Основы перемешивание

Для большинства  технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качество смеси (массы) и готовой отформованной продукции. В смесительных аппаратах, особенно при производстве безобжиговых конгломератов, возникают, развиваются, а иногда и почти полностью завершаются основные процессы структурообразования вяжущей части, в частности микрослоев. Но возможно, что перемешивание - это всего лишь обычная разновидность подготовительной работы, например при изготовлении шихты с последующим нагреванием ее до расплава при производстве обжиговых изделий. Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей - роторные принудительного действия. Механическое перемешивание осуществляется в две стадии: 1) предварительное смешение сухих компонентов; 2) смешение с жидкостью, принятой как обязательный компонент изготовляемой смеси (массы) безобжиговых ИСК или как возникающей из легкоплавких веществ при изготовлении обжиговых ИСК. При введении в смесь жидкого компонента дальнейший процесс механического перемешивания основывается на закономерности обтекания твердых дисперсных частиц потоком жидкости. В зависимости от скорости движения частиц фазы в среде возникают ламинарные потоки или турбулентные завихрения. В последнем случае происходит отрыв пограничных слоев среды от поверхности твердых частиц. При ламинарном режиме (критерий Рейнольдса Re > 30) перемешиваются в основном только те слои, которые непосредственно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе с ними. При турбулентном режиме (критерий Рейнольдса Re > 102) происходит более интенсивное перемешивание слоев жидкости с отрывом их от лопастей мешалки. При высокоразвитой турбулентности (критерий Рейнольдса Re > 105) часто затраты на дополнительную мощность для увеличения частоты вращения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту перемешивания, например по значениям коэффициентов тепло- и массоотдачи. При перемешивании в один этап жидкую среду подают в смесительный аппарат одновременно с твердыми компонентами смеси. Поверхность твердых частиц смачивается, а температура смеси выравнивается по всему объему, так как компоненты были приняты с неодинаковой температурой и, кроме того, процесс смачивания - экзотермический. Количество выделяемой теплоты смачивания может быть измерено микрокалориметрами или другими аналогичными приборами в лабораторных условиях. Оно характеризует степень интенсивности взаимодействия компонентов. Если, например, в поверхностном слое преобладают отрицательные гидроксильные ионы, то смачиваемость водой полная, количество выделяемой теплоты большое, а поверхность частиц относится к гидрофильной. Если превалируют положительные ионы тяжелых металлов, то высокая смачиваемость обеспечивается при контакте с маслом, и тогда поверхность твердых частиц относится к олеофильной. При полном смачивании в других жидкостях частицы характеризуются как лиофильные, причем независимо от разновидности жидкой среды полное смачивание указывает на способность твердых частиц к растворимости в ней с образованием истинных (молекулярных) растворов как гомогенных (однородных) систем. Следовательно, лиофильность связана с малым межфазным натяжением, устойчивостью поверхностей к взаимному слипанию и растворимости. Более характерным процессом при перемешивании компонентов является формирование гетерогенной (неоднородной) системы, которая отличается от гомогенной (однородной) наличием двух или большего количества фаз, контактирующих между собой по поверхностям раздела. Характер поверхности твердых тел можно существенно изменить добавлением поверхностно-активных веществ, когда, например, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной (процесс гидрофобизации) или гидрофобная поверхность - гидрофильной (процесс гидрофилизации). Вводимые в жидкую среду поверхностно-активные вещества широко используют для повышения смачиваемости поверхности твердых тел, что основано на снижении разности полярностей между поверхностью частиц твердого тела и жидкостью.Важнейшим законом гетерогенного равновесия, открытого Дж.У. Гиббсом, является правило фаз: 

Ф = (К - С) + 2, 

Ф - число фаз системы; К - число компонентов или химически  индивидуальных частей системы; С - число  степеней свободы, т.е. наибольшее число  условий (температура, давление, концентрация вещества), которые можно изменять, не нарушая равновесия системы.

Число степеней свободы  всегда больше или равно нулю.

