О процессе измельчения твёрдых тел. Что означает "диспергирование"?

О сайте Главная Разработки Гипотезы

Статьи об измельчении

О процессе измельчения твёрдых тел

1. Общие сведения

Под измельчением твёрдых материалов (ТМ) понимают направленное уменьшение их размеров путём механического (реже – какого-либо иного) воздействия на ТМ. [1].

Что означает "диспергирование"?

При диспергировании пигментов и наполнителей в связующем первичные частицы как правило не измельчаются. Эта обработка служит в основном для разъединения пигментных агломератов на первичные частицы и для смачивания частиц.

Общее назначение процессов измельчения:

увеличение поверхности контакта измельчаемого ТМ для осуществления ряда химических, физических, физико-химических процессов, если именно поверхность межфазного контакта определяет интенсивность процесса в целом (многие каталитические и некаталитические гетерогенные процессы и т.д.);
применение ТМ в последующих конкретных технологических процессах, если их возможно осуществить с ТМ только в тонкоизмельчённом состоянии (составление композиций и др.);
выделение ("вскрытие") целевого компонента, изначально существующего в твёрдой породе в смеси с ней (например, процессы выщелачивания в горнометаллургии или полимерных технологиях).

Классификация размольных машин [1]:

Процессы измельчения формально и условно классифицируют по размерам (начальному dн и конечному dк) зёрен, кусков, частиц ТМ, иногда дополнительно и по степени измельчения – линейной или объёмной:

Класс измельчения		dн, мм	dк, мм
Дробление	крупное	1000	250
	среднее	250	20
	мелкое	20	1 – 5
Помол	грубый	1– 5	0.1– 0.04
	средний	0.1– 0.04	0.005– 0.015
	мелкий	0.1– 0.04	0.001– 0.005
	коллоидный	< 0.1	< 0.001

Более обоснованной является классификация по способам измельчения. Основные из этих способов представлены на рисунке.

а – Раздавливание,
б – изгиб, иначе – разламывание,
в – раскалывание,
г – удар,
д – истирание.

В размольных машинах разрушение ТМ, как правило, происходит одновременно несколькими способами, так что следует говорить о комбинированном воздействии на ТМ, может быть – с преобладанием какого-либо одного или двух-трёх способов. При этом выбор способа (соответственно – типа размольной машины) определяется свойствами ТМ и отчасти исходным и конечным размерами кусков. Так, для твёрдых и хрупких применяют раздавливание в сочетании с раскалыванием и (или) изгибом, а для мягких и вязких ТМ предпочитают истирание в сочетании с раздавливанием и (или) ударом либо изгибом.
______________________
Примечание: Способы изгиб и раскалывание можно реализовать только по отношению к очень крупным кускам индивидуально. (Авторы сайта).

Сравнивая две приведённые выше классификации, отметим нечётко выраженную тенденцию: чаще всего для крупного и среднего измельчения применяют машины, использующие преимущественно раздавливание, раскалывание, изгиб и удар, а для мелкого измельчения и помола – истирание и удар.

Физические основы измельчения

О затратах энергии на измельчение

Затраты энергии на измельчение (разрушение) ТМ зависят от производительности размольной машины, а также от следующих характеристик:

физико-механические свойства твёрдого материала (предел прочности материала δр, его модуль упругости Е);
геометрические параметры разрушаемого куска ТМ (его объём или линейный размер);
степень измельчения;
выбранный способ измельчения – этот фактор чаще всего является определяющим.

Строго говоря, каждому способу измельчения должны отвечать своя физическая модель разрушения куска (своя "теория прочности") и соответствующее ей математическое описание.
В настоящее время в оценке затрат энергии при разрушении ТМ господствуют две гипотезы.
При измельчении способами раздавливания, раскалывания, удара затраты энергии L на разрушение куска до конечного размера dk при степени измельчения Zи качественно следуют гипотезе Кирпичёва, согласно которой:

При измельчении способами истирания (и некоторыми иными) затраты энергии L на разрушение куска начального размера dн при степени измельчения Zи согласно гипотезе Риттингера пропорциональны вновь образованной поверхности:

причём эмпирический коэффициент Кр (в Дж/м²) оценить теоретически пока не удаётся. Он подлежит экспериментальному определению для каждых ТМ и размольной машины, что, конечно, снижает инженерную ценность этой гипотезы для технолога.
Оценивая упомянутые гипотезы (и ряд других более частных моделей), при их практическом использовании необходимо учитывать следующие обстоятельства:

прочностные характеристики конкретного ТМ, подлежащего измельчению (минерала, породы и т.п.), бывают различными для разных месторождений и размеров куска: сказываются структурные дефекты в ТМ (плохо воспроизводимые по величине и распределению в куске), влияющие на прочность материала и затраты энергии на его разрушение;
даже в случае абсолютной строгости модели разрушения ТМ и её математического описания для каждого способа измельчения в силу комбинированного воздействия рабочего органа размольной машины на ТМ невозможно количественно оценить вклад различных способов измельчения, присущих конкретной размольной машине; отсюда – невозможность точного расчёта затрат энергии на измельчение в реальной размольной установке;
но и в случае успешного разрешения указанных выше проблем возникают расчётные затруднения, связанные с необходимостью оценки затрат энергии на перемещение массивных рабочих органов на холостом ходу размольной машины (т.е. в отсутствие измельчаемого материала); эти затраты обычно вполне соизмеримы с затратами на собственно измельчение, а для некоторых размольных машин и превосходят их. Заметим: чаще всего затраты энергии холостого хода размольных машин пока что не поддаются теоретическому анализу.

