Общая характеристика порошков

Обычно порошки рассматривают с точки зрения при­роды вещества дисперсной фазы и размеров частиц.

ПРИРОДА ВЕЩЕСТВА ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

Рассмотрим только те характеристики вещества, на которых основаны свойства порошков, влияющие на техно­логию их использования и переработки.

Когезия определяет связь между молекулами (атома­ми, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т. е. прочность конденсированных тел и их способность про­тиводействовать внешнему воздействию. Следовательно, энергетические затраты при диспергировании тем боль­ше, чем больше когезия. Кроме того, величина когезия определяет такую важную характеристику порошка, как его насыпная масса. Насыпная масса – масса порошка, который занимает единичный объем при свободном его заполнении, «свободной упаковке частиц». Чем больше когезионные силы, тем сильнее связь между частицами, тем хаотичнее они распределены по объему формы и тем больше объем свободной упаковки и соответственно мень­ше насыпная масса. Если когезия мала, то малы силы сцепления, порошок лучше уплотняется под действием силы тяжести и объем свободной упаковки частиц оказы­вается небольшим.

Адгезия – это явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Например, частички порошка взаимодействуют со стенками емкос­ти, в которой они находятся. Адгезия обусловливает при­липание и удержание частиц на поверхности. Чем боль­ше адгезия, тем сложнее бороться с прилипанием порош­ка к стенкам технологического оборудования.

Аутогезия – частный случай адгезии – сцепление одинаковых по составу и строению частиц. Адгезионное и аутогезионное взаимодействие направлены перпендику­лярно площади контакта. В результате адгезии частицы порошка прижимаются к поверхности, а под действием аутогезии – друг к другу.

Аутогезия определяется, главным образом, природой и силой межчастичного взаимодействия. Основной вклад в межчастичное взаимодействие вносят

• межмолекулярное притяжение;

• электростатическое отталкивание.

Электростатическое отталкивание связано с появле­нием заряда поверхности при перемещении частиц друг относительно друга и их соударениях. Роль электроста­тических взаимодействий особенно велика для полимер­ных частиц.

Установлено, что для сферических частиц число точек контактов не превышает 12. Чем больше точек соприкосно­вения частиц, тем больше поверхность контакта и меньше удельная поверхность. Под поверхностью контакта для порошков понимают поверхность двух соприкасающихся частиц, расположенную в зоне действия молекулярных сил (~ 0,1 нм). Для сферической частицы радиусом r поверхно­стью контакта считается поверхность ее сегмента с высотой h = 0,1 нм , а доля этой поверхности составляет

у =

где n_k – число контактов, d = 2r.

Из приведенной формулы следует, что поверхность контакта увеличивается с уменьшением размера частиц.

РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ПОРОШКА

(ДИСПЕРСНОСТЬ)

От размера частиц зависит удельная площадь меж­фазной поверхности S _уд. Напомним, что для сферической частицы диаметра d:

S _уд = см ¹,

а для частиц сложной формы

S _уд =

где – коэффициент, зависящий от формы частиц ( >6). Увеличение удельной межфазной поверхности приво­дит к следующему:

• интенсификации процессов, протекающих на поверх­ности порошка;

• усилению яркости окраски пигментов;

• повышению качества композиционных материалов;

• улучшению вкусовых качеств пищевых продуктов. Однако с уменьшением

размеров частиц порошка уси­ливаются и его негативные свойства:

• слеживаемость;

• прилипаемость к поверхностям оборудования и тары;

• уменьшение текучести (сыпучести).

Это затрудняет технологические процессы: смешение, дозировку, транспортировку и др.

Начиная с некоторого критического размера частиц (d_0,кр) сила связи между частицами F_св становится равной силе тяжести:

где п – число контактов, т –масса частицы; g – уско­рение свободного падения.

Дальнейшее уменьшение размеров частиц приводит к самопроизвольному образованию пространственных структур.

Для высокодисперсных порошков критический размер:

d_0,кр [ ]

где – эффективная плотность частицы в дисперсион­ной среде ( = _част – _{газ част}). При расчете реальных значений d_0,кр получается величина - 100 мкм. Для ув­лажненных порошков, в которых существенную роль иг­рают капиллярные силы, значение d_0,кр на порядок боль­ше. Итак, значение d_0,кр служит критерием агрегируемости порошка.

Высокодисперсные порошки с диаметром частиц d гораздо меньше d_0,кр являются связнодисперсными, в них возникает пространственная структура. Если d>> d_0,кр , то такие порошки являются свободнодисперсными.

