Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем - Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П.

Author: Логвиненко Д.Д. Шеляков О.П.

Tags: процессы и оборудование химической технологии в целом химическая промышленность технологические процессы электромагнитное поле химические реакции

Year: 1976

Similar

Расчеты химико-технологических процессов

Введение в моделирование химико-технологических процессов

Процессы и аппараты химической промышленности

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Книга 1

Text

Д. Д. ЛОГВИНЕНКО,
О. П. ШЕЛЯКОВ
Интенсификация
технологических
процессов
в аппаратах
с вихревым слоем
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ТЕХН1КА»
КИЕВ — 1976
6П7.1
<Л69
УДК 66.02
Интенсификация технологических процессов в аппаратах
с вихревым слоем. Логвиненко Д. Д., П1е л я-
ков О. П. «Техника», 1976, 144 с.
Книга посвящена вопросам интенсификации технологи-
ческих процессов различных производств с применением
аппаратов нового типа, использующих энергию электро-
магнитных полей,— аппаратов с вихревым слоем. Пока-
заны широкие перспективы применения новых аппаратов
в химической, нефтехимической, горнохимической, цел-
люлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Книга предназначена для инженерно-технических ра-
ботников всех отраслей промышленности, работающих над
проблемами интенсификации технологических процессов.
Табл. 60, пл. 81, библ. 113.
Рецензент каид. техн, наук Г. Г. Карюк
Редакция литературы по тяжелой промышленности
Заведующий редакцией инж, В. И. Кравец
Дмитрий Данилович Логвиненко, канд. техн, наук
Олег П арфирович Шеляков, инж.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В АППАРАТАХ С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ
Редактор издательства Т. И. Чумаченко
Переплет художника А. С. Гуровского
Художественный редактор В. С. Шапошников
Технический редактор Н. А. Бондарчук
Корректор Ж. А. Боровец
Сдано в набор 13.VIII. 1975 г. Подписано к печати 4. HI. 1976 г.
Формат бумаги 60x90*/,„. Бумага типографская № !. Объем- 9
усл печ. л; 8,83 уч.-изд. л. Тираж 3000.
Зак. 5-381. БФ 09 564. Нена 72 коп.
Отпечатано с матриц Книжной фабрики им. М. В Фрунзе Рес-
публиканского производственного объединения «Полиграфкнпга»
Госкомиздата УССР в Харьковской городской типографии № 16
Областного управлении по делам издательств, полиграфии
:• “ии/киой тпрювли. Харьков. Университетская, 16 Зак <,07.
31402 — 1(1.4
Л М202(04)-76 °42-'6
С) Издательство «Техшка», 1976 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из методов интенсификации технологических про-
цессов является обработка в вихревом слое ферромагнитных час-
тиц, который создается путем воздействия на них вращающегося
электромагнитного поля.
Разработанные в последние годы новые аппараты, исполь-
зующие принцип вихревого слоя, позволяют интенсифициро-
вать целый ряд технологических процессов за счет комплекс-
ного воздействия на обрабатываемые вещества интенсивного
перемешивания и диспергирования, акустической и электромаг-
нитной обработки, трения, высоких локальных давлений, элект-
ролиза.
Сложные физические, химические и механохимические яв-
ления, имеющие место в вихревом слое, недостаточно изучены,
хотя аппараты с вихревым слоем уже нашли применение в раз-
личных отраслях промышленности. Поэтому целью настоящей
книги не является полное теоретическое рассмотрение всех ас-
пектов вихревого слоя, а скорее обобщение результатов, до-
стигнутых в этой новой области исследований различными ав-
торами.
В отличие от широко и давно применяемой химической аппа-
ратуры с мешалками аппараты с вихревым слоем ферромагнит-
ных частиц зачастую невозможно рассматривать в отрыве от тех-
нологического процесса.
В основу классификации процессов, которые можно осуще-
ствить в вихревом слое, может быть положен конечный результат
обработки. По этому принципу процессы могут быть разделены
на следующие: 1) перемешивание жидкостей и газов; 2) переме-
шивание твердых сыпучих материалов; 3) сухое измельчение
твердых веществ; 4) измельчение твердых веществ в жидких
дисперсионных средах; 5) активация поверхности частиц твер-
дых веществ; 6) осуществление химических реакций; 7) и плене-
ние физических и химических свойств веществ. Однако такая
классификация носит условный характер, поскольку в большин-
стве случаев все или многие из перечисленных процессов имеют
место одновременно.
Множество факторов, которыми в вихревом слое можно во.'
действовать па вещество в нужном направлении, требует прежде
всего знания физической сущности происходящих в вихревом
слое явлений, основных их закономерностей. Сложность
явлений, происходящих в вихревом слое, потребовала особого под-
хода к созданию аппаратов различного назначения и, как след-
ствие, введения некоторых понятий, ранее не применяемых в
химическом машиностроении и химической технологии. Так, вве-
дены новые понятия: рабочая зона камеры, под которой под-
разумевается участок камеры, ограниченный действием элект-
ромагнитного поля, достаточного для приведения в движение фер-
ромагнитных частиц; коэффициент /< заполнения рабочей зоны
камерьгферромагннтными частицами, который равен отношению
суммарного объема ферромагнитных частиц в вихревом слое к
объему рабочей зоны камеры; Ккр — критический коэффициент,
который равен отношению максимально возможного объема фер-
ромагнитных частиц в вихревом слое (при котором последний
еще существует) к объему рабочей зоны камеры; параметриче-
ский критерий подобия ферромагнитных частиц (l/d), который
равен отношению длины частицы к се диаметру. В дальнейшем
эти термины могут быть изменены. Однако в настоящее время
они использованы в таком виде, как впервые появились в тех-
нической литературе.
Следует отметить, что применение вихревого слоя ферромаг-
нитных частиц не ограничивается только аппаратами для пере-
мешивания, измельчения и проведения химических реакций.
По этому принципу могут быть созданы новые устройства для ин-
тенсификации тепло- и массообмена, экстракции, флотации, элек-
тролиза, полировки, микробиологического синтеза и др.
Все замечания и отзывы по книге просим направлять по ад-
ресу 252601, Киев, 1, ГСП, Пушкинская, 28, издательство «7ех-
н1ка».
ГЛАВ А I.
ВИХРЕВОЙ СЛОЙ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ
Если ферромагнитные перавпоосные частицы поместить во
вращающееся электромагнитное поле достаточной напряженнос-
ти, то они приходят в сложное, на первый взгляд хаотическое
движение, создавая своеобразный вих-
ревой слой, вид которого показан на
рис. 1.
В отличие от псевдоожиженного
слоя, полученного путем воздействия
па твердые частицы потока жидкости
пли газа, вихревой слой ферромаг-
нитных частиц может быть создан как
при давлении, так и в вакууме, в жид-
кой, газообразной или гетерогенной
среде [43].
Для практического использования
вихревого слоя ферромагнитных час-
тиц последние, как правило, помеща- ис’ ’’ В1|Д внхРевого слоя-
ют в рабочую камеру, вокруг кото-
рой располагают устройство, создающее в рабочей зоне этой
камеры вращающееся электромагнитное поле. Характер движе-
ния ферромагнитных частиц зависит от многих факторов, рас-
смотренных ниже.
СИЛЫ И МОМЕНТЫ,
ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ФЕРРОМАГНИТНУЮ ЧАСТИЦУ
В ВИХРЕВОМ СЛОЕ
Известно, что силы, действию которых подвергаются различ-
ные тела в этектромагнитном поле, должны в конечном счете
сводиться к силам, приложенным к электрическим зарядам этих
юл. Если ([х-рромагиптныс частицы намагничены до насыщения,
io их можно рассматривать как элементарные магниты и ш маг
нитные диполи. В этом случае на частицу, как па диполь, во вра-
щающемся с угловой скоростью m электромагнитном поле напря-
женностью Н действует пара сил, стремящаяся повернуть ее в
направлении вектора внешнего электромагнитного поля [10]
Момент этой пары
Мпр = МН sin о,
где М — магнитный момент частицы; <р — угол между векто-
ром магнитного момента частицы, совпадающим с ее наиболь-
шей осью, и вектором напряженности магии пюго поля.
Если поле неоднородно, то на магнитный диполь действует
и смещФощая сила.
Гем - П dx ,
где z— магнитная восприимчивость материала частицы; V —
объем частицы; — градиент поля.
Под действием вращающего момента ферромагнитная части-
ца вращается с угловой скоростью юабС- В неподвижной систе-
ме координат угловая скорость вращения частицы равна сумме
относительной и переносной скоростей, т. е.
oia6c ~ (’Ь.ги "Т <йпср*
Многочисленные эксперименты показали, что переносная ско-
рость вращения частицы практически равна скорости вращения
внешнего магнитного поля юПеР = ®-
Определим относительную скорость вращения частицы. Дви-
жение частицы относительно неподвижного вектора напряжен-
ности магнитного поля II может быть описано следующим урав-
нением:
1д = МН sin v, (1)
где Iz — момент инерции частицы относительно оси вращения.
При малых углах <р с достаточной точностью можно принять,
что sin ср ср. Тогда уравнение (1) принимает вид
Проинтегрировав уравнение (2), получим
„ л/"мн. , г . i/'mh .
tf ~ Ct cos у -р-1 + С2 sin у —1.
При начальных условиях t = 0, <з = о0, з -- О имеем
|/Mil .
<p = ®ncos| -у—/;
Период колебания частицы

При больших значениях угла уравнение (2) имеет вид
, мн
р 4- — Sin <р = О
Решение этого уравнения не может быть выражено в элемен-
тарных функциях. Оно может быть записано в виде
= j/^c„ (3)
где k = sin ~.
Функция Якоби С„У^У((—/0) определяется следующим
образом:
CnU = cos j.
Величина ф определяется соотношением
sin ~ = sin-7^ sin о.
Приближенное решение уравнения (3) по методу Ляпунова
приводит к зависимости
/ . 1 ч\ 2г/ 1 „ &~t
Т I ?о + 192 %) cOS ‘у 192 ?о cos "у •
Здесь период колебания частицы

Скорость вращения частицы относительно вектора магнитной
индукции
У™ ,умй
? = - (?о + '₽*) ---J- sin----+
Магнитный момент цилиндрической частицы из изотропного
ферромагнитного материала может быть выражен через вектор
намагниченности М':
М = M'V,
где V — объем ферромагнитной частицы.
7
Вектор напряженности магнитного поля Н внутри цилинд-
ра в случае, когда цилиндр намагничивается внешним нолем
11,
Ht = H — NM’,
(5)
где Л — размагничивающий фактор.
С достаточной для практических целей точностью можно счи-
тать форм^ цилиндра близкой к овоиду. Тогда размагничиваю-
щий фактор [103]
* In (X + 1/х^Т- 1)
N --j-------- . 6
где X = l/d — соотношение длины цилиндра к его диаметру.
Учитывая, что М’ = (р— 1), из уравнения (5) получаем
1
М' = (р 1) Н . -------------------7—ГТ .
'* ' I + (|Л — 1) /V
Отсюда магнитный момент частицы
/И =
JJL - I ~fj TtlP t
i + (Л - i) w 77 Тz
или с учетом выражения (6)
М =-----------
1 + (в — 1)
0,785d2/// (;х — 1)
-_^1п(к-Ц/Х"--1-1)
V Л2 — 1
(7)
где X =
Подставляя в уравнение (4) значение (7) и значение момента
инерции частицы, получаем в окончательном виде
.3,464//X . 3.464//А'/
sin
(8)
IY LY
10,39//А_. 10,39//А/
192™ IY
1С>’

Если ферромагнитная частица намагничена до насыщения, то
ее манпппый момент
Л1 = 1У, (9)
где /s -магнитный момент единицы объема частицы при насы
щсиин.
Поскольку в вихревом слое всегда частицы намагничены до
насыщения, ю это позволяет использовать уравнение (9) для
упрощения расчетов.
Абсолютная скорость вращения частицы
1|’а6с — °* “1“ (Ю)
Из уравнений (8) и (10) следует, что неравноосная ферро
магнитная частица в однородном, вращающемся с постоянной
у гловой скоростью электромагнитном поле движется с пере-
менной угловой скоростью, совершая колебания относительно
вектора напряженности магнитного поля с частотой, зависящей
от величины момента инерции частицы, ее магнитного момента,
напряженности внешнего магнитного поля и угла между векто-
ром магнитного момента частицы и вектором напряженности маг-
нитного поля.
Расчеты показывают, что амплитуда колебаний ферромаг-
нитной частицы фмлкс прямо пропорциональна ф0, а период
колебаний пропорционален ее длине и зависит от магнитных
свойств материала частицы и напряженности внешнего магнит-
ного поля.
Если во вращающееся магнитное поле поместить большое
количество ферромагнитных неравноосных частиц, то движение
их будет отличаться от рассмотренного выше.
В этих условиях на каждую частицу действует целый комп-
лекс сил и моментов: ЛЦР — вращающий момент, вызванный воз-
действием на частицу равномерного вращающегося магнитного
поля; ЕЕ,, ЕЛЦ- —сумма сил и сумма моментов, обусловленных
воздействием на частицу магнитных полей других ферромаг-
нитных частиц, находящихся в непосредственной близости от
рассматриваемой; Еул, Л4УД — сила и момент, действующие на
частицу со стороны другой частицы во время их соударения;
Етр, А4гр — сила и момент трения между частицами или между
частицей и стенкой реактора; Ед, Ма — сила сопротивления
п демпфирующий момент, вызванные воздействием внешней сре-
ды па движущуюся частицу; G — сила тяжести чжтипы; I —
центробежная сгла инерции; FK — сила Кориолиса.
ДВИЖЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
В ВИХРЕВОМ СЛОЕ.
КРИТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ
ЗАПОЛНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ
ФЕРРОМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ
Под действием рассмотренных ранее сил и моментов ферро-
магнитные частицы в вихревом слое совершают сложное движе-
ние — поступательное с частым и резким изменением скорости н
направления и вращательное с переменной угловой скоростью.
Эксперименты показали [35, 511, что движение ферромагнитных
частиц начинается при достижении индукции в рабочей камере
не менее 0,08 Т. Характер движения частиц зависит от многих
факторов — скорости вращения и напряженности магнитного по-
ля, создаваемого индуктором, массы, с]юрмы, р имеров и маг-
нитных свойств частиц, вязкости среды и др Мелкие частицы,
например опилки, намагничиваясь, притягиваются ipvr к другу
и образует цепочки, вытянутые в направлении вектора напря-
женности магнитного поля и вращающиеся та полем вокруг
общей оси. Ввиду неуравновешенности слоя пеночки сущесгву-
Рис. 2. Характер движения ферромагнитных частиц в слое;
а—образование цепочек; б—вращательное движение отдельных
частиц.
ют доли секунды, разрешаясь при столкновении друг с другом и
группируясь вновь. Крупные цилиндрические частицы, как
правило, цепочек не образуют, каждая из них движется отдельно
от других. Вращательное движение отдельных частиц и цепо-
чек хорошо видно на рис. 2.
На рис. 3 показана траектория движения центра тяжести
одной частицы за 0,5 с, опреде ленная путем скорое гной кино-
съемки.
Статистическая обработка большого количества экспери-
ментальных данных позволила выявить, что радиальная и тан-
генциальная составляющие скорости движения ферромагнитной
частицы подчинены нормальному закону распределения. На-
правление вектора радиальной составляющей скорости час-
тицы равновероятно, тангенциальная составляющая скорости
преимущественно направлена в сторону вращения ноля, г. е.
имеет место вращение всего слоя в целом.
Движение ферромат ннтпых частиц в вихревом слое возможно
только до определенной степени заполнения рабочей зоны ка-
меры этими частицами, при которой все частицы одновременно
прекращают движение, образуя ряд параллельно расположен-
ных дисков. Вид таких дисков показан па рис. 4.
и>
Критерием оценки условий прекращения движения ферро-
магнитных частиц может служить критический коэффициент
заполнения рабочего объема камеры этими частицами Ккр 125;
99).
Эксперименты показывают, что в общем случае /<кр зависит
от многих факторов:
/<кр=/(к. l/d, V, <«, ij, о, Н, о.,, /. ...), (И)
где х — магнитная восприимчивость материала частиц; l/d —
параметрический критерий подобия (здесь I — длина, d — диа-
Рис. 3. Траектория движения
ст.-льной сферической частицы
в вихревом слое за 0,5 с.
Рис. 4. Диски, образованны"
ферромагнитными частицами
при коэффициенге заполнения
камеры этими частицами вы-
ше Лкр
метр частицы); V — объем отдельной частицы; ы — угловая ско-
рость вращения магнитного поля; И — напряженность магнит-
ного поля; 1] — вязкость среды; р — плотность среды, рч — плот-
ность материала частиц; Л — момент инерции частицы.
Найти аналитическое выражение такой зависимости весьма
затруднительно, так как большинство перечисленных парамет-
ров взаимно связаны и обусловлены друг другом.
С целью упрощения этого выражения принимают, что
К —Н’)
Л1<р — у ,
К
где V,, — f (/., l/d, V, <», . . ).
Здесь Кч — суммарный объем всех ферромагнитных частиц,
при котором они прекращают движение; — внутренний объем
камеры, находящейся зоне действия вращающегося магнитного
поля.
Из конструктивных и других соображений такие факторы,
как материал частицы и реакционной емкости, напряженность
магнитного поля, скорость его вращения и другие, принимают
строго определенными. Тогда практическое значение имеют за-
Рис. 5. Зависимость Л'кр
от соотношения i/d частиц
никеля в воздухе для раз-
личных диаметров частиц.
висимости /<кр от параметрического
критерия подобия частиц, их объе-
ма и динамической вязкости среды.
Рис. 6. Зависимость Д„_ от l/d.
кр
частиц пнкеля в среде с bjb-
костью 0,038 Па с для различ-
ных диаметров частиц.
На рис. 5—7 приведены зависимости 7(кр частиц никеля и уг-
леродистой стали от l/d и V для вихревого слоя в средах различ-
ной вязкости. Из них следует, что для каждого диаметра час-
Рис. Тлви<-пмосп, /<1;р от l/d
Ч.1СН1Ц никеля диаметром 0,8 мм
в средах , р/’личной вязкостью.
Рис 8 Зависимость 1 р в
01 объем.! Ч.'КТИЦ никеля при
них 11ЛЧСИИЯХ / d.
тип суще- гв' ci такое соотношение l/d, при котором К,. imoct
максимальное значение. При этом с уменьшением диаметра час-
тиц значение /<кр возрастает для сред с меньшей динамической
вязкостью. С увеличением вязкости среды до 0,038 Па с /<кр
для всех диаметров частиц практически одинаков, а в бо.ъ < вяз-
ках средах/<к? возрастает с увеличением диаметра частиц.
Кривые, представленные на рис. 5—7, могут быть описаны
с помощью интерполяционных формул Лагранжа [221 вида
F (х) = а0 + atx + а2х2 + • • • + апхл.
Например, кривая, представляющая зависимость /<кр от
l/d в воздухе для никелевых частиц диаметром 2 мм, может быть
описана следующим образом:
в области 0 < ККр < /С’Г
Ккр = —0,022 + 0.032//J;
вне этой области
Ккр = 14,201 — 0,942//^ + 0,020 (l/d)2.
Пользуясь приведенными выражениями, можно найти /<кр
для любой длины частиц, применяемых для ведения того или
иного процесса в аппарате.
На рис. 8 приведена графиче-
ская зависимость Ккг от объема
ферромагнитных частиц при рав-
ных значениях l/d. Из рисунка
видно, что существует область зна-
Рис. 10. Распределение плот-
ности вихревого слоя частиц
никеля диаметром 1 мм п Дли-
ной 10 мм
а — по длкие рабочей зоны; б —
по пиаметру рабочей зоны.
Рис. 9. Зависимость Д„_ от coot-
ношения l/d частиц никеля в воз-
духе (сплошная линия) и в воде
(штриховая линия) для различных
диаметров частиц.
ченнй объема ферромагнитных частиц (0 < И < 20 мм’), в кото-
рой величина /<кр резко зависит от объема частиц, причем для
каждого значения l/d имеется объем, при котором /<кр Кк\>'
Значительный интерес представляют данные, приведенные
на рис. 9, из которых следует, что в интервале значений / d от
8 до 16 (для частиц никеля диаметром 1 мм) /<кр в воде значи-
тельно выше, чем в воздухе, что противоречит общей тенденции.
Позднее было установлено, что при добавлении в воду, напри-
13
мер, 2% дисперсной целлюлозы /<Кр возрастает еще на 15—20%
177]. Объяснения этому явлению пока не найдено.
Исследованиями установлено, что плотность ферромагнитных
частиц в вихревом слое неравномерна как по длине, так и по
диаметру рабочей зоны. Для примера на рнс. 10 показаны кри-
вые распределения плотности вихревого слоя частиц никеля диа-
метром 1 мм и длиной 10 мм по длине L и диаметру 2R рабочей
зоны. Как видно из рисунка, максимальная плотность вихрево-
го слоя наблюдается в центральной части рабочей зоны, т.е. на
половине длины расточки индуктора. К краям расточки п ют-
ность слоя уменьшается. Кривые по форме аналогичны кривым
изменения магнитной индукции по длине индуктора, чем
и может быть объяснено уменьшение плотности слоя.
УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ВИХРЕВОМ СЛОЕ
Ранее было установлено, что на ферромагнитную частицу в
вихревом слое действует комплекс различных сил, вследствие
чего она совершает сложное движение.
Рассмотрим движение такой частицы массой tn, находящейся
в вихревом слое, созданном однородным вращающимся с постоян-
ной угловой скоростью со электромагнитным полем напряжен-
ностью //. Для j прощения задачи предположим, что все силы
и моменты, действующие на частицу, расположены в одной плос-
кости, а именно, в плоскости действия вращающего момента. Так
как силы притяжения частиц между собой, сила тяжести части-
цы, центробежные силы инерции и силы Кориолиса на не., коль-
ко порядков меньше сил удара, то ими можно пренебречь. Сме-
щающая сила в данном случае равна нулю (поле однородно).
На этом же основании можно пренебречь п моментами, выз-
ванными действием магнитных полей соседних частиц. Тогда в
цилиндрической системе координат движение ферромагнитной
частицы в вихревом слое может быть описано следующей си-
стемой уравнений:
т Г"2) = FГУН + Rгтр + Fгд!
~ — С^уд + + F
— у (7W;>p + Муд 4- 2Итр -|- Мд).
Теоретическое решение этой системы уравнений весьма за-
1рудиителыю, так как большинство величин, входящих в > рав-
нения, неизвестны.
Логично предположить, что частица совершат движение,
если сумма сил и сумма моментов, действующих на нее в вихре-
вом слое, не равна нулю, т. е. если вращающий момент больше
14
суммарного тормозящего момента, а суммарная смещающая сила
больше суммарной тормозящей. Тогда для решения задачи о дви-
жении частицы в вихревом слое, созданном определенным полем
в конкретной среде, достаточно найти общий закон изменения
тормозящей силы и тормозящего момента в зависимости от кон-
центрации, размеров, формы и физико-механических свойств
частиц.
Принимаем, что тормозящая сила
^торм = Лр + Л = /<£',
а тормозящий момент
^торм = Муд + Л1Тр + Мд = КМ',
где К — коэффициент заполнения рабочей зоны ферромагнит-
ными частицами; F', М' — условные величины, зависящие от
размеров, формы и физико-механических свойств частиц и имею-
щие размерность силы и момента соответственно
Тогда уравнения движения частицы в вихревом слое можно
представить в следующем виде:
т = (г — гъ2) = Fry^ — KF г \
~~(r4) = Fvya-KF',-
d = l (Л1гр-яж).
‘2
(13)
При К = г = 0; <р = 0; а = 0; имеем
Fr Уд = KKpF'r, F?ya = KKpF'f; Мвр = ККрМ'.
Определяя отсюда значения F’r, F'f, М' и подставляя в урав-
нение (13), получаем:
Известно, что сумма достаточно большого числа независимых
или слабо зависимых случайных величин, подчиненных каким
угодно законам распределения, подчиняется нормальному за-
кону. В нашем случае величина сил и моментов, действующих
на частицу, зависит от множества различных случайных факторов:
расположения частицы в пространстве, направления вектора
напряженности магнитного поля, состояния среды, ее вязкос-
ти, температуры, скорости движения, расстояния от других час-
тиц и пр. На основании этого можно принять, что величины сил
и моментов, действующих па частицу, подчинены нормальным
15
законам распределения. Тогда функции Fya н М„р можно выра-
зить следующим образом:
Fr уд = Fгnt,
Ff уД = F.^2; 15)
Т/вр ~ Мп3,
где Гs, Л1 — постоянные величины, хардкюри «ующие мак-
симальное значение этих сил и моментов: /г,, п., п3 — случай-
ные функции, подчиненные нормальному закону распределения,
выбранные таким образом, что их произведения соответственно
на Fr, F., М дают текущие значения сил и момента
Тогда в окончательном виде система уравнении движения
частицы в вихревом слое принимает вид
т (г — гф2) = Fr (1 — А пг;
\ Лкр/
т d . 2 . с [, К \ I
у • 57 (г ?) «2 > (1о)
i =
h k Лкр/ 3 J
Пределы изменения функций пи п2, п3 можно определить из
следующих условий. Вследствие большой плотности частиц в
слое каждую из них можно рассматривать как частицу, имею-
щую в каждый момент времени какую-то точку опоры, т.е. как
частицу, вращающуюся вокруг мгновенного центра, совпадаю-
щего с точкой опоры частицы. Тогда центр тяжести частицы при-
обретает окружную скорость в направлении вращения вектора
Н. Очевидно, что центр тяжести частицы движется относительно
центра рабочего пространства в направлении вращения маг-
нитного поля. Что касается радиальной составляющей скорости
центра тяжести частицы, то ее величина в пределах от 0 до
± Смаке является равновероятной. Отсюда следует, что матема
тические ожидания радиальной составляющей скорости частицы
vr и тангенциальной составляющей vf имеют следующие зна-
чения:
т (vr) =0; т (-в?) >Ci. (17)
Поскольку vr и v, взаимосвязаны, то коэрфициепг корреля-
ции не равен нулю.
На основании уравнений (15) и (17), а также с учетом, что
ферромагнитная частица вращается только в сторону вращения
магнитного поля, можем записать
!<«!<!; —с<п„<1; 0 </!., 1, (18)
где |л| " 1.
Для решения системы уравнений (16) необходимо знать
значения вращающего момента, максимального значения силы
удара и частоты ее приложения Частота ударов может быть
Ifi
определена экспериментально, а значение вращающего момента -
следующим выражением:
м (а— 1) мп?
1вр~ (н-Ь*
Bi пичипа максимальной силы удар । определяется и < ус човия,
чго две сталкивающиеся ферромагнитные частицы движутся ва
встречу друг другу, вращаясь в одном и том же направлении,
и соударяются своими концами. Однако па практике часто требу-
ется решение более простой задачи — определения максималь-
ных значений силы соударения и ее частоты в зависимости от
размеров, формы и количества ферромагнитных частиц, так как
этими параметрами в основном определяется скорость многих
процессов в вихревом слое. Методы экспериментального опре-
деления частоты и силы удара приведены в последующих раз-
делах.
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ВИХРЕВОГО СЛОЯ
Вокруг ферромагнитной частицы в вихревом слое возникаю!
локальные электромагнитные поля, которые в основном опре-
деляют структуру магнитного поля в рабочей камере. Величина
амплитуды и частота этих полей зависят от многих факторов
геометрии, материала, скорости, количества и характера движе-
ния ферромагнитных частиц.
Если рассматривать магнитное поле в любой точке рабочего
объема при работающем вихревом слое, то локальные магнитные
поля в ней, созданные воздействием поля ферромагнитных час-
тиц, носят импульсный характер. Правомерность такого утверж
дения основывается на исследованиях [47, 501, проведенных ранее
при определении скорости движения ферромагнитных частиц в
вихревом слое.
