Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Механохимические аппараты и методы оценки их эффективности. Учебное пособие
.pdf
71
4.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ФЕНОЛФТАЛЕИН – -AL2O3
В качестве примера применения метода химических индикаторов к
системам, отнесенным авторами [40, 45] ко второй группе (когда в результате механической обработки происходит покрытие одним (более
пластичным) из компонентов частиц другого компонента, который является более твердым), была исследована система фенолфталеин– оксид алюминия. При МО этой смеси шарами из корунда фенолфталеин покрывает поверхность частиц оксида и, поскольку поверхность
оксида всегда содержит гидроксильные группы [77], взаимодействует
с ними, переходя в хиноидную форму. Хиноидная форма окрашена в
красный цвет, а исходный фенолфталеин бесцветен. Наблюдая за изменением интенсивности окраски в процессе механической обработки,
можно судить о степени превращения фенолфталеина в хиноидную
форму и использовать эти данные при оценке эффективности механохимических аппаратов.
Рассмотрим эту систему подробнее. На рис. 13 приведены характерные оптические спектры диффузного отражения системы (Al2O3 +
+ 1 % фенолфталеина) после механической обработки в ЭИ-150 2.
Аналогичный вид имеют спектры этой системы после МО и в мельницах другого типа. В спектрах наблюдается появление широкой полосы
поглощения в области 460...580 нм, интенсивность которой растет с
увеличением времени МО. Цвет образцов при этом становится розовым, и его интенсивность усиливается с возрастанием времени МО.
Рис. 13. ОСДО системы Al2O3 + 1 % фенолфталеина после механической об-
работки в ЭИ-150 2 в течение 1 (1) и 10 (2) мин
72
Характерная зависимость
1
v
Параметр
Энергонапряженность,
Bт/г
Масса
шаров, г
Диаметр шаров,
см
Масса
загрузки
вещества, г
6.2
47.0
85.4
100
350
0.1
0.8
1.2
2.5
10.0
v
10–2, с
–1
2.1 0.2
3.2 0.3
2.0 0.2
2.4 0.2
1.1 0.1
1.6 0.2
1.8 0.2
1.4 0.1
2.4 0.2
1.1 0.1
90
180
300
600
900
t, c
F
max
½ F
max
F(R) = (1 – R)2/2R ~ ε c
Рис. 14. Характерная зависимость
функции Кубелки–Мунка, рассчитанная для для = 540 нм, от времени
механической обработки системы
(Al2O3 + фенолфталеин)
функции Кубелки–Мунка F(R),
рассчитанной для = 540 нм, от
времени МО в различных мельницах представлена на рис. 14.
Эта зависимость описывается
функцией [78], где F
– макси-
max
мальное значение функции Кубелки–Мунка, t – время МО, –
характерное время увеличения
(изменения интенсивности цвета). С помощью этой функции вычислены и сопоставлены значения v и для мельниц четырех типов.
Изменения скорости окрашивания v в системе (Al2O3 + 1 % фенолфталеина) в зависимости от условий МО (энергонапряженности,
массы Мш и диаметра Dш шаров, массы загрузки обрабатываемого вещества Мв) в мельнице ЭИ-150 2 приведены в табл. 18.
Видно, что максимальная скорость окрашивания v = (3.2 0.3)10–2 с–1
достигается при энергонапряженности 47.0 Вт/г. Увеличение массы
Скорость окрашивания (v) в системе (Al2O3 + 1 % фенолфталеина)
при различных режимах работы мельницы ЭИ-150 2*
* Режим работы мельницы ЭИ-150 2: Dш = 0.5 см, Мш = 200 г, Мв = 5 г; энергонапряженность
6.2 Вт/г. При варьировании условий МО изменяли одно из них при неизменности остальных.
значения F. Величину
на-
зовем скоростью окрашивания
Т а б л и ц а 18
73
шаров до 350 г приводит к уменьшению скорости окрашивания до
Параметр
Мельница
АГО-2
ЭИ-150 2
АПФ
v
10–2, с–1
5.7 0.6
3.2 0.3
2.4 0.2
Сравнительная
эффективность
1
0.6
0.4
(1.1 0.1)10–2 с–1 . Та же тенденция наблюдается и при увеличении мас-
сы загрузки обрабатываемого материала. Варьирование диаметра шаров показывает существование оптимального размера (0.5 см), когда
скорость окрашивания максимальна: (2.1 0.2)10–2 с–1.
