Дисперсные порошки — их свойства, получение и применение

Глава I. Дисперсные порошки — их свойства, получение и применение

(Veale C. R. Fine powpers – preparation, properties end uses. Ch. — глава 4 — 9, London, 1972.)

  1. Анализ исследуемых процессов и современное состояние проблем диспергирования материалов

    1. Назначение высокодисперсных материалов.

Актуальность проблемы получения дисперсных материалов несомненна, в силу весьма большого разнообразия сфер их применения. Фактором, определяющим потребность в таких материалах является величина поверхности, участвующих в технологических процессах частиц, оказывающая влияние на скорость их протекания. Интенсификация технологических гетерогенных процессов – проблема номер один современной техники и технологии. Одной из основных сфер применения высокодисперсных материалы в промышленном производстве является их использование в качестве промежуточной фазы при получении материалов с высокой степенью активности. Наглядным примером такого рода решения может служить технология цемена – хлеба строительной индустрии и ряд других, менее обширных производств: получение резины из каучука, производство пластмасс, красок и эмалей. Ниже приведены примеры применения и способов получения высокодисперсных материалов. … При получении резины из каучука, к нему добавляют в качестве наполнителя тонкодисперсную сажу. Такой наполнитель повышает механическую прочность резинотехнических изделий, повышает устойчивость к истиранию. При этом частицы наполнителя должны быть достаточно малыми и не только для того, чтобы обеспечить однородность материала, но и для того, чтобы иметь большую поверхностную энергию. Наполнители присутствуют во всех пластических массах. Пластмасса — это затвердевшая полимерная смола, к которой добавлен соответствующий наполнитель. Краски и эмали представляют собой суспензии дисперсного пигмента в связующей клеевой или лаковой основе: в «высыхающей», т. е. полимеризующейся, олифе, или в растворе полимерной смолы в испаряющемся растворителе. Многие химические реакции в химической технологии протекают только на катализаторах. nike air max 1 noir Для того чтобы обеспечить быстрое протекание химической реакции, катализатор должен иметь большую удельную поверхность, т. е. большое отношение поверхности частиц к их весу. Поскольку вес пропорционален кубу размера частицы, а поверхность — квадрату, получается, что при измельчении начальной массы удельная поверхность возрастает обратно пропорционально размеру частиц. Иначе говоря, чтобы удельная поверхность была больше, частицы должны быть как можно меньше. Благодаря тому что мелкие частицы — кластеры — могут иметь совершенно иную электронную структуру, чем массивные образцы того же вещества, получение катализаторов в высокодисперсном виде оказывается выгодным не только с точки зрения увеличения удельной поверхности, но и повышения, иногда до аномально высоких значений, каталитической активности самого материала. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что небольшие агрегации атомов – кластеры – могут сохранять свою индивидуальность внутри массивного тела, влияя на его свойства. Кластерное состояние материи в последние годы открыло путь к получению принципиально новых материалов, например сплавов металла и керамики. Трудно представить себе, что металл и фарфор могут образовать однородный сплав. Однако если высокодисперсный порошок металла осадить из аэрозольного состояния одновременно с высокодисперсным же аэрозолем керамической природы, то полученная однородная смесь ультрадисперсных частиц может быть спечена в материал с совершенно необычными механическими свойствами и высокой коррозионной устойчивостью. В свое время именно аэрозольная технология дисперсных материалов сыграла решающее значение в обеспечении повышения объема производства урана-235 — ядерного горючего. air max 90 femme В природном уране этого изотопа очень мало — около 0,7%. Чтобы выделить этот драгоценный изотоп, уран превращают в газообразное соединение — гексафторид урана. Затем это соединение многократно, пропускают через диффузионные перегородки, своего рода сита. Соединение более легкого урана-235 диффундирует чуть-чуть быстрее, чем гексафторид урана-238,— всего в 1,005 раза. Но и это ничтожное преимущество может реализовано только тогда, когда размер пор перегородки много меньше длины свободного пробега молекул. Изготовить такую перегородку можно, только спрессовывая и спекая частицы, имеющие размер такого же порядка. Чтобы обеспечить ядерную энергетику топливом, пришлось научиться делать такие частицы конденсацией пара никеля. Исторически первым дисперсным продуктом, полученным через аэрозоль, является сажа. Различают три типа сажи: каналовую, термическую и печную. Каналовая сажа получается при неполном сгорании природного газа в канале прямоугольного сечения, со стенок которого ее затем и собирают. Термическую сажу получают не сжиганием, но разложением природного газа при пропускании его через нагреваемый снаружи канал. Этот метод дает самые крупные сажевые частицы радиусом до 10-8 м. Наибольшую производительность обеспечивает печной метод, при котором в специальной камере подвергается неполному сгоранию распыленная смесь жидких углеводородов. Получившийся аэрозоль охлаждается при пропускании через специальную башню и поступает в аппараты для осаждения сажи. Частицы