Содержание к диссертации
Введение
1 Современные аспекты измельчения 6
1.1 Общие сведения 6
1.2 Обзор известных теорий измельчения 19
1.3 Измельчение в роторно-пульсационных аппаратах 22
1.4 Постановка задач исследования 30
2 Описание объектов исследований, опытных установок и экспериментальных методик 32
2.1 Сибирский углеродный носитель (сибунит) 32
2.2 Лабораторная установка с роторно-пульсационным аппаратом для исследования процесса "мокрого" измельчения 33
2.3 Полупромышленная установка с роторно-пульсационным аппаратом для исследования процесса "мокрого" измельчения 37
2.4 Методика проведения экспериментов по определению прочности гранул сибунита -. 41
2.5 Методика определения поверхностного натяжения для системы "жидкость-твёрдое тело" 43
2.6 Методика проведения экспериментов по определению активности катализатора 44
3 Результаты исследований . 46
3.1 Теоретические результаты исследований 46
3.1.1 Математическое описание процесса измельчения 46
3.1.2 Условия сдвигового измельчения частиц в роторно-пульсационном аппарате 50
3.1.3 Кавитационное измельчение 55
3.1.4 Разрушение частиц за счёт гидродинамических сил потока, истирания, соударений и акустического воздействия
3.1.5 Дезагрегация ультрадисперсных частиц 63
3.2 Экспериментальные результаты исследований 65
3.2.1 Измельчение сибунита 65
3.2.2 Дезагрегация ультрадисперсных алмазов 74
3.2.3 Дезагрегация частиц карбоновой кислоты 80
4 Обсуждение результатов исследований 88
4.1 Применение разработанного математического описания для процесса измельчения в роторно-пульсационном аппарате 88
4.2 Применение разработанного математического описания для процесса кавитационного измельчения 92
4.3 Анализ условий сдвигового разрушения частиц в роторно-пульсационном аппарате 94
4.4 Применение разработанного математического описания для определения затрат энергии на дезагрегацию 95
4.5 Промышленная установка с РПА для приготовления носителя катализатора гидрирования 97
4.6 Определение прочностных характеристик гранул сибунита 99
4.7 Исследование активности катализатора гидрирования 102
Основные результаты выполненной работы 106
Список использованных источников 107
- Измельчение в роторно-пульсационных аппаратах
- Полупромышленная установка с роторно-пульсационным аппаратом для исследования процесса "мокрого" измельчения
- Разрушение частиц за счёт гидродинамических сил потока, истирания, соударений и акустического воздействия
- Применение разработанного математического описания для процесса кавитационного измельчения
Введение к работе
Актуальность темы. Измельчение - один из наиболее древних известных человеку процессов. Однако, несмотря на это, его теоретические основы до сих пор претерпевают изменения и ещё до конца не сформированы, что затрудняет расчёт энергозатрат на его осуществление. Поскольку указанный процесс является энергоёмким, то установление зависимости между размерами измельчаемых и измельчённых частиц, а также затраченной на их получение энергией является актуальной задачей.
В различных отраслях промышленности и, в частности, в химической технологии, существует большая потребность в тонкоизмельчённых материалах. При этом измельчение может играть как основную, так и вспомогательную роль (например, для интенсификации массообменных процессов).
По ряду причин процесс тонкого измельчения целесообразнее проводить в жидкой фазе. В этом случае отсутствует пылеобразование, существенно ухудшающее условия труда, а также под действием смачивающей жидкости в определённой мере понижается прочность измельчаемого материала, что позволяет получать более мелкие частицы и с меньшими затратами энергии. Как показывает практика, при такой организации процесса наилучшие результаты достигаются в измельчителях, у которых к малому объёму обрабатываемой среды подводится большое количество энергии.