Частотные и ампаитудные характеристики электромагнит
пых полей вихревого слоя были исследованы с помощью датчика,
представляющего собой две плоские катушки индуктивности,
вк ! оченные таким образом, чго ЭДС, индуцированные в них от
основной гармонической внешнего по 1я, были направлены встреч-
но и компенсировали друг друга. В резулыате этого были из-
мерены значения ЭДС только от локальных магнитных полей,
вызванных движением ферромагнитных частиц. Размер датчика
был сотмерим с размером ферромагнитной частицы. Хмплпгуд-
ное значение fe-й гармонической ЭДС, индуцированной в датчи-
ке, может быть определено из выражения
- 4„) | 2,
где ЕД f(t, — амплитуда /г-й гармонической; Д„,„ — напряже-
ние на выходе звуков >го генератора, измеренное вольтметром;
Рис. 12. З.и симость . ,, от величины
загрузки чистин никеля и их геомет-
рических размере (< 1 мм, / =*
= 100 Гц).
Рис. II. Зависимость Ет от вели-
чины выделенных частот при раз-
личной величине загрузки никеле-
вых частиц (d —- 1 мм, /= 12}.
Рис. 13. Влияние массы ферромагнитных
элементов на амплитуду ЭДС для различ-
ных частот (rf = 1 мм, //</=12).
ми).
Рис. 14. Влияние cooTnoiiiei ня l/d никеле-
вых частиц и । амплитуду ЭДС для выде
ленных частот (in = 200 г. <7—1
Рис 15. Oi пбаютая максималь-
ных значений ЭДС для выде-
ленной частоты 100 Гц.
Рис 10 Зависимость величины
амплитуды ЭДС. для различных
мак-риал он ферромагнитных на-
стпц от величины их загрузки
для выделенной частоты 100 Гц
(d = 1 мм, I = 12)*
/ — частицы из углеродистой стали;
2 —Частицы никелевые.
Д„П1 — амплитуда напряжения, на осциллографе от звукового
генератора, мм; Дп — амплитуда помех, мм
Величина индукции определяется выражением
р
р,________m(k)
~ 4.44 1/2 /ЛИ' ’
гте/— частота гармонической, Гц; S—площадь тмеригель-
ной катушки датчика, м2; U7 — число витков в п мери тельной ка-
ту IJIKC.
Результаты экспериментальных исследовании приведены па
рис. 11 —12. Как видно из рис. 11, в вихревом слое зарегистри-
рован широкий и непрерывны'!
спектр частот, отличающихся но
интенсивности. При этом сущест-
вует такая плотность вихревого
слоя, при которой ЭДС обладает
максимальным значением (рис
12). Максимальная величина
ЭДС соответствует загрузке в ра-
бочую емкость аппарата ферро-
магнитных частиц в количестве,
равном (0,6—0,85)/<кр. Этет
максимум с увеличением часто-
ты менее выражен (рис. 13)
Отношение l/d также оказы-
8
6
if
2
О
Рис. 17. Влияние диаметра кныме-
иых частиц на величину амплнтхЛы
ЭДС для выделенной частоты
100 Гц
вает существенное влияние на
амплитуду ЭДС. При этом в области l/d = 12 -т- 18 амплитуда
достигает максимальной величины для всего диапазона частот
(рис. 14). Это следует также из рис. 15, где приведена огибающая
всех максимальных значений ЭДС для всего диапазона приме-
няемых соотношений l/d и частоты 100 Гц.
Проверка полученных результатов для другого материала
(сталь сварочная 08Г2С) ферромагнитных частиц (рис. 16) под-
тверждает, что выявленные закономерности характерны для
ферромагнитных частиц, изготовленных из другого материала.
Диаметр ферромагнитных частиц также не изменяет этих зако-
номерностей (рис. 17).
Таким образом установлено, что амплитуда и частота ЭДС,
характеризующая изменения локальных элстромлгнигных по-
лей (.1 следовательно, динамику вихревого слоя), -.авпент в
основном ог плотности вихревого слоя и соотношения l/d. По-
скольку электромагнитные поля могут оказывать существенное
влияние па различные физические и химические процессы в вих-
ревом слое, то приведенные зависимости должны учитываться
в каждом конкретном случае.
11
АКУСТИЧЕСКИЕ КОЛ ЕЕ АТТИЛ СРЕДЫ
Совершая механические, а также магнитострикционные ко-
лебания (из-за отставания в своем движении от движения магнит-
ного поля и вследствие магнптоупругого эффекта [61 при ударах),
каждая ферромагнитная частица является источником акусти-
ческих волн в среде, в кото-
рой обра оттай вихревой слой.
Поскольку в рабочей зоне ка-
меры находятся тысячи час-
тиц, то результирующие па-
раметры акустической волны
в любой точке рабочей зоны
равны сумме этих параметров
для каждой волны порознь.
Амплитуда давления акусти-
1’пс. IS. Зависимость максимальной
амплитуды давлений звуковой волны
mid никелевых частиц при d — 1 мм
Рис. 10. Зависимость максимальной
амплитуды давлении звуковой волны
от массы никелевых частиц диамет-
ром 1 мм и длиной 15 мм в вихре-
вом слое
ческой волны
pOl sin 2-fJ, (19)
где— частота колебаний i-ro
источника; pOl — амплитуда
колебании давления в дан-
ной точке от т-го источника;
t — время.
Исследованию подверга-
лись акустические харакге
рисгпкп вихревого слоя нике-
левых частиц диаметром 1 мм
в воде в рабочей зоне аппара-
та БА-100 1991. Для измере-
ния амплитуды и частоты аку-
стической волны использовал-
ся предварительно оттарпро-
ванный датчик из титаната
бария, который устанавливался в заполненную водой рабочую
камеру аппарата ине вихревого слоя на расстоянии 50 мм от его
границы. Сигнал с датчика через избирательный уститель по ia-
сался па осциллограф С1-49, с помощью которого < проделались
амплитуда, частота и форма исследуемой гармоники
Установлено, что спектр частот звуковых волн в любой точке
вихревого слоя непрерывный и иахоштся в пределах от десят-
юв периодов в секунду до нескольких мегатерц.
На рис. 18—19 приведены тапиенмости максимального ита-
чеппя амплитуды давлении звуковой волны в вихревом слое от
соотношения длины к диаметру и ог массы <|>е цюмагиитных час-
тиц. Максимальные амплитуды давлений оогвегствуют случаю,
г.огда I d = 15 при массе загг>\жаемых частиц т = 200 г.
'На рис. 20 показана зависимость максимального значения
давления акустической волны от частоты колебаний. Особен-
ностью кривых является наличие характерной области с ярко
выраженным максимумом давлений в диапазоне частот от 10 до
15 кГц и тенденция увеличения амплитуд давлении па частотах
выше 90 кГц
Рис. 20. Зависимость ма-
ксимальной амплитуды
давлении звуковой волны
от частоты для частиц ни-
келя диаметром 1 мм дли-
ной 15 мм.
Для всех исследованных случаев, как правило, колебания
имеют сложный характер. Зачастую колебания от каждого от-
дельного источника имеют
затухающий характер (рис.
21, а). На низкочастотные
колебания накладываются
колебания более высоких
частот (рис. 21, б).
Исследованиями уста-
новлено, что даже па срав-
нительно большом рассто-
Рпс. 21. Ei д осциллограммы п мепения
л-вленнп знаковой в лны в вихревом слое
Ч.1СТНЦ пике
1 if ’ м», I I -.1 1 мм
янии от вихревого слоя ве-
личина звукового давления
в воде достаточно большая
(до 98 кПа для частоты
12 кГц), и акустическое
воздействие на обрабатыва-
емую среду в вихревом слое
может окатывать сущест-
венное влияние на скорость
различных физических и
химических процессов.
В результате действия
акустических воли на по-
верхно. ш частиц тверд’й
фаты, в том числе ферро-
матннптых частиц и реак-
ционной камеры, Нмссг место кавитация. С кавнтацпеп связа-
но появление в обрабатываемой жидкой среде ударных волн,
вызванных ’ахлоныьанпем кавитационных полостс" в е ежа
тпя акустической волны. Вбтиит захлспыгшотцс..я пу.*ыр₽ка
в жидкости могут возникать давления несколько тысяч мега-
паскалей (десятки тысяч атмосфер).
Исследованиями установлено, что обра лющчеся при кавита-
ции газовые пузырьки под действием у 1ыразве к.т” ix волн под-
вергаются пульсации с определенной частоте.. 11051.
'.। 3: . ’
где ч = с — отношение удельных ; :
наполнен ну зырш , о — поверхностное н
.к юрым
жеппе; <> — п лотность
жидкости- г — радиус газового пузырька
Д тя каждого дпаме1ра газового пузырька сущее пл огр зоианс-
иая частота В условиях вихревого ело спектр частот акустиче-
ской волны непрерывный. Таким образом, можл > предположить,
что создаются в<е условия для резонаиепг <п тебаний пузырьков
.пологодням тра. Очевидно, пузырек га овершает резонансные
колебания и в том случае, если он обра озли и в процессе кави-
тации, а введен в жидкую среду извне. Опыты показали, что в
вихревом слое газ в жидкости за доли скунды диспергируется
до размеров 0,1—3 мм. Для таких размеров пу зырьков резонанс-
ная частота акустических колебании находится в пределах 10—
100 кГц ! 105]. Как видно из приведенных ранее данных, в вихре-
вом слое именно в этом диапазоне частот наблюдается макси.маль
пая амплитуда акустических колебании.
Акустические волны и вызванная ими кавитация безусловно
оказывают сильное влияние на разрушение (износ) ферромаг-
нитных частиц н внутренней иоверхнопп реакционной камеры.
ПОВЕДЕНИЕ НЕМАГНИТНОЙ ЧАСТИЦЫ
В ВИХРЕВОМ СЛОЕ.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Колебательное, вращательное и not ly.iaie.iwioe движение
ферромагнитных частиц, которые в данном параграфе для удоб-
сгва названы ферромагнитными элементами, а также вращение
всею вихревого слоя в целом обеспечивают интенсивное пере-
мешивание обрабатываемого вещества как в микро-, так и в
макрообъемах 144]. Находящиеся в вихревом слое немагнитные
псщсства могут быть представлены как совокупность определен-
ною количества немагишиыл части.
Сложный характер движения ферромагнитною элемента,
большое количество факторов, существенно влияющих на про-
цесс перемешивания, осложняют теоретическое рассмотрение это-
го вопроса. Отыскание общих закономерностей в этих условиях
зо.’.можно только прп рассмотрении процесса смешения как сто
хастического. Траектория немагнитной частицы, твижхщейся
через вихревой слой, объемна и определяется совок\пносгыо мно-
гочисленных факторов.
Как показывают экспериментальные исследт ания, ш мании
ная частица может двигаться в вихревом слог даже в < лону,
противоположную направлению ее транспортировки ч-
ревой слой. Например, свободно падающая частица н| и юнрн
косновении с движущимся ферромагнитным элементом може,
приобрести скорость противоположную скорости до столкно-
вения, и как бы отражается от вихревого слоя Анатогичные яв-
ления наблюдаются п внутри вихревого слоя. Вследствие этого
продолжительность пребывания немагнитной частицы в вихре-
вом слое значительно превышает время, та которо она иролс
тает расстояние, равное длине вихревого слоя Д 1я примера в
табл. 1 и 2 приведено время, в течение которого свинцовый ша-
рик диаметром 1,75 мм и частицы кварцевого песка адержи-
ваются в вихревом слое длиной 100 мм при свободном
с высоты 2 м
Таблица 1
Продолжительность пребывания
скинцового шарика в вихревом
слое (в секундах)
"в'Е и Загрузка ферромагнитных элементов
<L> -С I о. CL О. сх сх
? X «Я '<
2S О г- *4 О-т CI о «О 42 О о о> с>
1 0,66 1,30 1.81 1,96 2,49
1,2 0,88 2,23 — — —
1,4 1,45 2,07 2,69 3,29 —
1.6 0,9 1,75 1,62 2,21 3,30
2,0 0,79 1,43 1,45 1,98 1,70
Таблица 2
Продолжительность пребывания
частиц кварцевого песка в вихревом
слое
Приведенная в таблице продолжительность получена как
среднее шачение 50 экспериментов для каждого конкретною
режима
В качестве ферромагнитных элементов в экспериментах с
кварцевым песком нсполыовалпсь цилиндрические пик довью
частицы диаметром 1,4 мм и длиной 14 мм.
Из приведенных данных видно, что время пребывания i аг-
иигной частицы г вихревом слое, а следовательно, п травм 'я
се движения при прохождении через рабочею зону анпарчл ”i-
редсляюгся режимами работы вихревою слоя.
Чтобы перейти к построению мод'\з1! процесса переме
пия, принимаем следующие допущения: I) положение в р," и
зоне ферромагнитны^ элементов одного и того же маге, :а,
формы п размеров равновероятно, а характер их движения и ien-
Рнс 2 Ви сбову вихре ю
слоя нпкелеБЫх элементов (по-
лечен методом «.мыораживыитя»
и п .р. финс)
ромагннтных элементов во
тпчен: 2) аксиальное движение (вдоль норм ш к вектору напря-
женности магнитного поля) ферромагнитных элементов отсут-
ств\ет с:..оскля задача). 3) поток немагнпь.ых частиц перпенди-
кул> реп вектору Н.
Второе допущение упрощает решение общеи щдачн, несмот-
ря пт г что за счет случайных столкновений ферромагнитных
элементов наблюдается нет с юрое аксналы ос их движение. Од-
нако учет такого движения чрезмерно у ложняег решение по-
стоянной задачи, 1 эффект, который при эн гложет быть, по ве-
личине незначителен. Статистиче-
ская обработка экспериментальных
данных по износу ферромагнитных
этементов в вихревом слое и ис-
пользование приема оартлета 1851
для оценки однородности получен-
ного ряда дисперсий для изменяю-
щейся в процес се и -носа длины фер-
ромагнитного э темента подтвержда-
ет приемлемость первого допуще-
ния
Разработку модели процесса
премешиваиття производим, основы-
ваясь на физической сущности яв-
лений, которые наблюдаются в ви-
хревом слое,— 1епдечцяи ферро-
магнитных элементен в вихревом
слое к образованию отдельных эле-
ментарных слоев, расположенных
на (пределен пом рл<<юянин дрм
от друга (рис. 22) Такая естест-
венная предрасположенность фер-
многом определяет характер переме-
шивания в вихревом слое [44].
Таким образом, при перемешивании в вихревом слое можно
рассматривать ферромагнитные элементы расположенными па-
раллельными «элементарными» слоями (рис. 23) Частица А сме-
шиваемого материала, транспортируемого через вихревой слой,
поочередно проходит все элементарные слов, задерживаясь в
каждг. з слое на время, определяемое вероятностью проскока этой
частив плоскости вращения ферромагнитных элементов (эле-
меи гарного слоя). В случае, если проскок не состоялся, частица А
снова возвращается в пространство между элементарными слоя-
ми, п процесс повторяек я до проскока. Очевидно, число подхо-
дом частицы А к каждому элементарному слою определяется
:.С| 1110(11.10 СТ Прискока Ч([)С< ЭК*Г СЛОН
)' мо1рим пид ход частицы Л к ферроматнihik му -элементу и
ее г то11<ноьение с ним (рис. 24). Вектор скорости частицы после
столкновения определяется дву 'я составляющими, которые
имеют в горизонтальной плоскости ЛОГ углы уРХ ну.. и которые
24
вызваны соответственно горизонтальной Vx п вертнкалыюи V/
составляющими скорости частицы до соудареню Величина углов
V-..Y и Т z (Рис 25) определяется положением гочю /' (рис. 24)
соударения на поверхности ферромагнитною элемента т. с. \ г-
лом S. В случае, если уго i 0 < о 90е ('.дар над плоско тью
АОК), частица А не проскакивает слон ферромагнитных эле-
ментов и снова поднимается над ним то следующего со' дарен!'
Рис. 23. Формялитсг . пая „.’ль . р-
цесса персгешнвания в гих ером сл< .
При —90 < о < 0 (удар под плоскостью XOY) частица А после
соударения с ферромагнитным элементом проскакивает элемен
тарный слой, в котором этот элемент находится, и переходит к
следующему. Найдем зависимость величины коэффициента за
полнения рабочей зоны камеры ферромагнитными элементами К
от вероятности проскока черен один элементарный слой час ицы
А Для упрощения рассматриваемой модели зам поперек
ное сечение рабочей камеры равновеликим квад 'атом со i ро-
ной о, — 0,8860, где О — внутренний диаметр раоочей ю • ры
Рассмотрим д1 1 вариант заполнения (рис. 26), в частности, н.ь
рнаш. п <ображспнып на рис 26, а. Пес» i юлим i >пы
юцу вращения ферр ч.ннипюго эле.енi. с >6mr.ii и ют .
— рр (I — длина элемента, г,— количество их в одном
элементарном слое) и «мертвую» зон\, попа i «я ю схщц'
ваемые частицы проскакивают слой с веро? тыо, равной
Рис. 24. Схема столкновения части-
цы А с ферромагнитным элементом.
Рис. 25. 1 Управления
горизонтальной vx и
вертикальной vy со-
ставляющих скорости
частицы А после столк-
новения с ферромаг-
нитным элементом.
О Л
Рис. 2(>. К мололи процесса itcpCMeiiiini.iiniH в ппх|« ном слое
J? случ.‘Н, кода зоны врящгипя ферромл iilii пых кп пс пересек и ся;
о — случай, когда зовы вращения ферромагнитных «линт , . р<сикаются.
единице. Определим площадь S, «мертвой» зоны, для чего внутри
рассматриваемого сечения выделим (] — I)2 квадратов со
стороной (/ + х). Площадь S5 приходится па «мертвую» зону:
S5 = (/ + хУ
К «мертвой» зоне относя гея еще два вида областей: S и ,S7,
количество которых соответственно рав :о — 1) 4, а
площади этих зон
SG = (/+x)<:
Общая площадь «мертвой» зоны в сечении
5„ = (1 П1 - 1) S5 + 4 (Vnr - 1) S„ + 4S-
Введем следующие обозначения: Нг — событие, при котором
смешиваемая частица А попадает в зону вращения ферромаг-
нитного элемента; Н2 — событие, при котором частица А попа-
дает в «мертвую» зону; С — событие, обозначающее проскок
смешиваемой частицы через один элементарный слой, Р(Н),
Р(С) — вероятности соответствующих событий.
Из литературы известно 115], что
Р(С) = 2S Р(Н ,)Р(С/Н<). |20)
(=1
Учитывая допущения, принятые ранее, а также выражения
для площадей отдельных зон рассматриваемого сечения, поле-
чим
4л15\ 4S
Р (HJ = ; Р (НА - ;
Р(С/Я,)-/г; Р(С/Я,)=1. (21)
Подставляя значения (21) в уравнение (20) п выполняя соот-
ветствующие преобразования, получаем
p(Q + +1)х’
Обозначаем Р (С) в и решаем уравнение (22) относительно х:
Вдоль стороны а1 квадрата равномерно размешаются | п,
ферромагнитных элементов из общего количества /д, находя-
щихся в сечении:
' 1-—La । (21)
27
Из уравнения (24) следхет
_-//^7
^i + i '
Правые части уравнений (23) и (25) равны, если
(25)
(26)
Чтобы связать вероятность в проскока элементарного слоя
частицей .4 с коэффициентом заполнения рабочей зоны камеры
ферромагнитными элементами К, выразим п, через Д'. Общее
количество элементов слоя
Д' =. плп2, (27)
где -— количество элементарных слоев в аппарате.
При |.тпне рабочей зоны L и расстоянии у между элементар-
ными слоями
л2 = ^. (28)
Поскольку д,
/с = ж- (29)
то па основании уравнений (27), (28) и (29), а также с учетом,
^£)2
что к = l/d и а, — 4 , выражение (26) запишем в виде
о — = 1. (30)
Отсюда для первого варианта (рис. 26, а)
Выражение (31) определяет необходимое значение коэффици-
ента заполнения для заданной вероятности проскока смешивае-
мой частицы через один элементарный слой для случая, когда
х > 0. Если х < 0 (вариант II, рис 26, б), характерными яв-
ляются три зоны: S — зона вращения ферромагнитного эле-
мента без учета перекрывающихся участков с соседними элемен-
тами (Sj, S2, S3); S„ — зона перекрывающихся участков при
вращении ферромагнитных элементов (S4, S5); — «мертвая»
зона (Sn, S7, Sg).
Количество участков S( и их площади приведены в табл. 3.
Обозначим /Д, Н2, Н3 соответственно события, при которых
частица А попадает и зоны S,„ Sn. Вероятиость проскока
элементарного слоя чащицей А при условиях
Р (C/HJ - Л;
Р(С/Нг)=Р, (32)
Р (С/77,) = J-
28
Т аЛлицп 1
Формулы для расчета площадей хчастков и тон мотели смешения
(вариант II, рис. 26, б)
Ь чяс ion Количество участков Площадь участки ПлоЩ • 1Ь зон
5, lZc,-2)2 rd" '1 = -4 ' , = Sj - S-2 + S3 г.Г-
S., 4 ;1/л1 —2) A -^-3S,
— («1 — VHj) а2Р

S, 4 •S3 — 2.5,
I2 1 аг. . \ S„ — 5, Ь,—
А ]/ «1 (]/щ — 1) 51 = 4 < 180 —S,n а)
S, V— 1 ) s-, = s. = («!- ’/п1' 2
т:/2 <; — s, -и S. s. -
S. (/П1- 1)2 Se = (/ - X)2 - т +
. 1'С2 = 1) v-
+ "о — ТАц/р —"4 /I, +
S, 4 (Упл— 1) / (1 - Х) ‘ = '2 + («! — /
-I2 , Ра,
8^2
/2 п/2
Sr 4 >8-T“l6
определяем из выражения (20), как это было сделано выше при
рассмотрении варианта I. Обозначая
^,-31ги = а2, (3j)
получаем
е = ~ ’>x~ 1 t н> + (2~ '
(34)
откуда
V ” I *
(35)
В рассматриваемом случае вдоль стороны at квадрата из об-
щего количества пх ферромагнитных элементов (при расстоянии
29
между их центрами вращения, равном I — х) их может размес-
титься
/
(36)
0Ткулах = -/^=г-
Из выражений (35) и (36) при учете (27) -(29) следует, что
(2 — ЗА) а21"
(1 - Л)
(37)
Как видно из выражений (37) и (31), есть частным слу-
чаем /\ц, когда а-2 = 0.
Таким образом, задаваясь необходимой вероятностью про-
скока через один элементарный слой, можно определить основной
параметр вихревого слоя — коэффициент загрузки К- Все пара-
метры (кроме у и й), входящие в выражение для К, являются
известными.
Определяем значения у и h. Исходя из физической природы
вихревого слоя, считаем, что расстояние между элементарными
слоями ферромагнитных элементов у определяется их критиче-
ской загрузкой в рабочую камеру: количество этих слоев при
загрузке, меньше критической, не изменяется. Изменяется толь-
ко количество элементов в каждом элементарном слое.
Зная значение критического коэффициента загрузки /<кр,
который для определенного типа аппаратов известен, можно рас-
считать соответствующее этому коэффициенту количество фер-
ромагнитных элементов нкр в слое, имея в виду выражение (29):
"кр^
7<кр- D2L
Считая, что на каждый элемент приходится одинаковый объем
рабочей зоны (все элементы находятся в одинаковых условиях),
расстояние между элементарными слоями можно определить как
сторону куба, объем которого равен объему рабочей зоны, при-
ходящемуся на один элемент при /< = Ккр:
з
«кр
(38)
где — объем рабочей зоны.
Параметр Л, входящий в выражение для /<, равный вероят-
ности проскока зоны вращения элемента, определяется харак-
тером относительного движения этого элемента и частицы А.
Величина h. определяется скоростью движения частицы / вдоль
оси 2 рабочей емкости, скоростью вращения ферромагнитного
элемента и его диаметром. Частица / проскакивает юпу враще-
ния ферромагнитного элемента только тогда, когда опа, попадая
в эту юн\, oicToiir от элемента па угол а > ни (рис. 23), кого-
30
рый описывает цилиндрический элемент в своем вращении та
d
время т = ,
Z:'z
в течение которого частица А проходит в плос-
кости, перпендикулярной элементарному слою, со скоростью
vz путь, равный половине диаметра ферромагнитного элемента.
Тогда вероятность столкновения частицы А с ферромагнитным
элементом в зоне его вращения
h'
а вероятность проскока
СОТ
(39)
При частоте вращения магнитного поля 3C00 об-мин и с уче-
том того, что ферромагнитные элементы синхронно вращаются
с полем, to = 314 с-1. Время т определяется видом транспор-
тирования материала через вихревой слой, обеспечивающим
определенную скорость vz, и не может быть более 0,01 с.
Таким образом могут быть определены все параметры, необ-
ходимые для нахождения коэффициента заполнения рабочей
камеры ферромагнитными элементами /ф [см. формулу (31)).
Этот же коэффициент для второго варианта /<ц 1см. формулу (37)]
однозначно не может быть сразу определен, так как параметр
а2, входящий в выражение (37), зависит от а (33), который может
быть определен, когда известно /ц (рис. 26, б). Поэтому коэф-
фициент Ки можно определить путем последовательных прибли-
жений. В каждом конкретном случае, исходя из физической кар-
тины, задаются величиной а и затем вводят поправку на эту
величину с учетом найденной загрузки ферромагнитных эле-
ментов. Затем делается следующее приближение. Такой путь рас-
чета является длительным.
Как показывает анализ, целесообразнее использовать для
/< выражение (31) и для случая, когда х < 0. Вносимая при этом
погрешность вполне допустима для инженерных расчетов. По-
этому в дальнейшем будем пользоваться для К выражением (31).
Проведенный выше анализ выражения (39) показывает, что
т не должно быть больше 0,01 с. Эго накладывает опредслсш ис-
требования на величину скорости, которую должны иметь транс-
портируемые через вихревой слой частицы, чтобы не произошло
«запирания» рабочей зоны В табл. 4 приведены значения этих
скоростей в см/с для различных значений т и диаметров ферро-
магнитных элементов d.
Транспортировка компонентов через вихревой слой с при-
веденной выше скоростью обеспечивает определенную вероят-
ность проскока частицами зоны вращения ферромагнитных
элементов. В табл. 5 приведены рассчитанные по формуле (31)
значения коэффициента заполнения рабочей зоны камеры диа-
метром 6,8 см никелевыми ферромагнитными элементами диа-
метром 0,1 см для различных значений ?. и вероятностей в.
31
Таблица 4
Значения скоростей немагнитных частиц при которых не происходит
занир'ние рабочей зоны
Величина с
d. см 0.0UD5 0.009 0.008 0,007 0.006 J.0G5 001 .поз
0,08 4,21 4,44 5,00 5,72 6,67 8,0 10,0 13,32
0,10 5.26 5,55 6,24 7,14 8,33 10,0 12,5 16,65
0.12 6.32 6,67 7,50 8,56 10,00 12,0 15.0 20,00
0,14 7,37 7,76 8,75 10,00 11,66 14,0 17,5 23.33
0, Hi 8,42 8,88 10,00 11,42 13.32 16,0 20,0 26,67
0,18 9,32 10,00 11,25 12,84 15,00 18,0 22.5 30,0'0
0,20 10,51 11.10 12,50 14,28 16,65 20,0 25,0 33,33
! а 'лица 5
Значение коэффициента заполнения р нюней зоны
ферромагнитными элементами для различных услонии
X оср = 5,26 см/с icp = 16,65 сч/с
| в - 0Л» я — 0.6 в = ол в 0.9 .. = 0.6 - ол
3 0,0083 0,0334 0,0760 0,0264 0,1060 0,2410
5 0,0060 0,0255 0,0570 0,0198 0,0794 0,1810
7 0,0042 0,0167 0,0379 0,0132 0,0528 0,1200
9 0,0028 0,0112 0,0254 0,0088 0,0354 0,0805
11 0,0020 0,0076 0,0174 0,0060 0,0242 0,0550
13 0.0015 0,0060 0,0141 0,0049 0,0197 0,0446
15 0,0012 0,0049 0,0112 0,0039 0,0156 0,0355
17 0,0010 0,0041 0,0089 0,0031 0,0125 0,0228
20 0,0007 0,0031 0,0071 0,0025 0.0098 0,0224
На рис. 27 приведены результаты этого расчета для случая,
когда скорость транспортируемых через вихревой слой частиц
составляет 5,26 см/с. Как видно из табл. 5 и рис. 27, требуемое
значение коэффициента заполнения К для обеспечения необходи-
мой вероятности проскока частицы через один элементарный слой
для Hd = 6 -ь 12 не превышает 0,5 Акр-
На рис. 28 приведено значение необходимого количества
элементарных слоев п2 для обеспечения проскока всего слоя с
вероятностями Р (CiC2 С3...С) = 0,0!. 0,033 п 0,001, вычисленно-
го по 1|юпмуле
л>
Р (С.С, . . . С) = П в,. (40)
1=1
В рьир^я величиной п2, можно добиться исключения свобод-
ного проскока вихревого слоя частицами, обеспечивая их необ-
ходимое перераспределение.