сажи представляют собой шарики размером 10-9 —10 –8 м, агрегированные в хлопья размером до 10-6 м, содержащие сотни и тысячи «первичных» шариков. Сажу используют не только как наполнитель, но и как черный пигмент. В последние десятилетия с углеводородной сажей конкурирует так называемая «белая сажа», или аэросил,— высокодисперсные частицы аморфного диоксида кремния. Его получают так называемым термогидролизом паров четыреххлористого или четырехфтористого кремния. Если поток азота, содержащий пары этих веществ, ввести в водородно-кислородное пламя, то эти пары будут реагировать с водой, образующейся в процессе горения. При этом высокотемпературном гидролизе получаются пары хлористоводородной или фтористоводородной кислоты соответственно и пары диоксида кремния, которые оказываются пересыщенными даже в пламени и конденсируются, образуя частицы. Подобным образом можно получать дисперсные оксиды и других металлов, хлориды которых могут без разложения испаряться в токе горячего азота, например оксиды алюминия и железа. Аэросил и другие дисперсные оксиды можно использовать не только как наполнители для резины, пластмасс, загустители для смазок, красок, клеев, но и как адсорбенты (тела на поверхности которых происходит адсорбция – поглощение какого-либо вещества из газообразной среды. Для получения кластеров металлов можно испарять метеллы под действием токов высокой частоты в потоке разреженного газа: замечено, что понижение давления газа, в котором конденсируется пар металла, способствует уменьшению размера получаемых частиц. Но наибольшее значение в кластерной технологии имеет применение плазмотронов — устройств, позволяющих получать поток плазмы, т. е. частично ионизированного газа. Для этого используются высокотемпературные электрические дуги. Конструкции современных плазмотронов позволяют организовать процесс генерации плазмы таким образом, чтобы она не загрязнялась продуктами испарения материала электродов. Если в нагретую плазму ввести поток грубодисперсных частиц металла, взвешенных в инертном газе, например в аргоне, то они испаряются. После этого плазму подвергают «закалке», т. е. очень быстрому охлаждению, скорость которого может достигать миллионов градусов в секунду. Это, конечно, не означает, что смесь остывает на миллионы градусов — ведь температура исходной плазмы не превышает нескольких тысяч градусов. Температура понижается на тысячи градусов, но за тысячную долю секунды. Это достигается либо турбулентным смешением плазмы с холодным газом, либо орошением ее каплями холодной химически инертной жидкости. При таком быстром охлаждении металл затвердевает в виде чрезвычайно мелких частиц. Аэрозоли широко используются в энергетике: практически все жидкое топливо и около половины твердого сжигается в распыленном виде, т. е. Christian Louboutin Pas Cher в виде аэрозоля. Умение управлять процессом распыления обеспечивает полноту сгорания топлива. Для транспорта аэрозоли тоже имеют решающее значение, поскольку и в дизельных, да и в карбюраторных двигателях топливо также сгорает в распыленном виде. Распыление красок используют для формирования наиболее равномерных лакокрасочных покрытий, причем лучшие результаты получаются при электрораспылении краски. Наложение электрического поля на зону распыления обеспечивает образование мельчайших капелек краски, что способствует равномерности покрытия. Электрический заряд, приобретаемый капельками краски, позволяет им проникать и осаждаться на впадинах окрашиваемого изделия, имеющих самую сложную форму. В производстве высокодисперсных материалов около половины процессов составляют. asics gel kinsei 6 аэрозольные процессы. Через аэрозольное состояние получают такие важнейшие пигменты, как оксиды цинка и титана, используемые в производстве цинковых и титановых белил. Оксид цинка получают сжиганием паров цинка, выпускаемых в виде струи в кислородсодержащую струю. Процесс получения дисперсного оксида титана — рутила — аналогичен технологии аэросила, только сырьем в этом случае служит тетрахлорид титана. Огромную роль тонкодисперсные порошки играют в деле борьбы с вредителями сельского хозяйства и, одновременно, в защите окружающей среды от загрязнения инсектицидами. С их помощью проблему удается решить, создавая нестойкие, быстро разлагающиеся ядохимикаты, разрабатывать новые, более рациональные приемы борьбы с насекомыми. При этом расход ядохимиката может быть снижен в тысячи раз. Аэрозоли имеют большое значение не только для растениеводства, но и для животноводства. Уберечь многочисленные стада коров, овец, домашних птиц от болезней, лечить их, в период массового заболевания путем массовой иммунизации и лечения животных с помощью аэрозолей. Препарат лекарства или защитной сыворотки можно распылить в помещении, где находятся животные, например, ультразвуком. Высокодисперсные частицы аморфного диоксида кремния – аэросил, получают так называемым термогидролизом паров четыреххлористого или четырехфтористого кремния. Расширение сферы применения газотермического напыления привело к необходимости разрабатывать десятки наименований порошков металлов, сплавов, карбидов, оксидов и т.д. Конечно, далеко не все высокодисперсные материалы производятся с использованием аэрозольного состояния в качестве промежуточного. Основная особенность этих методов – высокая энергоемкость обусловила поиск альтернативных их видов.

