить в следующем виде ^/V^’i-AJ^-‘l’.’.o …₍₈, ( di,f ) ..Образцом армированного волокнами материала, обладающего высокой прочностью, является древесина. Однако, обладая превосходными механическими свойствами, древесина, в силу своего биологического происхождения, обладает целым рядом недостатков: она усыхает, разбухает, гниет, нуждается в окраске, требует ухода…(Гордон,с.255).

Свойства древесины

Древесина является образцом армированного волокнами материала, обладающего высокой прочностью. Прочность Польза древесины и целлюлозы вообще определяется её низкой плотностью в сочетании с высоким модулем Юнга. Удельный модуль древесины вдоль волокна практически тот же. что и у технических металлов. Целлюлозная молекула состоит из сахарных колец, т. е. из сложных цепей, построенных в значительной мере из атомов углерода. Поэтому можно ожидать, что связь между углеродными атомами жесткая, как и у алмазов. В целлюлозе как сами молекулы, так и продольные оси кристаллов лежат вдоль волокна, и поэтому, на практике реализуется большая доля теоретического модуля. Поскольку, как утверждает Дж. Гордон, жесткость (модуль Юнга) зависит исключительно от химической природы твердого тела, а химическое строение вещества любой древесины примерно одинаково (с небольшими видоизменениями), жесткость древесины всех сортов примерно одинакова. с.133. Основное отличие разных типов древесины, это их плотность. Так, плотность выдержанной пробки от 0,08 до 0,16 г/см³, ели — около 0,5 г/см³, дуба — примерно 0,8 г/см³. Поэтому имеющее место различие в прочностных характеристиках разных типов древесины связано со структурными их особенностями. Древесина состоит из большого числа трубчатых ячеек — волокон, плотно прилегающих одно к другому. Чтобы разделить их, приходится прибегать довольно к крутым мерам, как это делается при производстве бумаги. Поскольку материал этих трубок для всех пород практически одинаков, плотность отдельных пород зависит от толщины стенок труб. В этой связи, в первом приближении большинство механических характеристик древесины пропорционально её плотности: древесина в два раза более плотная, будет, примерно, и вдвое прочнее. Вещество древесины состоит процентов на шестьдесят из целлюлозы. Кроме целлюлозы, оно содержит различные другие соединения типа сахаров и лигнин, вещество похожее на смолу. Не пропитанная лигнином древесина имеет однонаправленную структуру и поэтому обладает свойством двойного лучепреломления, т. е. она поворачивает плоскость поляризации поляризованного света. Кроме того, она ярко окрашивается определенными красителями. Ни тем, ни другим свойством нормальная древесина, содержащая лигнин, не обладает. Но непосредственно перед механическим разрушением, когда еще никакие механические методы не обнаруживают признаков близкого разрушения, древесина получает свойство двойного лучепреломления и легко окрашивается характерными, для данного типа древесины, красителями. По-видимому причина этого кроется в каком-то необратимом разрыве химических связей между целлюлозой и лигнином, вызванном механическим напряжением. …!!! с.134.

Характеристика пищевого растительного сырья, как источника пищевых волокон и объекты измельчения