СВОЙСТВА ПОРОШКОВ

Характерными свойствами порошков являются спо­собность к течению и распылению, флуидизация (пере­ход в состояние, подобное жидкому) и гранулирование.

СПОСОБНОСТЬ К ТЕЧЕНИЮ И РАСПЫЛЕНИЮ

Порошки, так же как сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия, направленного танген­циально (по касательной) к поверхности.

Способность к течению или движению порошка на по­верхности слоя наблюдается при пересыпании продуктов или при пневматическом транспортировании сыпучих про­дуктов. Такое движение лежит в основе переноса песка, почвы, снега ветром: песчаные и снежные бури, эрозия почв. В отличие от течения сплошных тел течение порош­ков заключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и в перемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы раздела между ними, Движение может осуществляться тремя способами:

• частицы перекатываются по поверхности;

• частицы отрываются и падают обратно, т. е. перено­сятся «прыжками»;

• частицы переносятся в состоянии аэрозоля.

В качестве примера рассмотрим движение песка, поме­щенного толстым слоем на дно аэродинамической трубы. При определенной скорости воздуха частицы, выступаю­щие из слоя песка, начинают перекатываться по поверхности. Однако, попав в небольшие углубления, они останав­ливаются. Если увеличить скорость воздуха, некоторое ко­личество частиц перекатится по поверхности и остановится и т. д. Движущиеся песчинки, сталкиваясь с более круп­ными, выступающими над поверхностью, подскакивают.

При некоторой скорости воздуха, называемой крити­ческой, большая часть частиц будет передвигаться прыж­ками. Из полидисперсного порошка выдувается более мелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и в таком виде перемещается над поверхностью порошка.

Опыты показали, что для порошка с частицами, имеющими радиус больше 50 мкм, критическая ско­рость «течения» по поверхности пропорциональна . Если r < 50 мкм, критическая скорость возрастает при переходе к более мелким частицам благодаря молеку­лярным силам, действующим между частицами.

Рассмотренный выше характер течения порошков обус­ловливает зависимость текучести порошков от адгезион­ных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и пере­движение частиц. Учитывая рассмотренную выше зави­симость интенсивности межчастичных взаимодействий от размеров частиц, можно сделать важный практический вывод: грубодисперсные порошки обладают более высо­кой текучестью, чем высокодисперсные.

Следует также иметь в виду, что для мягких веществ характерна пластическая деформация, в результате кото­рой увеличивается площадь контакта частиц, а значит, уменьшается текучесть.

Важной характеристикой порошка является его распыляемость при пересыпании. Она определяется силами сцепления между частицами, следовательно, увеличива­ется при возрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности.

Существует несколько эмпирических закономерностей:

• гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гид­рофильные;

• порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;

• монодисперсные порошки распыляются лучше поли­дисперсных.

ФЛУИДИЗАЦИЯ

(ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ)

Псевдоожижение – это превращение слоя порошка под влиянием восходящего газового потока в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном со­стоянии, напоминающую жидкость – псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью, псевдоожиженный слои часто называют кипящим слоем.

Простейшую псевдоожиженную систему создают в за­полненном слоем порошка вертикальном аппарате, через днище которого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ).

При его небольшой скорости W порошок неподвижен. С увеличением W высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критического значе­ния, при котором сила гидравлического сопротивления слоя восходящему потоку становится равной весу твер­дых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние.

Если порошок является высокодисперсным, сказыва­ется сила сцепления частиц и наблюдается не равномер­ное расширение порошка, а образование отдельных агре­гатов. Между ними возникают каналы, по которым про­ходит значительная часть газа. Это агрегативная флуидизация. Так как с увеличением размера частиц гид­родинамические силы возрастают, а молекулярные силы ослабевают, можно ожидать, что при некоторой средней степени дисперсности порошка условия для флуидизации будут оптимальными. И действительно, наиболее рав­номерная и полная флуидизация наблюдается для по­рошков, радиус которых близок к 20–25 мкм.

Линейная скорость ожижающего агента, при которой порошок переходит в псевдоожиженное состояние, назы­вается скоростью начала псевдоожижения или его первой критической скоростью W_K. Для мелких частиц (d 1 мм) W_K ~ d₂ для крупных (d 1 мм) W_K ~ • W_K уменьша­ется с увеличением плотности восходящего потока.

При дальнейшем возрастании W слой разрушается и начинается интенсивный вынос порошка из аппарата. Отвечающая данному состоянию слоя скорость потока называется скоростью уноса (свободного витания) частиц или второй критической скоростью псевдоожижения W_УH, превышающей W_K в десятки раз. Если скорость ожижающего агента больше скорости витания самых крупных частиц, слой полностью увлекается потоком. Если после достижения полной флуидизации порошка постепенно уменьшать скорость течения, то при полной остановке тока газа слой порошка останется в расширенном состоя­нии, для возвращения в первоначальное состояние его надо утрясти. Отсюда следует, что в расширенном слое контакт между частицами сохраняется.