2.1. Потребительские свойства порошков.

При сравнительном описании дисперсных порошков упор делается на такие «химико-технологические» свойства первичных частиц, как размеры, форма и т. д. При этом не редко упускаются свойства, связанные с потребительскими свойствами, которые возникают в результате соответствующей их обработки, например, путем их диспергирования, спекания или распределения в матрице. Именно такой подход позволяет раскрыть сущность потребительских свойства дисперсных порошков отдельно от их «химико-технологических» свойств. Любая химическая реакция или физические процессы (взаимодействие), в которых принимает участие твердое тело, протекают на поверхности раздела. Механизм, кинетика и другие характеристики подобных реакций во многом определяется величиной поверхности реагирующего твердого тела. Для многих реакций, таких как растворение и разбавление, скорость приблизительно пропорциональна площади доступной поверхности. Очевидными особенностями частиц малых размеров являются: большое отношение поверхности к объему и ограниченное число атомов. Возникающее вследствие нескомпенсированных сил на свободной поверхности отличие поверхностных силовых констант от значений их внутри бесконечного кристалла приводит к деформациям решетки, появлению поверхностного натяжения и локализованных поверхностных волн [Петров Ю. И. Физика малых частиц. – М: Наука, 1982.+ (277 – 285) ], а также к ангармоничности и росту среднеквадратичной амплитуды <u2> колебаний поверхностных атомов [279, 286 – 312]. Экспериментально [286,292,307] и теоретически [304,310-312] доказано, что эти колебания сильно анизотропны ( ). Их избыточные амплитуды, как и деформация решетки согласно теоретическим оценкам [277, 294, 311] экспоненциально спадают при удалении от поверхности, практически совпадая со значениями внутри бесконечного кристалла уже в третьем атомном слое. Максимальная деформация решетки при этом вероятно не превышает 2%. Свободная поверхностная энергия дисперсного порошка может быть значительной. В случае частиц железного порошка диаметром в несколько десятых нанометра ( …) свободная поверхностная энергия составляет несколько сотен калорий на моль. Эта свободная энергия, связанная с дефектами, отклонениями от стехиометрии (расчетных весовых и объемных отношений между атомами и молекулами, вступающими в химические реакции) и так далее, неотъемлемо от свойств поверхности. Поверхностная энергия обычно снижается за счет адсорбции (поглощения веществ из растворов и газов) происходящей на поверхности. Поверхностная энергия оказывает настолько кардинальное влияние на свойства дисперсного порошка, что создается впечатление, что поверхность раздела сама по себе обладает его свойствами. Так, при армировании эластомеров (каучуки, резины) размеры частиц оказываются более существенными, чем их природа, независимо от того, представляют ли они собой уголь, окись кремния, карбонат кальция и так далее. Другие свойства, например, изменение вязкости путем образования суспензии окиси кремния, в гораздо большей степени зависят от природы частицы и от её поверхности. Если говорить в целом, то все свойства должны быть в какой-то мере подвержены влиянию природы частицы и величины её поверхности. Поверхность частицы всегда чем-то покрыта; характер связи между поверхностью и покрытием зависит от энергетики поверхности, являющейся отражением природы частицы. Это наблюдается всегда, независимо от того, находится ли частица в атмосфере сухого инертного газа или же в металлической или полимерной матрице, а также в жидкости [ ]. ….