В табл. 19 приведены скорости окрашивания в мельницах трех типов (АГО-2, ЭТ-150 2, АПФ) при обычно используемых (для каждой
конкретной мельницы) условиях МО, а также дана сравнительная эффективность этих мельниц по отношению к АГО-2 (по скоростям окрашивания), поскольку в результате проведенных экспериментов максимальная скорость получена именно в АГО-2.
Т а б л и ц а 19
Скорость окрашивания (v) в системе (Al2O3 + 1 % фенолфталеина)
в различных мельницах* и сравнительная эффективность мельниц
по отношению к АГО-2
* Режим работы мельниц: АГО-2 – Dш = 0.5 см, Мш = 200 г, Мв = 10 г, энергонапря-
нице МС-1, полученные при различных режимах ее работы, и дана
сравнительная эффективность при каждом режиме по отношению к
АГО-2.
ность использования скорости окрашивания поверхности оксида алюминия продуктом реакции фенолфталеина с поверхностными ОН-группировками в качестве критерия оценки эффективности мельниц. Из
женность 19.1 Вт/г; ЭИ-150 2 – см. табл. 24; АПФ – Dш = 0.8 см, Мш = 1000 г,
Мв = 100 г.
В табл. 20 приведены величины скорости окрашивания в мель-
Полученные экспериментальные данные подтверждают возмож-
74
Т а б л и ц а 20
Параметр
Ширина зазора, мкм
70
80
v
10–2, с–1
4.1 0.4*
0.75 0.08*
2.4 0.2**
0.59 0.06
***
Сравнительная
эффективность
0.72*, 0.42**
0.13*, 0.10
***
Скорость окрашивания (v) и сравнительная эффективность по отноше-
нию к АГО-2 мельницы МС-1 при различных режимах работы. Потреб-
ляемая мощность 1.85 кВт, масса загрузки вещества Мв = 208 г
* Вращение корпуса и пестика в разные стороны со скоростью W
= 945 об/мин.
** Вращение пестика со скоростью W
корпуса W
*** Вращение корпуса и пестика в одну сторону со скоростью W
= 945 об/мин.
корп
= 0.
= 945 об/мин при отсутствии вращения
пест
= 705 и W
корп
= 705 и W
корп
пест
пест
=
=
табл. 18, например, видно, что по скорости окрашивания можно определить оптимальный режим работы ЭИ-150 2. Аналогичные оценки
можно сделать и для всех остальных аппаратов.
При сравнении мельниц между собой по скорости окрашивания
можно заметить, что самой эффективной является АГО-2. Именно
здесь можно добиться (подобрав оптимальные условия МО) максимального значения v. Однако с учетом массы загрузки обрабатываемого материала самой производительной из четырех указанных типов
мельниц является МС-1 (табл. 18–20). При потребляемой мощности
1.85 кВт (сравнимой с АГО-2 и на порядок меньшей, чем у АПФ) масса загрузки вещества в МС-1 в 20 раз превышает таковую в АГО-2, в
40 раз – в ЭИ-150 2 и в 2 раза – в АПФ.
Появление розовой окраски смеси (оксид алюминия + фенолфталеин) в результате МО свидетельствует о наличии взаимодействия между этими веществами во время МО. В данном случае можно предположить два возможных механизма этого взаимодействия.
Известно [77], что на поверхности оксида алюминия имеются семь
типов гидроксильных групп различной основности. Фенолфталеин
также имеет в своей структуре гидроксильные группы, благодаря которым он является весьма слабой кислотой [78]. Вероятно, во время
75
совместной МО этих двух веществ происходит взаимодействие «кислого» протона молекулы фенолфталеина и одной из основных гидроксильных групп с поверхности оксида алюминия, в результате чего
образуется хинольная форма [79], имеющая красный цвет. Очевидно,
что интенсивность окраски зависит от количества образованных молекул этой формы. Существует и другое объяснение розовой окраски
механически обработанной смеси. Возможно, это обусловлено появлением полосы с переносом заряда (ППЗ), которая возникает в результате образования водородной связи между одной из гидроксильных
групп с поверхности оксида алюминия и протоном молекулы фенолфталеина [80].