Для дальнейшего анализа описанной модели проц сса не-
обходимо исследовать динамику явлений, связанных с подходом
немагнитных частиц к каждому элементарному слою ферро-
магнитных элементов (для краткости в дальнейшем называемых
этажами). Если вероятность проскока частицей Л каждого эта-
Рис. 27. Значения
коэффициента за-
полнения рабочей
камеры ферромаг-
нитными элементами
для различных ве-
роятное гея проско-
ка частицы через
один элементарный
слой.
жа равна в, то при подходе к нему N час-
тиц часть из них (Ne) проскакивает через
пего, а остальная часть IAZ(1 —в)] отра-
жается от него под определенным углом
к плоскости XOY (см. рис. 25). Анализируя
таким образом подход часгиц к каждому
этажу и обозначая для удобств записи а —
= 1 — в, получаем закономерность в на-
коплении перед каждым этажом определен-
<7 <7 <7 <7 О О
Рис. 28. .Модель потока смешиваемых компо-
нентов в радиальном направлении
ного количества поступающих в слой
частиц при заданной величине в. При
большом числе подходов частиц к каж-
дому этажу устанавливается равновес-
ный режим, при котором количество
подходящих частиц выражается суммой
членов ряда, соответствующего этому этажу (табл. 6).
Перед первым этажом накапливается частиц
А (1 + а ф- а2 + • • • + (411
перед вторым
А’е (I + 2а + За2 + • • • + ia'~i); (42)
перед третьим
Л’в2 1 + За + 6а2 + • • • + a'-"1 J; (43)
перед четвертым
Л’е'р+ 4п+ 1CV- ... _|_H. + lH< + 2|Q,-,j; (44)
перед /-м
Л’в' 11 1 +/«+-•
(15)
Анализ рядов в выражениях (41) — (45) показывает, что
каждый и < • пр' "ст ci'-ет еэб >й абсолютно ‘холящийся ряд
и пет ч- . ..(•< жевнем ь-гтже.ч.. ’ 41)«... топ иг. себя /рас, где
13
Таблица 6
Расчетные формулы для опрегеления режимов движения немагнитной частицы через вихревой слой
СЛОЯ 'ем. ис. 23) под- хода К СЛОЮ Количество частиц, подошедших к слою Количество частиц, отразившихся ог слоя Ьолрчсеico частиц, проскочивших через слой
1 лг Д' (1 — в) = Na Ne
2 TV(l-J-a) Na (1 4- a) Ne (1 4- a)
I 3 N (1 a 4-a* 2) Na (1 4- a -|- a2) Ne (1 4- a 4- a2)
4 К (1 4- а 4- а3 * + а3) Na (1 4- a 4- a2 4- a1) Ne (1 4- a 4- a2 4- a3)
i Д’(1 -|-а 4-а2 4- 4-а/-1) Na (1 4- a 4- a2 4 1- a/-1) Ne (1 4- a 4- a2 4- - + a>~')
1 Кв Nea Ne2
2 Ne (1 4- 2а) Nea (1 4- 2a) Ne2 (1 4- 2a)
11 3 Ne (1 4- 2а 4- За2) Nea (1 4- 2a 4- 3a2) Ne2 (1 4- 2a 4- 3a2)
4 Ne (1 4- 2а 4- За2 4- 4а3) Ne (1 4- 2а 4- + га'-1) Nea (1 4- 2a 4- 3a2 4- 4a;!) Nea (1 4- 2a 4- • 4- га/-1) Ne2 (1 4- 2a 4- "a2 4- 4a:1) V, Ч14-2a 4- 4-'a'-1)
1 Ne~ Ne’-a l\e
О Ne2 (1 4- За) Ne-a (1 4- 3a) , (1 4-3a)
3 Ne2 (1 4- За 4- 6а-) \’e2a (1 4- 3a 4- 6a2) \j ‘(1 3r 4- 6a2)
111 4 Ув- (1 4- За 4- 6а2 4- Юа1) Ne2 р 4- За 4- 6а2 4- 4- 4-! V +21 а/-11 1 21 ] Ne2a (1 4- 3a 4- 6a2 4- 10a1) Ne2a p 4- 3a 4- 6a2 4- 4- 4. LLi-12 ai-*1 1 21 J Д/в‘ (1 4~ 3a 4- 6a2 4* 10a") №" p 4- 3a ' 6a 4-
IV
1
2
3
1
W
Ле (1 -|- 4а)
Д'у (1 -I- 4а + Юа2)
.Ve" (1 + 4а + Юа2 + 20а:)
Л'е1 р + 4а + 10а2 4* +
4-c+i)«+aa/-ii
3' . I
Д7в3а
Л'у’а (1 + 4а)
Ne2a (1 4а + 10а2)
Ne'a (I +4а + 10а2 + 20а )
Ne’a р + 4а + 4-
+ L('+0 (' + 2) 1
‘ Ч'
Nef
N <’ (I + 4а)
Д,' (1 + 4а + 10а2)
Ne' (1 (- 4а -|- 10а2 4* 20а!)
Ne' р л- 4а + • _|_
л- ' (' + 1) (' + *) а,-.1
1
2
3
4
Ne1-1 1
Ne' *a (1 4- ;a)
Ke‘ 'a p in (14 1) .1 2- °']
\'e ~'a p a 4- г U 4~ И 9»
. .4'0 i) (' +211
1 31 '
. 1 1 | ;a 4- 4-
Л'е'-1
Ne’~l
- ’ а'
Л’в'
А'й' (I + /а)
Л«'р+/а
Ve/p + ,a + 'JHll)^ +
, I U + 1) и + 2) 1
"Г --------—------а
Л'н' р ,4- 4-
' (' •- 1) (г - -2)
--------:-----------
/ — помер этажа. Сумма членов первого ряда, чдены кт гооого
представляют собой бесконечно убывающую геомегричаск про
грессию, знаменатель которой равен а, имеет вп i S, = | - ,-;)
Гогд сумма чтенов любого /-го ряда S, 1 :(! — ,.Р.
Учитывая, что а = 1 —в, окончательно полхчасм
S, = (16)
в
Тогда количество частиц, подходящих к каждому этаж\,
равно Nle, из которых (1—e)eN снова отражается, а ,¥ частиц
проскакивает к следующему слою. Следовательно, между сосед-
ними этажами постоянно находится Nle частиц Значит, среднее
время пребывания отдельной частицы между этажами можно
определить как отношение количества частиц, находящихся меж-
ду этажами Nt'le, к количеству вновь поступающих в единицу
времени (Д/шт/с), т. е.
(47)
где t — время, в течение которого частица пролетает расстоя-
ние у в свободном падении с начальной скоростью, равной пулю.
Значение I' определяется по формуле
Г = (48)
Количество частиц, подходящих к очередному этажу при про-
изводительности N шт/с для различных значений в, приведено
в табл. 7.
Таблица 7
Зависимость количества немагнитных частиц, накапливающихся
перед каждым этажом, от вероятности проскока их через этаж
Вероятность про- скока через один ЭТ.1Ж, в 0,1 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Количество частиц, накапливающихся перед этажом 10W З.ЗЛ' 2У 1,07/У 1.4W 1.25У 1.1Л7
Объем рабочего пространства между этажами, определяемый
значениями п2 и у [см. формулы (28) и (38)1, накладывает опре-
деленные ограничения на количество частиц, которые могут в
нем находиться. Если обозначить объемный расход вещества че-
рез вихревой слой Q, расстояние между этажами через у, среднее
время пребывания частиц между этажами то это ограничение
можно записать с учетом выражения (47) в виде
... у (49) Q r-d' (56)
Совместно с соотношениями (27), (28), (31), (38), (39), (40),
(47) выражение (50) связывает основные параметры вихревого
слоя при перемешивании. Однако указанные соотношения опре-
деляют процесс при движении смешиваемых компонентов вдоль
осп Z, т. е. вдоль оси рабочей камеры. При непрерывной подаче
в рабочую камеру смешиваемых компонентов концентрация их
вдоль оси этой камеры не изменяется (при стабильной работе
дозаторов) и определяется соотношением компонентов на входе
в рабочие камерх. Качество же перемешивания определяется сте-
пенью перераспределения частиц смешиваемых компонентов в
плоскости, перпендикулярной к оси камеры, т е. в радиальном
направлении. Процесс перемешивания можно считать закончен-
ным, когда в своем движении вдоль рабочей камеры компоненты
равномерно распределяются по всему ее поперечному сечению.
Поэтому необходимо, наряду с рассмотрением закономерностей
в продольном движении смешиваемых частиц, рассматривать
также движение их в поперечном направлении.
С этой целью для упрощения представим весь рабочий объем
камеры в виде равновеликого прямоугольного параллелепипеда
с квадратом в основании, имеющим сторону (см. рис. 26).
Разделим этот параллелепипед плоскостями, параллельными
одной из сторон основания, на п равных частей (ячеек). Тогда
реальный поток материала в радиальном направлении мож( г
быть заменен потоками между этими ячейками.
Для установления отклонения режима движения частиц сме-
шиваемых компонентов в реальном аппарате от идеального, опи
сываемого потоками идеального смешения или вытеснения, не-
обходимо сравнить соответствующие кривые функций распреде-
ления времени пребывания в аппарате и их моменты. Наиболее
распространенной характеристикой является второй момент —
дисперсия [30], которая характеризует разброс рассматриваемо!!
величины около среднего значения при непрерывном распре
делении для конечного числа эквидистантных точек. Величина
дисперсии определяется по формуле
fif(*i)
а2
(51)
Для дисперсии распределения времени пребывания в аппа-
рате (с2)
а2
--fit
(52)
Здесь С( — концентрация трассера в выходящем потоке в мо-
мент времени
Дисперсия о2 в безразмерном времени
° =
(53)
37
Здесь г —среднее время пребывания материала в рабочей
зоне камеры:
(54)
Используя формализованную модель процесса персраспре-
дслепня^смепшваемых компонентов в радиальном направлении
(см рис. 26), модель потока можно представить в виде ряда аппа-
ратов идеального смешения, соединенных последовательно в це-
почку и имеющих обратное перемешивание между ячейками (см.
рис. 28).
Количество ячеек идеального смешения п может быть опре-
делено через второй центральный момент (дисперсию), который
для ячеечной модели с обратным перемешиванием при равен-
стве потоков циркулирующих между ячейками, имеет вид (для
п-н ячейки)|81
- = 1[з (н + 1)+ — (55)
Анализ модели осуществим с помощью математического ап-
парата цепей Маркова [30], так как вероятность нахождения час-
тицы в ячейке через (т + 1) переходов определяется только веро-
ятностью ее нахождения через т переходов в ячейке i и вероят-
ностью Рц перехо ia ее из t-и ячейки в /-ю. Вероятности Pj
определяем из принятой выше гипотезы о равновероятности по-
ложения частицы в слое. Тогда матрицу переходных вероятнос-
тей запишем в виде
2- 0 ° 0 0 ... 0 0 0 0
у | о о о ... о о о о
0 -J 4 V 0 0 • • • 0°°0
о о о
(56)
ооооо о
о о о о о о ... о ' 1 ’
о • о
0 0 0 0 0 0 ... 0 0 ' '
Первая и и-я ячейки рассматриваемой модели являются от-
ражающим экраном. Выбираем время перехода таким, чтобы час-
тила за один переход могла перейти только в одну из соседних
ячеек (г — 1) или (t + 1) пли остаться в ячейке Принимаем,
что в начальный момент времени ключевой ' ninoimi г находится
в первой ячейке. Тогда вектор начального распределения этого
компонента по ячейкам запишется в виде
г(0) = [1, 0, 0, ...» 0]. (57)
Матрица (5G) и вектор (57) полностью определяют состояние
системы через nliev переходов [301:
Р) -'(0)Р"п₽р. (38)
При п -> со вероятность нахождения ключевого компонента
в каждой моделирующей ячейке стремится к определенному зна-
чению. Окончание процесса смешения соответствует моменту,
когда после некоторого числа переходов вероятность нахожде-
ния ключевого компонента в ячейке не изменяется. В табл. 8
приведены результаты расчета рассмотренной выше модели про-
цесса, проведенного на ЭВМ для различного количества ячеек.
Зависимость числа переходов от количества ячеек моде ш
п 4 5 6 7 * 9 10 13
Лпер 28 4G 70 102 134 233 271 316
Величина пПер. найденная в результате анализа рассмот-
ренной модели, есть не что иное, как количество изломов
пространственной траектории частицы ключевого компонента, ко-
торое определяется количеством соударений частицы с ферромаг
нитным элементом в каждом этаже вихревого слоя. Число ссуда
рений в каждом этаже определяется числом подходов птд этой
частицы к этажу. Если вероятность проскока частицы через этаж
ферромагнитных элементов при каждом подходе ее к этажу равна
в, то число подходов, которое производит частица, чтобы с ве-
роятностью, не меньшей Рпод, можно было утверждать, чго прос-
кок произойдет, можно найти следующим образом 1841:
„ 'П (1 6ПОД)
ПОД ~ In (1 — «)
Время перехода из ячейки в ячейку с учетом уравнений (47).
(48) и (59) можно определить из выражения
д/ ____ Ч _ (
Имея параметры модели и применяя математический аппарат
процессов Маркова, определяем необходимое количество пере-
ходов »пср. Тогда, зная количество переходов, необходимое время
(60)
39
преГ। тання cvcinui . мых частиц в вихревом
шит.лшя .южни оп] с-делп 1Ь из выражения
( — zznc.pA/
р (время нереме-
(61)
етом хравнения (31) последнее выражение имеет
.... (I — h)
In Ю-~п —-—
/</=v(i /от ~ ; •
вид
2у
У
(62)
под-
пего параметры полностью определяют режимы
у определяются размерами элементов; К — вели-
Входящие в
смешения: X, /,
чиноп их загрузки в рабочую емкость; h — характером транспор-
тирования смешиваемых частиц через рабочую камеру |см. урав-
нение (39)]. Величина лпер определяется параметром модели iit,
значение которого для различных режимов работы слоя для ни-
келевых элементов приведены в табл. 9 и 10. Данные таблиц по-
лучены путем экспериментального определения кривой отклика
системы на различных режимах работы аппарата В А-100 на им-
пульсное возмущение.
Таблица 9
Зависимость параметра модели от величины коэффициента заполнения
рабочей зоны никелевыми элементами при I'd — 10.1
Величина коэффици- ента заполнения рабочей зоны О’^кр «•ЗАкр 0ААкр °'™кр 0.9Акр
Количество ячеек, п 14 12 8 (> г>
7аблица 10
Зависимость параметра модели от величины ltd никелевых элементов
при К -- 0.6/7
Значение соотношения l/d 5,29 8,00 10,1 13,8 16,0 17,8
Количество ячеек, п 6 6 7 12 15 22
с.:;. необходимое время перемешивания, можно варьиро-
вать кп 'труктивными параметрами (длиной раб, --и юны или
диаметром рабочей камеры). добкг.лясь ксобх< пмых качества
смеси и производительности.
УДАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ
В ВИХРЕВОМ СЛОЕ
Описанная выше динамика вихревого слоя ферромагнитных
элементов определяет характер ударных взаимодействий этих
элементов как между собой, так и с немагнитными частицами
веществ, находящимися в рабочей зоне камеры.
При рассмотрении описанного выше процесса перемешивания
взаимовлияние ферромагнитных элементов на характер их дви-
жения не учитывалось. Такая идеализация реальной картины,
применяемая для анализа
процесса перемешивания в
вихревом слое, является
недостаточной при рассмот-
рении других явлений,
имеющих место в вихревом
слое. В этом случае более
реально можно описать по-
ведение ферромагнитного
элемента, рассматривая его
в стесненном состоянии.
Это можно моделировать
движением элемента, рас-
положенного между двумя
плоскостями, расстояние
между которыми h меньше
длины I этого элемента
(рис. 29). Векторы напря-
женности электромагнит-
ного поля Н и магнитного
Рис. 29. Схема движения
него элемента в условиях
ферром.э! нит-
естествеиного
движения.
момента ферромагнитного элемента Л1 для различных значений
времени Ц, /2, ... ,/(- занимают соответственно положения
Но, Ни , Д- и М„, Mlt М2, .... М,.
Вектор И вращается с постоянной угловой скоростью со.
Отсчитывая его положение от оси X, с учетом начальных условий
получаем
+ = '-ро + ,
(63)
гдеф = со.
Вектор М, составляющий с осью X угол <р(Мп и <р0 — их
начальные значения), вращается вокруг оси Z (перпендикулярной
к плоскости рисунка). Скорость вращения н угловое ускорение
определяются разностью ф — <р. В случае, если эта разность
равна 90э (ф — ср = 90° при величине относительной угловой
скорости между И и Л1 в этот момент больше нуля), вектор ме-
няет свое направление на противоположное, г. е. происходит
перемагничивание ферромагнитного элемента.
41
Уравнение углового движения ферромагнитного элемента в
соотж iCTBiiii со схемой рис. 29 может быть записано в виде
/is = МН sin (<р — -у)
ЧН /СОХ
или при а - — с учетом уравнения (ЬЗ)
Ъ — a sin («><—а <о). (61)
В момент перемагничивания (/ Л1СР)
<р = &UCP "Ь ”. (6о)
i\ м того, при достижении ферромагнитным элементом
угла I, = Чмакс "а счет наличия углового ускорения происходит
удар, в результате которого в этот момент (/ tVR\ угловая
скорость элемента изменяет свое _
направление на противополож-
:i.,.c. г е. в момент t = tyR
'? = - ?хд- (Ьб)
Таким образом определяются
все условия движения ферро-
магнитного элемента в случае
Рис. .31. Зависимость частоты ударов
в вихревом слое от величины загрузки
ферромагнитных э. кментов в рабочую
емкость.
Рис. 30. Зависимость средних зна-
чений частоты ударных воздействий
/ (/) и максимальных значений
угловых скоростей <?макс (2)
цилиндрического ферромагнитного
элемента от степени стесненности h.
стесненного движения. Уравнения (63), (64), (65), (66) описы-
вают это движение.
Решение уравнения (64) путем численного интегрирования по-
казывает, что частота удара ферромагнитного элемента зависит
от степени стеснен пос тн движения h, которая, в свою очередь,
полностью определяется коэффициентом К загрузки ферромаг-
нитных элементов в рабочую камеру. Величина этих воздей-
ствий (рис. 30) также определяется величиной ко-^|х|111цпсита
/\. Эти воздействия пропорциональны ударному импульсу, а еле-
42
дователыю, угловой скорости. Наличие максимумов fill) и
свидетельствует о том, чго существуют значения коэффици-
ента загрузки К. при которых достигаются наибольшая частота
ударных воздействий п наибольшая сила у тара, причем эти мак-
симумы достигаются при различных .печениях /г
Выявленная картина процесса ударного взаимодействия час-
тиц свидетельству ci о широких во •,можно гях ви хревого ело ,
в котором выбором режимов можно
добиться получения того пли ино-
го эффекта. Экспериментально!
определение частоты и силы ударов
Рис. 33. Зависимо, гь мп: миль-
ной силы удара в с.,1\|'С'1‘ом слое
от соотношения I d частил нике-
ля диаметром I мм при п\разной
массе.
Рис. 32. Зависимость максимальной силы
удара в вихревом слое оi ыгру тки частиц
никеля диаметром I мм при различных
значениях соотношения I'd.
ферромагнитных элементов в вихревом слое подтверждает пра-
вильность сделанных ранее выводов.
На рис. 31—33 приведены графические зависимости частоты
ударов частиц никеля от величины загругки их в рабочую каме-
ру аппарата ВА-100 и зависимость максима гыюй силы удара в
вихревом слое от величины загрузки и соошошения l/d. Измере-
ния проводились с помощью специально изготовленного дат-
чика нз титаната бария, размеры которого соизмеримы с раз-
мерами ферромагнитных элементов. Анализ приведенных дан-
ных свидетельствует о том, что максимум количества ударов
приходится на диапазон соотношений I'd = 6 -к- 10 и загрузку
ферромагнитных элементов, равную (0,7 -к- 0,95) /<кр, а макси-
мальные ударные воздействия соответствуют hd = 13 -к- 17
загрузке (0,5-к- 0,7) /<кр. Эти выводы согласуются с результа-
тами, полеченными ранее при исследовании частотных и ампли-
тудных характеристик локальных магнитных полей. Следова-
тельно, варьируя режимом работы слоя, можно обеспечить
«жесткий» и «мягкий» режимы взаимодействия и добиваться полу-
чения продукта необходимого качества.
43
Описанное выше взаимочействпе между частицами в вихре-
вом слое приводит к интенсивному измельчению веществ в тоне
вихревого слоя 129; 38; 47; 59]. Этим обусловлена возможность
применения вихревого слоя в качестве эффективного средства
для измельчения. Совокупность переменных нагрузок и малых
поверхностей контакта при соударении в условиях воздействия
электромагнитных полей на ферромагнитные элементы обеспе-
чивает вихревому слою особые качества. Установлено, что обра-
ботка многих материалов в этом слое приводит к последствиям,
которые зачастую превышают эффекты, вызванные диспергиро-
ванием их в традиционных аппаратах [28; 60; 62]. Эффект измель-
чения определяется характером движения ферромагнитных эле-
ментов в рабочей камере аппарата. Измельчение частицы может
произойти за счет свободного удара этой частицы о ферромаг-
нитный элемент или за счет стесненного удара между двумя
ферромагнитными элементами.
В первом случае для того, чтобы разрушилась частица, необ-
ходимо, чтобы ее скорость относительно ферромагнитного элемента
была достаточной для ее разрушения, т. е. однократное разруше-
ние частицы происходит только в том случае, если величина ки-
нетической энергии Д7\ затраченной на преодоление внутренних
сил сцепления, превышает необходимую для однократного раз-
рушения величину работы.
2,. 2
С V О ОТ
Д _ Р______Р_
р — 2£ “ 2£д ’
где Стр — предел прочности материала частиц при сжатии; т —
масса частицы; у — плотность материала частицы; Е — мо-
дуль упругости материала частицы; V — объем частицы.
Таким образом, условие разрушения частицы может быть за-
писано в виде
2
(67>
Учитывая, что
СТО-
ДТ = -^р(1-е2),
из условия разрушения следует
fp > Ср £; /_1е-2) • (68)
где Ср — скорость частицы, необходимая для ее разрушения при
столкновении с преградой; в — коэффициент восстановления,
характера тующпн природу сталкивающихся юл; g—ускоре-
ние силы тяжести.
Анализ выражения (68) показывает, что в вихревом слое раз-
рушение .та счет свободного хдара маловероятно, так как извест-
но I 18. .>11, чц> скорость движения ферромагнитною элемента
вихревом слое составляет до нескольких метров в секунду.
•11
Необходимые скорости разрушения составляют [6-Ч-
угля — 12 м/с, для гранита — 12 м/с, для кварцевою песка -
34 м/с, для чугуна — 32 м/с. Однако несмотря на недостаточные
(менее 10 м/с) скорости движения ферромагнитных элементов в
вихревом слое, в нем интенсивно идет измельчение. В табл. 11
приведен гранулометрический состав кварцевого песка, измель-
ченного в вихревом слое в течение ратличпого времени. Исход-
ный размер частиц песка -1-500 мкм.
Та'лица 11
Гранулометрический состав кварцевого песка,
измельченного в вихревом слое
Ри 5Мер фрак- ций, Количество леска по фракциям, %, при различной продолжи Размер фрак ций. КоЛИЧСС! !•<- 11<*СК«1 по -Ьрчклияч.
%. vej при различи 1Ы1ОСТИ И3\ч л ЯродО +
тельноетг измельчения мин хчени* TIP
МКМ 1 3 7.3 10 мкм 1 я Я 7.5 '0
+500 14 13 6 3 1 4-100 5 5 3 I 1
! 200 62 34 15 3 1 +63 9 4 5 3 2
+ 160 3 2 I 0 0 —63 14 42 70 90 0.5
Очевидно, измельчение идет не за счет свободного, а за счет
стесненного удара, т. е. между двумя соударяющимися ферро-
магнитными телами.
Малые поверхности контакта при ударе и случайное положе-
ние точки удара относительно оси симметрии сталкивающихся
ферромагнитных элементов способствуют тому, что даже при
небольших скоростях столкновения развиваются большие
усилия.
Для разрушения материала большое значение имеют продол-
жительность действия силы и частота ее приложения. 11змель-
чение частиц твердых материалов тем интенсивнее, чем большая
к ним прикладывается сила [112], чем меньше продолжитель-
ность действия этой силы и больше ее частота воздействия 12;
52], т. е. чем выше энергонапряженность процесса 178; 79]. В слу-
чае вихревого слоя энергоиапряженность процесса полностью
определяется размером, материалом и массой ферромагнитных
элементов, загруженных в рабочую емкость (при заданной на-
пряженности электромагнитного поля). Экспериментальными ис-
следованиями доказано, что максимальная скорость диспер-
гирования как самих ферромагнитных элементов, так и частиц
твердой фазы в жидкостях соответствует случаю максимальных
значений величины ударной силы и частоты ее приложения. На
рис. 34 и 35 показана зависимость скорости измельчения частиц
никеля и окиси магния (изменение относительной вязкости)
в воде or Z/d. Как видно из рисунков, измельчение с наибольшей
скоростью идет при I'd = 10-4- 15. Аналогичные данные полу-
ч 411,1 при исследовании скорости измельчения кварцевого песка
(рис. .’Си.
45
Fla рис. 37 приве дено пропен гное содержав -е исследуемых
фракции кварцевого песка после диспергирования > ечетпте
1 мин при коэффициенте загрузки рабочей емкости ферромагнит-
ными элементами К = 0,2 /\'кр и заполнении рабочей емкости
кварцевым песком <2 — 0.1 <\р (где <?!ф— масса кварцевого
1 ’ 1 • ' 1. М11ЧС( I вл
it • НИКС. в впхре-
l и: .. te oi сн ношения l/d для
о 13 лич. юн продолжительности
диспергирования.
кости <\ 'ПСИ 4'1! ( к.. г-
ПИЯ ОТ / d Hpl .U’.l’.k I ГрО-
ванип се в течение мин
в вихревом елее пчкслсьы
ЧЛСГНЦ Д1ьСЬ‘Г1)ОМ I м"
песка при заполнении рабочей емкости). Оптимальный диапазон
ч i нов ферромагнитных элементов, как видно из приведенных
зависимостей, лежит в области d = (1,4 -t- 1,9) мм. Увеличе-
ние заполнения рабочей емкости кварцевым песком, как и сле-
довало ожидать, отрицательно
Рис 36 Влияние соотношения l/d
г'ерромягннтных частиц на интенсив-
ность диспергирования кварцевого
песка (t = 5 мин, К — 0.6К d =
1,4 мм, Q = 0,5(?Kp).
дел Q определяется из условия
влияет па скорость диспергиро-
вания. Интенсивность дисперги-
рования кварцевого песка в те-
чение 5 мин ферромагнитными
элементами с размерами d —
— 1,4 мм и I - 14 мм при /\ —
— 0,(> /<К1, при заполнении рабо-
чей емкости кварцевым песком
выше Q = 0,3 <2к;> значительно
снижается (рис. 38). При запол-
нении кварцевым песком выше
0,т QKp вести диспергирование
нецелесообразно, гак как влия-
ние среды па динамику вихре-
вого слоя становится довольно
значительным и процесс проте-
кает неэффективно. Нижний пре-
максимально возможной произ-
водительности аппарата: достаточно высокая эффективность
процесса, как это следтет из рис. 38, обеспечивается при Q =
= (0,3 ~ 0,5)6),.,,.
