М инистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное б юджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
И. Н. ШУБИН, А. А. БАРАНОВ, А. А. ПОПОВА, Д . В. ТАРОВ
ДИАГНОСТИК А СВОЙСТВ НАНОДИСПЕРСНЫ Х ПОРОШКОВ: ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Утверждено Учёным советом университета в качестве уч ебного пособия для бакалавров и магистров направлений подготовки 150302, 150402, 280302 и 280402 всех форм обучения
Учебное электро нное издание
Тамбов Издательский центр ФГ БОУ ВО «ТГТУ»
2019
1
УДК 620.3:621(075.8) ББК Ж60-3я73
Д44
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»
ФГБОУ ВО «ТГТУ»
В. Я. Борщев
Кандидат технических наук, Зам. генерального директора, директор департамента
Нефтехимии ООО «ЗАВКОМ-ИНЖИНИРИНГ»
П. А. Фефелов
Д44 Диагностика свойств нанодисперсных порошков: оборудование и методы их определения [Электронный ресурс] : учебное пособие / И. Н. Шубин, А. А. Баранов, А. А. Попова, Д. В. Таров. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2019. –
1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 28,5 Mb ; RAM ;
Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-8265-2101-4
Рассмотрены вопросы методик и экспериментальной базы оценки фи- зико-механических характеристик нанодисперсных порошков, рассмотрены методы диагностики свойств, особенности применения и расчёта оборудования для использования нанодисперсных порошков. Приведён лабораторный практикум, отражающий способы количественного и качественного определения физико-механических характеристик наноразмерных порошкообразных материалов.
Предназначено для бакалавров и магистров направлений подготовки 150302, 150402, 280302, 280402, изучающих основы нанотехнологий, диагностику наносистем, нанометрологию всех форм обучения.
Пособие представляет интерес для инженеров-конструкторов и технологов предприятий различных отраслей промышленности.
УДК 620.3:621(075.8) ББК Ж60-3я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-2101-4 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2019
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………... 4
1.МЕХАНИЗМЫ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ……………………... 6
2.КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ……………… 10
3. ОПИСАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ СМЕШИВАНИИ 20
4.МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СМЕСИ ………………………….. 32
5.ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ …………………………………… 36
5.1.Лабораторная работа 1. Бункерное устройство ……………….. 36
5.2.Лабораторная работа 2. Винтовой питатель ………………....... 42
5.3.Лабораторная работа 3. Питатель барабанный ………………... 46
5.4.Лабораторная работа 4. Дозатор весовой …………………....... 52
5.5.Лабораторная работа 5. Измельчитель барабанный ………….. 57
5.6. |
Лабораторная работа 6. Смеситель барабанный ……………… |
62 |
5.7. |
Лабораторная работа 7. Смеситель гравитационный ………… |
68 |
5.8.Лабораторная работа 8. Гравитационный смеситель направленного действия ………………………………………… 72
5.9.Лабораторная работа 9. Сепаратор воздушный ………………. 77
5.10.Лабораторная работа 10. Определение коэффициентов сил трения движения и сил трения покоя ……………………… 82
6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………... 87
7.РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ………………………………... 88
8.ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………….. 92
3
ВВЕДЕНИЕ
Технология переработки дисперсных материалов требует получать в рабочем объёме однородную смесь, т.е. в каждом локальном микрообъёме содержатся частицы компонентов, составляющих смесь в соотношениях, заданных рецептурой.
Дисперсный материал как система, состоит из твёрдых частиц произвольной формы, находящихся в контакте. В зависимости от диаметра d частиц дисперсный материал может быть в следующих состояниях: пылевидном (d < 0,05 мм), порошкообразном (0,05 мм < d < 0,5 мм), мелкозернистом (0,5 мм < d < 2 мм), крупнозернистом (2 мм < d < 10 мм), кусковом
(d > 10 мм).