Несомненно, взаимодействие фенолфталеина с поверхностными
ОН-группировками – довольно сложный процесс. Можно предположить, что он состоит, по крайней мере, из двух стадий. Первая стадия –
диспергация кристаллов фенолфталеина до молекулярного состояния
на поверхности Al2O3, вторая – непосредственное взаимодействие молекул фенолфталеина с поверхностными ОН-группировками, хотя между названными стадиями могут существовать и другие процессы, например, смешение, образование контактов и т.п. Авторы [45]
рассматривали только первую стадию, не учитывая влияния на нее последующих процессов. Точно установить механизм взаимодействия
между исходными реагентами авторам также не удалось. Поэтому в
данном случае речь идет о совокупности нескольких стадий. Следует
отметить, что условия МО в различных системах могут по-разному
влиять на скорости протекающих в них процессов. Очевидно, что и
механизмы этих процессов будут различаться.
Таким образом, предложенный в данном случае критерий оценки
эффективности мельниц – скорость окрашивания поверхности оксида
алюминия – характеризует совокупность нескольких процессов (диспергирование, смешение, химическое взаимодействие и т. д.). Поэтому
необходимо изучать влияние каждого из них на скорость окрашивания.
76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в настоящей работе были рассмотрены различные
подходы к решению проблемы оценки эффективности механохимических аппаратов. Изложенный материал демонстрирует, что понятие
«эффективность воздействия механохимических аппаратов на обрабатываемое вещество» можно трактовать по-разному, и в каждом конкретном случае оно приобретает качественно новый смысл. Отсюда и
множественность предлагаемых критериев оценки эффективности.
В физике наиболее общим критерием сравнения эффективности
механических аппаратов является коэффициент полезного действия
(КПД), который определяется отношением полезной работы к затраченной на ее производство энергии. Если с энергией, затраченной на
работу механохимического активатора, все ясно, то с определением
полезной работы существуют затруднения, так как определение полезной работы зависит от поставленной задачи. Например, в задаче измельчения полезной работой является энергия, затраченная на образование новой поверхности, величина которой, согласно литературным
данным, не превышает 10 % от всей энергии, накапливаемой твердым
телом при механической обработке. Аналогично работа образования
точечных дефектов не превышает 1 % и т. д. Следовательно, точно выделить работу, затраченную на образование одного типа дефектов, не
представляется возможным. Кроме того, ситуация, когда дефекты в
твердом теле накапливаются монотонно, встречается крайне редко.
Например, для многих оксидов механическая обработка приводит сначала к росту количества дефектов, а затем к его уменьшению. Следовательно, механическая энергия расходуется как на образование дефектов, так и на последующее их разрушение.
Допустим, что КПД механохимического активатора есть отношение энергии, введенной в вещество, к энергии затраченной. Тогда вве-
77
денную в вещество энергию можно определить, например, по разности
удельной теплоты растворения исходного и механически активированного вещества [48, 80].
Авторами [80] сделана оценка КПД центробежной планетарной
мельницы ЭИ-2 150. В качестве тестового вещества использовался
порошок ацетилсалициловой кислоты (АСК). При соотношении 0.1 г
АСК на 60 мл воды наблюдается полное растворение порошка, что позволяет определить всю запасенную механическую энергию в образце
АСК. На рис. 15 показана зависимость теплоты растворения АСК в
воде от времени его МО.
Рис. 15. Изменение теплот растворения АСК в воде
при температуре 308 К в зависимости от времени МО
при вводимой шарами мощности 5 Вт/г
На основании этой зависимости авторы сделали вывод, что с увеличением времени механической обработки аспирина накапливаемая
энергия не растет монотонно, а меняется периодически. Это явление
можно объяснить сопутствующими релаксационными процессами:
например, разрушением исходных межмолекулярных связей и следующей за этим релаксацией за счет образования других, что и приводит к изменениям величины накопленной в твердом теле энергии
[78, 80].
Из рис. 15 также следует, что максимальный избыточный (положительный) тепловой эффект растворения АСК достигается после 60 с
МО исходного порошка при вводимой шарами мощности 5 Вт/г и составляет 71 Дж/г, т. е. 24 % энергии шаров вводится в вещество. На
78
поддержание же постоянной кинетической энергии шаров тратится
мощность 800 Вт. Поэтому общий КПД не превышает 0,15 %.