46
Интервал оптимальных значений величины загрузки рабочей
камеры ферромагнитными элементами (рис. 39), полученный
при диспергировании кварцевого песка [/< = (0,5 -х 0,7) ЛкР1.
совпадает с интервалом для максимальных ударных воздей-
ствии. Что же касается оптималь-
ного интервала соотношения //ci, то
в случае диспергирования кварцевого
песка он составляет lid =10-5-13
(см. рис. 36) и отличается от величины
этого интервала, полученной для мак-
симальных нагрузок (lid = 13-5- 17)
и максимальных частот приложения
нагрузок (l/d = 6-5- 10).
Анализ зависимостей (см. рис. 36)
свидетельствует о том, что при малых
Pl Ьлнян; д .<• •. । '
1 эмдгнитн’."i стиц и । ин-
тенсивность ДПСП1 ргр ОГЭИИЯ
соотношениях l/d измельчение проте- кварцевш <-ка
кает медлепее, по доля мелкодисперс-
ной фракции более значительна, чем для больших соотпои ни
l/d. Так, для l/d = 5 при общем количестве фракции — 511 мкм
84%, доля фракции — 63 мкм составляет 47,6',’о, для /</=15
при 93% фракции — 500 мкм эта доля равна 45,1%, а для
l/d — 18 при общем количестве фракции — 500 мкм 89’<> доля
Рис. 38. Влияние коэффи-
циента заполнения рабо-
чей емкости обрабатывае-
мым материалом на интен-
сивность диспергирования
кварцевого песка
Рис. 39. Влияние ко-фЬнцн-
сита загрузки ферромагнит-
ных частиц иа интенсивность
диспергирования кварцевого
песка (/ = 5 мин, d — 1,4 мм,
Q = O,5QKr).
фракции — 63 мкм составляет всего 5,6%. В оптимальном
режиме при максимальном выходе фракции — 500 мкм, рав-
ном 95%, доля фракции — 63 мкм составляет 78%. Таким
образом, слева от максимума кривых (см. рис. 36) доля мел-
кой фракции выше, чем справа. Это прямое следствие высокой
частоты ударов, которая характерна для значения l/d 10 (см
рис. 31). Значит, оптимальным диапазоном Id для получения
47
общего эффекта измельчения, как и следовало из предыдущих
исследований, является lid - 10ч- 15. Однако условие получе-
ния максимума мелкодисперсной фракции требует определенного
сочетания наибольших нагрузок и частоты их приложения, что
соответствует значениям I d — 10 -г- 13.
АКТИВАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В ВИХРЕБОхМ СЛОЕ
Удельная мощность, подводимая к единице обье.ма, снимае-
мого вихревым слоем, достигает величины порядка ПР кВт м1.
Это па несколько порядков выше, чем, например, в рабочей ,<опе
вибромельниц. Кроме того, подводимая извне энергия локализу-
ется в отдельных зонах, например, в местах соударения ферро-
магнитных частиц, где удельная мощность достигает чрезвычай-
но больших значений. В зоне удара создаются условия для про-
текания таких физических и химических процессов, которые
в обычных условиях затруднены или невозможны, т. е. дефор-
мируется кристаллическая решетка твердых тел, резко увели-
чивается химическая активность веществ, степень диссоциации
и др.
В местах соударения ферромагнитных частиц могут возникать
давления до тысяч мегапаскалей. В таких условиях свободная
энергия вещества намного увеличивается [191. Рост свободной
энергии обусловлен также воздействием электромагнитных сил.
Следовательно, действие вихревого слоя па различные систе-
мы может привести к существенному изменению состояния этих
систем. Если, например, обработке подвергнуть насыщенный
раствор, условием равновесия для которого является равенство
химических потенциалов рж = рт, то это равенство будет на-
рушено. Влияние вихревого слоя на разные компоненты раство-
ра будет различным, т. е.
^Р1 ^р2 ‘ ' ^Рп-
В условиях вихревого слоя для этой же системы условие рав-
новесия запишется в виде
рж Г -^рж — рт ~Е *^рт
или
пс “ [хт. вс*
Поскольку для этой же системы вне вихревого слоя выпол-
нялось условие рж = дт, то в вихревом слое могут иметь место три
СЛучаЯ. рж „с рт. пс, Рж. пс рт. вс, рж. рт. вс-
В первом случае растворенный компонент должен перейти
в твердую ф.иу, во втором рас творимое п. увелпчвваеггя, п
часы, твердого гачцества переходи! в раствор, в iprii.. рав-
новесие не нарушается.
Экспериментальные нес. доьачп ’ paciuonir. < ш-
а и „I, ь ; । xi'i iMMc.liii’.j ip> Mjiiii.iIII.,’, u i а > ' . л-
хлорндпым покрытием в дистиллированной воде при 25э С под-
тверждают эти выводы. Сравнительные данные по растворимости
некоторых веществ в вихревом слое и вне его приведены в
табл. 12.
Растворимость веществ в вихревом слое не является величи-
ной постоянной п зависит, как и следовало ожидать, от целого
ряда факторов: плотности вихревого слоя, количества, формы
п размеров ферромагнитных частиц, их магнитных свойств и
Рис. 40. Зависимость раство-
римости СаСО3 от соотноше-
ния lid частиц никеля при
времени обработки в вихре-
вом слое 60 с и массе загруз-
ки частиц 200 г.
Рис. 41. Зависимость растворим i-
сти СаСО3 от величины загрузки
никелевых частиц при lid = 12 и
времени обработки 20 с
шенин фаз Т : Ж = 1 : 2 и температуре 25° С. Кривые раствори-
мости обладают максимумом при Ud — 10—15 и массе частиц
200 г (для аппарата ВА-100). Это вполне согласуется с данными
по исследованию силы и частоты ударов ферромагнитных частиц,
а также частотно-амплитудных характеристик электромагнит-
ных полей вихревого слоя. Очевидно, в этих условиях, когда
сила и частота ударов ферромагнитных частиц п величина маг-
ии гной индукции обладают максимальными значениями, обраба-
тываемая система подвергается самым сильным воздействиям.
Интересно, что растворимость веществ, полученных в вихревом
слое, отличается от растворимости таких же веществ, образо-
вавшихся вне вихревого слоя. Карбонаты металлов, например,
обладают повышенной растворимостью, а гидроокиси — пони-
женной. При этом растворимость зависит, как и в предыдущем
случае, от массы, формы, размеров и магнидных свойств ферро-
манштных частиц. Растворимость карбоната кальция, получен-
ного в вихревом слое ферромагнитных частиц из никеля, увсли-
ч п вас гея в 1,5 раза, а из углеродистой стали в 3- 1 ра а го
сравнению с контрольным образцом. Растворимость гидрата оки-
си кальция уменьшается на 30% в случае применения частиц ни-
келя диаметром 1,2 мм и длиной 30 мм и увеличивается, .. ;н
диаметр частиц 1 мм и длина 15 мм.
1
19
Таблица II
Растворимость Са (0Н)2, полученного
в вихревом слое*
Характеристика ферро- магнитных частиц Расп ориvoert ( ри 23 С. г на 1000 г Н,О. при Р' чин’! м.л ее |)срромтг пят- 1Н.П Ч1С1IH1 1
Матер ин л Размеры 50 150 330 250
Никель d = I мм 1 — 3 мм 1 - 7 мм Z = 15 мм Z = 17 мм 0,8.48 1,036 1,095 0.844 0,858 0,740 1,115 0,859 1,181 0,903 1,288 0,888 1,0.16 0,837 1,362 1,124
Сталь d = 1,2 мм Z = 8,4 мм 1 = 18мм 0,859 0,962 0,829 0,800 0,800 0,977 0,881
• Растворимость Са (OH)t, полученного вис вихревого
слоя, составляет 0,17 г на 1000 г Н2О.
Таблица 12
Сравнительные данные
по растворимости
веществ в вихревом слое
и вне его
Вещество. Растворимость, г на 100 i 11,0
в вих- ревом слое вне вихре- вого слоя
FeSO, 28,9 26,5
iX’iSO, 90,98 86,9
CuSO, 41,6 38,2
CaSO, 0,401 0,404
CaO 0,186 0,182
Ba (NO3)„ 10,54 9,7
CaCO3 0.023 0,014
Таблица 14
Растворимость СаСО3, полученного в вихревом слое*
Характеристика ферромаг нитных частиц Растворимость СаСО8 при 25° С, г на 1000 г HfO. При массе ферромагнитных частиц, г
Материал Размеры 50 100 150 200 250
Никель d = 1 мм 1 — 3,2 мм 0,130 0,104 0,106 0,104 0,104
1 — 1 мм 0,09 0 09 0,13 0,094 0,11
Z = 15 мм 0,104 0,114 0.083 0,112 0,144
1 = 17 мм 0,110 0,114 0,120 0,120 0,150
Сталь d = 1,2 мм 1 — 8,4 мм 0,24 0,36 0,33 0,29 0,26
1 = 20 мм 0,22 0,36 0,37 0,28 0,28
* Растворимость СаСО,. полученного вне вихревого слоя, гост) -т В,07 г на 1000 г 11.0
Некоторые данные по растворимости Са(ОН)2 и СаСО3, полу-
ченных в вихревом слое, приведены в табл. 1.3 и 11.
Если в системе, состоящей из двух песмешнваютихся жидкос-
тей, находится третье вещество, то растворенная его часть рас-
пределена между жидкостями в соогветс|впп с законом
I COl'.st,
(69)
60
где Сх, С? — концентрация растворенного третьего вещества в
жидкостях первой и второй соответственно
Как п в предыдущем случае, для первой и второй подсистем
выполняется условие
Цж, = Р-т! Рж2 = Рт", Дж, = Р-Ж,,
где рж> н |1Ж2 — химический потенциал жидкостей, содержащих
определенное количество растворенного третьего вещества.
Как мы уже установили, воздействие
вихревого слоя приводит к изменению хи-
мических потенциалов жидких и твердых
фаз. Равновесие в системе нарушается,
происходит перераспределение веществ.
Уравнение (69) принимает вид
= LBC = const, (70)
С2 ВС
причем L + LBC-
Это явление может быть использовано
для изменения коэффициента распределе-
ния при экстракции, а также для увеличе-
ния селективности извлечения веществ ме-
тодом экстрагирования.
На рис. 42 приведены результаты иссле-
дования влияния вихревого слоя на коэф-
фициент распределения йода в системе
йод — вода — бензол. Из рисунка видно,
что на коэффициент распределения сущест-
венное влияние оказывают условия обра-
ботки. Так, обработка в вихревом слое
только водного слоя (кривая /) приводит
сначала к небольшому увеличению коэф-
фициента распределения, а при обработке
более 1 мин — к его уменьшению. Обра-
ботка же всей системы приводит к резкому
увеличению (более чем в два раза) коэффи-
Рис. 42. Зависимость
коэффициент а распре-
деления иода в трех-
компонентион cilCieMe
иод—вода — бензол от
условий обработки:
/ — обработка воды в ви-
хревом слое 50 г ферро-
магнитных частиц с поли-
винилхлоридным покры-
тием; 2 — обработка всей
системы в таких же усло-
виях; 3 — обработка всей
системы во вр<П1( пощемся
электромагнитном поле
«ппарата ВА-100
циепта распределения, причем его изменение пропорционально
времени обработки. Очевидно, для каждой конкретной системы
существуют свои отпимальные условия обработки, что и следует
из рассмотренных ранее уравнений.
Согласно закону Рауля,
Р1 = PjA7!,
где pi —давление пара растворителя над раствором; р\—дав-
ление пара чистого растворителя; А\ — молярная доля раство-
рителя.
Поскольку H = т0 можем записать:
Pl вс — РП\ ы.А'1 НЛП Р\ нс / Pl', Pl !< • Pl-
4’
61
Прямым следствием этого должно явиться изменение тем-
пературы кипения и замерзания растворов (так же, как п чистых
веществ), находящихся под воздействием вихревого слоя.
Аналогично можно показать, что изменяются теплоемкость
системы, степень диссоциации молекул в электролитах, гюверх-
Рис. 43. ПК-спектры поглощения каолина:
I — контрольный образец; II — образец, обработанный с шаровой мельнице
в течение 120 мин.; III — образец, обработанный в вихревом слое в течение
10 мин; IV — образец, обработанный в вихревом слое в течение 30 мин.
постное натяжение па границе фаз, диэлектрическая проница-
емость, магнитная восприимчивость п другие свойства веществ.
Особенности вихревого слоя ферромагнитных частиц — Удар-
ные нагрузки большой частоты и силы, трение — приводят не
только к разрушению частиц твердого материала, ио и к значи-
тельной активации их поверхности за счет деформации кристал-
лической решетки. Для примера на рис. 43 приведены ИК-спект-
ры поглощения каолина, обработанного в вихревом слое и в
5?
шаровой мельнице, полученные на двухлучевом спектрофотометре
ИКС-14А.
Из рисунка видно, что спектры стандартного образца н об-
разца, обработанного в шаровой мельнице в течение 120 мин,
мало отличаются друг от друга. Спектр обработанного в вихре-
вом слое в течение 30 мин образца отличается от стандартного
резким уширением и перераспределением интенсивностей в по-
лосах, соответствующих валентному колебанию тетраэдра SiO^
(полосы 3—6 на спектре), изменением контура полос, соответ-
ствующих деформационному колебанию тетраэдра (полосы 9—
//), уширением полос колебания связен А10Н (полосы 7—8)
п уменьшением интенсивности полос кристаллической воды
(полосы 1—2). Как известно, уширение полос обычно связано с
возмущением поглощающих центров. В данном случае все из-
менения в спектре обработанного в вихревом слое образца можно
объяснить существенной деформацией решетки каолина, сопро-
вождающейся частичной потерей кристаллической воды.
Другим примером, объясняющим активацию твердого веще-
ства при обработке его в рассматриваемых условиях, могут сл,
жить результаты рентгеноструктурного анализа частиц никеля,
измельченного в вихревом слое (табл. 15).
Та ' ища 15
Результаты реитгеиосгруктуриого анализа частиц никеля
диспергированного в АВС
Характеристики Исходный образец Измельчение в воздух? 11змсдьчсннс р вод?
Относительная деформация Напряжения 2-го рода, Па Размер блока когерентного рассея- ния 11 Нк, см Плотность дислокаций, см-2 1,44 10—' 3 10" 3,08 10-’ 620,0 1,41 10~5 1,51 10’1 1.24 10~' 221,0 3,6 io—’ 4,57 Ю"1
Как видно из таблицы, плотность дислокаций в измельченном
в вихревом слое никеле на четыре порядка выше, чем в конт-
рольном образце. Это свидетельствует о большом запасе энергии
в частицах, приводящем к их аномально высокой адсорбционной
способности. Значительный вклад в активацию веществ в вих-
ревом слое вносят его электромагнитные поля. Это обусловлено
тем, что в строении веществ взаимодействие электрического и
магнитного характера играет исключительно важную роль.
Различными исследователями давно показано, что электри-
ческие и магнитные поля зачастую оказывают существенное влия
ние-па скорость химических реакций (113; 92; 107; 108; 1111,
а также физические свойства веществ [4; 5; 106; 1101. Поэтом'
естественно можно ожидать, что воздействие электрических и маг-
нитных полей вихревого слоя должно оказывать влияние как на
свойства и структуру веществ, так и на протекание и результаты
53
различных физических и химических процессов. В частности,
вращающееся электромагнитное поле в случае отсутствия ферро-
магнитных частиц может оказывать заметное влияние на состоя-
ние вещества. Обнаружено, например, что воздействие такого по-
ля на расплав полимера приводит к изменению его физико-ме-
ханических свойств после затвердевания. В. Ф. Мирошниченко
и Н. И. Семенюк [51] предполагают, что в данном случае имеют
место фазовые переходы второго рода, и устанавливают термоди-
намические основы этого процесса. Основные положения их тео-
рии сводятся к тому, что под действием электрических полей,
Рис. 44. Зависимость твердости об-
разцов от времени продолжитель-
ности обработки фторопластов:
1 — фторопляст-4; 2—фторопласт-40
Рис 45. Зависимость св образцов
or продолжительности магнитной
обработки фторопластов:
/ — фторопласт-4; 2 — фторопллст-40-
возникающих в расплаве полимера, последний переходит из не-
упорядоченного состояния в упорядоченное. Образуются ком-
плексы молекул. Упорядочение, которое аналогично спонтан-
ной намагниченности, приводит к понижению температуры рас-
плава (ДГ-эффект). Образующаяся система фиксируется при
затвердевании, что приводит к изменению механических свойств
полимера.
Из предложенной теории следует, что вращающееся элект-
ромагнитное поле не должно оказывать влияния на твердые по-
лимеры, а новые свойства, приобретенные мономером, не могут
быть сохранены после полимеризации.
Однако опыты свидетельствуют о противоположном. Так, маг-
нитная обработка порошка фторопласта -4 во вращающемся с
частотой 3000 об/мин электромагнитном поле при величине ин-
дукции 0,15 Т с последующим таблетированием при удельном
давлении 35 МПа и спеканием в течение 4 ч при 390" С приводит
к значительному изменению прочности и твердости образца (рис.
44 и 45). При этом электромагнитная обработка в течение до
10 мин приводит к увеличению прочности и твердости при незна-
чительном уменьшении эластичности, а свыше 10 -.inn — к гюпн-
54
жешпо механических свойств полимера. Воздействие вращающе-
гося электромагнитного поля на фторопласт-40 уже в первые
минуты приводит к уменьшению предела прочности па разрыв
на 30%, твердости — на 20% и остаточного удлинения при раз-
рыве — на 60%.
Опытами установлено, что электромагнитная обработка мо-
номера приводит к изменению механических свойств полученного
из пего полимера. Так, если
подвергнуть воздействию
вращающегося электромаг-
нитного поля расплавлен-
ный капролактам, затем
охладить его до темпера-
туры кристаллизации, то
даже при длительном хра-
нении (до нескольких меся-
цев) и последующей поли-
меризации он сохраняет
вновь приобретенные свой-
ства.
На рис. 46 и 47 приве-
дены зависимости прочно-
сти при изгибе и растяже-
нии, твердости и удельной
ударной вязкости капроло-
на от времени электромаг-
нитной обработки капро-
лактама во вращающемся
Электромагнитном поле. Из
рисхнков следует, что ме-
ханические свойства поли-
мера сильно изменяются,
причем прочность, твер-
дость и удельная ударная
вязкость достигают макси-
мального значения при маг-
нпгной обработке в течение
20 мин. Не менее интерес-
ные результаты получены
Рис. 46. Зависимость предела прочности
капролона при растяжении (/) и изгибе
(2) от продолжительности обработки кап-
ролактама во вращающемся электромаг-
нитном поле аппарата ВА-100
Рис. 47. Зависимость твердости (/) и
удельной ударной вязкости (2) капролона
от продолжительности обработки капро-
лактама во вращающемся электромагнит-
ном поле аппарата ВА-100.
при исследовании влияния
вращающегося электромагнитного поля на механические свой-
ства каучуков п резин на их основе.
Для исследований брали композицию из 100 массовых долей
жидкого карбоксилсодержащего каучука, 21 массовой доли
эпоксидной смолы и 3 массовых долей триэтаноламина. Образцы
при температуре 70° С подвергали воздействию вращающегося
электромагнитного поля, после чего вели вулканизацию при
80° С. Зависимости предела прочности при растяжении и твер-
дости вулканизата от длительности электромагнитной обра-
боткп приведены на рис. 48 и 49. Из рисунков видно, что элект-
ромагнитная обработка приводит к заметному ускорению про-
цесса вулканизации, увеличению прочности и твердости вулка-
низата. Оптимальная продолжительность обработки для данной
композиции составляет 20 мин.
Аналогичные результаты получены при обработке композиций
каучуков. Предметом исследований служили наполненные смеси
совместно шприцованных каучуков на основе полярного каучу-
ка «Наирит» и ряда неполярных синтетических каучуков: цис-
бутадиенового (СКД), цис-пеопреновогп (СКИ-3). б\ татпенсти-
Рис. 48. Зависимость твер-
дости вулканизата па ос-
нове карбоксилсодержащс-
го кдучука от продолжи-
тся пигстн обработки нс
ХОЛЛ-’И КОМПОЗИЦИИ во
вращающемся электромаг-
нитном поле.
Рис 19. Зависимость предела
прочности при разрыве вулка-
низата ня основе карбоксилсо-
держащего каучука от про-
должительности обработки
исходно!' КОМИОНИ1ПИ по вра-
щающемся ЭЛСК ГрОМЯ! шиш м
поле
рольного (БСК), а также смеси неполярных каучуков БСК и СКД,
СКИ-3 и СКД, СКИ-3 и БСК, взятых в соотношении 1 : 1. В ка-
честве вулканизующего агента во всех случаях применяли тех-
ническую серу. При этом было обнаружено, что когезионная
прочность, характеризующая межмолекулярпое взаимодействие
компонентов, в случае резин на основе неполярных каучуков
увеличивается в среднем на 12%, а на основе полярных каучу-
ков— на 30%. Пластичность композиций, содержащих поляр-
ный каучук, увеличивается на 10—15%. Электромагнитная об-
работка продолжительностью до 60 мин приводит к увеличению
предела прочности вулканизата, а свыше этого времени — к ее
снижению. Приведенные данные показывают, что влияние элект-
ромагнитного поля не может быть объяснено только эффектом
ориентации молекул
Для подтверждения сказанного следует определить работу,
совершаемую молекулой в бегущем электромагнитном поле.
Упрощенную модель молекулы, обладающей дипольным момен-
том, можно представить в виде двух шаров массой т, несущих
электрические заряды +q и — q и соединенных упругой связью.
Пусть изолированная молекула находится под воздействием
бегущего со скоростью v магнитного поля В. На каждый из за-
рядов действует сила Лоренца
Д = q [по-
следовательно, па молекулу действует вращающий момент
М = Д/sin©,
где I — расстояние между центрами положительного и отрица-
тельного зарядов; © — угол между векторами v и В.
Рассмотрим случай, когда направление вектора В совпадает
с осью г прямоугольной системы координат, направление вектора
v — с осью х, а связь находится в плоскости ху (рис. 50). Разло-
жим силу Fj} на две составляющих F,, и F-. Поскольку между
зарядами существует упругая связь, то составляющая F вызы-
вает изменение расстояния между центрами зарядов (и соот-
ветственно между центрами масс)
па величину
F.
А/ = Р’
где k' — коэффициент жесткости
связи.
Тогда
М = Д (/ + A/) sin 0 sin р
пли
М =
sin©.
Под воздействием этого мо-
мента молекула совершает пово-
рот на некоторый угол. Опреде-
ляем работу, совершаемую при
этом силой Fj\. Очевидно, что она состоит из работы поворота
молекулы и работы деформационной поляризации, т. е.
.. . _ F2 cns 3 . „
Д/sinp Н —- sin р
А Д + Д; Д = J Д = В-М.
" F.
Учитывая, что по условию задачи sin0 = l, а А/ = р,
можем записать
Д - /• л/ (cos р0 — cos р) + Д- (.sin2 р0 — sin2 р);
/Д
Ао = -Д- cos В.
“ к 1
Максимальное значение работы соответствует случаю поворота
молекулы от до р = 180°. При этом
А = qBv (1 + cos р0)/; Л2 = | q^BV + cos ?о) •
Как показывают расчеты, при q = 10~19/\, В = 2Т, v = 10 м'с
и k' = 0,75 Н/м значения 4 и <42 имеют порядок 10~10 и 10“?0 эВ
для очного моля вещества,, что значительно ниже энергии ак-
тивации химических реакций и энергии разрыва химических
связей. х
Большинство органических соединений имеют разветвленную
структуру с большим или меньшим количеством функциональ-
ных групп, обладающих своим дипольным моментом. Полимерные
системы, состоящие из молекул с длинными цепями одинарных
или двойных связей, разделяющих электронно-донорную или
электронно-акцепторную группы, обладают весьма высокими
значениями дипольных моментов. Каждая функциональная груп-
па или каждый фрагмент молекулы могут совершать определен-
ные движения друг относительно друга: вращение — если кине-
тическая энергия молекулы превышает потенциальный барьер
вращения, или колебание относительно некоторой наиболее энер-
гетически выгодной конфигурации, если движение заторможено.
Очевидно, нельзя не учитывать воздействия сил и моментов на
каждую связь, на каждый фрагмент молекулы, на возможное
связанное с этим изменение частот колебании и длины отдель-
ных связей. Теоретические расчеты подобного характера чрез-
вычайно сложны даже для простых систем. Не приводя очень
громоздких вычислений, которые выполнены при определении
величины работы, совершаемой силой F, приложенной к центру
масс фрагмента молекулы, который совершает незатухающие гар-
монические колебания вдоль связи, запишем только окончатель-
ный результат в общем виде
/а
А — j [—Сх 4- Qn sin (<»,/ 4- о) I- А| х, dt—
i,
t,
— j [—Cx -|~ Qo sin 4- о)] X/ dt, (71)
t,
где Q— амплитуда возмущающей силы; <o — частота изменения
возмущающей силы; (о)п/+ 3) —фаза изменения возмущаю-
щей силы; о — начальная фаза возмущающей силы; С — коэф-
фициент жесткости связи; х — величина перемещения; х\ — пе-
ременная по времени координата.
Из выражения (71) видно, чго величина работы, совершаемой
сплои /•', зависит от продолжительности се во (действия и может
принимать большие значения, т. с. воздействие этой силы (пли
вращающего момента) может привести к тиснению состояния
молек\лы.
58
В равной степени это относится и к отдельным функциональ-
ным группам и звеньям молекулы. Действие электромагнитного
поля приводит к изменению характера вращательного или коле-
бательного движения как отдельных звеньев, так и всей моле-
кулы в целом. Если величина воздействия достаточно велика, то
молекула пли ее отдельная функциональная группа может, пре-
одолев потенциальный барьер, перейти в новое равновесное со-
стояние, обеспечивающее минимум потенциальной энергии в дан-
ных условиях. Такое состояние может соответствовать новому
поворотному изомеру или новой
конформации молекулы. При доста-
точно большой энергии колебаний
отдельных полярных групп воз-
можен разрыв связи и образование
ее в новом месте т. е. получение
нового геометрического изомера.
Следует особо оговорить, что при
прекращении действия электромаг-
нитного поля возвращение молекул
в исходное состояние не всегда воз-
можно без подведения энергии из-
вне (например тепловой). Поэтому
приобретенные веществом свойства
могут сохраняться длительное вре-
мя, а электромагнитная обработка
мономера закономерно приводит к
изменению всех свойств полиме-
ра — механических, тепловых, маг-
нитных, электрических и пр. Ска-
занное подтйерждается таким при-
мером. Обработка в аппаратах с
вихревым слоем фторопласта-4, по-
Рис 51. Изменение теплоемкости
фторопласта-4 (/), полиэтилена
(2) и капролопа (3) в зависи-
мости от времени обработки во
вращающемся электромагнитном
поле полимеров (/ и 2) и моно-
мера (.?).
лиэтилепа высокого давления и капролактама приводит не
только к изменению их механических свойств, но и теплоемкости
(рис. 51), диэлектрической проницаемости и магнитной воспри-
имчивости.
Из рассмотренного следует очень важный вывод о том, что
вращающееся, равно как и бегущее электромагнитное поле долж-
но оказывать сильное влияние на физические и химические свой-
ства не только полимеров, но на любые органические и неорга-
нические вещества в твердой, жидкой и газообразной фазах. В
подтверждение сказанного приведем несколько примеров полу-
чения неорганических соединений, в частности, i пдроокисей в
карбонатов металлов при условии протекания химических реак-
ций иод воздействием вращающегося электромагнитного поля.
Гидроокиси и карбонаты были получены из растворов солей
кальция, бария, свинца путем осаждения их щелочными или кис-
лотными агентами [271. Дисперсность полученных осадков иссле-
довалась с помощью электронного микроскопа ЭМ-7. Кроме того,
59
калориметрическим методом определялась удельная теплоемкость
и растворимость при 25е С Для определения теплоемкости изго-
тавливали таблетки прессованием при давлении 40 10е Па. По
ИК-спектрам, снятым на электрофотометре ИКС-22, судили о
возможных изменениях в структуре полученных осадков. Было
установлено, что дисперсность осадков, полученных в электро-
магнитном поле, на порядок выше, чем у контрольных образцов.
