Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПЕРЕМІШУВАННЯ отдозірованние КОМПОНЕНТІВ СУМІШІ

Для більшості технологій перемішування віддозованих матеріалів є головною операцією, яка зумовлює якість суміші (маси) і готової отформованной продукції. У змішувальних апаратах, особливо при виробництві безвипалювальних конгломератів, виникають, розвиваються, а іноді і майже повністю завершуються основні процеси структуроутворення в'язкої частини, зокрема, мікрошарів. Але можливо, що перемішування - всього лише звичайна різновид підготовчої роботи, наприклад, при виготовленні шихти з подальшим нагріванням її до розплаву при виробництві випалювальних виробів.

Найбільшого поширення набув спосіб перемішування з введенням в суміш механічної енергії від зовнішнього джерела, а серед типів змішувачів - роторні примусової дії. Механічне перемішування здійснюється в дві стадії: 1) попереднє змішання сухих компонентів; 2) змішання з рідиною, прийнятої як обов'язковий компонент виготовленої суміші (маси) безвипалювальних ІБК або як виникають з легкоплавких речовин при виготовленні випалювальних ІБК.

Нерідко перемішування віддозованих компонентів і добавок до них виробляється і без попереднього отримання сухої суміші, тобто в один етап. При перемішуванні сухих матеріалів (холодних, підігрітих або гарячих) відбувається мимовільне вирівнювання температур з переходом теплоти від тіл, що володіють більш високою температурою, до тіл з більш низькою температурою до повного вирівнювання їх температур і до максимального значення сумарної ентропії взаємодіючих тіл. При цьому відбувається руйнування початкових зв'язків між частинками із забезпеченням їх рухливості, рівномірний розподіл часток у спільній суміші із заповненням міжзернових пір дрібнішими фракціями заповнює матеріалу. Порошкоподібні матеріали заповнюють тонкі пори зернистої частини суміші, а деяка частка найбільш тонкодисперсних частинок порошку механічно затримується або осідає і фіксується на поверхні зерен крупного матеріалу.

При введенні в суміш рідкого компонента подальший процес механічного перемішування грунтується на закономірності обтікання твердих частинок дисперсної фази потоком дисперсійного середовища (рідини). Залежно від швидкості руху частинок фази в середовищі виникають ламінарні потоки або турбулентні завихрення. В останньому випадку відбувається відрив прикордонних шарів середовища від поверхні твердих частинок. При ламінарному режимі (критерій Рейнольдса Re> 30) перемішуються в основному тільки ті верстви, які безпосередньо примикають до лопат і беруть участь в обертанні разом з ними. При турбулентному режимі (критерій Рейнольдса Re H> 10 2 ) відбувається більш інтенсивне перемішування шарів рідини з відривом їх від лопатей мішалки. При високорозвиненою турбулентності (критерій Рейнольдса Re H> 10 5 ) часто витрати на додаткову потужність для збільшення частоти обертання валу мішалки не відповідають одержуваного ефекту перемішування, наприклад за величиною коефіцієнтів тепло- і массоотдачи.

Точніші і раціональні межі критеріїв Рейнольдса обумовлені конструкціями змішувальних апаратів, їх геометричними розмірами, але межа ефективності турбулентного режиму практично є у всіх апаратах. Зокрема, при турбулентності Re H> 10 5 можна досягти більшого ефекту перемішування і активізації при використанні в якості енергоносіїв газу, повітря, пара або пароповітряної суміші, електричного поля, гравітаційного фактора і ін. З цією метою використовують змішувачі роторні безперервної дії, струменеві з електронно -іон пристроєм або без нього та ін. В деяких змішувачах забезпечується не тільки швидке отримання однорідної суміші, а й її нагрівання, що при необхідності дозволяє скористатися гарячим формуванням виробів без спеціальної термообробки на наступних технологічних стадіях.

При перемішуванні в один етап рідку середу подають в змішувальний апарат одночасно з твердими компонентами суміші. Поверхня твердих частинок змочується, а температура суміші вирівнюється по всьому об'єму, так як компоненти були прийняті з неоднаковою температурою, крім того, і процес змочування - екзотермічний. Кількість виділеної теплоти змочування може бути виміряна мікрокалорімстрамі або іншими аналогічними приладами в лабораторних умовах. Воно характеризує ступінь інтенсивності взаємодії компонентів. Якщо, наприклад, в поверхневому шарі превалюють негативні гідроксильні іони, то смачиваемость водою повна, кількість виділеної теплоти велике, а поверхня частинок відноситься до гидрофильной.