К такому оборудованию принадлежат аппараты роторно-пульсационного типа (РПА). Однако, несмотря на многочисленные работы, посвященные обработке различных сред в РПА, процесс измельчения дисперсной твёрдой фазы в таком оборудовании исследован недостаточно полно. Они посвящены, в основном, анализу гранулометрического состава обрабатываемых частиц, в то время как по расчёту энергии, затрачиваемой на измельчение в аппаратах такого типа, информация практически отсутствует.
Цели и задачи исследования. Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей измельчения дисперсных материалов в РПА и определение затрат энергии на процесс. В связи с этим, задачами исследования являются:
разработка математического описания процесса "мокрого" измельчения дисперсных материалов в РПА и количественная оценка энергозатрат на его проведение;
формулирование условий, обеспечивающих гарантированное измельчение частиц различной формы при взаимодействии с рабочими органами аппарата;
получение расчётных зависимостей для оценки энергозатрат при обработке в РПА гидрозолей ультрадисперсных материалов;
качественная оценка влияния технологических параметров процесса и конструктивных особенностей оборудования на дисперсный состав получаемого материала и энергопотребление.
Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследований лялся процесс "мокрого" измельчения дисперсных материалов в РИА. Предмет исследований - синтетический пористый углерод-углеродный композиционш материал сибунит (сибирский углеродный носитель). Работа основывается использовании аналитических и экспериментальных методов исследования.
Научная новизна работы:
разработано математическое описание процесса "мокрого" измельчен твёрдых дисперсных материалов в РПА, учитывающее влияние физиі химических свойств дисперсионной среды и позволяющее оценить затраты ЭН( гии на его проведение;
выяснен механизм воздействия рабочих органов РПА на измельчаемый t, териал и на основании этого определены условия гарантированного разрушен частиц различной формы;
сформулировано условие, выполнение которого обеспечивает гаранти} ванное измельчение дисперсного материала в кавитационном режиме;
получены расчётные зависимости, позволяющие оценить затраты энерг на дезагрегацию ультрадисперсных материалов;
на примере измельчения гранул сибунита оценено влияние технологи1 ских параметров процесса, а также конструктивных особенностей рабочих орган аппарата на дисперсный состав получаемого материала и энергопотребление.
Практическая значимость:
- усовершенствован технологический процесс диспергирования частиц ка
боновой кислоты в производстве лекарственного препарата тилорон;
- усовершенствован технологический процесс приготовления носителя
производстве катализатора гидрирования гексабензилгексаазатетрациклододека
(ГБ) до дибензилтетраацетилгексаазаизовюрцитана (ДБ).
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссе тационной работы обсуждались на I региональной научно-практической конф ренции «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них» (Бийс 2007); I всероссийской научно-практической конференции «Технологии и обор дование химической, биологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2008 II научно-технической конференции «Перспективы создания и применения ко денсированных высокоэнергетических материалов» (Бийск, 2008); IV всеросси ской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии раст тельного сырья» (Барнаул, 2009); XII всероссийской научно-практической конф ренции «Химия-21 век: новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2009 II всероссийской научно-практической конференции «Технологии и оборудоваї химической, биологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2009).
На защиту выносятся:
физико-математическое описание процесса измельчения твёрдых ди персных материалов в РПА;
теоретические и экспериментальные результаты исследований процес измельчения сибунита в РПА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, включая 7 статей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка литературы из 200 наименований и содержит 130 страниц.
Во введении отражены актуальность, направленность и цели исследования. В первой главе рассмотрены физико-химические аспекты процесса измельчения, а также существующие зависимости по определению энергозатрат на измельчение. Рассмотрены конструкции РПА, предназначенные для измельчения дисперсных материалов. Показано, что высокоэффективным и перспективным оборудованием являются аппараты с многофакторным воздействием на обрабатываемую среду. Вторая глава посвящена описанию используемого оборудования, объектов исследования и применяемых методик. В третьей главе приводится вывод основного уравнения для определения затрат энергии на измельчение дисперсных материалов, а также рассмотрены возможные механизмы измельчения частиц и сформулированы условия их гарантированного разрушения при прохождении через рабочие органы РПА. Четвёртая глава посвящена обсуждению результатов теоретических и экспериментальных исследований. Здесь же на конкретных примерах показана справедливость предложенного математического описания.