Пищевые волокна (ПВ) — составная часть пищи, обеспечивающая сбалансированность отдельных её компонентов и, тем самым, повышающая её качество. ПВ (диетические, растительные, грубые волокна, баластные вещества) — это комплекс, состоящий из полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ), а также лигнина и связанных с ними белковых веществ, формирующих клеточные стенки растений. Его особенность — плохая перевариваемость в начальных отделах пищеварительного тракта человека и разрушение в толстой кишке [4 — в книге Пищевые волокна. /Дудкин М.С., Черно Н.К., Казанская И.С. и др. — К.: Урожай, 1988 — 152 с.]. Недостаток ПВ в пище привел и к уменьшению сопротивляемости человеческого организма воздействию окружающей среды. По мере изменения экологических условий на земле имеет место загрязнение воды, воздуха, почвы, растений,а, следовательно, и пищи целым рядом органических и неорганических веществ, отличающихся токсичностью. размеры и скорость их выделения из пищеварительного трактадо момента всасывания слизистыми тканями кишечника в определенной степени зависит от содержания ПВ в пище и снижаются по мере уменьшения их количества в диете. Круг болезней, происхождение которых связывают с недостатком ПВ в пище расширяется. Недостаток ПВ в пище обусловил поиски путей его восполнения. Среди них — введение в ежедневные рационы питания человека растительной массы. содержащей значительное количество ПВ, повышение их эффективности, производство новых продуктов питания. bottes ugg bailey button pas cher Оценка содержания ПВ в растительном сырье и приготовление из него пищевых продуктов ведется параллельно во многих странах. Это обусловлено определенным различием в составе используемого сырья, связанного с влиянием сортов и условиями произростания, особенностями технологий переработки, а также особенностями получаемых продуктов. Проведена оценка содержания ПВ и их компонентов в ряде овощей … Источником выделения ПВ могут быть различные виды растительного сырья, прежде всего одревесневшего, формирующего побочные продукты переработки зерна. овощей, плодов. В перспективе на основе применения технологий комплексного использования выделение ПВ возможно из трав, древесины и другого растительного сырья. с. 19. ПВ, формирующие клеточные стенки растений (КС) [17], в основном построены из полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ) и лигнина. Оценка их роли при пищеварении, влияния на качество пищи и процесс преобразования при кулинарной обработке возможно при условии знания особенностей строения и свойств этих веществ. Целлюлоза — компонент ПВ — используется в пищевой промышленности в микрокристаллической форме или различных эфиров (см. с.85). В одревесневших КС находится в виде элементарных фибрилл (…) диаметром до 3,5 нм (1нанометр = 10^-3мкм = 10^{— 6}м), построенных из параллельно расположенных макромолекул, объединяемых водородными связями. Целлюлоза формирует клеточные стенки растительных организмов. в большом количестве входя в состав древесины, пленок и оболочек зерна, стеблей, злаков, трав и в меньшем — семян, плодов. (С.35). Целлюлоза окисляется… Целлюлозу выделяют в промышленности из древесины хвойных и лиственных пород …(с.36)…и, преобразовав в микроцеллюлозу, вводят в разнообразные пищевые подукты. Микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) по одной из технологий получают путем механического измельчения целлюлозы. Применяя кислотный гидролиз или тонкое механическое измельчение, целлюлозу переводят в микрокристаллическое, порошкообразное состояние, а затем вводят в в малокалорийные диетические продукты питания (см. гл.5)…(с.36, 86 — 88). Целлюлоза, будучи нерастворимой в воде. обладает большим количеством гидроксильных групп и развитой системой тончайших субмикроскопических капиляров, что определяет её способность поглощать и удерживать воду. Для производства микрокристаллической целлюлозы используется сульфатная и сульфитная целюлоза ели , сосны, березы, хлопчатника, стебли подсолнечника и другого растит. сырья (см. с. 85 и л. 44). Основное направление её применения: введение сухой или в виде геля в состав многих пищевых продуктов для снижения их калорийности без ухудшения вкусовых качеств и внешнего вида … !!! с. 86 … Гемицеллюлозы (ГМЦ) — группа полисахаридов, в состав которых входят различные ксиланы (…), маннаны (…) и галактаны (агар…) -с.23. Пектиновые вещества — биополимеры, входящие в состав КС, срединных пластинок, цитоплазмы растительных клеток. (с. 30). Наибольшее количество пектиновых веществ содержится в овощах и фруктах (абрикосы, яблоки — 4,5% в кожуре; 7,6% в мякоти. морковь, перец, …). ugg france Важным свойством пектинов является способность их растворов к гелеобразованию (желе). Лигнин — природный полимер нерегулярного сетчатого или трехмерного строения, формирующий клеточные стенки растений. (с.37). В наибольших количествах найден в древесине хвойных и лиственных, стеблях злаковых и других растений, поверхностных слях зерна. особенно гречихи. [с.37,] Мало растворим в воде, органических растворителях. …Лучше растворяется после продолжительного размола клеточных стенок (КС) растений. Молекулярная масса лигнина еловой древесины, выделенного после размола, порядка 11000. Лигнин, выделенный из растительного сырья, в пищу не добавляют. Его используют в составе ПВ и в качестве препаратов, предназначенных для лечения различных желудочно-кишечных заболеваений. (!!! см. с.40).

Мука пшеничная, ржаная

Основным сырьем хлебопекарного производства является мука — подукт помола зерна. Хлебопекарная мука выпускается слеующих сортов: из пшеницы — крупчатка, высшего, первого и второго сортов, обойная пшеничная и обойная пшенично-ржаная, из ржи — сеяная, обдирная, обойная ржаная и обойная ржано-пшениичная. Подготовка зерна к помолу заключается в его очистке от примесей, кондиционирования зерна, направляемого для сортовых помолов пшеницы и ржи, путем гидротермической обработке с целью улучшения его технологических свойств и, наконец, составления помольных смесей из отдельеых партий зерна, обладающих разными технологическими свойствами. Существует несколько способов организации технологического процесса помола зерна. В промышленности находят применение два принципиально отличных друг от друга процесса помолов — низкий (или постой) и высокий (или сортовой). При низком помоле стремятся измельчать зерно сразу в муку. Для этого его пропускают последовательно через несколько размольных систем (см. схему).  

Обойная мука

Высокий помол характеризуется более сложной структурой и основан на том, что зерно в первую очередь дробят на крупку, полученную крупку сортируют по величине, крупные фракции крупок подвергают повторному дроблению, а мелкие размалывают в муку.