Якщо превалюють позитивні іони важких [1] металів, то висока змочуваність забезпечується при контакті з маслом, і тоді поверхня твердих частинок ставиться до олеофільний. При повному змочуванні в інших рідинах частинки характеризуються як ліофільні , причому незалежно від різновиду рідкого середовища повне змочування вказує на здатність твердих частинок до розчинності в ній з утворенням істинних (молекулярних) розчинів, як гомогенних (однорідних) систем. Отже, ліофільность пов'язана з малим міжфазним натягненням, стійкістю поверхонь до взаємного злипання і розчинності.

Найбільш характерним процесом при перемішуванні компонентів є формування гетерогенної системи, яка відрізняється від гомогенної (однорідної) наявністю двох або більшої кількості фаз [1] [3] , що контактують між собою по поверхнях розділу.

Багато тверді речовини, як компоненти загальної суміші, мають поверхнею з різним поєднанням на ній позитивних і негативних іонів. Тому вони змочуються як водою, так і маслом, хоча їх змочуваність гірше, ніж гідрофільних або олеофільний.

Характер поверхні твердих тіл можна істотно змінити додаванням поверхнево-активних речовин, коли, наприклад, гідрофільна поверхня може стати гидрофобной (процес гідрофобізації) або гідрофобна поверхня - гидрофильной (процес гидрофилизации). Введені в рідку середу поверхнево-активні речовини широко використовують для підвищення змочуваності поверхні твердих тіл, що засноване на зниженні різниці полярностей між поверхнею частинок твердого тіла і рідиною. В змішувальному апараті виникає своєрідний процес вирівнювання складів поверхневого і внутрішнього шарів. Швидкість цього вирівнювання залежить від інтенсивності перемішування, конструкції змішувача і інших чинників. Коли механічне перемішування не застосовується або його було вимкнуто передчасно, то процес вирівнювання відбувається порівняно повільно за рахунок дифузії, різниці в щільності речовин або під впливом теплових конвекційних струмів.

Найважливішим законом гетерогенного рівноваги, відкритого Гиббсом, є правило фаз: Ф = (К-С) +2, де Ф - кількість фаз системи; С - число ступенів свободи, тобто найбільше число умов (температура, тиск, концентрація речовини), які можна змінювати, не порушуючи рівноваги системи; воно завжди більше або дорівнює нулю, тому Ф = К + 2, де К - кількість компонентів або хімічно індивідуальних частин системи.

Зі збільшенням інтенсивності примусового перемішування зменшується товщина дифузійного шару, в межах якого протікають процеси мимовільного вирівнювання концентрацій, прискорюється утворення гетерогенної системи в цілому. Ця швидкість зростає при безперервному оновленні поверхні контакту і при зростанні поверхні твердої або рідкої фази, наприклад, при перемішуванні за принципом протитечії, до того ж нерідко суміщають з додатковою диспергації твердого компонента (наприклад, при перемішуванні на бегунах, в дезинтеграторах і деяких інших апаратах) або "киплячому шарі" (принцип псевдокіпснія).

Гетерогенний процес часто супроводжується виникненням і накопиченням в суміші нової фази в результаті виділення розчиненої речовини з пересичені розчину (зародкові кристали), протікання хімічних, зокрема, топохимической, реакцій з утворенням відповідних з'єднань (новоутворень), формування бульбашок газу або пари і ін. Найбільше кількість новоутворень виникає під впливом вводяться в суміш каталізаторів. Для уповільнення реакцій користуються не позитивними каталізаторами, які прискорюють реакцію, а негативними (інгібіторами).

Серед гетерогенних процесів чимале значення в структурооб- РАЗОВАНІЕ конгломератів мають фізичне (сорбційне) поглинання (адсорбція і абсорбція) і хімічна - хемосорбция. З навколишнього середовища сорбируются (поглинаються) ті речовини, які здатні зменшити поверхневу енергію, що відповідає так званої адсорбції. Можливий і зворотний процес - збільшення енергії, наприклад величини поверхневого натягу, за рахунок часткової десорбції, що означає негативну адсорбцію. Підвищення температури і зниження тиску, а також зниження концентрації адсорбируемого речовини (адсорбата) сприяють десорбції інгредієнта, раніше фізично поглиненого адсорбентом.