По результатам проведённых исследований спроектированы и внедрены в производственный цикл две установки с РПА. Первая - для диспергирования частиц карбоновой кислоты в производстве лекарственного препарата тилорона, а вторая - для измельчения сибунита в производстве катализатора гидрирования ГБ до ДБ.
Измельчение в роторно-пульсационных аппаратах
Указанный факт имеет место благодаря тому, что твёрдое тело, находящееся в ультрадисперсном состоянии, уже обладает запасённой энергией в виде поверхностной энергии. Она образуется в результате нескомпенсированности связей молекул, расположенных на поверхности, поскольку общеизвестно, что структура поверхности твёрдого тела существенно отличается от таковой в его глубине [10,11]. Дело в том, что молекулы, находящиеся в глубине твёрдого тела, окружены точно такими же молекулами и их связи скомпенсированы. В противоположность этому, поверхностные молекулы окружены не полностью, а только частично (со стороны глубинных слоев), что и приводит к указанным выше явлениям.
Строго говоря, на различных участках поверхности даже для одной и той же частицы поверхностная энергия также будет различной, поэтому следует говорить о некоторой средней величине. Если брать в качестве примера кристалл, то на его углах и рёбрах поверхностная энергия всегда будет больше, чем на гранях [12]. Последние, в зависимости от их соответствия кристаллографическим плоскостям, также имеют различные значения поверхностной энергии [13]. И, с точки зрения учения о свободной энергии, дефекты поверхности, такие как вакансии, микротрещины или какие-либо другие являются своеобразными концентраторами энергии.
Влияние поверхностной энергии проявляется повсюду. Это можно наблюдать на примере пыли, в которой высокодисперсные частицы весьма чувствительны к воздействиям и при некоторых определённых условиях (концентрации, влажности и пр.) способны к воспламенению или даже взрыву.
При измельчении энергоёмких материалов используются флегматизато-ры- вещества, вызывающие снижение их чувствительности к различного рода воздействиям. При адсорбции флегматизаторов происходит понижение поверхностной энергии системы.
Поверхностная энергия оказывает существенное влияние на морфологию растущих кристаллов [14]. Путём адсорбции ПАВ можно добиваться соответствующих форм и размеров кристаллических тел. Поверхностная энергия также существенно влияет и на трение твёрдых тел [15-17]. Процесс плавления частиц начинается, в первую очередь, именно с мест, обладающих какой-либо структурной неоднородностью, например с острых выступов. При шлифовании металлов образующиеся высокодисперсные частицы ржавеют впоследствии быстрее, чем основной материал. Общеизвестно также, что полированная поверхность является гораздо более стойкой к коррозии, чем шероховатая, поскольку в последнем случае за счёт большего количества микровыступов поверхность обладает, соответственно, и большей поверхностной энергией. Вообще говоря, именно поверхностная энергия определяет кинетику протекания всех гетерогенных процессов, т.е. происходящих на поверхности раздела фаз.
Вполне понятно, что частицы, обладающие некоторым избытком энергии, стремятся её понизить, поскольку, в соответствии с принципом А.Л. Ле Шате-лье (1884 г.) - Ф. Брауна (1887 г.), любая система, выведенная из состояния равновесия, стремится вновь в него вернуться. Любой самопроизвольно протекающий процесс всегда идёт в сторону уменьшения энергии, будь то капля, принимающая под действием сил поверхностного натяжения, форму шара или какой-либо другой процесс, связанный с изменением поверхности.
Однако, поскольку при измельчении приходится иметь дело с твёрдыми частицами, то понижение их поверхностной энергии наиболее часто осуществ ляется двумя путями - адсорбцией молекул окружающей среды или ПАВ и агрегацией уже измельчённых частиц.