С увеличением интенсивности  принудительного перемешивания  уменьшается толщина диффузионного  слоя, в пределах которого протекают  процессы самопроизвольного выравнивания концентраций, ускоряется образование  гетерогенной системы в целом. Эта  скорость возрастает при непрерывном  обновлении поверхности контакта и  при возрастании поверхности  твердой или жидкой фазы, например, при перемешивании по принципу противотока, к тому же нередко совмещаемого с  дополнительной диспергацией (измельчением) твердого компонента (например, при перемешивании на бегунах, в дезинтеграторах и некоторых других аппаратах) или "кипящем слое" (принцип псевдокипения).Гетерогенный процесс часто сопровождается возникновением и накапливанием в смеси новой фазы в результате выделения растворенного вещества из пересыщенного раствора (зародышевые кристаллики), протекания химических реакций, в частности в твердой фазе (топохимических), с образованием соответствующих соединений (новообразований), формирования пузырьков газа или пара и др. Наибольшее количество новообразований возникает под влиянием вводимых в смесь катализаторов. Для замедления реакций пользуются не положительными катализаторами, ускоряющими реакцию, а отрицательными - ингибиторами.Среди гетерогенных процессов немалое значение в структурообразовании конгломератов имеют физическое (сорбционное) поглощение (адсорбция и абсорбция) и химическое - хемосорбция. Из окружающей среды сорбируются (поглощаются) те вещества, которые способны уменьшить поверхностную энергию, что соответствует так называемой адсорбции. Возможен и обратный процесс - увеличение энергии, например величины поверхностного натяжения, за счет частичной десорбции, что означает отрицательную адсорбцию. Повышение температуры и понижение давления, а также снижение концентрации адсорбируемого вещества (адсорбата) способствуют десорбции (выделению) ингредиента, ранее физически поглощенного адсорбентом.Структурообразование с участием поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит с предварительным образованием на поверхности моно- и полимолекулярных слоев. Прочность фиксации адсорбционного слоя обусловлена величиной поверхностной энергии, природой адсорбента, но не величиной его поверхности. Последняя же предопределяет количество вещества, адсорбируемого из раствора. Но поверхность может не полностью покрываться адсорбционным слоем. Степень насыщения ее адсорбатом при данной температуре зависит от концентрации адсорбируемого вещества в окружающей среде.Если величина g0 = -ddc, то вещество понижает поверхностное натяжение. Тогда адсорбция положительна (Г > 0) и такие вещества называются поверхностно-активными. К ним относятся многие органические вещества, растворенные в воде. В противоположном случае (Г < 0) адсорбция отрицательна: при Г < 0 вещество в растворе является поверхностно-инактивным, оно повышает поверхностное натяжение. Адсорбционные слои различных веществ способствуют устойчивости (стабилизации) системы тем больше, чем ближе адсорбция находится к своему предельному насыщению.

Эмпирическое уравнение  адсорбции из растворов было получено Г. Фрейндлихом.

С увеличением молекулярной массы адсорбента возрастает его  способность к физической адсорбции. Из растворов лучше адсорбируются  вещества с меньшей растворимостью в данной среде. Как правило, величину адсорбции выражают в микромолях на квадратный метр, а у пористых тел - в микромолях на единицу массы (килограмм).

Процессу адсорбции  благоприятствует понижение температуры. Однако адсорбция может быть значительной при высокой температуре и  усиливаться с дальнейшим ее повышением. В этом случае адсорбция называется активированной, она связана с  протеканием химических реакций (хемосорбцией), возрастанием концентрации реагирующих  молекул.

Об эффективности  перемешивания нередко судят  по качественным изменениям главных (ключевых) исходных компонентов или по количественному  выходу продуктов новообразований, по прочности ИСК, сформованного  из смеси. Впрочем, увеличение прочности  нередко связано с эффектом механохимической активации под влиянием дополнительного  измельчения частиц при их взаимном столкновении или ударах о лопасти  и стенки смесительного аппарата.

Критерием оценки качества смеси служит ее однородность, определяемая статистическими методами, по дисперсии, среднеквадратичному отклонению, различным  коэффициентам. Обычно вычисления проводят по меньшему компоненту, называемому  ключевым.

Главным свойством  приготовленной смеси (массы) является ее способность к технологической  обработке - распределению слоя заданной толщины, уплотнению, формованию с уплотнением.

Такую способность  смеси называют удобообрабатываемостью, удобоформуемостью, подвижностью и относят к группе структурно-механических или реологических свойств. У грубозернистых смесей они измеряются с помощью условных методов и приборов, а у тонкодисперсных - инвариантными методами с испытанием на чистый однородный сдвиг (в вискозиметрах и подобных им приборах).

Видно, что в ньютоновском (вязком) течении уже при самых малых напряжениях возникает информация со скоростью, прямо пропорциональной величине напряжения или приложенной к телу силе. Однако смеси с ньютоновской вязкостью в практике строительных материалов встречаются редко.

Более часто приготовляют и используют смеси, не обладающие истинной вязкостью и деформируемостью со скоростью, пропорциональной напряжению (или приложенному усилию). Они пластичны, менее подвижны и являются структурированными. Течение структурированной смеси начинается только тогда, когда под действием некоторого напряжения Рк называемого пределом текучести, структура постепенно начинает разрушаться.

При возрастании  напряжения Р, или градиента скорости процесс разрушения структуры нарастает (участок А -В), а при достижении напряжения Рm = цт(Аи/Ах) структура полностью разрушается. Вместе с тем прекращается и непрерывное снижение бингамовской вязкости. При дальнейшем увеличении напряжения вязкость ц практически остается постоянной, а структура полностью разрушенной. Однако характер движения может измениться с ламинарного (участок В- С) на турбулентное. На кривой течения (реологической кривой) вязкость снижается от напряжения, равного Рк1, как условного статического предела текучести до точки В, соответствующей началу полностью разрушенной структуры с наименьшей вязкостью цт. На этой кривой отличаются еще точка Рк2 - динамический предел текучести и paнее отмечавшаяся точка Рк - предел текучести, или предельное Напряжение сдвига. Значение этих реологических характеристик состоит в том, что с их помощью можно определить допустимые напряжения без нарушения сплошности изделий при формовании их из смеси (массы).