Физико-механические свойства дисперсного материала, определяющие его динамическое поведение и структурообразование, можно разделить на три группы:
–свойства индивидуальной частицы (размер, форма, плотность, влажность, твёрдость и т.д.);
–свойства микрообъёма – пробы, порции, ансамбля частиц (гранулометрический состав, порозность, концентрация компонентов, влагосодержание, коэффициенты: трения, естественного откоса и обрушения, неоднородности смеси и т.д.);
–свойства макрообъёма – рабочего объёма аппарата, бункера (распределение компонентов, объём смеси компонентов, адгезия, слеживаемость, сводообразование и т.д.).
4
Смешивание производится за счёт энергетического воздействия на смешиваемые материалы: механического, пневматического и др. Для упрощения оценки качества смешивания смесь условно считают двухкомпонентной: один компонент называется ключевым, а остальные условно объединены во второй компонент. Тогда при оценке можно использовать одну случайную величину. Качество смешивания будет тем выше, чем ближе содержание ключевого компонента к содержанию его в смеси при идеальном распределении. Для интенсивного смешения компонентам надо сообщить такие движения, чтобы их траектории имели возможно большее число пересечений и встречных движений. Движения микрообъёмов и индивидуальных частиц в макрообъёме могут быть встречными, поступательными и совмещенными. Составляющие движения по характеру их изменения во времени, определяемому скоростью и направлением, разделяют на постоянные, периодические и произвольно меняющиеся во времени.
Данное пособие включает пять глав, заключение, список рекомендуемой литературы и приложения. Первые четыре главы отражают механизмы процесса смешивания, конструкции смесительных аппаратов, поведение материала при смешивании и методы оценки качества смеси. В пятой главе приводится описание десяти лабораторных работ, которые охватывают различные типы смесительных аппаратов, барабанный измельчитель, сепаратор воздушный и прибор для определения коэффициентов сил трения как покоя, так и движения. Изучение данных вопросов смешивания дисперсных материалов, в том числе нанодисперсных порошкообразных, позволит широко использовать в практике получения новых материалов, а также обеспечит возможность переработки твёрдых вторичных материальных ресурсов в товарные продукты.
5
1. МЕХАНИЗМЫ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ
Одной из наиболее важных проблем, возникающих при переработке сыпучих материалов, является приготовление однородных по составу композиций. Залогом чего является создание математического описания механики потоков сыпучих материалов и процессов их смешивания, а также разработка совершенной смесительной аппаратуры.
Для рассматривания процесса смешивания существуют различные классификации и подходы. Классификация процессов смешивания возможна по принципу преобладающих механизмов движения потоков материалов в смесительных установках. В то время как такая классификация является эмпирической, классификация по систематическим или стохастическим процессам дает информацию о внутренних процессах смешивания материалов. Теоретическое рассмотрение этих явлений приводит к количественным практическим результатам.
Процессы смешивания разного рода сред относятся к числу основных технологических процессов. Но сколько-нибудь значительные усилия в изучении процесса смешивания твёрдых веществ были предприняты практически лишь в последние десятилетия. В условиях увеличения объёмов и задач промышленного процесса смешивания, повышения требований к качеству продукции, рационализации и механизации процессов изучение процессов смешивания материалов становится все более важным для сравнительной оценки смесительного оборудования. При этом следует выделить два основных направления исследования:
1)определение качества смешивания, т.е. характеристики изменения состояния смешиваемых материалов;
2)описание процессов смешивания, т.е. описание и объяснение изменения качества смешивания во времени.
Систематизация процессов смешивания возможна по принципу преобладающих механизмов движения внутри смесителей.
Смешивание в смеси. При таком смесеприготовлении внутри материала создается движение, при котором частицы смешиваемых материалов взаимно перемещают друг друга. При этом движение смесительных аппаратов или их смесительных рабочих элементов обычно характеризуется невысокой скоростью вращения (например, в низкооборотных шнековых смесителях).
Смешивание в центрифугах. При смешивании в центрифугах из смеси вырываются некоторые количества смешиваемого материала, которые
6
после некоторого перемещения в газовом пространстве смесительного аппарата снова падают на поверхность смеси. При этом могут оказывать воздействие либо сила тяжести, либо центробежная сила.