Таким образом, поверхностная энергия играет очень важную или, точнее, даже ключевую роль при рассмотрении дисперсных систем.
В промышленности существует множество конструкций измельчителей различных типов [18], в которых процесс может осуществляться как "сухим" способом, так и "мокрым". При получении тонкоизмельчённых материалов второй способ по определённым причинам является более предпочтительным.
При измельчении в жидкости значительно уменьшается агрегация частиц, а также отсутствует пылеобразование, которое приводит к потерям целевого продукта и загрязнению окружающей среды, что нежелательно. Пыль, проникая в дыхательные пути персонала, обслуживающего измельчительные установки, вызывает различные заболевания.
При использовании аппаратуры, в которой процесс измельчения проводится в жидкой фазе, существует возможность его совмещения с другим каким-либо процессом, например с экстракцией [19]. В этом случае достигается существенная экономия потребляемой энергии, уменьшение производственных площадей, занимаемых данным оборудованием и значительное ускорение процесса.
Поскольку поверхностная энергия оказывает весьма сильное влияние на различные процессы, то вполне резонно задаться вопросом о том, влияет ли она и на механические свойства измельчаемых твёрдых тел.
Впервые этот вопрос в научном плане был рассмотрен А.А. Гриффитсом (1920 г.) [20]. Проводя свои испытания, в основном,, на стёклах, он предварительно наносил царапину определённой длины, после чего проводил испытания на растяжение в средах, оказывающих различное физико-химической влияние на испытуемый образец. Таким образом, он обнаружил, что прочность стёкол находится в определённой зависимости от поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с окружающей его средой, модуля Юнга и длины трещины: где P - предел прочности измельчаемого материала, Па; длина микротрещины, м. Как следует из формулы А.А. Гриффитса, понижение поверхностного натяжения вызывает также и понижение прочности твёрдого тела. Коэффициент "2" в формуле (2) символизирует образование в процессе растяжения двух новых поверхностей в результате раскрытия стенок царапины.
Собственно говоря, влияние поверхностно-активных веществ на механические свойства твёрдых тел исследователи наблюдали и ранее, однако они не могли объяснить данное явление с научной точки зрения.
Обоснованное физическое трактование данного явления было дано П.А. Ребиндером (1928 г.) [21]. Указанный эффект, получивший международное признание и нашедший множество практических приложений, был признан открытием и стал называться эффектом адсорбционного понижения прочности или просто эффектом Ребиндера.
Согласно представлениям П.А. Ребиндера, молекулы жидкости, хорошо смачивающей данное твёрдое тело (однако не настолько сильно, чтобы растворять его), проникают по микротрещинам, всегда имеющимся в реальных телах, к их вершинам. При адсорбции молекул происходит понижение поверхностной энергии трещины. При этом, согласно закону сохранения энергии, некоторая часть от подводимой извне энергии переходит в тепло, а другая - преобразуется в давление, раздвигающее стенки микротрещины.
Полупромышленная установка с роторно-пульсационным аппаратом для исследования процесса "мокрого" измельчения
Полупромышленная установка с РПА, внешний вид которой показан на рисунке 17, предназначалась для отработки технологических режимов процесса и получения укрупнённых партий измельчённого материала. Она состоит из рамы, на которой располагается аппарат с перемешивающим устройством 1 объёмом VA=0,l м3. Аппарат снабжён загрузочным люком 2. Частота вращения якорной мешалки п=1,5 1/с, а мощность привода N=0,15 кВт. В состав установки входит также РПА 3, частота вращения ротора которого плавно регулируется при помощи преобразователя "DELTA" в диапазоне от 0 до 48,1 1/с. Мощность привода роторно-пульсационного аппарата N=1,1 кВт. Аппарат 1 и РПА 3 связаны друг с другом общим циркуляционным контуром. 1-аппарат с перемешивающим устройством; 2-загрузочный люк; 3-роторно пульсационный аппарат; 4—теплообменник; 5-манометр; 6-расходомер;
Требуемый температурный режим в установке поддерживается при помощи теплообменника 4 типа "труба в трубе". Контроль давления в напорной линии установки производится при помощи манометра 5. Расход среды через циркуляционный контур фиксируется расходомером 6 марки "KROHNE-H250". Отбор проб и слив полученной суспензии осуществляется через патрубок 7.