'Структуроутворення за участю поверхнево-активних речовин (ПАР) відбувається з попередніми освітою на поверхні моно- і полімолекулярних шарів. Ці шари мають підвищену щільністю, а їх властивості різко відрізняються (іноді стають прямо протилежними) від властивостей речовини внутрішньої частини тіла. На поверхні адсорбенту виникає поле сорбційних сил - електростатичних і електрокінетичних, які беруть активну участь в структуроутворенні. Міцність фіксації адсорбційного шару обумовлена ​​величиною поверхневої енергії, природою адсорбенту, але не величиною його поверхні. Остання ж

зумовлює кількість речовини, адсорбируемого з розчину. Але поверхню може не повністю покриватися адсорбційним шаром. Ступінь насичення її адсорбатом при даній температурі Т залежить від концентрації адсорбируемого речовини в навколишньому середовищі. З підвищенням концентрації С (рис. 2.5) збільшується кількість Г адсорбируемого речовини. Залежність Г = Дс) називається ізотермою адсорбції і виражається аналітичної формулою Лангмюр

Ізотерма адсорбції Г (с) і поверхневого натягу а (с) при температурі T = const

Мал. 2.5. Ізотерма адсорбції Г (с) і поверхневого натягу а (с) при температурі T = const

де I "- кіль у адсорбованого речовини при граничному насиченні; 1 / а - постійна величина, що характеризує адсорбционную активність адсорбенту; має ту ж розмірність, що і 1 / С. Вона пропорційна початковій поверхневої активності go при С = 0. Чим більше ця величина , тим вище адсорбційна активність, крутіше підйом ізотерми адсорбції при даній температурі. Величина £ о = ~ <ЗВТ / бС, тобто речовина знижує поверхневий натяг. Тоді адсорбція позитивна (Г> 0) і такі речовини називаються поверхнево-активними. До них відносяться багато органічних речовин, розчинені у воді. у протилежному випадку адсорбція негативна: Г <0, а речовина в розчині є поверхност- но-інактивні, воно підвищує поверхневий натяг.

Адсорбційні шари різних речовин сприяють стійкості (стабілізації) системи тим більше, чим ближче адсорбція знаходиться до свого граничного насичення (Г "),

Емпіричне рівняння адсорбції з розчинів було отримано Фрейндліхом: а = кт / с, де а - кількість адсорбованого речовини; С - концентрація речовини в розчині; до і п - емпіричні параметри, постійні для даних адсорбенту і розчиненої речовини при даній температурі. У разі адсорбції газу замість концентрації С в формулу вноситься тиск газу Р, а постійна до - максимальна кількість газу, яке здатне адсорбуватися даними кількістю адсорбенту.

Зі збільшенням молекулярної маси адсорбенту зростає його здатність до фізичної адсорбції. З розчинів краще адсорбуються речовини з меншою розчинністю в даному середовищі. Як правило, величину адсорбції висловлюють в мікромолі на квадратний метр, а у пористих тіл - в мікромолі на одиницю маси (кілограм). Процесу адсорбції сприяє зниження температури. Однак адсорбція може бути значною при високій температурі і посилюється з подальшим її підвищенням. В цьому випадку адсорбція називається активованої ; вона пов'язана з протіканням хімічних реакцій (хемосорбцией), зростанням концентрації реагуючих молекул.

Адсорбція з складних молекулярних розчинів залежить від швидкості дифузії або від часу надходження до поверхні адсорбенту вільних молекул поверхнево-активної речовини під впливом дифузії. Але швидкість дифузії тим менше, чим більше розміри диффундирующих частинок, тому спочатку може статися відтискування з поверхні адсорбенту молекул розчинника менш активною речовиною і тільки на пізній стадії внутрішніх процесів в системі відбудеться вторинне відтискування слабо орієнтованих молекул сильнішим поверхнево-активною речовиною.

Молекулярна дифузія описується першим законом Фіка: кількість речовини dM, продіффундіровавшего за час dx через поверхню F (нормальну до напряму дифузії), пропорційно градієнту концентрації dCIdh цієї речовини:

де D - коефіцієнт дифузії, що показує кількість речовини, діффундіруемие в одиницю часу (1 с) через одиницю поверхні (1 см 2 ) при градієнті концентрації, що дорівнює 1.

Швидкість дифузії зростає з підвищенням температури (приблизно на 1-3% на 1 ° С), особливо, якщо при цьому ще знижується в'язкість середовища ц і зменшується розмір г частинок, так як встановлено, що D-RTIN l6nr, де N - універсальна постійна (число Авогадро), що дорівнює 6,02 • 10 23 .

Поряд з поглинанням нейтральних молекул і, отже, оборотної молекулярної адсорбції може відбуватися іонна адсорбція, яка супроводжується зазвичай явищем обміну іонами між адсорбентом і розчиненим речовиною. По суті, виникає хімічна (обмінна) реакція з утворенням в поверхневому шарі нового з'єднання, а поверхня частинок твердого тіла покривається шаром продукту реакції. На поверхні твердого тіла майже завжди один з іонів адсорбується переважно, т.с. вибірково.