Псевдоожижение газом – наиболее распространенный способ получения псевдоожиженных систем, хотя суще­ствуют и другие способы.

Псевдоожиженный слой применяется очень широко:

• псевдоожижение в проточных системах «газ–твердое тело» часто

применяют при нагревании и охлажде­нии, адсорбции, сушке и т. д.; при

этом создаются оптимальные условия взаимодействия фаз;

• многочисленные химические процессы;

• получение гранулированных продуктов.

ПНЕВМОТРАНСПОРТ

Это вид трубопроводного транспорта для перемеще­ния сыпучих материалов под действием газа. Пневмо­транспорт широко используется в химической, нефтехи­мической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности не только для перемещения материа­лов, но и как составная часть технологических процессов в системах «газ–твердое тело».

Преимущества пневмотранспорта:

• простота;

• высокая производительность и надежность;

• возможность полной автоматизации.

Наиболее распространенный транспортирующий агент – воздух, хотя по технологическим соображениям могут ис­пользоваться и другие газы.

Скорость перемещения материала зависит от:

• размеров частиц;

• плотности частиц;

• концентрации твердой фазы;

• плотности, вязкости и скорости газа.

Скорость транспортирования пылевидных материалов низкой концентрации может приближаться к скорости движения газа, при пневмотранспорте в плотном слое скорость не превышает 4–7 м/с.

ГРАНУЛИРОВАНИЕ

Гранулирование (грануляция) – формирование твер­дых частиц (гранул) определенных размеров и формы с заданными свойствами.

Размер гранул зависит от вида материала, способа его дальнейшей переработки и применения и составляет обыч­но (в мм):

• для минеральных удобрений — 1–4;

• для термопластов — 2–5;

•для реактопластов — 0,2–1,0;

• для каучуков и резиновых смесей — 15–25;

• для лекарственных препаратов (таблетки) — 3–25.

Формирование гранул размером меньше 1 мм иногда называют микрогранулированием.

По своей природе гранулирование является процес­сом, обратным флуидизации и распылению. Гранулиро­вание может быть основано на уплотнении порошкооб­разных материалов с использованием связующих или без них. Оно улучшает условия хранения веществ и транс­портировки; позволяет механизировать и автоматизиро­вать процессы последующего использования продуктов; повышает производительность и улучшает условия тру­да; снижает потери сырья и готовой продукции.

Важнейшими методами гранулирования являются су­хое гранулирование, мокрое окатывание и прессование.

Сухое гранулирование. При сухом гранулировании путем обкатывания в специальных вращающихся бара­банах в порошкообразную массу вводят «зародыши» – мелкие плотные комочки того же вещества, что и поро­шок, или инородные (зерна растений, кристаллы сахара и т. д.), важно только, чтобы они не были намного тя­желее, чем вещество порошка. При обкатывании поро­шок как бы налипает на зародыши, и при этом образу­ются сферические гранулы. Число гранул обычно равно числу зародышей, и это позволяет, меняя соотношение между количеством порошка и зародышей, получать гранулы любого размера вплоть до 1–2 см в поперечни­ке. Важно отметить, что с увеличением соотношения «порошок–зародыши» снижается прочность гранул.

Установлено, что гранулирование идет наиболее эф­фективно при средней скорости обкатывания. При очень больших скоростях центробежная сила прижимает весь порошок к стенкам барабана и порошок не обкатывает­ся. При очень малых скоростях не достигается враща­тельного движения порошка, при котором один слой, накатываясь на другой, обусловливает трение частиц, необходимое для гранулирования. Отдельные частицы порошка под действием молекулярных сил вступают во взаимодействие, образуя агрегаты. Причиной возникно­вения достаточно прочной связи между частицами мо­жет быть либо контакт частиц в особо активных участ­ках, либо соприкосновение частиц плоскими гранями, в результате чего межмолекулярные силы действуют на сравнительно большой площади.

Если порошок перемешивать или пересыпать с не слишком большой скоростью, ведущей к разрушению аг­регатов, в порошке постепенно будут накапливаться агре­гаты частиц. Вследствие меньшей кривизны поверхности этих агрегатов при столкновении их с отдельными части­цами последние прилипают к ним особенно прочно. Все это приводит к тому, что постепенно весь порошок пре­вращается в агрегаты–гранулы. Форма этих агрегатов дол­жна быть близкой к сферической, так как все выступы на поверхности этих гранул сглаживаются при перемешива­нии или пересыпании.