В табл. 16 приведены значения удельной теплоемкости Дж/
(кг К) образовавшихся соединений.
Таблица 16
Значения удельной теплоемкости веществ.
полученных в магнитном поле*
РЬ (ОН), Си (ОН), СаСО3 ВаСО, BaSO4
1 •2 1 2 । 9 2
402 482 725 877 760 1020 454 389 810 730
457 482 77* 886 760 1010 423 411 827 726
432 490 774 865 760 1020 436 428 844 730
*1 — контрольный образен: 2 — образец, полученный в магнитном поле
Как видно из таблицы, теплоемкости веществ, полученных
двумя способами, различны. Для каждого вещества это измене-
ние вызвано разными причинами. Так, для гидроокисей это
может быть частично отнесено за счет изменения химического
состава, о чем свидетельствуют ИК-спектры. ИК-спектр соеди-
нений свинца (рис. 52) представляет собой наложение спектров
РЬ(ОН)о и РЬО • Н2О в отличается от контрольного уширением
полосы поглощения 1 на 300 см-1, свидетельству тощим об усиле-
нии водородной связи, и увеличением интенсивности полос, от-
носимых к колебаниям системы РЬО - Н,О, что говорит об уве-
личении содержания этого соединения в образце.
Аналогичные изменения были обнаружены в спектре BaSO,.
Полуширина триплета, соответствующего колебаниям внутри
иона SO',-, увеличивается на 16 см -1, что свидетельствует об
изменении энергетических условий, изменении кристаллических
частот колебаний, возникновении внутренних напряжений в
кристаллах.
В образце Сп(ОН)2 замечено сужение полос, относящихся к
валентным колебаниям группы 011~, что свидсгелье i aver об ослаб-
лении водородной связи. Химический состав ОаСО, и ВаСО„
полученных как в электромагнитном ноле, гак и вис его, не от-
личается. Однако теплоемкость их различна в связи с гем, чго
изменена кристаллическая структура. Если в контрольном об-
разце весь осадок представлен кальцитом, то полученный в
60
электромагнитном поле содержит значительное количество ара
гонита.
Из рассмотренных примеров видно, чго в электромагнитном
поле (и тем более в вихревом слое) при образовании твердых сое-
динений имеется тенденция к протеканию химических реакций,
характеризующихся более высокой энергией активации Пра-
вильнее было бы сказать, что в условиях вихревого слоя наблю-
дается существенное снижение энергии активации химических
реакций.
Рис. 52. ИК-спектр поглощения гидроокиси свинца, полу-
ченной путем осаждения ее во вращающемся электрощит
нитном поле (штриховая линия) и вне магнитного поля
(сплошная линия):
1 — 3502 см—*, 2 — 1330 см—1, .ч — IЗЯЧ см—1
В самом деле, воздействие вихревого слоя и электромагнит-
ных полей в частности приводит к изменению внутренней энер-
гии молекулы на величину
Ди = и., — ии (72)
где и} и и2 — полная внутренняя энергия молекулы до и после
наложения переменного электромагнитного почя соответственно.
Аналогично можно показать, что энергия молекулы изменя-
ется при воздействии на нее бегущего или-вращающегося элект-
ромагнитного поля.
В реальных условиях при наличии сил трения, взаимодей-
ствия между соседними молекулами картина колебательного
движения молекул изменяется, но и в этом случае уравнение (72)
остается справедливым.
Рассмотрим возможное изменение скорости любой химиче-
ской реакции в переменном электрическом или электромагнит-
ном поле. Если реагенты взяты в стехиометрических соотноше-
ниях, то с точки зрения формальной кинетики скорость химиче-
ской реакции может быть выражена известным уравнением 1581
W = kC-,
где С — концентрация любого компонента; k — константа ско-
рости реакции; п — порядок реакции.
G1
Константа скорости реакции.
_ _Е
/г = koe
где Е— энергия активации реакции; /? — газовая постоянная;
Т — температура.
Величина энергии активации может быть выражена как раз-
ность средних значений энергий молекул данной ограниченной
системы в исходном состоянии и в активированном состоянии (т. е.
энергии, достаточной для преодоления потенциального бары.’ а):
Е ип — ив.
Обозначим указанные величины для случаев вне поля и при
наложении поля соответственно индексами 1 и 2 и найдем разность
значения энергии активации:
£*2 Ef = Uq2 «32 «01 -
Поскольку на1 = «а2, то
Д£ = Дн = «02 —«01.
Следовательно, уравнение Аррениуса запишется в виде
L —
k = koe 1<г .
Из него следует, что воздействием переменного электриче-
ского или электромагнитного поля можно увеличить константу
скорости химической реакции при постоянной температуре за
счет изменения энергии активации и, как следствие, увеличить
скорость химической реакции.
В обратимых процессах для прямой и обратной реакций
справедливо соотношение (581
d In кс Е' — Е"
dT ~ RT- ’
где £', Е" — энергия активации прямой и обратной реакции со-
ответственно; Кс—константа равновесия.
Тогда изменение константы равновесия при наложении на
реакционную систему переменного электромагнитного поля может
быть найдено из следующего выражения:
d In /<С| d In Кс, &н‘ — Ди"
~dT dT~~ ~ ’ (
где Д«' и Д«"— величина изменения внутренней энергии исход-
ных реагентов и продуктов реакции при наложении переменного
электромагнитного поля.
Из выражения (73) следует, что изменение константы равно-
весия пропорционально разности приращений ьпхтренней энер-
гии исходных реагентов и продуктов реакции при наложении
переменного электромагнитного поля.
62
Рис. 53. Схема уровней энергии моле-
кул исходных реагентов Ег и продук-
тов реакции Ег-
Разность между энергиями активации прямой и обратной
реакций численно равна тепловому эффекту. Если до наложения
поля тепловой эффект реакции равен Qt, после наложения поля—
Q2, то
SQ — Q2 — Q, = Su"—Su, (74)
т.е. изменение теплового эффекта равно также разности прираще-
ний внутренней энергии исходных реагентов и продуктов реак-
ции при наложении переменного электромагнитного поля. Это
положение иллюстрируется рис. 53, на котором средние значе-
ния энергий молекул исходных реагентов, продуктов реакции и
активированных молекул представлены уровнями энергии. Как
видно из рисунка, для экзо-
термических реакций теорети-
чески возможны три типич-
ных случая:энергия актива-
ции прямой реакции изменя-
ется на величину, большую,
равную или меньшую, чем
энергия активации обратной
реакции. Соответственно теп-
ловой эффект реакции увели-
чивается, остается постоян-
ным или уменьшается (и может изменить знак на обратный).
Сказанное выше в равной степени справедливо и для эндотерми-
ческих реакций. Рассмотренные примеры показывают, что элек-
тромагнитные поля вихревого слоя являются одним из факто-
ров, приводящих к активации веществ.
Таким образом, механизм активации веществ в вихревом
слое ферромагнитных частиц носит сложный характер и обус-
ловлен комплексом рассмотренных выше факторов.
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ В ВИХРЕВОМ СЛОЕ
Известно 163], что при трении различных тел друг о друга
па их поверхности возникают электрические заряды. Это обсто-
ятельство в значительной мере проявляется в вихревом слое.
Особенность в данном случае состоит в том, что ферромагнит-
ные частицы здесь находятся изолированно друг от друга и кон
тактируют только во время соударений. Этим обусловлено одно
из интересных явлений, рассматриваемое ниже. Установлено,
что изолированные металлы электризуются при трении, причем
знак заряда зависит от природы трущихся тел. В АВС в процессе
трепня участвуют ферромагнитные частицы, материал реакцион-
ной емкости, обрабатываемый материал, который может быть
многокомпонентным и многофазным. В зависимости от усло-
вий ферромагнитные электропроводные частицы приобретают
тот или иной заряд, знак которого пока определить невозможно.
63
Однако было установлено [63], что при трении двух химически
одинаковых тел более плотные участки тела приобретают поло-
жительные заряды. Например, при изгибе положительный за-
ряд возникает на вогнутой стороне, отрицательный — на выпук-
лой. Величина заряда зависит от плотности контакта и скорос-
ти перемещения тел друг относительно друга. При соударении
ферромагнитные частицы в вихревом слое подвергаются все вре-
мя деформациям: изгибу, сжатию, растяжению и трению др\г о
друга и об обрабатываемый материал — жидкость, газ или час-
тицы твердой фазы. Таким образом создаются в,-е условия для
Рис. 54. Зависимость содержания ионов
алюминия (/), никеля (2) п водорода
(<?) от продолжительности обработки
раствора сернокислого никеля в вих-
ревом слое частиц никеля (температу-
ра среды 25JC, масса частиц 150 г на
200 мл раствора).
возникновени разности по-
тенциалов между отдельными
точками поверхности одной и
той же частицы п между со-
седними частицами, если они
состоят из разных материа-
лов Если разность потенциа-
лов достаточно большая, а ме-
таллические частицы находят-
ся в жидкой среде, то возмо-
жен процесс электролиза.
Это предположение было
проверено на многочисленных
опытах по электролизу вод-
ных растворов солей металлов
в вихревом слое частиц нике-
ля или железа. На рис. 54
приведены графические зави-
симости концентрации ионов
алюминия и никеля, а также изменение pH от времени обработ-
ки раствора сернокислого алюминия в вихревом слое частиц ни-
келя диаметром 1 мм и длиной 12 мм.
Анализ кривых показывает, что с увеличением времени об-
работки pH раствора растет. При этом в кислой среде идет заме-
щение водорода на никель (в раствор переходят ионы никеля,
водород выделяется) при неизменном содержании ионов алюми-
ния и SO2'.
4
С увеличепмем pH начинается замещение алюминия никелем.
Алюминий в виде гидроокиси выпадает в осадок. Такой ход про-
цесса полностью подтверждает, что на частицах никеля идет элект-
ролиз. Процессы, протекающие на анодных и катодных участках
частиц, могут быть описаны следующими уравнениями. В кислой
среде па аноде:
Н2О —2с->-2П + О2;
Ni — 2с-> Ni2+;
на катоде:
4Н ' -р 4е -> 2Н., f
64
В щелочной среде на аноде:
2ОН- — 2е Н2О + 2 О2;
Ni —2e-*Ni2+;
на катоде:
4Н»О 4-4с4ОН~ 4-2Н, f;
А13+ + ЗОН- Al (OH)S Ф .
Выделяющийся кислород окисляет частицы никеля.
В общем виде суммарная реакция в щелочной среде может
быть записана следующим образом:
2А12 (SO4)3 4- 6Н2О 4- 6Ni -> 6N1SO, 4- 4Al (ОН)3 4- ЗН2 f +6NiO.
Аналогичные результаты получены при обработке в вихревом
слое водных растворов сернокислых, азотнокислых и хлористых
солей никеля, железа, кобальта, алюминия, магния, титана, оло-
ва, цинка и других металлов. В любом из этих случаев ионы
металла, из которого изготовлены частицы, переходят в раствор,
а находящийся ранее в растворе металл выпадает в виде гидро-
окиси в осадок (при определенных значениях pH). Характер про-
цесса не зависит от того, где в ряду напряжений расположены
тот или другой металл. Исключение составлют, как и следовало
ожидать, щелочные металлы. В самом деле, в соответствии с тео-
рией электролиза на катоде в первую очередь выделяются ио-
ны с самым низким потенциалом, а на аноде — с самым высоким
потенциалом. Поэтому при электролизе солей щелочных металлов
на катоде не может выделяться металл, а выделяется только водо-
род, на аноде (по той же причине) — кислород.
Именно процессами электролиза на ферромагнитных частицах
объясняются многие, казалось бы, аномальные явления в вихре-
вом слое: 1) возможность полного осаждения металлов из раство-
ров в виде гидроокисей при расходе щелочи менее, чем по стехио-
метрическому расчету [27; 71]; 2) возможность восстановления
Сг6+ до Сг3+ без добавления восстановителя [80]; 3) уменьше-
ние на 20—30% расхода железа против стехиометрического при
восстановлении нитросоединений [45]; 4) возможность разложе-
ния воды и органических соединений в вихревом лое [531; 5)
значительное ускорение окислительно-восстановительных реак-
ций [29].
Явление электролиза жидких сред в вихревом слое частиц
металла может быть широко использовано для интенсификации
самых различных технологических процессов. Можно также
предположить, что это явление лежит в основе всех механохпми-
ческнх процессов, наблюдающихся при обработке различных
материалов в измельчающих устройствах типа вибрационных и
планетарных мельниц [11].
5 5-381
65
ГЛАВА II.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АППАРАТОВ
С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ (АВС)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АППАРАТАХ
Широкие возможности вихревого слоя не позволяют одно-
значно определить конструкцию аппаратов. Однако независимо
от характера процесса, проводимого в вихревом слое, можно
определить основные конструктивные элементы, наличие которых
отвечает основным требованиям реализации возможностей вих-
ревого слоя. К таким элементам в первую очередь относятся
Рис. 55. Принципиальная схема аппарата
с вихревым слоем.
электромагнитнаясисте- г
ма (индуктор вращающе-
гося электромагнитного
поля), ферромагнитные
частицы и рабочая ка-
мера. Другие элементы
конструкции выполня-
ются в зависимости от
требований, предъявля-
емых к конкретному ап-
парату для того или ино-
го процесса.
На рис. 55 представ-
лена принципиальная
схема аппарата с вихре-
вым слоем. Корпус /,
представляющий собой
полый цилиндр из не-
магнитного материала, •
помещен внутрь индук-
тора 2, создающего вра- i
щающееся электромаг- '
нитное поле. Индуктор
расположен в металли-
ческой рубашке 3, слу-
жащей емкостью для охлаждения жидкости и одновременно экра-
ном, предохраняющим обслуживающий персонал <>г во «действия ,
электромагнитного ноля. Внутри корпуса расположена цилин-
дрическая втулка 4, являющаяся рабочей камерон аппарата,
внутри которой находятся ферромагнитные частицы .5.
Охлаждающей жидкостью служит сухое трансформаторное
масло, непрерывно циркулирующее в системе индуктор — теп-
66
лообменник — маслобак— индуктор. В качестве охлаждающего
агента могут быть использованы другие жидкости, а также газы.
Процессы в таком аппарате можно вести как циклически, так
и непрерывно, подавая с одной стороны в рабочую камеру реа-
генты, а с другой стороны отводя продукты реакции. При этом
ферромагнитные частицы не уносятся из зоны реакции потоком
жидкости или газа, а удерживаются магнитным полем.
Важной особенностью аппарата с вихревым слоем является
отсутствие в нем динамических уплотнений и возможность пол-
ной герметичности реакционной зоны.
АВС могут быть использованы в качестве реакторов [42; 1021,
смесителей, измельчителей [401, экстракторов, для магнитной
обработки, активации различных веществ и других целей! [64;
66J. Однако по конструктивному оформлению они могут быть раз-
делены на два основных класса: аппараты для проведения жид-
кофазных и гетерогенных процессов и аппараты для смешения и
диспергирования сыпучих материалов.
Рассмотрим характерные особенности основных узлов АВС.
Для создания вращающегося электромагнитного поля могут
быть использованы цилиндрические индукторы как наружного,
так и внутреннего исполнения [49]. Однако при одинаковом числе
пар полюсов магнитное поле у индуктора внутреннего исполне-
ния по мере увеличения расстояния от полюсов убывает значи-
тельно быстрее, чем в расточке наружного индуктора [751. В
связи с этим для АВС, как правило, применяют цилиндрические
наружные индукторы, в которых электромагнитная система пред-
ставляет собой круговую многофазную систему обмоток, рас-
положенных в пазах магнитопровода.
Важным условием эффективности работы вихревого слоя,
а следовательно, и АВС является однородность магнитного поля
в сечении, нормальном к оси индуктора.
В таком поле ферромагнитные частицы, вращающиеся с пере-
менной угловой скоростью, равномерно распределяются по все-
му объему рабочей зоны, что исключает проскок непрореагиро-
вавших веществ при непрерывном ведении технологического
процесса. Наибольшей однородностью обладает поле, создавае-
мое двухполюсными индукторами (р = 1, где р — число пар
электрических полюсов). Следовательно, для АВС целесообраз-
но применять двухполюсные индукторы в явнополюсном испол-
нении.
Одним из основных параметров АВС является величина маг-
нитной индукции в центральной части расточки индуктора при
холостом ходе, т. е. при условии отсутствия ферромагнитных час-
тиц. Величиной индукции определяются скорость персмеипта-
пия и диспергирования фаз, а также скорость химической рак-
цип в зоне вихревого слоя. Опыт осуществления в АВС техиоло-
шческих процессов позволил определить целесообразный интер-
вал индукции от 0,1 до 0,2 Т. Для большинства аппара-
тов, предназначенных для получения эмульсий, суспензий,
67
различных химических процессов, применяют ЛВС с индукцией
0,12—0,15 Т.
Важным параметром индукторов является длина и диаметр
расточки, обусловливающие производительность АВС, которая
для определенного класса аппаратов при прочих постоянных
прямо пропорциональна рабочему объему [49]:
s Р cxj Ур, причем Ур nj - 4" /„
где d„ — диаметр расточки индуктора, м; Л — эквивалентная
длина индуктора с учетом краевых эффектов, м.
В относительных единицах это выражение имеет вид
Р' = V’p = d'2l',.
В то же время для фазного тока индуктора при р = 1
= 3 (здесь т — число фаз) справедливо выражение
(75)
и т =
(76)
где ио = 4"г • 10~7 Г/м — магнитная постоянная; /<Е—коэффи-
циент рассеяния потокосцепления; Вр — расчетная магнитная
индукция в расточке при холостом ходе; f — частота тока; К3—
коэффициент Картера; Кн — коэффициент насыщения магнито-
провода; /ф—фазный ток, A; U$—фазное напряжение, В.
При
Г = 17ф = = Вр = 1 (77)
и сопоставлении индукторов, для которых
Кз = Ки = Кя=1, (78)
получим с учетом того, что полная мощность индуктора S =
= 3(7ф/ф, следующее выражение:
S' - /ф = d’„2l'3. (79)
Сравнение выражений (75) и (79) показывает, что при соблю-
дении условий (77) и (78) индукторы, отличающиеся размерами,
имеют одинаковые энергоемкости на единицу объема. Отсюда
вытекает одинаковая энергоемкость АВС на единицу производи-
тельности. Тем не менее, изготовление АВС с индукторами боль-
шого диаметра нецелесообразно, так как уже при = 350 мм
полная мощность ЛВС превышает 1000 кВ Л, что значительно
усложняет их эксплуатацию.
Практически могут быть разработаны индукторы с любым
отношением длины к диаметру расточки. Однако следует учиты-
вать, что при выборе этого соотношения необходимо руковод-
ствоваться условием минимума потребляемого электрического
тока для получения необходимой магнитной индукции в заданном
диаметре расточки.
68
Для расчета можно использовать методику, предложенную
А. II. Воскресенским 117|. Поскольку индуктор в принципе пред-
ставляет собой статор трехфазного асинхронного двигателя, в
расточке которого размешается немагнитная среда (наличие фер-
ромагнитных частиц в этом случае можно не учитывать), то ток
индуктора практически остается постоянным и равным току хо-
лостого хода, т. е.
/ = Д. (80)
Тогда схема замещения
индуктора может быть
представлена в виде, при-
веденном на рис. 56.
Учитывая, что индуктор
потребляет в основном ре-
активный ток (cos ср =
— 0,04 -— 0,06), можно за-
писать, что
х + Х1 + (81)
Рис. 56 Схема замещения индуктора:
— активное сопротивление обмотки; xt — ин-
дуктивное сопротивление обмоткн; г pi — экви-
валентное сопротивление, учитывающее потери
в стали; х(1 — индуктивное сопротивление глав
него поля
где Rn — полное сопротив-
ление индуктора; х — индуктивное сопротивление индуктора;
Xi — индуктивное сопротивление обмотки; — индуктивное
сопротивление главного поля.
Учитывая выражения (80) и (81), запишем следующую систе-
му уравнений:
/ = -;
X
х = —• 10°; > (82)
_ 2,22Fp
— mnfw’ ,
где U — фазное напряжение индуктора; f — частота сети;
/р — расчетная длина индуктора; п — число витков на фазу;
SX — суммарная проводимость потоков рассеяния с главного
потока, проходящего через расточку индуктора; F — МДС,
приходящаяся на полюс; т — число фаз; fw — обмоточный
коэ<|хрициент.
Решив систему уравнений (82), получим значение тока, со-
противления п числа витков:
I = 2,222 • 4ч • 10-°
10° иг т- .
2.22- ‘ 7 ’ / 2/рР ’ V* ’
10я U т <lfw
~ 2,22 • 4~ ' f Flp' •
(S3)
69
Значение МДС можно определить, интегрируя ее танген-
циальную составляющую. Для бесконечно малого угла поворота
dF = 8 • WB-rch,
где 7— значение тангенциальной составляющей индукции, Т;
г — расстояние от центра расточки индуктора, мм.
При условии г = у и t — О МДС на полюс
2г
F - 8 • 102 • j В гф или F = 4 - 1О’£>
о
где О — диаметр расточки индуктора.
Окончательное решение системы уравнений (82) принимает
вид
/ =
kL.^B
U рт- °мйкс
1 U2 рт2 1 qfw'
~Т’ 7 D4 ‘ Р V).;
И макс _J
8,88 10” U pm 1 ‘7г’
7’ dTp‘ 7ZT v>.’
(84)
где k = 2,222 • 43- • 10~Б^ 10~2.
Суммарная проводимость оп-
ределяется по формуле
2 X = к0 7 + 7 7 О,
где Хо — проводимость магнит-
ной цепи для главного потока;
Хп — проводимость рассеяния
паза; —проводимость рассея-
ния лобовых витков обмотки;
7 — проводимость рассеяния от
внешних гармонических.
Таким образом, основные па-
Рис. 57. Общий вид индуктора ап- раметры индуктора — ток, нп-
парата с вихревым слоем. дуктивное сопротивление и чис-
ло витков на фазу — могут быть
рассчитаны по уравнениям (84) без полного расчета индуктора.
Анализ этих уравнений показывает, чго при соотношении длины
индуктора к диаметру его расточки до значения 0,3 ток явпопо-
люсного индуктора меньше, чем пеявнополюсиого. При боль-
ших значениях этого соотношения меньший юк потребляет
индуктор с неявнополюспым сердечником. Однако па практике,
как правило, используют индукторы явиополюеиые < соотноше-
нием длины к диаметру расточки до 1,5, учитывая, чго в них
70
может быть обеспечена минимальная длина активной части и
они более технологичны в изготовлении.
На рис. 57 показан общий вид индуктора аппарата, выпускае-
мого серийно. Ярмо и полюса его набраны из изолированных ла-
ком листов трансформатор-
ной стали. Пластины полю-
сов стянуты изолированны-
ми стальными шпильками,
а пластины ярма —двумя
кольцами из немагнитной
стали, скрепленными меж-
ду собой по наружному ди-
аметру ярма. Полюса кре-
пятся к ярму специальны-
ми болтами.
Одним из наиболее про-
стых по конструкции и наи-
более ответственных в ра-
боте узлов является разме-
щенная внутри расточки
индуктора рабочая камера,
конструкция которой пока-
зана на рис. 58. Корпус рабо-
чей камеры и сменная втул-
ка выполнены, как прави-
ло, из нержавеющей стали
марки Х18Н10Т или дру-
гого немагнитного матери-
ала, например, титана.
Сменная втулка, в кото-
рой находятся ферромаг-
нитные частицы, в силу
особых условий работы яв-
ляется наименее долговеч-
ным узлом аппарата. Ин-
тенсивное движение ферро-
магнитных частиц в вихре-
вом слое, акустические ко-
лебания среды, кавитация,
быстропеременные по вели-
чине и направлению элек-
тромагнитные поля, возни-
кающая на поверхности ме-
Рис. 58. Конструктивная схема рабочей
камеры:
1 — корпус рабочей камеры, 2 — сменная втул-
ка; 3 — блгельное устройство.
талла разность потенциа-
лов и мехапохпмпческвс явления приводят зачастую к разру-
тспию втулки черт 200—I 000 ч работы. Сначала в зоне вих-
ревого слоя на внутренней поверхности вгулки обра?\ется
наклеп, а уже через 30—40 ч работы получаются наплывы метал-
ла, текущего в сторону вращения магнитного поля (рис. 59, а).
71
Через 200—1 000 ч работы па втулке образуются сквозные от-
верстия (рис. 59, б). При определенных режимах работы вихре-
вого слоя на поверхности втулки могут образоваться глубокие
кольцевые канавки, со временем полностью перерезающие эту
втулку (рис. 60). Аналогичные кольцевые канавки образуется
Рис. 59. Износ внутренней поверхности сменной втулки:
а — начальная стадия износа втулки иэ стали XI8HI0T; б —разрушении втулки;
в*-* характер износа втулки из керамики; г — вид разрушения втулки из керамики.
и на внутренней поверхности рабочих камер из стекла, керамики
и других материалов (рис. 59, в, г).
Для уяснения причин, приводящих к износу камеры, рас-
смотрим силы, действующие на некоторый участок втулки в мо-
мент удара о нее сферической частицы радиксом г и массой т, дви-
жущейся со скоростью Va- Линия действия силы образует в на-
чале удара с нормалью к поверхности цилиндра угол а. Части-
ца вращается с постоянной угловой скоростью и> (рис. 61, а).
До удара па ферромагнитную частицу в общем случае дейст-
вуют сила Р, нормальная и тангенциальная составляющие кото-
рой
Рп == Р cos а; Р-. — Р sin а,
72
а также вращающий момент сипы
•“ 1 у
который можно представить в виде пары
Л1вр = Nd, где N = .
Переносим силу Р параллельно самой себе из центра тя-
жести частицы в точку удара О , вводя при этом пару с моментом
Рис. 60. Характер разрешения втул-
ки в вихревом слое ферромагнитных
частиц из высокоуглеродистой за-
каленной стали.
Рис. 61. Схема сил:
а — действующих иа ферромагнитную
частицу до столкновения ее с поверх-
ностью втулки; б — действующих на
элемент поверхности втулки в момент
удара ферромагнитной частицы.
М', равным моменту переносимой силы относительно точки О:
М' = Pr sin а.
Тогда суммарный момент, действующий на частицу до удара,
М == 7Ипр -р М' = Nd 4- Pr sin а.
В момент удара на элемент поверхности сменной втулки
действуют следующие силы (рис. 61, б)
Сила удара Луд с нормальной и тангенциальной составляю-
щими
F и == Луд cos я, F — Л уд sin ot.
Силы взаимодействия между частицей и элементом втулки,
вызванные действием моментов /Мпр и М',
F" = Р”; Л' - Psina.
а
73
Сила Р с составляющими
Рп~ Р cos а; Л = Р sin а.
Равнодействующая всех тангенциальных составляющих
F = 2Psin<x— ~ — F\asina. (85)
Так как сила Р на несколько порядков меньше других, вхо-
дящих в уравнение, то первым членом выражения (85) можно
пренебречь.
Экспериментально установлено, что тангенциальные состав-
ляющие скоростей ферромагнитных частиц в вихревом слое преи-
мущественно направлены в сторону вращения магнитного поля.
Поэтому правомерно утверждение, что угол между вектором
силы, действующей па втулки в момент удара, и нормалью к ее по-
верхности имеет преимущественно одни и тот же знак. Тогда из
выражения (85) следует, что равнодействующая всех тангенци-
альных сил всегда направлена в сторону действия танген-
циальной составляющей ударной силы.
В цилиндрической втулке могут находиться одновременно
десятки тысяч частиц, многие из которых одновременно ударяют
по ее поверхности. Тогда суммарное действие нормальных со-
ставляющих на внутреннюю поверхность сменной втулки можно
рассматривать как распределенную нормальную нагрузку со
средневероятной плотностью q, а суммарное действие танген-
циальных сил—как одну пару сил, образующую момент
Т = Fh
i=l
Под действием этого момента цилиндр вращается в сторону
вращения магнитного поля. Пусть в некоторый момент времени
угловая скорость вращения цилиндра со,, будет такой, что ли-
нейные скорости соприкасающихся точек частицы и цилиндра в
момент удара будут равны, т.е.