Внешний вид и внутреннее устройство полупромышленного роторно-пульсационного аппарата представлено на рисунках 18-22. - ротор; 2 - крыльчатка; 3 - статор Рисунок 18 - Фото полупромышленного образца РПА
Фото статора РПА Аппарат (рисунок 18) состоит из корпуса, образующего рабочую камеру, в которой размещается двухцилиндровый ротор 1 с крыльчаткой 2. На крышке РПА крепится двухрядный статор 3. Комплект сменных роторов позволяет устанавливать радиальный зазор между цилиндрами ротора и статора =0,5-10"3 м, =1,0-10"3 м, У=1,5-10"3 м, д=2,0-10 3 м, соответственно.
Эксперименты на полупромышленной установке (рисунок 17) проводились в той же последовательности, что и на лабораторной. При этом единовременная загрузка емкостного аппарата дистиллированной водой составляла 5-Ю"2 м3, а масса дозируемого сибунита - 5 кг. Величина радиального зазора между рядами ротора и статора =0,5-10"3 м. Общая продолжительность обработки составляла 3600 с. В ходе экспериментов отбирались пробы суспензии на анализ дисперсного состава в соответствии с описанной ранее схемой.
Поскольку дисперсионная среда, в которой производится измельчение, может оказывать существенное влияние на прочностные свойства материала [153,154], то следует их изучить. Определение прочностных характеристик гранул сибунита со средним начальным размером 2,22-10"3 м (рисунок 9) проводилось на универсальной испытательной установке «Instron-5565» (рисунок 23). Режим нагружения - сжатие со скоростью и = 8,333-Ю"6 м/с.
Рисунок 23 - Фото универсальной испытательной установки "Instron-5565"
Методика проведения испытаний заключалась в следующем: отдельная гранула сибунита (рисунок 24) размещалась по центру плиты приспособления для сжатия образцов (рисунок 25) и сжималась до разрушения (рисунок 26). Гранулы выбирались случайным образом, поэтому для обеспечения достоверности определения усилий при разрушении проводилось 20 испытаний для каждой партии сибунита (сухих и пропитанных жидкостью). Рисунок 24 - Фото гранул сибунита
Как уже отмечалось, для определения поверхностного натяжения измельчаемого материала на границе с окружающей его жидкостью был выбран метод капиллярного поднятия. Поверхностное натяжение на границе раздела фаз "ж-7» определяли в соответствии с методикой [62] на установке, представленной на рисунке 27.
Важнейшими эксплуатационными характеристиками катализаторов гидрирования являются их активность и величина выхода целевых продуктов реакции. Для оценки указанных показателей проводили испытания катализаторов, носители для которых (сибунит) были изготовлены с использованием аппаратуры роторно-пульсационного типа.
Технологический процесс синтеза гексанитрогексаазаизовюрцитана (ГАВ) [155] предполагает наличие некоторых промежуточных стадий получения данного продукта, в частности, фазы гидрирования гексабензилгексааза-тетрациклододекана (ГБ) до дибензилтетраацетилгексаазаизовюрцитана (ДБ). Указанная реакция реализуется при наличии гетерогенного катализатора (палладий на сибуните) [151,152,156]. При этом, носитель для катализатора (измельчённый сибунит) должен удовлетворять определённым требованиям, в основном, по гранулометрическому составу и влагоёмкости.