Положительную роль зародышей при гранулировании можно объяснить их большей массой и меньшей кривизной поверхности по сравнению с частицами порошка, что спо­собствует налипанию отдельных частиц на зародыши, это и приводит к гранулированию. С увеличением длительности обкатывания возрастает плотность и прочность гранул.

Сухое гранулирование имеет место также при неин­тенсивных механических воздействиях. Так, при просеи­вании муки через сита на их поверхности возникает (вслед­ствие толчков при перекатывании частичек и мягких уда­ров гранулы о гранулу) большое число контактов и образуются не очень прочные окатыши.

Мокрое окатывание. Первая стадия заключается в смачивании частиц порошка связующим, в качестве ко­торого используется вода, сульфит – спиртовая барда, смесь с водой извести, глины, шлаков и других вяжущих материалов. В результате образуются отдельные комоч­ки – агломераты частиц и происходит наслаивание мел­ких частиц на более крупные.

Вторая стадия состоит в уплотнении агломератов в слое материала. Этот процесс осуществляется в барабан­ных, тарельчатых или вибрационных грануляторах.

Прессование – получение гранул в форме брикетов, плиток, таблеток путем уплотнения сухих порошков, имею­щих влажность до 15%, иногда с последующим дроблением спрессованного материала. Для прессования используют валковые и вальцевые прессы или таблеточные машины.

Прессование происходит в формах под высоким дав­лением. Энергия расходуется на уплотнение заготовки в результате деформации частиц и их смещения в поры, а также на преодоление сил трения между частицами и о стенки формы. При повышении давления увеличивается плотность материала и площадь контакта между части­цами. Чем больше площадь контакта, тем прочнее связь между частицами. Для упрочнения заготовки в нее иног­да добавляют некоторое количество связующих.

СЛЕЖИВАНИЕ

Слеживание – процесс, обусловленный длительным нахождением сыпучих материалов в неподвижном состо­янии. В результате слеживания сыпучие материалы те­ряют способность течь и могут превратиться в монолит. Особый вред слеживание оказывает при хранении муки, сахара, крахмала, дрожжей и других пищевых масс.

Количественно слеживание можно характеризовать прочностью слежавшегося материала на разрыв. Она рав­на прочности индивидуальных контактов П_к, умножен­ной на их число N, в расчете на единицу поверхности сыпучих материалов:

П = П N.

При слеживании одновременно происходят два про­цесса. Первый из них связан с увеличением числа контактов N, вследствие постепенного проникновения мел­ких частиц в пространство между крупными частицами. Второй обусловлен увеличением прочности индивидуаль­ных контактов вследствие заполнения имеющихся пустот.

Оба процесса приводят к повышению прочности сы­пучей массы в целом и к потере ее подвижности вплоть до образования монолита.

Связнодисперсные порошки в той или иной мере под­вергаются слеживанию.

Растворимые в воде порошки (минеральные удобре­ния, сахарный песок) проявляют склонность к слежива­нию при увлажнении и последующем высушивании, так как при достижении пересыщения раствора выделяются кристаллы, которые образуют «мостики срастания» меж­ду частицами порошка.

Слеживаемость порошков при хранении в емкости может вызывать увеличение площади контакта между частицами в результате их пластической деформации под тяжестью вышележащих слоев.

Способы борьбы со слеживанием можно условно раз­делить на две большие группы: активные и пассивные.

Активные способы предотвращают слеживание. Они связаны с воздействием на сыпучую пищевую массу до начала слеживания.

Пассивные способы – это возвращение слежавшему­ся продукту исходной текучести или уменьшение отри­цательного влияния слеживания.

Предотвратить слеживание можно следующими пу­тями:

• регулированием физико –химических свойств продук­тов.

Гигроскопические порошки гидрофобизируют, модифицируя поверхность

частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев –вводя твердые

высокодисперсные, нерастворимые в воде добавки;

• введением водопоглощающих добавок (например, в сахар добавляют

измельченную мальтозу или глюко­зу, в поваренную соль, используемую в

технических целях, – до 2% порошка цеолита);

• укрупнением частиц порошка с образованием гранул и таблеток;

• герметизацией емкостей для хранения порошков.

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОШКОВ

Порошки неустойчивы по отношению к агрегации и седиментации. Это объясняется тем, что газообразная среда не может взаимодействовать с дисперсной фазой в такой степени, чтобы поверхностная энергия снижалась до необходимых значений. Малая плотность газов огра­ничивает возможности регулирования также седиментационной устойчивости.