Ч1ЦР = V- + шг,
где R — радиус внутренней поверхности втулки; v-— танген-
циальная составляющая скорости ферромагнитной частицы.
Тогда F, = 0; Т 0; Fnl = Тудсоха г Рссъа, т. е. на ци-
линдр действует только нормальная составляющая ударной силы.
Так как разрушение в общем случае идет течет нормальной
н тангенциальной составляющих силы в момент удара, то, иск-
лючая действие тангенциальной составляющей силы, вращением
цилиндра можно решо уменьшить его износ. Этого можно дос-
1пчь как врииудик’льиым вращением сменной втулки, так п вра-
74
щеппем ее за счет действия момента, вызванного тангенциальны-
ми силами. В последнем слу чае осуществляется саморегулирова-
ние скорости вращения в зависимости от режимов работы вих-
ревого слоя, например, массы, размеров и формы ферромагнит-
ных частиц.
Другими методами увеличения срока службы реакционной
емкости являются аксиальное перемещение ее отиоептезьно ин-
дуктора [74], изменение конфигурации внутренней поверхности
втулки н др.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АППАРАТОВ ДЛЯ
ЖИДКОФАЗНЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Разработано и испытано несколько типов АВС различного
назначения: ВА-100, АВС-100, АВС-150 и др. На рис. 62 приведен
общин вид аппарата типа ВА-100, а на рис. 63 — его конструктив-
ная схема. Диаметр расточки индуктора ВА-100—100мм и магнит-
ная индукция в рабочей зоне — 0,13 Т. Аппарат имеет автоном-
ную систему охлаждения и управления и может быть применен
для проведения как непрерывных, так н циклических процессов.
Питание аппаратов осуществ-
ляете от трехфа.шой сети перемен-
ного тока напряжением 380'220 В,
частотой 50 Гц. Максимальная про-
изводительность аппарата при не-
прерывном ведении процесса в жид-
кой фазе составляет около 15 м:|/ч.
Аппарат снабжен бигельным уст-
ройством, позволяющим без оста-
новки технологического процесса
производить восполнение ферро-
магнитных частиц в рабочей зоне
и быструю замену рабочей камеры,
подвергаемой интенсивному износу.
Хппараты этого типа находят
применение также в лабораторной
практике. Сняв бигельное устрой-
ство и заменив рабочую камеру,
предназначенную для непрерыв-
Рис. 62. Аппарат ВА-100.
кого ведения процесса, аппарат
легко переоборудовать в лабораторную установку для смешения
порошков, измельчения твердых и сверхтвердых материалов,
проведения ра’.личных химических процессов при тсрмосгагп-
роваппп.
Аппараты ВА-100 прошли промышленные испытания па npei-
прпятиях на различных технологических процессах. В табл. 17
приведены сравнительные данные по удельной металлоемкости,
75
удельной производительности п удельной энергоемкости ВЛ 100
и тех машин и аппаратов, которые заменены лнм аппаратом.
Из таблицы видно, что удельная производительность ВА-100
в тысячи, а иногда и десятки тысяч раз выше удельной произво-
дительности ранее применяемых аппаратов, а удельная метал-
лоемкость в десятки раз ниже.
Рис 63. Конструктивная схема аппарата ВЛ-100:
/ — бигельное устройство! 2 — индуктор; 3— маслоуказэтель; 4 — поторотное устрой-
ство; 5— панель управления аппаратом; 6 — каркас; 7 — теплообменник; 8— мтслобак;
9 — маслоиасос
В отличие от аппаратов ВА-100 аппараты типа АВС выпол-
нены из двух блоков: собственно аппарата и блока управления
(рис. 64). Корпус аппарата, индуктор, бигельное устройство и ра-
бочая камера аналогичны таким же узлам в аппарате ВА-100.
Аппарат закреплен на опоре с помощью цапф, что позволяет ре-
гулировать угол наклона рабочей зоны с последующей фикса-
цией в заданном положении.
Управление работой аппарата осуществляется с блока управ-
ления, в верхней части которого размещена аппаратура защиты,
контроля и управления, а в нижней—систем.! маслосиабжепия
76
индуктора н охлаждения масла. Трансформаторное масло, пир
кулирующее в системе маслобак — теплообменник — индуктор —
маслобак, охлаждается воздухом от осевого вентилятора. Для
контроля наличия масла в системе маслоснабжен ня па трубо-
проводе слива масла
из корпуса аппарата
установлен датчик
давления. Здесь же
установлен датчик
контроля температу-
ры масла. Показы-
вающие приборы и
кнопки управления
размещены на пане-
ли. Блок управления
может быть установ-
лен па расстоянии до рис (,4 дппарл АВС-100.
10 м от аппарата.
Аппараты типа АВС рекомендованы для непрерывного про-
ведения жидкофазных и гетерогенных процессов. Технические
характеристики рассмотренных типов аппаратов приведены в
табл. 18.
Таблица 17
Превышение удельных показателей аппарата ВА-100 над
аналогичными показателями замененного оборудования
Процесс Ранее применявшееся оборудование Превышение удельных показателей (количество раз)
Увеличение удельной производи- тельности Уменьше- ние удель- ной метал- лоемкости Уменьше- ние удель- ной энер- гоемкости
Окисление фенола в сточ- ных водах Реакторы емкостью 18 м* 21 400 1500 060
Очистка сточных вод от тяжелых металлов путем осаждения их в виде гид- роокисей Реакторы емкостью 12 м3 15 100 40 3
Производство карбоната и гидроокиси бария (по данным лабораторных ис- следований) Реакторы емкостью 25 м3 30 000 1200 6—15
Приготовление дисперсий ингредиентов в производ- стве губчатых изделий из латекса Вибромельницы М-400 38 000 40 150
Приготовление тонкодпе- персиык эмульсий типа масло в воде Резктор с рецирку- ляционном 1МСОСНОП системой 6.3 000 70—73 25—30
Приготовление токопро- водящих рецептур в произволе।не резисторов Шаровые мельницы 80—100 15—20 100—120
77
Технические характеристики аппаратов с вихревым слоем'
Таблица 18
Характеристики аппарата Типы innapdTd
ВЛ-100 ЛВС -100 \tV -15(1
Производительность, м3/ч До 15 До 15 До 10
Диаметр "рабочей зоны, мм 80 70 12к
Питание От ссгп переменного гока
Частота, Гц 50 50
Напряжение, В 380 380 Зх)
Потребляемая мощность, 1,6 1,6
кВт 930- 8ь0 1000
Габаритиыс размеры, мм 970x780x1360 672- 765 800
Масса, кг 520 222 300
* Для ЛВС-100 и ЛВС-150 масса пппаратл длил без \чсы «лесы блока управления
АППАРАТЫ С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ
ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Многочисленные усилия инженеров и ученых в области разра-
боток оборудования для смешения сыпучих материалов постоян-
но на галкиваются па серьезные трудности, обусловленные особен-
ностями сыпучих материалов и их потоков. Отсутствие четкого
определения понятия сыпучего материала, полностью отража-
ющего его физическую природу, общепринятых его количе-
ственных характеристик, обоснованных методов и приборов для
определения параметров и оценки свойств сыпучего материала
порождают множество теорий, описывающих происходящие в
сыпучей среде процессы. Общей тенденцией при создании сме-
сительного оборудования для сыпучих материалов является соз-
дание устройств, обеспечивающих интенсивные сдвиговые уси-
лия, действующие на слои смешиваемых материалов, или боль-
шие относительные скорости смешиваемых компонентов, обес-
печивающие необходимое перераспределение этих компонентов
за минимальное время.
Оптимальными хеловнями смешения, которым должен от-
вечать смеситель, являются следующие: переменная во времени
частота и амплитуда вибрационного фона; наиболее сложное дви-
жение рабочего органа, одинаковая интенсивность вибрационно-
го фона по всему объему обрабатываемой среды.
Однако па пути выполнения этих условий во шикают боль-
ниц' трудности копе трук тинного и экономического харакк'ра,
так как вытекающая из перечисленных выше условий необходи-
мость обеспечения одновременного интенсивно! о микро- и макро-
перемешпваиия ipe6yer решения зачастую прямо противопо-
ложных задач. 11пгереспымп в эюм плане явлтнисч дну хнальные
78
вибрационные смесители непрерывного действия [54], в которых
наряду с макроперемешиванием лопастными валами происходит
высокочастотное перемешивание в микрообъемах. Однако такое
решение требует большой затраты энергии, значительная часть
которой расходуется на сообщение вибрации корпусу смесителя,
массивному противовесу и всей массе смешиваемых компонентов.
Поэтому изыскание принципиально новых средств и устройств
для этих целей является актуальной задачей.
Одним из путей решения сложной задачи по обеспеченшо эф-
фективного перемешивания сыпучих материалов может быть
вихревой слой ферромагнитных частиц. В случае перемешивания
в нем сыпучих материалов в непрерывном режиме аппарат, соз-
дающий этот вихревой слой, должен удовлетворять следующим
основным требованиям: исключать вынос ферромагнитных час-
тиц из рабочей зоны или обеспечивать постоянное восполнение
их; исключать сепарирование полученной смеси после выхода
ее из вихревого слоя.
Не менее важным при непрерывном процессе смешения явля-
ется способ транспортировки смешиваемых компонентов через
вихревой слой, так как в зоне действия вихревого слоя нежела-
тельно наличие каких-либо конструктивных элементов. Наиболее
приемлемой может быть подача материалов в рабочую зону под
действием силы тяжести. В этом случае аксиальная ось инду ктора
вращающегося электромагнитного поля (следовательно, и ра-
бочей камеры) должна быть направлена вертикально или под
углом к горизонту, большим, чем угол естественного откоса
смешиваемых сыпучих материалов.
Большие требования при непрерывном процессе смешива-
ния предъявляются к дозаторам компонентов, так как ошибка
в дозировании прямо влияет на соотношение подаваемых в
рабочую зону компонентов. Качество же смешения от этой
ошибки не зависит и определяется только режимом работы
вихревого слоя.
В связи с тем, что вихревой слой имеет некоторую угловую
скорость в направлении вращения электромагнитного поля,
смешиваемые компоненты и готовая смесь также приобретают
эту скорость. В зоне действия вихревого слоя это явление в силу
хаотичного движения ферромагнитных частиц и смешиваемых
немагнитных частиц не оказывает влияния на качество полу чае
мой смеси. Однако после выхода из зоны действия вихревого
слоя это приводит к сепарации смеси. Следовательно, при выходе
из рабочей зоны вращение смеси должно быть ликвидировано,
что обеспечивается конструкцией отводящей магистрали по-
тока. В отводящей же магистрали должны быть предусмот-
рены конструктивные элементы, обеспечивающие удержание
ферромагнитных частиц в рабочей зоне (например, электромаг-
нитное воздействие на них, гашение скорости их движения в ак-
сиальном направлении на границе действия вращающегося
электромагнитного поля любым из известных методов) пли
79
улавливание их с помощью специальных ловушек с отповремеп-
ным восполнением в рабочей зоне.
Наиболее простым может быть устройство для смешения по-
рошков в циклическом режиме. В этом случае указанные выше
требования теряют свою силу, но одновременно появляется
новое. Если в непрерывном режиме смешения решающую роль
играет равномерное распределение смешиваемых компонентов
в плоскости вращения ферромагнитных частиц, ю при смешении
Рис. 65 Аппарат АВСП-ЮОдля
циклического смешения и из-
мельчения сыпучих материалов
Рис. 66. Устройство аппарата АВСП-100
1 — корпус аппарата; 2 — индуктор вращающе-
гося электромагнитного поля; 3 — рабочая ем-
кость; 4 — механизм перемещения рабочей емко-
сти.
в циклическом режиме на первый план выступает равномерное
распределение компонентов в направлении, перпендикулярном
плоскости вращения ферромагнитных частиц. В этом случае в
начальный момент времени, как правило, смешиваемые компо-
ненты занимают определенные объемы в рабочей зоне и имеют
минимальную поверхность контакта между собой. В связи с тем,
что при движении через вихревой слой время пребывания смеши-
ваемых частиц в вихревом слое неодинаково, передвижением ра-
бочей камеры относительно магнитной системы или магнитной
системы относительно рабочей камеры можно обеспечить рат-
песение частиц смешиваемых компонентов вдоль осп рабочей
камеры аппарата. Варьируя величиной загрузки ферромагнитных
частиц и их размерами, скоростью перемещения камеры отно-
сительно вихревого слоя можно обеспечить необходимую степень
гомогенизации смеси за опреде iciinoe время.
80
В случае циклического режима смешения на характер про-
цесса решающее влияние ока'.ывает интенсивность продольного
перераспределения смешиваемых частиц. С этим связаны требо-
вания к режиму работы вихревого слоя и конструктивному офор-
млению аппарата для этих целей. В данном случае одним из важ-
нейших параметров, определяющих процесс перемешивания, яв-
ляется скорость перемешивания рабочей камеры (емкости) от-
носительно вихревого слоя. Величина этой скорости определяет-
ся коэффициентом заполнения емкости ферромагнитными элемен-
тами, а в конечном случае — вероятностью проскока смешивае-
мых частиц через вихревой слон.
Общий вид аппарата, разработанного для циклического ре-
жима смешения сыпучих материалов, приведен на рис. 65, а его
устройство — на рис. 66. Аппарат состоит в основном из тех же
узлов, что и ВА-100, описанный ранее. Отличительной его осо-
бенностью является наличие в нем механизма пере твижеиия ра-
бочей емкости относительно индуктора вращающегося электро-
магнитиого поля с определенной скоростью. Имеются три • г\ пе-
ни скорости: 1,83; 2,85; 5,6 м/мин. Конструктивно аппарат
оформлен таким образом, что обеспечивает возможность быстрой
смены рабочнх| емкостей в процессе работы и обработку компонен-
тов в течение заданного времени. Наличие в комплекте запасного
инструмента и приспособлений, а также рабочей емкости с ру-
башкой охлаждения позволяет использовать его для обработки
сыпучих материалов, если имеются какие-то ограничения к тем-
пературе внутри рабочей емкости.
ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АВС
Большинство процессов, на которых рекомендовано примене-
ние АВС, можно условно разбить на три категории: чисто физи-
ческие (перемешивание или измельчение твердых веществ в су-
хом виде или в жидкостях), чисто химические (например, орга-
нический пли неорганический синтез) и смешанные, в которых
имеют место одновременно те и другие явления. Как было уже
показано, в вихревом слое имеется несколько факторов, способ-
ствующих ускорению процессов: интенсивное перемешивание
и диспергирование фаз, высокие локальные давления за счет уда-
ра частиц друг о друга, акустические колебания обрабатывае-
мой среды, быстропеременные по величине и направлению элект-
ромагнитные поля, разность потенциалов на ферромагнитных
частицах, приводящая к явлениям электролиза. Каждый из
этих факторов по-разному влияет на различные группы процес-
сов, поэтому задача выбора оптимальных режимов работы \ВС
достаточно сложна Сразу же оговоримся, что понятие оптнм ль-
иого режима р 1боты АВС включает в себя максимальное исполь-
зование тех факторов, которые присущи только вихревому слою.
Температура процесса, внешнее давление и другие парами гры
6 5-381
должны быть учтены, кроме этого, в каждом конкретном слу-
чае
Смешанные процессы представляют собой наиболее общий и
наиболее сложный случай. Очевидно, что наибольшая скорость
химического процесса с участием твердой фазы соответствует слу-
чаю максимальной площади соприкосновения фаз (при прочих
равных условиях). В нашем случае процесс протекает при наи-
большей скорости диспергирования твердой фаты. Идеальным
случаев для этого было бы условие, при Koinpi м сила удара и
частота приложения этой силы были бы максимальны.
Аналогичный вывод справедлив и по отношению к влиянию
локальных давлений. Скорость химического процесса (имеется
в виду не скорость химической реакции, которая различна в
каждой точке вихревого слоя, а средняя скорость превращения
веществ в рабочей зоне АВС) является наибольшей при условии
максимальных значений величины давления и частоты его изме-
нения. Заметим, что обе эти величины являются следствием со-
\ щрения ферромагнитных частиц.
Поскольку акустические колебания среды в основном вы-
званы этими же ударами, а энергия акустической волны также
пропорциональна амплитуде давления и частоте, то и здесь спра-
ведливы предыдущие выводы.
Как было ранее показано, величина разности потенциалов
на ферромагнитных частицах также является функцией силы
и частоты соударения ферромагнитных частиц. Следовательно, от
этих же факторов зависит и скорость процесса электролиза, если
он в данйом конкретном случае возможен.
Влияние электромагнитного поля на кинетику химического
процесса может быть оценено по величине работы, совершаемой
этим полем над рассматриваемой системой. Известно, что мак-
симальная сила, совершающая эту работу, соответствует случаю
наибольшей величины индукции и скорости ее изменения.
Анализируя рассмотренные факты, приходим к выводу, что
при постоянных значениях индукции в рабочей зоне аппарата,
скорости вращения поля и определенном материале ферромаг-
нитных частиц задача выбора оптимальных режимов работы
АВС сводится к определению максимума функции
^ = 7 (/’уд, Рд, Рак, В, Е, [уд, К, /ак, /в, Zc),
1Де Руд, Рд, Рак, В, Е — значения сил удара, давления, акусти-
ческого давления, индукции и ЭДС на поверхности ферромаг-
нитной частицы соответственно; fv:., fz, fav, fB, fE — частоты
изменения этих величин.
Эта задача может быть решена через отыскание суммарного
увеличения скорости процесса за счет каждого из факторов
АГ = У, ДГЬ
где А Г, - <р(Р,-, А).
62
Однако, как отмечалось
ранее, величины Рд, Р,1К, Е
пропорциональны Руд, а
/д = /ак — f ь ~ fуд- Отсюда
следует, что ДГ^КС, AW д1акс,
AIV f соответствуют слу-
чаю дг::;кс
Учитывая, чю влияние
электромагнитных полон
па скорость химических ре-
акций меньше, чем влияние
других факторов, можно
утверждать, что для опре
деления оптимального ре-
жима работы АВС доста-
точно определить макси-
мум функции
W = Ф (Суд, /уд).
Поскольку значения Руд
и /Уд являются функциями
размера и формы ферромаг-
нитных частиц и плотности
вихревого слоя, то
W = )(l/d, К),
где Р — коэффициент плот-
ности вихревого слоя (ко-
эффициент заполнения ра-
бочей зоны АВС ферромаг-
нитными частицами).
Из рассмотренного сле-
дует, что оптимальный ре-
жим работы АВС может
быть определен методами
нахождения максимальных
значений силы и частоты
ударов ферромагнитных
частиц, амплитуды и часто-
ты акустических колебаний
среды, электропроводности
вихревого слоя*, скорости
измельчения твердой фазы
Рис. 67. Зависимость от массы ш келевых
частиц диаметром 1 мм и длинен 15 мм:
/ — величины ЭДС, ИЗВОДИМОЙ л ИНДУКЦИОННОМ
датчике магнитными полями движущихся ферро-
магнитных частиц; 2 — максимальной ампли-
туды давления акустической волны частотой
кГн в воде; 3— максимальной силы чдара
вихревом слое
Рис. 68. Зависимость от соотношения l/d
ферромагнитных частиц:
/ — электропроводности вихревого слоя частиц
никеля диаметром 1 мм и массой 200 г в раство-
ре NaCI (Д/ в процентах к току в этой же си-
стеме при отсутствии действия вращающегося
электромагнитного поля); 2 — максимальной ам-
плитуды давления акустической волны частотой
12 кГц в вихревом слое 200 г частиц никеля диа-
метром I мм; 3 — скорости измельчения в вих-
ревом слое никелевых частиц диаметром I мм
в водной среде (в граммах образовавшейся за
20 мин фракции менее 150 мкм на 200 г ччетиц
никеля); 4 — степени гидратации окиси магния
при измельчении ее в вихревом слое частиц ни-
келя диаметром I мм в течение 180 с
в жидкости (в том числе и самих
ферромагнитных частиц), скорости электролиза жидкости в вих-
ревом слое или скорости любой химической реакции.
* с лсктропроводность дисперсной системы, состоящей из приведенных
в движение ферромагнитных частиц и среды, в которой они находятся.
6*
83
На рис. 67 и 68 приведены обобщенные результаты исследова-
ний, подтверждающие эти выводы. Из рисунков следус!, что оп-
тимальным условием работы АВС является соотношение l,d час-
тиц от 10 до 16 при коэффициенте заполнения рабочей зоны К =
= 0,05 -ь- 0,07, что для аппаратов типа ВА-100 и АВС-100 со-
ответствует массе частиц от
180 до 220 г.
Для циклического режима
смешения сыпучих материа-
лов рекомендации по ouni-
мальным режимам несколько
иные: масса ферромагнитных
частиц для аппаратов ВА-100
и АВСП-100 составляет 30 —
60 г, соотношение I d = 8н-
~ 14, степень заполнения ра-
бочей емкости смешиваемыми
компонентами не более 0,5.
Эти рекомендации следуют из
анализа экспериментальных
данных по смешению песка и
Рис. 69. Зависимость коэффициента не-
однородности смеси от размеров фер-
ромагнитных элементов Диаметром:
I — 0,8 мм; 2 — 1,0 мм; 3 — 1,2 мм; 4 —
2,0 мм
Рис. 70. Зависимость коэффициента не-
однородности от степени заполнения
рабочей емкости ферромагнитными эле-
ментами и смешиваемыми компонента-
ми.'
/ — 0,3 объема емкости; 2 — 0,5 объема ем-
кое ш: 3 — о,7 объема емкости.
На рис. 70 приведены зависимости
родности смеси от степени заполнения
питпыми элементами и смешиваемыми компонентами
пульвербакелнта при различ-
ных режимах работы вихре-
вого слоя.
На рис. 69 привечена за-
висимость качества смешен ня
180 г песка п 20 г п\ льверба-
келита от соотношения I d
ферромагнитных частиц, вы-
полненных из высокоуглеро-
дистой стали в течение 15 с.
Для всего диапазона диамет-
ров минимальное значение ко-
эффициента пео'шородпостн
124] обеспечивается для зна-
чений соотношения Ud — 8-г-
ч- 14. С увеличением диамет-
ра ферромагнн тных элемеи гов
наблюдается более четко вы-
раженный минимум значений
коэффициента неоднородно-
сти.
коэффициента йен дно-
рабочей емкости ферромаг-
1 [спользо-
ваны те же, что и в предыдущем случае, ферримаг питые эле-
менты диаметром 1,2 .мм и l/d = 8,98. Время пребыв ппя смеси
в рабочей емкости (время смешения) — 9 с. Степень ’.аполпеппя
рабочей емкости смешиваемыми компопсп га мп сое гав 1Ч"г: 0.3 обь-
ема рабочей емкости (144 г песка и 16 г пульвербакелита);
0,5 объема рабочей екмкости (239,4 г песка и 26,6 г пульвербаке-
лита); 0,7 объема рабочей емкости (335,7 г песка и 37,3 г пуль-
вербакелита). Во всех случаях компоненты взяты в соотношении
9 : 1. Как видно из рисунка, качество смесей резко падает при
заполнении рабочей емкости смешиваемыми компонентами свыше
0,5 ее объема.
глава ш.
ПРИМЕНЕНИЕ АВС ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВС
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
РЕЗИНОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Наиболее узкими местами в технологических процессах про-
изводства резиновых и латексных изделий являются длитель-
ность измельчения и смешения наполнителей и дру гих ингреди-
ентов, трудность их равномерного введения в каучуки и ла-
тексы, большая длительность вулканизации. В связи с резким
увеличением производства изделий из наполненных резни боль-
шой проблемой является поиск новых активных наполнителей
или изыскание путей активации инертных (например мела).
Эффект усиления каучуков, как известно, зависит не только
от химической природы, дисперсности и формы частиц, но и от
состояния поверхности последних [91.
С целью активации поверхности частиц наполнителя (напри-
мер сажи) ее подвергают измельчению в шаровых или вибра-
ционных мельницах. Однако подобная обработка очень трудоем-
ка и дает незначительный эффект. Более эффективным является
химическое модифицирование наполнителей. Один из способов
химического модифицирования каолина основан па совместном
осаждении суспензии каолина и силиката кальция, образующе-
юся при смешении раствора силиката натрия с хлористым каль-
цием 11 ].
Известно также модифицирование каолина длиниопепочич-
нымп катион- и анионактивными веществами — аминами, жир-
ными кислотами и т. д. [3, 35]. Модифицирование наполнителей
приводит к увеличению прочности вулканизатов, что объясня-
ют образованием адсорбированного слоя модификатора на по-
верхности частиц каолина, способствующего образованию адсорб-
ционных п химических связен между частицами наполнителя и
молекулами каучу ка.
85
Исследованиями установлено 170], что активация поверх-
ности каолина в аппарате с вихревым слоем (табл. 19) позволяет
увеличить прочность вулканизатов на основе каучука СКС-30
АРКИ максимально па 84,3% при неизменных'прочих еоп-
ства.х. Лучшие результаты получены при обработке каолина в
вихревом слое в течение от 1 до 5 мни Обработка каолина в шаро-
вой мельнице к существенным изменениям спойстг вулкаптата
не привел?).
В табл 20 приведены данные по изменении топ гп вулка-
низатов на основе каучука СКС-30 АРКП, паполпсины активи-
рованной в АВС сажен ТМ-15.
Таблица 19
Сопротивление разрыву резины, полученной на
основе каучука СКС-ЗО АРКП, наполненного
активированным каолином <5 10~*. Па*)
Продол
житель-
ностъ
вулкани-
зации при
143° С,
мин
Продолжительность акти-
вации каолина в BV100,
мин
Продолжи-
тельность ак-
тивации као-
лина в шаро-
вой мельнице,
мин
Таблица 20
Сопротивление разрыву
резины, полученной на
основе каучука
СКС-30 АРКП. наполнен-
ного активированной
сажей (з • 10~в. Па)
£ Продолжительность иьти-
вации сажи в ВА-100 мии
х 21
(и о-
30 60 120
20
30
40
60
80
2.9
9.81
21,6
62.8
55.0
39,3
22,6
32.4
58.9
50,0
24.5
41,2
57,9
76,6
73,6
92.2
116,0
9?.2
6.57
86,3
105,0
55.0
9.8
21.6
63,8
29.4
45.J
65,7
47.1
29,4
98,1
93.2
96,2
104.0
119.0
98,1
80,5
121.5
104,1
105.0
96,2
ПО.0
120,0
98,1
Ю8,0
128,5
129.3
52,0
98,1
100,0
Относительное и остаточное удлинение, а также
твердость вулканизата не изменились
Таблица 21
Сопротивление разрыву резины, полученной на основе каучука
СКС-30 АРКП, наполненного активированным мелом (ср-10~5, Па)
Обработка мела в вихревом слое в течение 10 мин приводит к
улучшению прочностных свойств максимально на 51,5% (табл.
21), в то время как обработка в шаровой мельнице практически не
влияет на прочность вулканиза га.
Увеличение прочности резин при наполнении их активирован-
ными в АВС наполнителями достигается в значительной степени
за счет роста адсорбционной способности этих наполнителей.
Установлено [29], например, что при обработке в АВС адсорб-
ционная способность каолина повышается в 2—3 раза. На рис.
Рис. 71. Зависимость величины ад
сорбции ионов Zn3+ иа каолине в
водной суспензии от длительности
обработки в вихревом слое:
/ — соотношение Т . Ж — I I 10; 2 —соот-
ношение Т - Ж = I : 5; 3 — соотношение
Т i Ж = I : 3
Рис. 72. Зависимость сопрогив ;ения
разрыву резины на основе к .учука
СКС-30 АРКП, наполненного мо-
дифицированным кас т ином, от про-
должительности рулканизиции:
1 — контрольная смесь (Геч модифик -то
ра); 2 — модифицирование вихре! оч
слое; 3 — химическое модифицирование
71 приведены кривые изменения адсорбционной способности као-
лина, подвергавшегося воздействию вихревого слоя в водном
растворе сернокислого цинка. С увеличением времени обработки
в АВС от 1 до 10 мин адсорбционная способность каолина растет
пропорционально времени, затем несколько замедляется. Вели-
чина адсорбции зависит также от соотношения твердой и жидкой
фаз, величины магнитной индукции в рабочей зоне АВС, формы
и размеров ферромагнитных частиц, плотности вихревого слоя.