2.2. Химическая природа поверхности

Суммарная свободная поверхностная энергия твердого тела уменьшается при адсорбции на поверхности как жидкостей, так и газов. Прочность связи между адсорбатом (газ, жидкость) и адсорбентом (твердое вещество) непрерывно изменяется от слабой физической адсорбции инертного газа, наблюдающейся только при низких температурах, до хемосорбции, скрытая теплота которой обычно превышает 40 ккал/моль, а сила связи сравнима с силой обычной химической связи. Десорбция хемсорбированного вещества часто сопровождается химическими изменениями, так что хемсорбция непрерывно переходит в химическую реакцию. Когда эта связь слабая, адсорбат может быть заменен другим, который связан более сильно и дополнительно снижает свободную поверхностную энергию. Например, окисленные поверхности, вынесенные на воздух, покрываются слоями воды, а не азота. Поверхности адсорбентов энергетически неоднородны, что обусловлено поверхностной топографией, а также положением атомов на поверхности и вблизи неё. Поэтому могут существовать центры адсорбции, различающиеся по силе связи и реактивности, так что в зависимости от конкретных условий молекулы адсорбата оказываются связанными с определенными атомами поверхности или же могут обладать какой-то степенью подвижности на ней. Большинство окислов обладает полупроводниковыми свойствами, обусловленными малыми отклонениями от стехиометрии. Поскольку связь между поверхностью и адсорбатом является отражением природы самой поверхности, то можно считать, что все методы, используемые в подобных исследованиях поверхностей, дают сведения относительно самой поверхности.

1.3. Альтернативные способы получения высокодисперсных порошков.

Сложность получения высокодисперсных порошков механическим измельчением обусловлена повышением механической прочности частиц материала с уменьшением их крупности. Частицы мельче нескольких микрометров получать дроблением практически невозможно. air jordan 14 retro Нужны другие, комплексные механизмы разрушения. Разрушить вещество до молекулярного уровня, как показано выше, проще химическим методом (напр-р ионизацией) или путем расплава, а потом сконденсировать его в частицы, размером которых относительно легко управлять, меняя режим конденсации: скорость охлаждения пара, степень разбавления, концентрацию исходного пара и т.п. Способы управления свойствами порошков путем механохимической их обработки. … Одной из существенных особенностей многих технологий перерабатывающих дисперсные материалы является возможность управления составом, структурой и, соответственно, свойствами (формой, плотностью, теплопроводностью и т.п.) материала частиц. Традиционно решение этой проблемы обеспечивается непосредственным изменением свойств материала частиц. Применение для этих целей механических смесей имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является сегрегация компонентов при смешивании, транспортировании их смеси из дозирующих устройств в струю, а также в процессе переработки. Сегрегация (отделение, ликвация – плавление, разжижение)приводит к неравномерности формирования структуры, пористости, снижению прочности, и в ряде случаев эксплуатационных характеристик получаемых продуктов. Кроме того, при переработке механических смесей происходит окисление некоторых компонентов. Наличие в смеси порошков с различными гранулометрическим составом, формой, плотностью, теплопроводностью, температурой плавления приводит к неравномерности нагрева отдельных частиц в полете, ускорения, затвердевания, кристаллизации и в конечном счете не способствует достижению положительных результатов. В связи с этим и начали развиваться методы изготовления порошков, обеспечивающие наличие в каждой частице комплекса всех исходных компонентов. При этом все частицы порошка имеют одинаковые массу, химический состав, плотность, теплопроводность и т. nike internationalist д. Для достижения такого состояния применяемые способы дают возможность получать порошки плакированного и конгломератного строения. Такие порошки называют композиционными порошками [Газотермическое напыление композиционных порошков /А.Я. Кулик, Ю. С. Борисов, А. nike air max classic bw С. Мнухин, М. Д. Никитин. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. – 199 с., ил.]. Для обозначения композиционных материалов в литературе распространены несколько терминов: плакированные порошки, экзотермически реагируемые порошки (для интерметаллидных композиций с экзотермическим эффектом при их взаимодействии), композитные порошки, агломерированные порошки (для порошков, получаемых спеканием, прокаткой, дроблением или перемешиванием со связкой и последующей сушкой при перемешивании или распылении) и т. д. Термины «плакированный порошок», «конгломерированный порошок» являются двумя частными случаями общего названия «композиционный материал», характеризуемый следующими признаками [37]:

  1. специально изготовляться человеком;
  2. представлять собой сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между компонентами;

3) образовывать этот материал сочетанием компонентов;

  1. характеризоваться свойствами, которыми не может обладать никакой из компонентов, взятый в отдельности.

Таким образом, композиционный порошковый материал — это порошок сложного состава, у которого каждая гранулометрически самостоятельная частица состоит из макрообъемов нескольких компонентов, отличающихся по химическому составу, и идентична по качественному составу всем остальным частицам. В объеме этого определения композиционный порошок отличается от порошков сплава из дисперсноупрочненного материала (по размеру объемов компонентов) и механической смеси различных порошковых материалов (по характеру состава). Не следует также подменять указанный термин термином «порошковая композиция», которым в его точном смысле определяют компактный композиционный материал, полученный из порошковых материалов. Композиционные порошки могут быть классифицированы на основе следующих принципов: по конструкции частицы (строению, морфологии); способу получения; характеру взаимодействия компонентов при нагреве и назначению покрытия. Конструкции частиц композиционного порошка обусловлены способом их получения и разделяются на две группы: плакированные и конгломерированные частицы. Кроме того, можно рассматривать частицу, полученную с применением двух указанных способов (рис. 1.1). При плакировании исходной частицы (ядра) на ее поверхности формируются один или несколько слоев других материалов (рис. 1.1, а). Конгломерированием можно достичь большего разнообразия в строении частиц (рис. nike air presto femme 1.1, б, в). При использовании исходных порошков с частицами одинаковых размеров (отношение диаметров 1/3) образуются гомодисперсные конгломератные частицы (рис. 1.1, б). Если одна частица служит ядром, на поверхности которого размещены мелкодисперсные частицы остальных компонентов, то формируются гетеродисперсные конгломератные частицы (рис. 1.1, в). Комбинации двух основных типов частиц (плакированных и конгломератных), позволяют получать порошки смешанного типа (рис. 1.1, г—е). Причем одни и те же компоненты могут присутствовать как в виде плакирующей оболочки, так и I в составе конгломератов. Число получаемых частиц для трехкомпонентной системы 34 и для двухкомпонентной — 7. В зависимости от характера взаимодействия компонентов при их нагреве порошки молено разделить на две большие группы (табл. 1.1): термонейтральные и экзотермически реагирующие. В последних при нагреве протекают химические реакции, обусловленные взаимодействием компонентов, с образованием покрытий, состав которых резко отличается от исходного состава. В термонейтральных композициях также возможно взаимодействие в результате плавления компонентов (в особенности, в системе металл—металлоподобное соединение). В отдельную группу следует выделить порошки на основе оксидов, при плавлении интенсивно диссоциирующих и образующих новые соединения с компонентами порошка. Наиболее известные композиционные порошки для газотермического напыления приведены в табл. 1.1. Из таблицы следует, что среди всех плакированных порошков преобладают порошки, плакированные никелем (кобальтом), а порошки с нанесенным на их поверхность алюминием являются самыми распространенными среди порошков конгломератного типа.