В лабораторный автоклав ёмкостью 1-Ю"3 м3, снабжённый перемешивающим устройством и рубашкой для обогрева, при комнатной температуре последовательно загружали 80-Ю"3 кг ГБ, 8-Ю"3 кг катализатора (6 % масс, палладий на сибуните), 240-10"6 м3 диметилформамида и 1,44-10"6 м3 бромбензола. В последнюю очередь, при включенном перемешивающем устройстве вносили 120-10"6 м3 уксусного ангидрида.
Автоклав герметизировали, продували азотом, а затем водородом. В рубашку подавали теплоноситель с температурой 50 С. При давлении водорода в аппарате 0,4-0,5 МПа полнота его поглощения (12-10"3 м3) достигалась за 4-4,5 часа. Далее, реакционную массу охлаждали до комнатной температуры, а выпавший в осадок продукт отфильтровывали вместе с катализатором и промывали на фильтре (50-60)-10"6 м3 этилацетата. Получали смесь катализатора с 46,7-10"3 кг ДБ. Температура плавления ДБ=319-322 С. Выход ДБ - 80 %.
Разрушение частиц за счёт гидродинамических сил потока, истирания, соударений и акустического воздействия
В этой связи следует отметить, что разрушение частиц в РИА не всегда обусловлено именно кавитацией, как это ошибочно считают некоторые исследователи. Довольно часто это обусловлено просто физико-химическим влиянием самой среды.
Общеизвестно, что с уменьшением величины радиального зазора между рядами ротора и статора РПА размер измельчённых частиц также уменьшается. Однако, в силу некоторых причин обеспечение радиальных зазоров возможно только до определённой величины (0,1-10"3 м), что уже находится на пределе технических возможностей соответствующего оборудования. В связи с этим, удаётся измельчать материал только до некоторого предела, а частицы с размером менее S вообще не измельчаются. Однако, с другой стороны известно, что кавитационные явления в РПА усиливаются именно при малых значениях S. Поэтому, в данном случае возможно получение более мелких частиц, чем при сдвиговом механизме измельчения, рассмотренном выше в разделе 3.1.2.
Известно, что процесс измельчения в акустическом поле протекает только при наличии кавитации [164]. Механизм воздействия кавитации на обрабатываемый материал сводится, в основном, к разрушающему воздействию кумулятивных микроструек жидкости, образующихся при схлопывании кавитаци-онных пузырьков [165].
С одной стороны, кавитация является вредным и нежелательным фактором, поскольку приводит к повышенному износу оборудования и может вызвать, в конечном итоге, его поломку [166]. С другой стороны, существует целый класс аппаратов типа роторно-пульсационных [77], коллоидных мельниц и виброкавитационных измельчителей [167], в которых кавитационный режим работы создаётся специально с целью интенсификации процесса диспергирования [168] и дезагрегации [169,170]. В [171,172] приводится описание кавитаци-онного механизма измельчения, однако без какой бы то ни было теоретической оценки данного вопроса и без учёта влияния самой среды. Известно также, что кавитация оказывает бактерицидный эффект на обрабатываемые среды [173] и, в некоторых случаях, приводит к изменению структуры поверхностного слоя измельчаемого материала [174].
В связи с этим, возникает необходимость в определении границ эффективного воздействия кавитации на измельчаемые частицы с целью оптимизации энергозатрат и уменьшения кавитационного износа рабочих органов аппаратуры.
Известно, что сила воздействия кавитационного пузырька при схлопыва-нии в значительной степени определяется расстоянием между ним и твёрдой поверхностью (быстро убывает при увеличении расстояния). По этой причине наибольшее разрушающее действие на материал оказывают пузырьки, находящиеся в непосредственной близости от неё, например в порах или микротрещинах, которые имеются у всех дисперсных твёрдых, частиц. Газ, находящийся в углублении на поверхности, представляет собой так называемое ядро кавитации, т.е. область на поверхности твёрдой частицы, в наибольшей степени подвергающуюся динамическому воздействию. Такая модель впервые была предложена практически одновременно и независимо друг от друга Л.А. Эпштей-ном [175] и Е. Гарвеем [176].