Смешивание во взвешенном состоянии. При сравнительно большой скорости вращения смесительных органов из смеси выбрасываются частицы смешиваемых материалов, или же возможно всасывание воздуха. Затем сначала накладывается центрифугальное смешивание, смешивание в потоке смеси переходит затем в смешивание во взвешенном состоянии. Такое состояние может быть поддержано и посредством увеличенной подачи воздуха. Такой процесс смешивания осуществляется в пневматических смесителях.
Смешивание в суспензированном состоянии. При смешивании в сус-
пензированном состоянии частицы твёрдого вещества полностью суспензированы в газовой среде. Эта суспензия может поддерживаться благодаря достаточно большой скорости газового потока или же за счёт высокой скорости вращения рабочих лопастей смесителя.
Смешивание в инерционном состоянии, смешивание в потоках мате-
риала. В данном случае твёрдые компоненты смешиваются в пересекающихся (часто многократно) потоках, двигаясь под действием инерционных сил. Эти потоки обычно являются свободно падающими.
Систематическое смешивание. Цель всех смесительных механизмов заключается в обеспечении такого распределения частиц смешиваемых компонентов, при котором частицы каждого из твёрдых компонентов смеси были максимально приближены к частицам другого компонента смеси. Это может происходить наряду с часто возникающими случайными процессами распределения, в систематических процессах. Такие систематические процессы смешивания эффективны во всех статических смесительных аппаратах. В этом случае потоки смешиваемых материалов разделяются систематически, объединяются в новом сочетании, снова распределяются и т.д. Систематический характер имеет и «ламинарное» перемешивание, эффективное, главным образом, при перемешивании высоковязких материалов.
Случайное смешивание. Помимо выше названных систематических процессов смешивания, на качество смешивания положительно влияют и неупорядоченные движения внутри смеси. Такое неупорядоченное смесительное движение в рассмотренном здесь смысле отличается, в общем случае, тем, что взаиморасположение частиц смеси не задано заранее, а случайно. Можно показать, что независимо от реального типа движения
7
эти случайные движения могут быть описаны на основе теории стохастических процессов.
Диффузное смешивание. Один из возможных случайных процессов – это диффузия в том виде, как она может быть описана с помощью уравнений Фика
M = −D |
∂q(x) |
|
∂q(x) |
|
∂ |
∂q(x) |
|
|||
∂x |
; |
|
|
= |
|
D |
|
. |
(1) |
|
∂t |
|
∂x |
||||||||
|
|
|
∂x |
|
|
|||||
Важное значение имеет подход, предусматривающий рассмотрение поведения частицы (частиц) в потоке или многокомпонентной смеси, с построением, в последующем, математической модели для описания процесса. Процесс смесеобразования нанодисперсных материалов – механический, в результате которого первоначально раздельные компоненты равномерно распределяясь, образуют смесь [57]. Причём идеальная смесь нанодисперсных порошков – композиция нескольких компонентов, характеризуемая равномерным распределением каждого из них в объёме смеси. Структуру готовой смеси можно представить как совокупность отдельных микрообъёмов, в которых соблюдена пропорциональность состава (рис. 1).
Рис. 1. Схема распределения нанодисперсных порошков при смешивании:
а– упорядоченное распределение компонентов (идеальная смесь);
б– случайное распределение компонентов (реальная смесь)
8
Минимальный микрообъём в пределе можно представить как коллектив частиц, содержащий по одной частице каждого из компонентов (при их одинаковом содержании в смеси). Эффективность процесса определяется уровнем определённости поведения сыпучих компонентов от исходного раздельного нахождения до равномерного распределения в готовой смеси. По уровню информационности и вероятности получения заданного качества смеси абсолютное большинство процессов смешивания можно охарактеризовать как процессы стохастически детерминированные. Особенность проектирования этих процессов – необходимость снижения стохастической составляющей влияния на качество смеси свойств исходных компонентов.
9