4.5. Поверхностное натяжение и поверхностное напряжение

спространены в химической, нефтехимической, горноперерабатывающей, металлургической, пищевой, микробиологической, фармацевтической промышленностях, пром Фундаментальную роль в термодинамике малых частиц играет понятие поверхностного натяжения [424—435]. Следуя Гиббсу можно предположить, что свойства двух находящихся в термодинамическом равновесии фаз совершенно однородны вплоть до некоторой разделяющей поверхности, располагающейся в переходном слое между фазами и близко примыкающей к физической границе конденсированной фазы. Тогда любую аддитивную (полученную путем сложения) величину, характеризующую всю систему, можно выразить в виде суммы трех членов, два из которых относятся к соответствующим однородным фазам, а третий избыточный член, приписываемый разделяющей поверхности, вносит компенсацию, необходимую при замене областей переходной зоны до разделяющей поверхности однородными фазами. По определению, поверхностное натяжение у есть: γ = FS — _ где Fs — избыточная свободная энергия Гельмгольца на единицу площади поверхности; μi, Γi — химический потенциал, одинаковый в обеих фазах, и поверхностная (избыточная) плотность i-й компоненты соответственно. Только при определенном выборе положения разделяющей поверхности, обращающей в нуль член ΣμiΓi, поверхностное натяжение обретает смысл изотермической работы образования единицы поверхности. Следует различать понятия «поверхностного натяжения» и «поверхностного напряжения». Последнее определяют следующим образом. Силу, действующую с одной стороны пространства на другую через нормальную к поверхности раздела фаз плоскость Р, разбивают на вклады от двух однородных фаз и поправочный член, отнесенный к разделяющей поверхности. Поверхностные поправки к объемным напряжениям представляют собой тензор σμν поверхностных напряжений, т. е. анизотропных сил на единицу длины линии пересечения плоскости Р с поверхностью раздела фаз, действующих перпендикулярно к этой линии и зависящих от ее ориентации [430, 434]. Существенное различие между σμν и γ состоит в том, что для создания новой поверхности силы σμν, должны совершить работу на ее растяжение, тогда как у измеряет работу образования новой поверхности за счет подведения к ней атомов из глубины однородной фазы. Для кристаллов изменение числа атомов на поверхности и состояние деформаций совершенно не связаны друг с другом. В этом случае действует соотношение [430, 431J: ρμν=γδμν+ — символ Кронекера; εμν – тензор упругих деформаций. Часто поверхностное натяжение отождествляют с удельной поверхностной энергией ES, определяемой как разность между отнесенной к единице поверхности энергией когезии конечного кристалла, содержащего N атомов, и умноженной на N энергией когезии на атом в бесконечном кристалле. Между тем, согласно Шаттлворсу [436]: γ = (54) где А — площадь поверхности и у представляет собой обратимую работу создания единицы поверхности. Величина ЕS связана с состоянием напряжений на поверхности. Только для жидкости у =ES, ибо в этом случае ЕS не зависит от А.

2 3. Общие свойства методов обработки концентрированными потоками энергии

При обработке концентрированными потоками энергии возможно как изменение физико-механических свойств частицы без изменения ее формы и(или) размеров, так и изменение ее формы и (или) размеров при сохранении, ее физико-химических свойств либо при определенной степени их изменения. Для структурно-фазовых превращений при изменении агрегатного состояния заготовки либо при удалении части ее материала в качестве припуска или из зовы выемки необходимо затратить определенную энергию. Эта энергия выделяется в зоне обработки в виде теплоты, имеющей своим первоисточником либо электрические разряды в диэлектриках, либо лазерные световые пучки, либо потоки