В настоящее время используются два основных конкурирующих пути преодоления сформулированных выше расчётных осложнений.
Первый опирается на теоретические формулы типа (а) и (б), правильно отражающие доминирующий способ разрушения ТМ. Но в затраты энергии вносят свой вклад и другие способы измельчения, а также перемещения рабочих органов* самой размольной машины. Поэтому в теоретические формулы вносят корректирующие эмпирические поправки, призванные отразить реальные затраты энергии. Авторы таких формул с эмпирическими поправками фактически предлагают следующий подход: теоретические фрагменты формул учитывают влияние основных факторов (в этом достоинство расчётной формулы), а согласие с реальными затратами энергии достигается за счёт эмпирических поправочных коэффициентов незнания (явный недостаток формул, так как теоретические фрагменты не всегда базируются на основных эффектах реального процесса разрушения ТМ).
______________________
* Примечание: Перемещение рабочих органов на холостом ходу (без продукта) в мельницах молотковых, бисерных (где нет прямого соприкосновения рабочих органов со стенками) не требует затрат энергии, кроме пускового момента, который бывает значительным у бисерных мельниц, т. к. без продукта их включать не рекомендуется. Роторно инерционные мельницы (РИМ) работают в тонком слое, т. е. не заполняются в объёме, независимо от способа подачи жидкого продукта - сверху или снизу. Измельчаемый продукт выполняет роль смазки. (Авторы сайта).

Второй путь базируется на обследованиях лабораторных и промышленных размольных машин; в результате формируются расчётные соотношения сугубо эмпирического характера. Достоинство такого расчётного метода – надёжность в тех рабочих диапазонах, в которых были проведены эксперименты и обследования реально функционирующих размольных машин. Недостаток – отсутствие (в лучшем случае – ослабление) связи затрат энергии со свойствами измельчаемого материала.
В силу указанных причин предлагаемые в литературе формулы для расчёта энергетических затрат в размольных машинах зачастую не обладают приемлемой надёжностью. Поэтому в настоящем учебнике они не приводятся. [конец 1]

*** *** ***
Измельчение широко применяется в химической технике, так как использование измельчённых твёрдых тел позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, обжиг и другие процессы, протекающие тем быстрее, чем больше поверхность участвующих в них твёрдых тел.
Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения – отношением среднего размера куска материала до измельчения к среднему размеру куска после измельчения.
Оптимальные условия работы каждой из измельчающих машин в зависимости от её устройства обеспечиваются при определённой степени измельчения, которая колеблется от 3 – 6 для машин крупного измельчения до 100 и более для машин мелкого и тонкого измельчения.
Для получения высоких степеней измельчения прибегают к проведению процесса измельчения в несколько стадий на последовательно включенных машинах.
В зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков и частиц материала условно различают следующие виды измельчения [4]:

Вид измельчения	dн, мм	dк, мм
крупное	1500 – 150	250 – 25
среднее	150 – 25	25 – 5
мелкое	25 – 5	5 – 1
тонкое	5 – 1	1 – 0.075
коллоидное	0.2 – 0.1	до 1*10^{– 4}

Крупное и среднее измельчение проводится, как правило, сухим способом, а мелкое и тонкое – как сухим, так и мокрым способами (в жидкости, обычно в воде, лучше с добавками ПАВ). При мокром измельчении частицы получаемого продукта имеют более равномерную величину; кроме того, уменьшается пылеобразование и облегчается выгрузка готового продукта.

По данным [2] различают следующие виды дробления и измельчения:

Вид измельчения		dн, мм	dк, мм
Дробление	крупное	5	100
	среднее	2	50
	мелкое	3	20
Измельчение	грубое	более 20 – 30 мкм
	тонкое	менее 20 – 30 мкм
	сверхтонкое	90 – 95% менее 5 – 10 мкм

Требования, предъявляемые к продуктам измельчения.

Для обеспечения требований, предъявляемых к красочным суспензиям, величина наиболее крупных частиц пигментов и наполнителей, применяемых для их получения, не должна превышать 10 – 15 мкм [2]. С уменьшением размера частиц до известного предела повышается кроющая способность и интенсивность пигментов [3]. Вместе с тем уменьшение размера частиц пигментов и наполнителей повышает их маслоёмкость и реакционноспособность, что может привести к понижению атмосферостойкости красочной плёнки. Оптимальные размеры частиц для большинства пигментов и наполнителей находятся в пределах 0.2 – 1 мкм.

ЛИТЕРАТУРА

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Кн. 2. Под ред В. Г. Айнштейна. М.: Химия, 2000.
Н. А. Козулин, И. А. Горловский. Оборудование заводов лакокрасочной промышленности. Изд-во "Химия", Ленинградское отд., 1968.
Е. Ф. Беленький, И. В. Рискин. Химия и технология пигментов, Госхимиздат, 1960.
А. Н. Плановский, П. И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд-во "Химия", М., 1972.

Контакты

Дата публикации: 15 января 2004 года

В начало

•

О сайте Главная Разработки Гипотезы