Столь сильное изменение адсорбционной способности напол-
нителей позволяет эффективно применять АВС для процессов
химического модифицирования не только каолина, но и мела
[60, 281. Наполнение каучуков каолином, модифицированным
в вихревом слое диметилалкилбензиламмонийхлоридом (ДМБА)
приводит к увеличению скорости вулканизации в 5—8 ра при
увеличении прочности вулканизата в 2 раза (рис 72). Аналогич-
ные результаты получены при использовании в качестве напол-
ни геля модифицированного п АВС мела (габл. 22).
87
Отличительной особенностью процессов химического модифи-
цирования наполнителей в АВС является возможность его осу-
ществления при обработке сухих порошков. Эффект усиления
резин с применением таких наполнителей зависит от продолжи-
/аблица 22
Зависимость прочности резины на
основе каучука СКС-30 АРКП,
наполненного модифицированным
и немодифицированным мелом, от
продолжительности вулканизации
(с- И)”5, Па)
Продолжи- тельность Предел прочности при разрыве резины на основе каучука СКС-30 ХРКП
при нспользо- при ИС
вулканнза- вании мела с пользой-
ции при 2% ДМБА, об- нии немо-
143° С, мии работаиного в дифнцпро-
АВС в течение ванного
!0 мин мела
5 35,3
10 22,6 9,52
15 28,5 9,42
20 23,6 12,7
объему рабочей камеры при незначительном эффекте измельче-
ния ввиду малых силовых воздействий. При Ud — \\ ~ 17,
обеспечивающем максимальные силовые воздействия па обраба-
тываемые в вихревом слое
материалы, достигаются
наибольшие эффект измель-
чения и деформация кри-
сталлической решетки.
Учитывая особенность
порошкообразных материа-
лов, оказывающих ферро-
магнитным элементам зна-
чительное сопротивление
при их движении, целесо-
образно для осуществления
процессов диспергирова-
ния сочетать максималь-
ные силовые нагрузки и
частоту их воздействия, что
соответствует интервалу
Ud — 10 ч- 13. При этом
диаметр ферромагнитных элементов целесообра шо выбирать из
диапазона d = 1,4-=-1,9мм: для порошков с малой плотностью —
минимально0 значение нз этого интервала, а с увеличением
плотности величина .диаметра увеличивается. Заполнение же
тельности обработки в АВС (рис.
72) и режимов работы вихревого
слоя.
Исследованиями установлены
оптимальные режимы проведения
процессов смешения п дисперги-
рования в АВС, которые могут
быть рекомендованы для актива-
ции и химического модифициро-
вания наполнителей. На рис. 73
приведены обобщенные резуль-
таты этих исследований. Как
видно из рисунка, экстремаль-
ные значения нм.,кои Смаке дости-
гаются при различных значени-
ях l/d. При lid = 7, обеспечи-
вающем максимальное число
соударений в вихревом слое,
достигается максимальное пере-
мещение смешиваемых частиц по
Рис. 73 Режим работы вихревого слоя:
/ — максимальная ч iciow ударов («макс>» ? —
максимальное значение ЭДС (Емакс), соответ-
ствующее максимальной силе удара; 3 — коли-
чество уларов п секунду при максимальной силе
УЛ-ipa
33
рабочей камеры ферромагнитным» элементами в этом случае
должно находиться в пределах (0,5 -ь 0,7) /<кр.
В процессах изготовления резиновых изделий из латексов
значительный объем затрат приходится на приготовление дис-
персии ингредиентов, вносимых в латексы при производстве
губчатых изделий, дисперсий вулканизирующих агентов, каоли-
на, сажи и др. На большинстве отечественных и зарубежных
Таблица 23
Дисперсность твердой фазы
суспензии при различной продолжи-
тельности обработки се в вихревом
слое
Размер частиц, мкм ( одержание частиц твердой общей дисперсии, %, полученной в ЛВС за время обработки С
(0 20 30 ‘•0
3 20 10 . -
2,3 40 25 20 —
1,9 10 25 40 —
1,1 10 20 10 25
0,76 20 20 30 75
Таблица 24
Сравнительные данные по устой-
чивости суспензии кремнефторис-
того натрия, полученной в АВС
и шаровой мельнице
Время приготовле- ния суспензии Макги M3.TUU н размер частиц мкм Суточ мый от- стой, %
п АВС с в шаро- вой мель нице ч
10 3 35
20 2 34
30 — 1 27
60 — 1 26
— 48 5 100
заводов эти дисперсии готовят в шаровых или вибрационных
мельницах, причем продолжительность измельчения составляет
до 70 ч и более.
Применение АВС для получения суспензий в латексной тех-
нологии значительно ускоряет процесс их приготовления [29] и
позволяет улучшить качество изделий [60]. В табл. 23 приведены
данные по дисперсности
твердой фазы суспензии
при различной продолжи-
тельности обработки в вих-
ревом слое.
Не менее эффективен
АВС для получения су-
спензии кремнефторпсто-
гонатрия, применяемой в
производстве латексной
губки в качестве желати-
нирующего агента. Обычно
применяют 27%-пуго сус-
Рис 71. Схема •.сглюикк для получения
суспсииш с применением ЛВС
/ — емкость для предварительного сме ic* ил
компонентов; 2 — насос; J — АВС; 4 — ренти.и
для отбора проб; 5 — сборник готовой суспензии.
пепзпю кремпсфтористого натрия, приготовленную в шаровых
мельницах в течение 48 ч. Сравнительные данные по устойчиво-
сти, размерам частиц данной дисперсии, полученной разными
способами, приведены в табл. 24.
Из таблицы следует, что в АВС получена высокодисперспая
и устойчивая суспензия кремнефтористого натрия при одно-
89
Рис. 75. Общий вид участи приготовле-
ния дисперсий:
а — с применением »вибромепьинц М-400; б —
с применением 4.BC-I00
временном сокращении времени ее приготовления более чем в
1700 раз.
В настоящее время па заводах внедрена установка для полу-
чения суспензий в латексной технологии. Схема такой установки
производительностью до 1 м3/ч приведена на рис. 74. Применение
установки дало возможность заменить 8 вибромельчнц объемом
по 400 л каждая, вести процесс непрерывно и повысить каче-
ство получаемых изделий.
На рис. 75 показан об-
щий вид участка прнгоюв-
ления дисперсии > при-
менением впбромсльниц
М-400, а также с аппаратом
АВС-100. Из рисхнка вид-
но, что применение АВС
позволяет значительно со-
кратить необходимые про-
изводственные площади.
При введении в латекс
суспензий, получаемых в
АВС, значительно ’ лучша-
ются физико-механические
свойства латексных изде-
лий. Так, при введении в
латексную смесь па основе
натурального и синтетиче-
ского латекса СКС-С общей
дисперсии вулканизирую-
щих агентов, полученной
в АВС непрерывным спо-
собом, латексная губка об-
ладает повышенными меха-
ническими свойствами.
В табл. 25 приведены сравнительные данные физико-меха-
нических свойств латексной губки с применением общей диспер-
сии вулканизирующих агентов, полученной разными способами.
Как видно из таблицы, прочность на разрыв латексной губки
с общей дисперсией, полученной в АВС, увеличивается в сред-
нем ia 20%, объемная масса уменьшается на 20%, остаточная
деформация после многократного сжатия уменьшается в 10—
20 раз при некотором снижении твердости и возрастании относи-
тельного удлинения, что дает возможность полз чать готовые
изделия высших марок и категорий. Кроме того, введение в ла-
текс общей дисперсии вулканизирующих агентов, полученной
в АВС, способствует сокращению режима вулканизации гото-
вых изделий и улучшению их качества. Сравнительные данные
физико-механических свойств латексных пленок, полученных
методом ионного отложения пз натурального латекса (патотек-
са), заправленного общей дисперсией, прпне iein.i в табл. 2G.
90
Та'лица 25
Сравнительные данные по физико-механическим свойствам
латексной губки при получении общей дисперсии вулканизирующих
агентов в ЛВС и шаровой мельнице
Способ приготов- ления общей ди- сперсии вулкзни- вирующич агентов Физико-механические свойств! л «тек свой губки
Объемная масса, г/см1 т вер д ость //fi-IO—\ Па Прочность на разрыв Ор-Ю-’. Па С тноси тельное удлинение. 'О Эластичес- кое ВОСС г.1- новлениг. Остаточная деформа- ция ПОС.11 МЙОГОЙ* зт- НОГО С/’- '' тия.
0,102 0,198 0 338 137 88 19
Шаровая мель- 0,119 0,173 0 322 133 89 28
ница 0,106 0,154 0,326 108 91 25
0,12G 0.204 0,334 126 91 15
0,099 0,097 0,400 176 90 1.2
АВС 0,101 0,091 0 401 180 90 0.9
0,101 0,098 0,407 180 98 1 2
0,101 0,‘ 98 0,407 180 98 1,2
Таблица 26
Сравнительные данные по физико-механическим свойствам
латексных пленок при получении общей дисперсии
вулканизирующих агентов*
Продолжи тельиость пул ка низании пленок при 143° С. мин АВС Шаровая мельница
Относительное Удлинение, % Прочность на разрыв □р«10—\ Па Относительное удлинение, % Прочность на разрыв, *р-ЮГб, Па
5 824 32,4 563 22.6
10 790 33 4 565 19,6
15 780 33 4 786 27 5
20 765 34,3 820 33,4
25 858 34,3 500 16.7
30 863 35 3 487 11.8
* Остаточное удлинение в обоих случаях составляло 8%
Из таблицы видно, что пленки с дисперсией, полеченной в
АВС, обладают повышенной прочностью (в среднем на 40—50"о)
по сравнению с пленками с общей дисперсией, приготовленной
в шаровой мельнице в течение 24 ч.
Частным случаем получения суспензий в АВС является полу-
чение каолинового фиксатора, применяемого в производстве ма-
каных изделий из латекса методом ионного отложения, следую-
щего состава (массовых долей): хлористый кальций 10, каотин
18, вода 62. Существующие способы приготовления фиксатора
заключаются в перемешивании всех его составляющих в аппа-
рагах i мешалками. Недостатками утих способов являются
91
неустойчивость фиксатора, быстрое оседание каолина, ведущее к
неоднородности покрытия модели фиксатором и. как следствие,
к большому разбросу физико-механических свойств изделий, т. е.
низкому их качеству и высокому проценту брака.
Прочность латексных пленок из хлоропренового латекса
наириг Л-7, полученных на фиксаторе, приготовленном в АВС,
возрастает на 40% по сравнению с пленками, изготовленными
на фиксаторе, полученном в аппарате с мешалкой (табл. 27).
При этом вязкость фиксатора в 2 раза больше стандартного, п он
не расслаивается в течение 10 дней. Величина частиц каолина
в нем не превышает 1 мкм.
Таблииа 27
Cpai нительные данные по физико-механическим свойствам
латексных пленок при получении фиксатора и АВС.
и шаровой мелтнице *
( пособ приготовления фиксатора Прочность на раз- рыв Op-10—ь, Па Остаточное Удли- нение Относительный разброс по толщи не. %
Аппарат с мешалкой 119 12 9
АВС 148 16 3
Относительное удлинение в обоих случаях составило 1000%
Эффект упрочнения пленок можно объяснить большой рав-
номерностью отложения перасслаивающегося фиксатора на мо-
дели, вследствие чего сокращается (более чем в 3 раза) разбро с
толщины и физико-механических свойств пленок.
Главным препятствием в развитии технологии получения
резиновых изделий из наполненных латексов до настоящего вре-
мени являлось отсутствие эффекта усиления каучука в латексе
и невозможность получения прочных резин путем непосредст-
венного введения наполнителей в латексы [281 Так, введение
20% наполнителя типа каолина или мела снижает разрывную
прочность пленок из натурального латекса до 50—70% от нор-
мального ее значения.
Известно, что основными причинами отсутствия эффекта уси-
ления каучука в латексе являются: недостаточно точное распре-
деление наполнителя в латексе, не обеспечивающее образования
удовлетворительной поверхности контакта частиц каучука и
наполнителя; неодновременное осаждение частиц дисперсной
фазы при формировании пленки даже при тонком и равномерном
распределении частиц в латексной смеси; наличие на глобулах
латекса и на частицах наполнителя поверхностной защитной обо-
лочки, которая исключает непосредственный контакт каучука
с наполнителем после удаления из латекса водной фазы. Таким
образом, для полу чения наполненных латексных смесей, имеющих
высокую прочность, необходимо обеспечить по меньшей мере
слс'пющее: высокую дисперсность вводимых в латке наполни-
телей п эффект осаждения частиц в смеси, г. с. одновременность
92
их выделения из латексной смеси; условия, приводящие к воз-
никновению непосредственного контакта между частицами кау-
чука и наполнителя, без прослойки защитных веществ, сни-
жающих энергию взаимодействия каучука с наполнителем
Применение АВС позволяет вводить наполнители (каолин,
аэросил, сажу, тальк) в хлоропреновый, натуральный, диметнл-
метакрилатный и другие латексы в виде водных суспензии, при-
готовленных в АВС с последующим введением их в латекс в вих-
ревом слое ферромагнитных частиц, либо в сухом виде путем рас-
пределения сухого наполнителя непосредственно в среде латек-
са. Так, при применении АВС каолин, введенный в натураль-
ный латекс — патотекс (до 15 массовых долей на сухую массу
латекса), дает возможность получить смесь, которая не расслаи-
вается в течение двух недель Аналогично можно вводить в иа-
тотекс до 60% талька на сухую массу латекса Смесь устойчива
более 10 дней. Даже небольшие дозировки наполнителей (3—5
массовых долей), введенные в латекс при помощи АВС, упрочняют
латексные пленки. Для каждого вида наполнителя существу-
ет свой оптимум наполнения. Так, максимальное упрочнение
аэросилом -175 достигается при введении его в количестве 15
массовых долей на сухую массу латекса. При этом прочность
наполненных латексных пленок увеличивается на 70% по срав-
нению с иенаполненнымн. Наибольшее упрочнение пленок као-
лином достигается при введении его в количестве 5 массовых
долей на сухую массу латекса. Прочность пленок при этом воз-
растает на 40% при неизменных прочих свойствах. По абсолют-
ной величине наибольшее упрочнение пленок из наирита Л-7
(250%) достигается при введении 5 массовых долей сажи ДГ-100.
Не вызывает сомнения и тот факт, что на механические свойства
изделий из латекса существенное влияние оказывают электро-
магнитные поля вихревого слоя.
Полученные результаты о скрывают новые возможности по со-
зданию непрерывных процессов латексных производств н обеспе-
чению высокого качества изделий. На заводах резинотехнических
изделий применяют диметилметакрилатный латекс ДММА-65ГП
для промазки обувных тканей. С целью выявления возможности
применения наполнителя в этот латекс в АВС вводили от 20
до 45 массовых долей каолина на сухую массу латекса. Продол-
жительность введения каолина составляла 15 с. Полеченной
смесью были промазаны образцы дублированных обувных тка-
ней, которые затем были испытаны на прочность сцепления.
Наполнение латекса ДММА каолином повысило прочность
сцепления обувной ткани более чем в 3 раза Обычно перед на-
несением латекса на обувную ткань его загущают казеинатом
аммония. При введении каолина дополнительного загущения не
требуется [291.
Аппараты с вихревым слоем можно использовать также для
приготовления водных суспензий серы, окиси цинка, сажи и
других ингредиентов, вводимых в латексы. В табл. 28 приведены
93
Таблица 28
Сравнительные данные по сгойстнам полных суспензий
(различных ингредиентов), полеченных >< АВС н шаровой мельнице
Ингредиент Кон- центра- ция суспен- зии , % АВС Шаровая мельница
Продолжи- тельность приготов- ления. мин Размер частиц, мкм Суточ- ный от- стой. % Продолжи- тельность приготов- ления, ч Размер частиц, мкм Суточ- ный от- стой.
X Окись цинка 70 - 10 0,7—0,S (10 24 1—5 100
Сера 70 10 0,7—2 70 72 2—3 100
каолин 30 5 0.5—0,8 5 4 1—10 100
Газовая сажа
ДГ-100 15 1 1—3 (1 8 8—10 100
некоторые данные о получении этих суспензий в АВС и в шаровых
мельницах.
Из таблицы видно, Что максимальный размер частиц твер-
дой фазы суспензий, полученных в АВС, в основном не превы-
шает 1—3 мкм, а большая часть — от 0,1 до 1 мкм. Все эти су-
спензии обладают повышенной устойчивостью к расслоению. Так,
суточный отстой суспензии каолина, полученной в АВС за 5 мин,
составляет всего 5%, в то время как аналогичная суспензия, по-
лученная в шаровой мельнице за 4 ч, расслаивается полностью.
Суспензия газовой сажи после минутной обработки в АВС не
расслаивается. В то же время аналогичная суспензия после
72-часового измел! чеиия в шаровой мельнице нестабильна н через
сутки расслаивается полностью.
Из приведенных примеров видно, что в латексной технологии
АВС могут найти самое широкое применение.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Многообразие процессов в химической технологии не позволя-
ет перечислить хотя бы основные, в которых целесообразно при-
менение АВС. Однако анализ факторов, имеющих место в вих-
ревом слое, дает во зможпость оцепить действие вихревого слоя па
те или иные типы химических реакций. К числу реакций, значи-
тельного ускорения которых следует ожидать в вихревом слое,
необходимо отнести окислительно-восстановительные и, в част-
ности, те, в которых один из реагентов находится в твердой фазе.
11нтересно, что в вихревом слое окислительно-восстановительные
процессы можно вести комбинированным методом: за счет до-
бавления окислителя или восстановителя и за счет электролиза,
идущего па поверхности ферромагнитных частиц. Это зачастую
позволяет вест процессы при добавлении реагента в количе-
ствах, значительно меньших, чем необходимо по стехиометри-
ческому расчету. Примеры таких процессов - восстановление
ми 1росоединеппй железом и восстановление шестивалентного хро-
i 1
ма сернокислым железом — будут описаны в соответствующих
главах.
Кроме восстановления азотсодержащих соединении, комбини-
рованный метод может быть применен для восстановления
карбонильных соединений и соединений, содержащих кратные
углерод-углеродные связи, а также серу, мышьяк и другие эле-
менты, для окисления спиртов, кетонов, аминов. В качестве при-
мера, характеризующего степень ускорения процессов окисления,
на рис. 76 приведены данные о скорости окисления щавелевой
кислоты (водный раствор, содержащий 12 г/л щавелевой кисло-
ты) перманганатом калия при 20° С в вихревом слое. Для исклю-
чения влияния света на ско-
рость реакции опыт вели
в темноте. В процессе этих
исследований установлено,
что в вихревом слое по-
крытых полимерной обо-
лочкой ферромагнитных
частиц скорость процесса
окисления щавелевой кис-
лоты увеличилась пример-
но в 30 раз, а в слое частиц
никеля — в 150 раз по срав-
нению со скоростью этого
Рис. 76. Скорость окисления щавелевой
кислоты перманганатом калия!
1 и 2 — в вихревом слое частиц никеля и частиц
углеродистой стали в поли хлор виниловой обо-
лочке соответственно; 3 — в аппарате с мешал-
кой.
же процесса в аппарате с ло-
паствой мешалкой Кроме того, в вихревом слое равновесие насту-
пило при 74,6% превращения, а вне слоя — при 70,3%. Второй
группой химических реакций, для ускорения которых может
быть применен вихревой слой, являются реакции соединения и, в
частности, полимеризации и поликонденсации. Электромагнит-
ное поле вихревого слоя приводит к ориентации молекул
мономера, изменению их химической активности. За счет раз-
ности потенциалов па ферромагнитных частицах имеет место
электрохимическое инициирование [1041 процесса полимери-
зации. В результате процесс полимеризации значительно уско-
ряется.
В качестве примера можно привести результаты опытов по
синтезу эпоксидной смолы путем конденсации эпихлоргидрина
с дифенилолпропаном. В реакторе с якорной мешалкой этот
процесс длится около 8 ч, в вихревом слое— 1,5—2 мин, что
позволяет перевести процесс с циклического на непрерывный.
Следует учитывать, что только воздействие вращающегося
электромагнитного поля (при условии отсутствия ферромагнит-
ных частиц) также приводит к ускорению процесса полимериза-
ции 167]. В отдельных случаях интенсивное перемешивание
в вихревом слое может привести к обрыву полимеризации,
т. е. получению низкомолекулярных соединений.
Очень важной как в теоретическом, так и в практическом пла-
не является группа реакций замещения. Во-первых, в условиях
95
вихревого слоя в местах высоких давлений и сильных электро-
магнитных полей, как и в случае механохимическнх реакций,
нарушаются положения электрохимическою потенциала [109].
Во-вторых, в вихревом слое активно протекают реакции замеще-
ния за счет электролиза на ферромагнитных чаепщах. Таким
образом, реакции замещения в условиях вихревого слоя могут
протекать совсем не так, как в обычных условиях. Приме-
ром тому может служить реакция замещения алюминия нике-
лем, оп11саинач в первой главе. В условиях вихревою слоя,
например, одинаково возможны и замещение (вытеснение) медп
никелем в водном растворе CuSO4 п никеля медью в растворе
NISOl хотя в ряду напряжении металлов медь расположена
намного правее никеля и водорода. Это замечательное отличие
хода химических реакций в вихревом слое ^гожет быть исполь-
зовано для множества процессов, например, для вытеснения во-
дорода из неорганических и органических соединений метал-
лами. Простейшим примером такого процесса может служить
реакция вытеснения водорода из воды:
/пН2О ф- лМс ->• Мс/гОл; + /нН2 f .
Б некоторых случаях вихревой слой может быть эффективно
применен для интенсификации реакций разложения. Это может
относиться к разложению как твердых, так и жидких веществ,
хотя в том и другом случае механизм процесса может быть раз-
ным. При обработке твердых веществ это, в основном, мсхаиохи-
мическое разложение 114, 261, не сопровождающееся электро-
лизом. Для жидкостей, особенно электропроводных, преобладаю-
щим может быть электролиз. Примером реакции разложения
может служить реакция
СаСО3 -> СаО + СО,,
которая довольно интенсивно протекает при обработке СаСО3
в вихревом слое.
Значительный интерес представляют АВС для проведения
процессов гидролиза. Исследованиями установлено, например,
что скорость реакции гидролиза бикарбоната натрия в вихре-
вом слое частиц никеля длиной 12 мм и диаметром 1 мм при тем-
пературе 36° С увеличивается на два порядка по сравнению со
скоростью этого же процесса в аппарате с мешалкой. Данные
этих исследований представлены на рис. 77.
Из рассмотренных примеров видно, что вихревой слой может
быть использован для интенсификации очень широкого класса
химических процессов. Некоторые примеры такого применения
приведены ниже.
Реакция восстановления ароматических нигросоедпненнн за-
нимает первенствующее положение среди методов получения
аминов — важнейшей группы промежуточных продуктов в про-
изводстве синтетических красителей. Восстановление железом
— наиболее употребительный в технике метод восстановлен ня
96
нитросоединений до аминов. Важнейшим преимуществом этого
метода является однородность получаемых при этом продуктов
[161.
В производственном масштабе восстановление нитросоедине-
ний проводится в чугунных или стальных цилиндрических аппа-
ратах (редукторах), выложенных внутри кислотохнорными мате-
риалами. Аппарат снабжен мощной мешалкой, чтобы разгребать
тяжелую массу чугуна и илистого осадка. Продолжительность
восстановления нитросоединений в таких аппаратах составляет
8—12 ч. При этом в аппарат загружают количество железной или
чугунной стружки, значительно превышающее стехиометриче-
ское, так как в процессе вос-
становления стружка покры-
вается слоем окислов и актив-
ность ее резко снижается.
Как типично гетероген-
ный процесс, восстановление
нитросоединений можно раз-
бить на три стадии: диффузия
питропродукта из раствора
к поверхности железа, собст-
венно химическая реакция и
отвод продуктов реакции с по-
верхности железа. Поэтому
при необходимости ускорить
процесс следует, по крайней
мере, ускорить одну, самую
Рассмотрим последовательно
песса. Согласно закону Фика,
Рис. 77. Скорость процесса гидролиза
бикарбопата натрия:
/ — в вихревом слое; 2—в annipjTe с ме-
шалкой.
медленную из этих стадий,
первую и третью стадии про-
количество диффундирующего
вещества пропорционально поверхности соприкосновения фаз и
разности концентраций реагента в поверхностном слое, а также
во всем объеме и обратно пропорционально толщине диффузион-
ного слоя. Следовательно, ускорение этой стадии процесса
возможно за счет диспергирования твердой фазы и уменьшения
толщины диффузионного слоя путем увеличения относительной
скорости движения фаз.
Увеличение поверхности твердой фазы является лишь частич-
ным решением вопроса, так как эта поверхность немедленно
покрывается слоем окисла и процесс диффузии резко замедля-
ется. Необходимо постоянное обновление поверхности, т. е. от-
вод продуктов реакции с поверхности железа. В вихревом слое
имеются все перечисленные условия для ускорения как первой,
так и третьей стадии процесса. Кроме этого, значительное ус-
корение процесса может быть достигнуто за счет имеющей место
разности потенциалов на поверхности ферромагнитных частиц.
Экспериментальными исследованиями процессов восстановле-
ния 1,8 иитросульфокислогы нафталина, метанитробензойноп кис-
лоты и 3,5-динитробензонной кислоты до аминов в солянокислой
среде чугунной стружкой полностью это подтверждено 145].
7 Ь-381
97
Рпс. 78. Скорость восстановления
1,8-нитросульфокислоты нафталина в
АВС н в аппарате с мешалкой:
1— в аппарате с мешалкой при затрузке
чугунной стружки по отношению к теорети-
чсски необходимой 40%; 2. 3, 4, 5 — п АВС
при загрузке чугунной стружки в процеп
тлх по отношению к теоретческм необходи-
мой 40. 50. 60, 75 соответственно
Восстановление вели в аппарате типа ВА-100 при температуре
100° С. Реакционная емкость была снабжена обратным холодиль-
ником. О скорости процесса восстановления судили по количе-
ству образования амина при различном времени воздействия вих-
ревого слоя и при различных количествах загружаемого восста-
новителя.
Параллельно проводились
исследования по восстановле-
нию нитропродуктов в аппа-
рате с мешалкой в идентичных
условиях при частоте враще-
ния мешалки 250 об/мип.
На рнс. 78 представлены
сравнительные данные по вос-
становлению 1,8-нитросуль-
фокислогы нафталина в вих-
ревом слое и в аппарате с ме-
шалкой. Из рисунка видно,
что в АВС скорость восстанов-
ления 1,8-пнтросульфокнсло-
ты нафталина значительно
выше скорости восстановле-
ния этого же продукта в аппарате с мешалкой. Такое ускорение
процесса может быть объяснено интенсивным перемешиванием
в условиях вихревого слоя, где резко возрастает относительная
скорость движения частиц восстановителя и восстанавливаемого
Таблица 29
Сравнительные данные по восста-
новлению метанитробензойной
кислоты в АВС (1 мин)
и аппарате с мешалкой (180 мни)
Расход железа на восстановление по отношению к тео- ретически необхо- димому, % Выход метаамиио- бензойной кислоты по отношению к теоретически воз- можному, %
п вихре- в аппара- в вихре- в аппара-
вом слое шапкой лом слое те с ме- шалкой
74.3 155 99,1 82,3
76,5 140 99,3 83,4
73,7 150 98,9 81,9
Таблица 30
Сравнительные данные по восста-
новлению 3,5-дннитробеизойной
кислоты в АВС (1 мин) и аппара-
те с мешалкой (160 мин)
Расход железа иа ВОСС т.п ювлснис по отношению к тео- ретически необхо- димому. % Выход 3.5-диами- побензойной кис- лоты ПО отноше- нии) к теорети- чески возможному, %
в вихре- вом слое В ЛППЛр, ге с mi 1)1 1ЛКОЙ к вихре- вом слое в аппара- те с ме- шалкой
81,3 154,3 99,0 81,0
82,0 155,0 98.8 79,5
81,4 153,0 99,1 77,8
82,6 160.0 98.9 82,3
продукта, п, как следствие, диффузней питропродукта к поверх-
ности восстановителя. Немаловажным является и постоянное
обновление поверхности восстановителя за счет трения и ударов
частиц др\ г о друга.