2.4. Основные проблемы интенсификации технологии

В основе переработки и получения самых разнообразных материалов, промпродуктов и готовых продуктов, применяемых в современной технике и технологиях лежат гетерогенные процессы, т. е. процессы, протекающие в дисперсных системах, имеющих межфазные границы –наиболее распространенный вид процессов современных технологий. Среди такого рода процессов значительное место занимают так называемые гидромеханические процессы и особенно процессы в дисперсных системах, состоящих из дисперсионной (распределяющей) среды (газ, жидкость) и дисперсной фазы (раздробленного в дисперсионной среде вещества). Большое практическое значение имеют гетерогенные процессы в дисперсных системах, содержащих твердые фазы. Эти процессы широко раышленности строительных материалов и во многих других областях. Сюда относятся, в частности, процессы измельчения и гранулирования, сушки и обжига, процессы в кипящем слое, процессы перемешивания, кристаллизации и многие другие. Ни один продукт, создаваемый на основе дисперсных материалов в различных производствах не может быть получен без осуществления хотя бы одного из указанных выше процессов или их совокупности. nike pas cher Задача повышения рентабельности машин, реализующих указанные процессы, решается путем интенсификации реализуемых на их основе процессов. Интенсификация технологических гетерогенных процессов — проблема номер один современной техники и технологии. Пути решения этой проблемы весьма разнообразны, но в значительном числе случаев интенсификация достигается за счет применения механизации и автоматизации при сохранении традиционного технологического процесса как комплекса последовательно осуществляемых технологических операций, складывающегося годами, а иногда и десятилетиями. Лимитирующим фактором прогресса в этом направленни как раз оказывается привычная, казалось бы, не вызывающая возражений, устоявшаяся годами общепризнанная и, как называется, «надежная» технология. Между тем отсутствие прогресса в коренном усовершенствовании и (когда это становится необходимым) кардинальном изменении существующего технологического процесса приводит к тому, что, например, для решения задач по увеличению объема выпускаемой продукции и производительности технологического оборудования создаются гигантские весьма энерго- и материалоемкие установки огромной единичной мощности, работающие по традиционному, часто весьма далекому от совершенства, устаревшему морально технологическому принципу. Наглядным примером такого рода решений может служить технология получения цемента — хлеба строительной индустрии. . Создание сложнейших по конструктивному воплощению вращающихся печей для обжига клинкера длиной до 230 и диаметром до 6 метров может служить доказательством значительных достижений современного машиностроения, но никак не достижений в области производства цемента, поскольку принятая технология обжига во вращающихся печах по своей сути себя исчерпала. Необходимость создания гигантских установок с огромной единичной мощностью для получения высокой производительности, обусловлена, прежде всего, ограниченной скоростью протекания реализуемого в таких и им подобных установках, а увеличение её в рамках принятой технологии, как правило, невозможно. Естественно, что ограниченность скорости процесса компенсируется увеличением времени пребывания материала в зоне его обработки, достигаемое увеличением объема рабочего пространства со всеми вытекающими последствиями. Аналогично можно сказать о процессах смешения многокомпонентных систем широко применяемых в различных областях техники и во многом определяющих качество получаемой продукции. Эти процессы реализуются в смесительных агрегатах различного типа. При этом установлено, что наиболее естественный и общепринятый путь увеличения их производительности — повышение рабочего объема смесительной камеры, в особенности, когда процесс реализуется в периодическом режиме. Так, например, в пищевой промышленности смесительные аппараты позволяют перемешивать одновременно до нескольких тонн пищевых масс, таких, как мучное тесто или шоколад. Еще больше емкости смесительных установок, и гомогенизаторов (до десятков тонн) характерны для технологических процессов, связанных с переработкой и получением шламов, например, в уже упомянутой выше цементной промышленности, при производстве серной кислоты, минеральных удобрений и целого ряда других полупродуктов. adidas gazelle femme Характерно, однако, что время, необходимое для достижения удовлетворительной однородности распределения компонентов в таких установках, колеблется от десятков минут (в самом лучшем случае) до нескольких суток. Попытки существенно интенсифицировать, ускорить этот процесс, например, путем увеличения скорости вращения рабочих лопастей, далеко не всегда оказываются успешными и, более того, нередко приводят к резкому снижению качества конечного продукта, поэтому зачастую неприемлемы. soldes asics Попытки получить достаточно однородную смесь путем смешивания сырьевой смеси с огромным количеством воды в шламбассейнах (производство цемента по мокрому способу) с последующим её удалением в процессе сушки, неизбежно приводит к повышению энергоемкости процесса и громоздкости его аппаратурного оформления. Осуществление процесса обжига сырьевой смеси в виде гранул, размер которых достигает нескольких десятков миллиметров, также малоэффективен, так как активная поверхность раздела между источником тепла и смесью мала, а ограниченная из-за гигантских размеров в печи скорость ее вращения также препятствует интенсификации процесса обжига окатышей на фабриках окомкования металлургических предприятий. Подобных примеров можно привести большое множество. air max tn Но уже самый общий анализ причин, вызывающих необходимость создания установок большой единичной мощности при сохранении традиционного технологического процесса, обнаруживает те факторы, которые препятствуют. интенсификации протекающих в них процессов.. К числу наиболее важных факторов такого рода, общих для большинства существующих гидромеханических процессов в дисперсных системах, относится форма подведения энергии к этим системам и, прежде всего подведения внешней — механической, тепловой и других видов энергии.