При попадании твёрдой частицы в область с пониженным давлением (ниже давления насыщенных паров данной жидкости) газ, находящийся в микротрещине, начинает увеличиваться в объёме и превращается в микропузырёк. Далее, когда частица попадает в область с повышенным давлением этот пузырёк схлопывается. При коллапсе пузырька возникает кумулятивная микроструйка, проникающее действие которой подобно твёрдому телу, поскольку схлопывание происходит с очень большой скоростью (от десятков до сотен метров в секунду). Известно, что высоконапорными струями можно даже резать металл [177]!!! Таким образом, кумулятивные микроструи являются основной причиной разрушения дисперсных частиц [178,179]. Известно множество методов для определения эффективности воздействия кавитации на различные материалы [180].
ж- объём жидкости, в которой находятся пузырьки, м3. Безусловно, помимо газосодержания на эффективность измельчения будут оказывать влияние и другие факторы, такие как скорость потока, шероховатость поверхности, время воздействия, температура, давление, физико-химические свойства дисперсионной среды (поверхностное натяжение, плотность, давление насыщенных паров) и т.д.
Следует заметить, что исследования, выполненные авторами, направлены, главным образом, на анализ воздействия кавитации на макрообъекты (формулы (53)-(56)). Для адекватной оценки эффективности воздействия кавитации на процесс измельчения дисперсных твёрдых тел, как правило, они непригодны.
Совершенно очевидно, что измельчение дисперсных частиц возможно только при определённых соотношениях между их размерами и размерами ка-витационных пузырьков. Диаметр кавитационного пузырька в момент его схлопывания не должен превышать диаметр измельчаемой частицы, поскольку в этом случае образующаяся кумулятивная струйка не сможет быть сфокусирована на её поверхности. Существует, по-видимому, и нижний предел этого соотношения, т.к. с уменьшением размера кавитационной полости уменьшается и выделяемая пузырьком энергия.
Поэтому, было бы лучше характеризовать эффективность воздействия на дисперсный измельчаемый материал с помощью критерия кавитационного измельчения Кизм [186]: Кизм=-Г (57) dn где dn - диаметр кавитационного пузырька, м. Для вычисления минимальной энергии, необходимой для разрушения частицы можно воспользоваться ранее выведенным уравнением (24). В данном случае под энергией, сообщаемой измельчаемому материалу извне, следует понимать суммарную энергию, создаваемую кумулятивными микроструйками [77]:
Применение разработанного математического описания для процесса кавитационного измельчения
В разделе 3.1.5 рассмотрен случай дезагрегации ультрадисперсных частиц. Представляет интерес оценить величину затрат энергии на дезагрегацию. Для этого необходимо определить поверхностное натяжение по формуле (79).
Из курса коллоидной химии известно [32], что скорость передвижения частицы или агрегата при электрофорезе оч составляет несколько микрон в секунду, величина дзэта-потенциала С, колеблется для различных систем в интервале нескольких десятков милливольт, а разность потенциалов и находится в диапазоне нескольких вольт. Учитывая всё это, условно примем, что для исследуемой системы ич = 1 10 б м/с, = 30-10 3 В, а С/= 1,5 В. Примем также, что дисперсионной средой является вода с динамическим коэффициентом вязкости р. = 1-10-3 Па-с.
Следовательно, после подстановки указанных величин в формулу (79), определим поверхностное натяжение: Поскольку в данном случае плотность самих агрегатов чаще всего неизвестна, то расчёт удобнее проводить, оперируя суммарным объёмом всех агрегатов. Поэтому, учитывая, что при величине радиального зазора между ротором и статором =0,1-10"3 м объём рабочей камеры РПА VPK = 11,947-Ю-6 м3 и, принимая концентрацию агрегатов С =30 % (об.), вычислим его: К = 0,3-11,947-Ю-6 =3,584-10- М3.