Вибірково адсорбуються іони, які мають загальну атомну угруповання з даною поверхнею твердої речовини, але протилежний знак заряду. Утворюється в результаті такої хемосорбції на поверхні нове з'єднання має знижену розчинність або повну нерозчинність в контактіруемие середовищі. Це означає, що повна адсорбція в більшості випадків необоротна, розбавлення розчину не викликає десорбції. Разом з тим вона надає поверхні інші природу і властивості, тоді як склад і властивості внутрішніх шарів твердої фази не змінюються.

Освіта адсорбційних шарів навколо частинок дисперсної фази має безпосереднє відношення до стійкості гетерогенної, а точніше - мікрогстерогенной системи. Адсорбційні шари (плівки) не тільки знижують (як зазначалося вище) поверхневий натяг на межі розділу фаз, але і володіють значною міцністю на розрив. Іноді звані сольватного оболонками вони мають підвищену пружність, що сприяє запобіганню дисперсних частинок від взаімосліпанія або зчеплення.

У підвищенні агрегативной стійкості дисперсної системи значимі також електричні заряди, які перерозподіляються на поверхні розділу фаз з утворенням подвійного електричного шару. Між фазами встановлюється певна різниця потенціалів, яка може змінюватися під впливом виборчої адсорбції іонів з розчину. В межах товщини подвійного шару відбувається поступове убування концентрації надлишкових іонів у напрямку від щільного шару біля поверхні твердого тіла (часток дисперсної фази) до рівноважної концентрації у вільній частині середовища. Таке спадання щільності або концентрації електричного потенціалу, а також аналогічне спадання адсорбційних сил при молекулярної адсорбції поверхнево-активної речовини характеризує дифузне будова. В межах дифузного шару багато властивостей (наприклад, міцності, в'язкість і ін.) Можуть змінюватися в значних розмірах (рис. 2.6). В змішувальному апараті при перемішуванні суміші можливі і рідше зустрічаються процеси і явища.

Дифузний слон в прикордонній зоні А-Б

Мал. 2.6. Дифузний слон в прикордонній зоні А-Б: а - подвійний електричний шар; про - адсорбційно-сольватний шар; в - іонно-адсорбційний шар; г - зміна механічної міцності (в'язкості, граничного напруження зсуву і ін.) в дифузійному шарі; 1 - умовна товщина дифузійного шару; 2 - логарифм в'язкості (міцності) об'ємної (вільної) середовища; 3 - логарифм в'язкості, міцності і Т.Л. в пристінному (щільному) шарі; 4 - крива зміни в'язкості в межах дифузійного шару середовища

Так, може виникнути мимовільне ущільнення гелеобразной частини в'язкої речовини з поглинанням сінерезіруемой [4] середовища пористим і ліофільним заповнювачем. Можливі явища кантамінаціі, які полягають в забрудненні суміші випадково або навмисно залишеними сторонніми домішками в початкових підготовлених матеріалах-компонентах, наприклад, присутність глинистих, органічних або інших домішок в будівельному піску при виготовленні бетону. Можливі також явища тиксотропії (відновлення зруйнованої структури), якщо в ході перемішування виникає вимушена зупинка змішувача апарату з подальшим відновленням перерваного перемішування. Ці та інші подібні малопрсдвіденние явища впливають на структуроутворення і особливо формування структури мікрослосв навколо частинок і зерен заповнює матеріалу, структури в'язкої речовини, розподіляється в міжзернових порах і пустотах.

Під впливом складного комплексу фізико-хімічних процесів і хімічних реакцій, що протікають при перемішуванні в змішувальних апаратах, підготовлені і отдозірованние сировинні матеріали - компоненти втрачають (оборотно або необоротно) свої індивідуальні властивості, особливо в поверхневих шарах, т. Е. По межах контактування компонентів і новоутворень. До моменту виходу з змішувального апарату процеси мікроструктуро- освіти в одних системах в основному завершуються, в інших - ці процеси в змішувачах тільки починаються, але не доходять до лавинного розвитку, а тому з більшою або меншою інтенсивністю тривають на наступних стадіях технологічного циклу. Про ефективність перемішування нерідко судять по якісних змін головних (ключових) вихідних компонентів, або за кількісним виходу продуктів новоутворень, по міцності ІБК, сформованого з суміші. Втім, збільшення міцності нерідко пов'язане з ефектом механо-хімічної активації під впливом додаткового подрібнення частинок при їх взаємному зіткненні або ударах про лопаті і стінки змішувача апарату.