Оказалось, что максимальный тепловой эффект растворения достигается при вводимой шарами дозе энергии 300 Дж/г. Следовательно,
можно ввести эту дозу за минимально короткое время, например за
одну секунду, увеличив плотность материала шаров и их количество
таким образом, чтобы вводимая шарами мощность достигала величины 300 Вт/г. Введение такой дозы в течение одной секунды приводит к
избыточному тепловому эффекту растворения аспирина – 75 Дж/г, что
соответствует величине введенной в вещество энергии – 25 % от энергии шаров. При этом КПД мельницы достигает 9 %, что приблизительно в 60 раз превышает исходное значение.
Приведенный пример увеличения КПД подтверждает актуальность
проблемы сравнения эффективности механохимических активаторов,
поскольку механическая обработка является очень энергоемкой операцией, и даже небольшое увеличение ее эффективности может дать
ощутимый экономический эффект.
Таким образом, задача оценки эффективности различных механохимических активаторов не может быть решена в общем случае. Очевидно, что универсального критерия оценки всех аппаратов не существует. Необходим набор критериев, из которых при решении каждой
конкретной задачи можно выбрать один или несколько адекватно отражающих эффективность воздействия каждого из используемых активаторов. Оценить эффективность механохимического аппарата можно и классически – по КПД, но для этого необходимо, чтобы
используемый для этой цели тестовый материал хорошо растворялся, а
запасаемая в результате механической обработки энергия хотя бы не
уменьшалась при увеличении времени МО.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Определите понятие эффективности механохимического реак-
тора.
2. Можно ли для определения эффективности механохимических
реакторов использовать понятие коэффициента полезного действия и
как реально это осуществить?
3. Зависит ли КПД от условий механической обработки?
79
4. Почему при механической обработке оксида алюминия с фе-
нолфталеином меняется интенсивность цвета?
5. Как использовать изменение интенсивности цвета при механо-
химическом взаимодействии фенолфталеина с оксидом алюминия для
сравнения эффективности мельниц?
6. Какой цвет имеют соединения двухвалентного кобальта в окта-
эдрическом и тетраэдрическом окружении и почему? И какой цвет
имеют смеси этих соединений?
7. В каком случае можно сравнивать скорости изменения различ-
ных физических величин?
8. В каком порядке по уменьшению скорости накопления дефек-
тов в оксидах при их механической обработке нужно расположить дефекты: точечные, линейные, двухмерные, трехмерные?
9. Какое реальное движение шаров в барабанах мехактиваторов
показала дискриминация моделей диспергации-агрегации?
10. Как модель диспергации-агрегации можно использовать для
сравнения эффективности мельниц?
ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ
И ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Методом MatCad написать модель диспергации-агрегации при
пристеночном движении шаров и сравнить эффективность мельниц
АГО-2 и АПФ.
2. Используя метод изменения интенсивности цвета при механо-
химической обработке фенолфталеина с оксидом алюминия, сравнить
эффективность мельницы АГО-2 при разных загрузках шаров.
3. Определить КПД мельницы калориметрически при механиче-
ской обработке поваренной соли.
4. Сравнить эффективность мельниц АГО-2 и АПФ с помощью
цветной механохимической реакции фторида натрия с роданидом кобальта.
5. Найти влияние загрузки шаров в барабане на эффективность
мельницы АГО-2 с помощью цветной механохимической реакции
фторида натрия с роданидом кобальта.
6. Определить влияние массы обрабатываемого вещества на эф-
фективность мельницы АГО-2 с помощью цветной механохимической
реакции фторида натрия с роданидом кобальта.
80
7. Найти, как влияют радиус шаров и их плотность на эффектив-
ность мельницы АГО-2 с помощью цветной механохимической реакции фторида натрия с роданидом кобальта.
8. Найти влияние загрузки шаров в барабане на эффективность
мельницы АГО-2 с помощью модели диспергации-агрегации при пристеночном движении шаров.
9. Найти, как влияют радиус шаров и их плотность на эффектив-
ность мельницы АГО-2 с помощью модели диспергации-агрегации при
пристеночном движении шаров.
10. Определить влияние массы обрабатываемого вещества на эф-
фективность мельницы АГО-2 с помощью модели диспергацииагрегации при пристеночном движении шаров.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]