Теперь же, с использованием формулы (24) и вычисленных ранее значений, определим энергию, затрачиваемую непосредственно на процесс дезагрегации и соответствующее значение мощности:
дам= 10-50-10-9-3,584-10-6-(б-108-6-107)=323-10-6 Дж- В качестве времени пребывания агрегатов в рабочей камере РПА при п =37,5 1/с примем вычисленное ранее значение г = 41 10 3 с (раздел 4.1). С учётом этого, Nmu = -$- = 8 10 3 Вт.
Таким образом, сравнивая значение мощности, потребляемой на измельчение сибунита (14,838 Вт) и значение мощности, потребляемой на дезагрегацию (8-10" Вт), нетрудно заметить, что они различаются между собой на три порядка. Это даёт основание полагать, что теоретические выкладки, представленные в соответствующем разделе 3.1.5, являются достаточно правдоподобными и требуют дальнейшего экспериментального подтверждения для конкретных систем.
По результатам выполненных исследований (Приложение Б) была усовершенствована аппаратурно-технологическая схема фазы измельчения сибунита в производстве катализатора гидрирования в ОАО "ФНПЦ "Алтай".
Существующий в ОАО "ФНПЦ "Алтай" технологический процесс подготовки носителя для катализатора гидрирования предусматривает измельчение гранул сибунита так называемым "сухим" способом в молотковой мельнице. Однако такая технология подготовки носителя имеет ряд существенных недостатков. Так, образующаяся в результате измельчения угольная пыль может при определённых условиях стать причиной возгорания или взрыва. Кроме того, наличие пыли в воздухе рабочего помещения может провоцировать возникновение лёгочных заболеваний у обслуживающего персонала, поэтому, в соответствии с требованиями санитарных норм и правил [200], "сухое" измельчение должно быть заменено "мокрым".
Следует отметить тот важный в технологическом отношении факт, что при такой организации процесса измельчение сибунита может быть реализовано по непрерывнодействующей схеме, совмещающей процесс диспергирования исходного материала с гидроклассификацией обработанного продукта. При проведении данного процесса по существующей схеме технологический цикл занимал значительное время, что было связано с загрузкой и выгрузкой обрабатываемого материала и последующим межфазным транспортированием. Это вызывало также и частичные потери целевого продукта, загрязнение рабочего помещения и пылеобразование.
Согласно схеме, исходный сибунит подвергается измельчению в РПА в течение определённого времени (300-600 с) в замкнутом контуре установки К1, после чего установка переключается в режим гидроклассификации по контуру К2 путём перекрытия вентиля В1 и открытия вентиля В2. В результате, недоизмельчённый продукт возвращается в цикл обработки, а кондиционная фракция материала (50-160)-10"6 м выгружается через песковой патрубок гидроциклона 4.
Таким образом, предлагаемая технологическая схема позволяет на принципиально иной основе реализовать процесс измельчения сибунита, при этом в значительной мере повышается технологическая безопасность процесса и улучшаются санитарно-гигиенические показатели функционирования фазы измельчения материала, а прочность последнего значительно снижается (раздел 4.6) без ухудшения активности катализатора (раздел 4.7).
Как отмечалось ранее, физико-химические свойства дисперсионной среды могут в определённой степени изменять прочностные характеристики дисперсной твёрдой фазы, подвергаемой измельчению.
Известно, что частицы сибунита являются относительно прочными. Из представленных в [156] данных следует, что предел их прочности при сжатии больше в 3,5-8 раз, чем для активных углей и составляет 4-20 МПа. Однако, как известно, дисперсионная среда, в которой производится измельчение, может существенно понижать прочность [153,154], поэтому представляет интерес провести испытания гранул сибунита на прочность как в "сухом" виде, так и пропитанных жидкостью.