Критерієм оцінки якості суміші служить її однорідність, обумовлена ​​статистичними методами - по дисперсії, середньоквадратичного відхилення, різним коефіцієнтам. Зазвичай обчислення проводять за меншим компоненту, званому ключовим. Так, за А.М. Ластовцеву, коефіцієнт неоднорідності визначають за формулою

де Сі - значення концентрації ключового компонента в пробах; Со - значення концентрації ключового компонента при ідеальному перемішуванні; л, - кількість проб з концентрацією С ,; N - загальна кількість проб; і - кількість груп проб.

Нерідко процес перемішування описують критеріальним рівнянням: т n = CRe * Fr *, де Re u , Fr a - відцентрові критерії Рейнольдса і Фруда; т - час перемішування, хв; п - кутова швидкість обертання робочого органу мішалки, об / хв; З '- коефіцієнт пропорційності; А, В - показники статечної функції. В області розвиненого турбулентного руху суміші в апараті це рівняння переходить в більш зручне: т п = const.

Приготована суміш (маса) володіє певними якісними характеристиками, що оцінюються за показниками властивостей. Останні висловлюють здатність речовини реагувати на зовнішні та внутрішні фактори (механічні, теплові, гравітаційні і ін.). Головною властивістю приготовленої суміші (маси) є її здатність до технологічній обробці - розподілу шару заданої товщини, ущільнення, формуванню з ущільненням. Таку здатність суміші називають удобообраба- тиваемостью, удобоформуемостью, рухливістю і відносять до групи структурно-механічних або реологічних [5] властивостей. У грубозернистих сумішей вони вимірюються за допомогою умовних методів і приладів, а у тонкодисперсних - інваріантними з випробуванням на чистий однорідний зрушення (в віскозиметрах і подібних до них приладах). Якщо суміш має нездоланну (ньютонівської) в'язкість, ТО її протягом відповідає рівняння / > = Г | (Ді / Дх), де Р - напруга; Д і - різниця швидкостей течії в двох паралельних шарах; Ах - відстань між шарами; Аі / Ах - градієнт швидкості течії, сг 1 ; ц - динамічна в'язкість (Па с), що є в рівнянні коефіцієнтом пропорційності. Видно, що в ньютоновском (в'язкому) протягом вже при найменших напружених виникає деформація зі швидкістю, прямо пропорційною величиною напруги або доданої до тіла силі. Однак суміші з ньютонівської в'язкістю в практиці будівельних матеріалів зустрічаються рідко.

Більш часто готують і використовують суміші, що не володіють справжньою в'язкістю і деформуємість зі швидкістю, пропорційної напрузі (або додається зусиллю). Вони пластичні, менш рухливі і є структурованими. Перебіг структурованої суміші починається тільки тоді, коли під дією деякої напруги Р, з, званого межею плинності, структура поступово починає руйнуватися. Таке пластичне протягом задовольняє рівняння Р = Л + ііпл (Ан / Ах), де г | пл - бінгамовская (по імені Бінго, який вивчав її) в'язкість суміші. При зростанні напруги Р (або градієнта швидкості) процес руйнування структури наростає (рис. 2.7), а при досягненні напруги Рт структура повністю руйнується. Разом з тим припиняється і безперервне зниження бінгамовской в'язкості. При подальшому збільшенні напруги в'язкість rj практично залишається постійною, а структура - повністю зруйнованою. Однак характер руху може змінитися з ламінарного (ділянка А - В) на турбулентний (ділянка вище В). На кривій течії (реологічні кривої) в'язкість знижується від напруги, рівного P Kl як умовного статичного межі текучості до точки А , відповідної початку повністю зруйнованої структури з найменшою в'язкістю rjm. На цій кривій відзначаються ще точка Рк г - динамічний межа плинності і раніше отмечавшаяся точка Рк - межа плинності, або максимальне напруження зсуву. Значення цих реологічних характеристик полягає в тому, що можливо передбачити допустимі напруги без порушення суцільності виробів при формуванні їх з суміші (маси).

  • [1] Метали по щільності умовно поділяють на легкі (щільність їх менше 5) і важкі (з істинною густиною більше 5).
  • [2] Метали по щільності умовно поділяють на легкі (щільність їх менше 5) і важкі (з істинною густиною більше 5).
  • [3] Фазою називається частина системи, відмежована від інших поверхнею розділу; вона має однаковий склад і властивості, тобто відноситься до однорідної (гомогенної) системі.
  • [4] Синерезис - мимовільне стиск, супроводжуване відділенням рідкого середовища (ексудату).
  • [5] Реологія - наука про перебіг, розвивається в матеріалі в часі.
 
<<   ЗМІСТ   >>