2.5. Механический фактор интенсификации технологии

Создание гигантских установок в различных сферах производства с использованием технологий дисперсных систем, о которых говорилось выше, обусловлено необходимостью компенсации относительно низкой интенсивности процессов большим объемом рабочих камер, способствующих достижению требуемой производительности. Так, для осуществления процесса перемешивания, т. е. обеспечения однородного распределения компонентов в многокомпонентной системе, принудительная взаимная конвективная диффузия создается в результате вращения лопастей смесителя, для чего, естественно, приходится преодолевать значительные сопротивления дисперсного материала, обусловленные трением частиц друг о друга, т. е. преодолевать сдвиговые напряжения (реологические сопротивления). Процесс смешения становится возможным, если в дисперсной системе создаются градиенты скоростей между слоями. Чем больше перепад скоростей ε*=dε/dt (ε-деформация , t – время) от слоя к слою и чем меньше разница в величине градиента скоростей по объему смесителя, тем более эффективен процесс смешения и быстрее достигается необходимая однородность (гомогенность) гетерогенной системы. Но реализация этих условий тем более затруднительна, чем больше объем смесительной камеры. Вместе с тем с увеличением объема резко возрастает реологическое сопротивление системы и соответственно растет потребляемая мощность, необходимая для осуществления процесса. Если же пытаться увеличить скорость вращения лопастей, что, естественно, должно было бы повысить скорость смешения, то потребляемая мощность увеличивается еще больше, а из-за возникновения разрывов сплошности в смешиваемой системе в условиях сдвиговой деформации при больших скоростях такое увеличение не способствует повышению однородности смеси [2, 3]. Сушка, обжиг, каталитические процессы и целый ряд процессов в кипящем слое – примеры технологических процессов, эффективность которых, как и в рассмотренных выше случаях, в значительной мере определяется совершенством механизма взаимодействия дисперсных фаз в потоках жидкости или газа.. В основе технологических препятствий, преодолеваемых на пути их интенсификации, лежат весьма близкие, по сути, физико-химические явления. Это главным образом поверхностные явления на межфазных границах, которые в значительной степени определяют характер протекания гетерогенных химико-технологических процессов в дисперсных системах. К числу важнейших, по существу, основных факторов, определяющих особенности таких процессов, прежде всего, относятся контактные взаимодействия между частицами дисперсных фаз, а также между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Характер взаимодействия и диапазон рабочих условий, способствующих интенсификации конкретного технологического процесса, значительно меняются для различных систем газ – твердое. В зависимости от подвижности твердых частиц, их склонности к агломерации и статической электризации, геометрии рабочего пространства, ввода газа и других параметров характеристики системы будут меняться. Одним из важных факторов является распределение твердых частиц по размерам. В общем случае мелкие частицы имеют тенденцию к комкованию и агломерации, если они увлажнены. Тогда В общем же случае оптимальное (с технологической точки зрения) динамическое состояние дисперсных систем, создание которого необходимо для интенсификации химико-технологических и, прежде всего, гидро-механических процессов в таких системах, должно определяться совокупностью факторов и отвечать, по меньшей мере, двум условиям: — достижению и поддержанию в объеме системы скоростей сдвига ε*, соответствующих максимальной текучести при предельном разрушении структуры; — достижению такой скорости относительного смещения частиц дисперсной и дисперсионной фаз, при которой диффузионные препятствия перестают лимитировать скорость химических и фазовых превращений. ГЛАВА 3.

Добавить комментарий