98
В табл. 29 и 30 приведены результаты исследования по восста-
новлению 3,5-динитробензойной и меганитробензойной кислот.
Из данных, приведенных в таблицах, видно, что при одина-
ковых условиях проведения процесса (количество восстановите-
ля, температурный режим) в вихревом слое выход продукта уве-
личивается на 20—25%. В обоих случаях процесс осуществлялся
до наступления равновесия. Кроме того, установлено, что расход
восстановителя в случае проведения процесса в вихревом слое
значительно меньше, чем в аппарате с мешалкой, и меньше теоре-
тически необходимого. В условиях проведения процесса в вих-
ревом слое идет частично электролитическое восстановление
питрогруппы до аминогруппы на поверхности ферромагнитных
частиц.
Увеличение выхода амипопродукта может быть объяснено
изменением константы равновесия реакции при условии ее проте-
кания в вихревом слое, где значительное влияние могут оказы-
вать высокие давления в местах соударения ферромагнитных
частиц, а также наличие быстропеременных по величине и на-
правлению электромагнитных полей.
• Другим примером возможности применения АВС для интен-
сификации химических процессов может служить широко при-
меняющийся синтез неорганических пигментов, который заклю-
чается в осаждении этих пигментов из водных растворов солей
металлов — свинца, железа, меди, титана.
Основными факторами, определяющими качество получен
пых пигментов, являются pH исходных растворов и скорость
собственно химической реакции, от которой зависят дисперсность
и форма кристаллов.
Среди множества способов проведения синтеза пигментов в
последнее время нашел применение новый, основанный на ис
пользовании вихревого слоя [69]. Способ испытан в производстве
желтого и лимонного свинцовых кропов. Реакция осаждения
желтого свинцового крона протекает по уравнению
14 (РЬ(ОН), • Pb(NO2) (NO..,)) + 13Na,Cr2OT + 2H,SO, -
2|13PbCrO4-PbSO4|+12NaNO,+ 14NaNO;, 4- 15H,0 + 211X0,.
В АВС одновременно подавали раствор основного иитрат-нит-
рита свинца и хромовую смесь таким образом, чтобы их смеши-
ванне осуществлялось в вихревом слое. После синтеза вызре-
вание, промывку, фильтрацию и сушку производили на ранее
применяемом оборудовании.
Испытания показали, что применение нового способа позволя-
ет в 1,5—2 раза увеличить интенсивность крона, а дисперсность
его увеличить на один порядок. В табл. 31 приведены некоторые
сравнительные данные по интенсивности желтою свинцового
крона, полученного в АВС и в аппарате с лопастной мешалкой.
Как видно из таблицы, интенсивность крона, синтезирован-
ною в ЛВС, выше Однако она значительно уменьшается на ста-
дии вызревания, а на стадии фильтрации и сушки остается на
7» 99
у ровне 150—120%. Можно предположить, что продолжитель-
ность вызревания для случая синтеза в АВС слишком вели'-.i,
а это приводит к росту кристаллов и, как следствие, поп-ре
интенсивности.
Интересные результаты получены при исполь юнаипи нового
способа в процессе производства желтого железе окиси то
пигмента, применяемого при
Таблица 31
Значения интенсивности желтого
свинцо'-огохврона, полученного в АВС
и в аппарате с мешалкой
Способ получения Интенсивность крона, %
после синтеза после вызревания
Реактор с мешал- 142 144
КОЙ 129 142
158 158
АВС 224 189
2.31 173
316 213
новлению в магнетит,
изготовлении магнитных тент.
Процесс получения пигмента
довольно прости заключается
в осаждении гидрата закиси
железа щелочью, например
аммиаком или содой, из раст-
вора серпокислого железа и
последующего окисления по-
лученного продукта в моно-
гидрат окиси железа берпэле-
товой солью:
FeSO4 + Na.,СО., + Н.,О
-> Fe (ОН). N.-1..SO, -| СО...
GFe(OH).,-р КСЮ,->
-> GFeOOH + КС) А ЗН,О.
Полученный таким образом
пигмент подвергается восста-
а затем — окислению в у-окись железа, ис-
пользуемую для магнитных лаков. Окись железа должна обладать
вполне определенными магнитными свойствами: остаточной ин-
дукцией не ниже 0,1750 Т и коэрцитивной силой не менее 17 500
А/м. Синтез пигмента в АВС позволяет получить окись железа
со значительно лучшими (в 1,3—1,5 раза) характеристиками.
Таблица 32
Сравнительные данные по свойствам порошков окиси железа,
полученных в АВС и аппарате с мешалкой
I{^именование характеристик Аппарат с мешал- кой А1К •
1 2 5
Остаточная индукция, Т Коэршпивная сила /Ус10-2, А/м 0,1762 175 0,2040 239 0,1990 208 0,2080 227 0,2045 245 0,2140 235
* Цифрами оГюзкячспы номера партий порошков
В табл. 32 приведены сравнительные данные нескольк < партий
порошков окиси железа, полученных различными методами.
Аналогичные результаты получены при про;г воден” магнит-
ных порошков других типов. Такое изменение магнитных cbohcib
окислов может быть объяснено изменением их С1рук1\ры.
100
В большинстве случаев для проведения химических процессов
можно применять ферромагнитные частицы из углеродистых ста-
лей, никеля и ферромагнитных сплавов. Однако для получе-
ния чистых продуктов, а также в сильно агрессивных средах
использование таких частиц невозможно.
Ферромагнитные частицы при соударении друг с другом и
трении могут с поверхности измельчаться и загрязнять обрабаты-
ваемый продукт. В агрессивных средах материал частиц также
вступает во взаимодействие со средой, образуя нежелательные
примеси. Для исключения подобных явлений поверхность ферро-
магнитных частиц покрывают слоем немагнитного и неэлектро-
проводного материала, например, полиэтилена, поливинилхло-
рида или фторопласта [37].
Экспериментально установлено, что покрытие должно отве-
чать следующим основным требованиям: 1) быть стойким к агрес-
сивным средам; 2) обладать хорошей эластичностью, так как оно
подвер! ается сильным ударным нагрузкам, частота которых нахо-
дится в пределах нескольких тысяч и даже десятков тысяч ударов
в секунду, и знакопеременным нагрузкам со стороны расположен-
ной внутри ферромагнитной частицы, совершающей магнитост-
рикционные колебания; 3) обладать по возможности меньшей плот-
ностью, гак как скорость движения частиц зависит от их момента
инерции; 4) обладать минимальным коэффициентом трения и хо-
рошими диэлектрическими свойствами; 5) толщина покрытия
должна составлять 1—2 мм.
Характер движения двухслойных частиц в вихревом слое в
значительной степени отличается от рассмотренного ранее. Ско-
рость их перемещения меньше, преобладает не вращательное, а
колебательное движение. «Дисков» такие частицы не образуют,
что позволяет намного повысить плотность вихревого слоя в реак-
циоипой зоне.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Основной технологической особенностью порошковой метал-
лургии является использование в качестве исходного сырья раз-
личных порошкообразных материалов: металлов и их сплавов,
металлоидов, соединений металлов с неметаллами и других ве-
ществ. Переработка их (смешение, диспергирование) сопряжена
с большими энергетическими и материальными затратами. Во
многих случаях использование особенностей вихревого слоя
может в значительной степени упростить технологи кие про-
цессы подготовки порошков к их дальнейшей переработке ПОП.
Наиболее типичными процессами в этом плане являются тех-
нологические процессы в производстве тугоплавких соединений.
Замечательные свойства тугоплавких соединений [12, 31; 81;
82J обеспечивают им широкое применение в современной технике
в качестве основы для твердых сплавов, жаропрочных, электро-
технических, коррозионностойких и других материалов Эти со-
единения получают в основном путем восстановления окислов
переходных металлов элементами-восстановителями. Образова-
ние соответствующих металлоподобных фаз происходи! путем
реактивной диффузии. Это накладывает жесткие требования к
подготовке шихты. Например, при получении карбидов окисям
металлов п сажа должны быть топкодисперсны (размер части
менее 0,04 мм) и тщательно перемешаны Используемые для этих
целей различные типы измельчителей и смесителей не удовлет-
воряют возросшим требованиям производства. Поэтому с целью
получения порошков необходимой зернистости применяют рассев
на виброситах различных конструкций. Смешение же компо-
нентов шихты осуществляют в течение длительного времени, гак
как свойства готовых изделий во многом зависят от того, на-
сколько равномерно распределены компонент.
Проведенные в ОКТБ Института проблем материаловедения
Академии наук УССР опытно-промышленные испытания аппа-
ратов ВА-100 и АВСП-100 на процессах смешения и дисперги-
рования порошков и сравнение результатов их работы с извест-
ными установками (табл. 33) свидетельствуют о преимуществах
аппаратов с вихревым слоем.
В табл. 34. приведены результаты размола различных мате-
риалов в аппарате АВСП-100.
Таблица 33
Результаты работы различного
оборудования на процессе
нзме п.чеиия порошков
Та >лица 34
Результаты размота различных
материалов и аппарате АВСП-100
Оборудование
Центробежная
мельница
Молотковая мель-
ница
Шаровая мельница
(сухое измельчение)
Шаровая мельница
(мокрое измельче-
ние)
Аппарат с вихре-
вым слоем
0,6
2,0
0,5
0,5
1.5
До 10 5
» 80 5
» 2 1—3
» I 7—15
» 2 50
Измельчаемы и
материал
Карбид вольф-
рама
Карбид цирко-
ния
Борид титана
Силицид молиб-
дена
Карбид титана
Борид молпб ie
на
Использование в аппарате АВСП-100 рабочих емкостен с ох-
лаждением и без охлаждения расширяет его возможности. Од-
нако существенным недостатком этого аппарата для промышлен-
ного использования является малый объем рабочей емкости, что
не позволяет обрабатывать большие партии материалов и вносит
своп особенности в технологический процесс. Эго особенно су-
щественно для процессов приготовления шихты при получении
тугоплавких материалов (для процессов смешения). Так, при
изготовлении шихты в производстве боридов и карбидов титана
величина загрузки в рабочую емкость аппарата АВСП-100 со-
ставляет 1 кг. Вместе с тем оперативность при осуществлении
перемешивания в АВС и, главное, увеличение выхода тугоплав-
ких соединений после восстановления (синтеза) составляют ос-
новную особенность АВС в рассматриваемых производствах [571.
В табл. 35 приведены сравнительные результаты по режи-
мам смешения компонентов шихты и выходу готового продукта
в производстве тугоплавких соединений.
Таблица 35
Выхо i тхгогиапких соединений после восстановления шихты,
полчченпой в ЛВС и шаро, ой мельнице
1ехнологическиП процесс Шаровая мельница ВА-100
Продолжи- тельность обработки. МИИ Вы*од про- дукта. % Продолжи- тельность обработки, мин Выход про дуктз %
Приготовление шихты для получе- ния карбида циркония 480 57,3 3 63.0
Приготовление шихты для получе- ния карбида титана 360 49,0 3 51.7
Приготовление шихты для получе- ния борида циркония 360 56,0 3 61.5
Приготовление шихты для получе- ния силицида молибдена 180 90,5 5 96,6
Приготовление шихты для получе- ния борида титана 480 51,0 3 56.0
Эти результаты показывают, что вихревой слой может найти
широкое применение в производстве тугоплавких соединений, но
для большинства процессов необходима разработка специальных
аппаратов, использующих принцип вихревого слоя. Кроме рас-
смотренных процессов, АВС могут найти применение для смеше-
ния порошков металлов непосредственно перед спеканием.
Применение АВС в порошковой металлургии позволит не
только интенсифицировать ряд технологических процессов, но и
резко повысить культуру производства, исключить из техноло-
гических процессов шаровые и вибрационные мельницы, являю-
щиеся источником повышенного шума и пыления.
ПРИМЕНЕНИЕ ABC
В ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Одной из перспективных областей применения АВС явля-
ется производство токопроводящих композиций для изготов-
ления переменных непроволочных резисторов, используемых в
качестве анодных нагрузок электронных ламп, утечек сеток,
поглотителей, делителей напряжения и других целей. Повышен-
ные требования к качеству смешиваемых компонентов и их дис-
персности являются причиной
Таблица 36 большого брака в произвол-
Результаты испытаний токопроводя-
щих элементов, изготовленных из
композиций на основе легированной
окиси ИНДИЯ
Обору"с?ание Продолжительна ть измельчения (OHHJhPHb (ЬЮДО OjO)ni<VOtlOd<l -ОЯО1 OllHOl.-HlUOdno ЭДС шумов, мкЕ/В (среднее значение.
Шаровая Без помола 230 7,7
мельница 3 ч 135 7,0
6 » 176 6,0
9 » 105 6.5
15 » 200 7,5
24 » 190 6,4
ЛВС 7 мин 3500 1,7
стве резисторов по контроли-
руемым параметрам: платно-
сти хода, ЭДС собственных
шумов, температурному ко-
эффициентс сопротивления
(ТКС) в др. 1211. С целью
обеспечения требуемого каче-
ства резисторов идут по пути
увеличения продолжительно-
сти размола и смешения ком-
понентов, используя при этом
измельчение в среде этило-
вого спирта. Продолжитель-
ность измельчения порой до-
стигает 60 ч, а с учетом загруз-
ки, выгрузки и сушки компо-
нентов — свыше 100 ч.
Для сравнения эффекта об-
работки композиций в АВС и
в шаровых мельницах с кера-
мической футеровкой и алки-
ловыми шарами выбрана композиция на основе легированной
окиси индия. В табл. 36 приведены результаты испытания то-
копроводящих элементов, изготовленных из обработанных в ЛВС
п шаровой мельнице композиций.
Из таблицы видно, что измельчение композиции в шаровой
мельнице практически не влияет на качество токопроводящих
элементов. Обработка же их в АВС приводит к резкому увели-
чению номинального значения сопротивления и уменьшению
ЭДС шумов. Это может быть объяснено не только изменением дис-
персности (до 7500 см2/г), но и активности обработанного в АВС
ман-риала.
диалогичные результаты получены также при обработке
encl на основе легированной двуокиси олова (табт. 37). Мак-
сима ое увеличение удельной поверхности и уменьшение зна-
чения 'IC собственных шумов токопроводящего элемента обое-
печнват гея при обработке в шаровой мелыпше мере 15 ч, а в
АВС—через 7мин. При эюм, как показывают микроскопические
Та' ища 37
Результаты испытания точопрокочящих элементов, изготовленных И
композиций на «снопе легированной пвуокиси олова
Оборудование Продолжи* тельноегь измельчения Удельная поверх- ность, см2/г Сопротивление токопроводя- щего элемента /?, кОм <сред- нее значение) ткс ю-4, К~*. при -«-200° С (среднее значение) ЭД шу- мов, мкВ/В (среднее 4нач<। «ч
Шаровая HUUd мель- Без помола 3 ч 6 ч 9 ч 15 ч 24 ч 4800 5900 6900 0970 7080 300 370 440 340 900 840 -13.2 — 13.2 — 13.2 — 13,4 -13,3 7,3 4,Г| 3.1 2 6 30
ЛВС Без помола 4 мин 7 мни 2900 0500 9700 1300 1500 2500 -11,9 -11,8 — 12,5 5,3 ч,9 3,2
Таблица 3S Таблица 39 Результаты обработки Влияние содержания ZrWC в композиции композиции па основе на значения ТКС резистивного слоя при обра- ZrWC и стеклосвязкн ботке композиции в АВС
JD ’
. О х с раз- !Ц. ьносп ГК и нцни >1ИН .значение 1 ", при « при содержании ZrWC, %
i о = С С X Ы = t- О Л э 2 с , о х 'ДИИЙ » Ч JCTt и Ллител / рзбег 45 »0 и.5 Н) Л 7')
О. ф
С ь о. е о с г у
0 2 4 6 8 12 1150 2700 2120 2150 2110 1940 0 5.5 2 2.36 4 2,25 С, 2,97 8 2.28 12 3,29 28 25 29 20 21 24 24 24 21 17 20 19 21 18 20 18 17 16 15 17 16 15 14 14 14 16 17 15 14 14 14 16 16 16 15 11
исследования, для этих продолжительностей обработки дости-
гаются наибольшая дисперсность и однородность композиции.
Если сравнить параметры резистивных слоев из легированной
двуокиси олова с близкими значениями удельной поверхности
порошков, полученных на шаровой мельнице (9 ч помола) и в
АВС (4 мин помола), то видно, что номинальное значение сопро-
тивления после обработки материала в вихревом слое в 3—4 ра-
за выше, чем при помоле его в шаровой мельнице. Это является
следствием специфической обработки материалов в АВС, спи-
санной в главе I. В табл. 38 приведены результаты обработки
композиций на основе ZrWC и стеклосвязкн в аппарате ВА-100.
Как видно из таблицы, за 2—4 мин достигается максималь-
ная удельная поверхность порошка. Увеличение времени об-
работки приводит к агрегации частиц, что сличает системе
с минимальной свободной энергией. В дальнейшемДболее 4 мин),
очевидно, процессы измельчения и агрегации идут одновременно.
Исследование значении номиналов сопротивлений резисторов,
полученных из порошков, обработанных в АВС в течение различ-
ного времени, показывает, что для минимальных размеров частиц
получены максимальные значения сопротивления. Это объясня-
ется увеличением контактных сопротивлений резистивного слоя.
При обработке порошков более 6 мни номинал сопротивления
резистивного слоя растет незначительно. Здесь, очевидно, сказы-
вается фактор намола железа ферромагнитных частиц
В «ависимости от длительности обработки композиций в вих-
ревом слое изменяются также и параметры резисторов: ТКС и
ЭДС шумов. В табл. 39 приведены значения ТКС ре истцового
слоя для различного содержания ZrWC в композиции а в табл.
40 — чачеипе ЭДС шумов резисторов с 45% Zr\V(
.1Н.1ЧСИ ЭДС помок ре«истории при обработке
<'С\одц|. \ композиций г. АВС
1. I '(О 10
Время обработки, мин 2 4 Ь 12
ЭДС шумов, мкВ, В 20 10 7 13
Как следует из таблицы, изменяя содержание токопроводя-
щей фазы и продолжительность ее помола в АВС, можно полу-
чать резисторы с требуемыми параметрами. Учитывая, что вре-
мя обработки в вихревом слое незначительно, использование
АВС в производстве резисторов позволит более оперативно ре-
шать производственные задачи по выпуску резисторов с требуе-
мыми параметрами. Вместе с тем, использование особенностей
вихревого слоя по активации поверхности частиц обрабатывае-
мых материалов открывает большие возможности не только по
улучшению качества резисторов и упрощения технологии их
производства, но и по созданию новых типов резисторов.
Обрабатываемые в АВС ферритные порошки обладают ферромаг-
нитными свойствами. Это обстоятельство ухудшает условия ра-
боты вихревого слоя, вызывая образование неподвижных дисков
ферромагнитных частиц при значениях коэффициента их загруз-
ки, значительно меньше критического.
В производстве ферритов основными исходными материалами
служат окислы металлов Смешение и помол готовых порошко-
образных окнелов металлическими мелющими телами является
наиболее распространенным способом приюговлепня шихты.
Длительность помола в впбромелытнцах составляет 1—2 ч, в
шаровых мельницах — до 20 ч. Однако даже такая длительная
обработка является недостаточной. Например, в производстве
ферритных сердечников большой разброс маг питых параметров
и низкий выход годных сердечников (особенно малогабаритных)
связаны с недостаточным качеством смешивания компонентов.
Дисперсность получаемой шихты также накладывает свой от-
печаток на качество ферритов. Основными недостатками в суще-
ствующих производствах ферритов (в части подготовки шихты)
являются: 1) большая длительность помола; 2) большой расход
электроэнергии; 3) наличие шума на хчастках приготовления
шихты; 4) плохая воспроизводимость качества шихты (по дис-
персности и распределению компонентов), что ведет к разбросу
магнитных параметров.
Использование для процессов измельчения и смешения
свойств вихревого слоя исключает эти недостатки, ускоряет
процесс перемешивания и помола в 50—150 раз, обеспечивает
меньший разброс по массе и высоте отпрессованных сердечни-
ков, обеспечивает высокую однородность изготовленных партий
сердечников и малые технологические потери на операции ка-
либровки по высоте, малый разброс импульсных параметров и
повышение процента выхода годных сердечников. В табл. 41
приведены результаты применения аппарата ВА-100 на процес-
сах смешения и измельчения шихты в производстве сердечников
1,3 ВТ размером 2 х 1,4 X 0,8 мм.
Таблица 4!
Значения параметров сердечников, полученных из композиций,
приготовленных в АВС и вибромельницах
Контролируемый параметр Вибромельница Аппарат ВЛ-100
Амплитуда сигнала неразрушенной единицы при /== /ц/ === 0,75 А, мВ 147—179 160—185
Длительность сигнала неразрушенной еди- ницы ts при 7ц7 — /цх = 0,75 А, мкс 0,940—1.162 0,915—1,06
Продолжительность нарастания максимума сигнала неразрушенной единицы t при lWi= = !w — 0,75 Pi, Мкс 0,453—0.631 0,490—0,581
Коэрцитивная сила, А/м 89,8—123,2 95,5—111.5
Остаточная магнитная индукция, Т 0,18—0,26 0,21—0.26
Данные таблицы свидетельствуют об эффективности исполь-
зования вихревого слоя. Если учесть, что в АВС продолжитель-
ность первого помола и перемешивания составила 4 мин, а время
второго помола и перемешивания — Змии против соответственно
120 н G0 мин в впбромелыншах, преимущество использования
аппаратов с вихревым слоем становится очевидным.
В рассматриваемых производствах следует учитывать необ-
ходимость использования рабочих емкостей с охлаждением, так
как температура рабочей емкости без охлаждения за 3—4 мни
пот действием электромагнитного поля и вихревого слоя может
достигнуть значения, при котором наблюдает' i разложение
некоторых обрабатываемых веществ. Это может привести к не-
желащльным последствиям и ухудшению качества изделий.
Для обработки малых партий порошков может быть рекомен-
дован аппарат АВСП-100, который комплектуется рабочими
емкостями с охлаждением и без охлаждения.
ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АВС
В ГОРНОЙ ХИМИИ
Рассмотренные в главе I особенности вихревого слоя фер-
ромагнитных частиц позволяют эффективно использовать АВС
для интенсификации ряда процессов горной химии. Основные
из них рассмотрены ниже.
Доизмельчсние руд и концентратов. Тонина помола в шаро-
вых и стержневых мельницах, применяемых для этих целей,
ограничена размерами нескольких сотен микрон, что не поз-
воляет полностью вскрыть тонковкрапленные руды. Большин-
ство минералов в АВС может быть измельчено до нескольких
микрон. Это открывает новые возможности по более полному
извлечению полезных ископаемых. Однако следует учитывать,
/то на столь тонкое измельчение особо прочных минералов за-
траты электроэнергии составляют до 100 киловатт-часов на тонну
руды, а производительность аппаратов при этом незначительна.
Отсюда следует, что целесообразность применения АВС необхо-
димо устанавливать в каждом конкретном случае по его эффек-
тивности. Здесь эффективными могут быть процессы доизмельче-
ния руд драгоценных и редких металлов, а также малопрочных
минералов типа сульфидов, мела, каолина, талька и др.
Растворение и выщелачивание. Изменение растворимости
веществ в вихревом слое может быть использовано для ускорения
процессов растворения и выщелачивания и увеличения процента
извлечения из руды полезного продукта. В качестве примера мо-
жет быть назван галургнческий метод получения хлористого
калия, основанный на различии растворимости хлористых солей
кальция и натрия в воде 1911. Обычно сплыищитовая руда под-
вергается растворению в щелоке в шнековых растворителях при
температуре 80—90° С. При таком способе значительное коли-
чество хлористого калия не удается извлечь из руды, так как он
находится в составе малорастворимых минералов и обычно вы-
брасывается в отходы (салитовый остаток).
Растворение руды в вихревом слое дает во люжиосп, намного
увеличить и 1влечеиие калия. В табл. 12 приведены некоторые,
данные по содержанию ионов Na1', К+, Alg-+, Cl~, SO2, в рас-
творе после обработки руды в шнековых растворителях и в вих-
ревом слое (соотношение Т : Ж = 1 : 2, температура 80° С).
Как видно из таблицы, содержание калия в растворе увели-
чилось на 20—30%. Кроме калия, увеличилась в растворе и
Таблица 42
Срапнительные данные по растворению рулы в АВС
и шнековых растворителях
Продолжительность растворения, с Содержание ионов в растворе г/л
АВС Шн< чопые растворители к+ Nn + CI 5О'
3G00 75,0 60,0 50,0 210.0 120,0
2 — 97,5 56,5 81,1 4 13,8 78.3
3 — 93,9 57,0 60 2 218,0 79,6
4 — 96,3 53,5 83.3 413.8 82.6
5 — 97,9 52,8 82 3 413.1 84,5
С — 94,8 50,9 85,2 413,8 65.2
копией грация других ценных компонентов: магния — на 20—
70%, хлора — более чем на 90%. В то же время уменьшилось
содержание натрия, что очень ценно для данного процесса. Уве-
личение содержания калия и магния в растворе, как показали
анализы, произошло за счет практически полного растворения
галита.
В гидрометаллургии широко распространены так называе-
мые содовые методы обогащения, заключающиеся в смешен ин и
спекании при высоких температурах руды с содой с целью пере-
вода определенных компонентов в растворимое состояние. На
этом принципе, например, разработан способ дефосфоризации
марганцевых концентратов [97]. Известно, что марганцевые ру-
ды Н икопольского бассейна имеют высокое содержание фосфора
(0,2—0,25%), что исключает возможность выплавки из них низко-
фосфористых ферромарганца и силикомарганца. Содовый метод
обогащения марганцевых руд предусматривает спекание мар-
ганцевого концентрата с содой при температуре 850—900° С,
в результате чего фосфор- и кремнийсодержащие минералы вза-
имодействуют 6 карбонатом натрия, образуя водорастворимые си-
ликаты и фосфаты натрия, которые извлекаются затем выще-
лачиванием.
Исследования показали, что в таких процессах АВС могу гбыть
использованы для различных целей. Во-первых, кроме интен-
сификации процесса смешения соды с рудой, при совместном их
измельчении уже частично происходят образование ч< нюаство-
римых соединений и активация, приводящая к ускорению и бо-
лее полному протеканию химических превращении при спека-
нии. Во-вторых, в процессе обработки руды в водном содовом
растворе довольно интенсивно идут механохимпческие пре-
вращения, в юм числе и приводящие к переходу в । .'.створ Люс-
фора Таким образом может быть осуществлено обО'г|юс(|юри-
вание копнен грата иепосредсгвеипым его выщелачн шием без
предварительного спекания. B-третьпх, при использовании АВС
дорогостоящая сода может быть заменена менее дефинишы.ми
109
натрийсодержащими реагентами: сильвинитом, хлористым нат-
рием, сернокислым натрием и др.
В табл. 43 приведены сравни тельные данные но дефосфори-
зации и обескремниванию руд различными методами Данные
приведены для марганцевого концентрата, «.одержаьцего 33,9%
Мп, 0,201 % Р, 23,4% SiO», 2,35% Fe, 1,9% CaO, 1,26% MgO,
1,37% Al2O;t. Железная руда, на которой проводились иссле-
дования, содержала до 40% железа и до 1% фосфора.
Таблица 43
Данные по дефосфоризации и обескреми1И1аичю руд с применением
и без применения АВС
Состан обрабатываемой шихты, массовых долей Способ обработки шихты Степень очистки руды, % к исходному содержанию
Без применении АВС । применением ЛВС
от 4 ос фо- р.| от SiOa от фосфо- ре ОТ SlOa
Марганцевый концент- рат — 100 Смешение, спекание при 87° С, измельчение и вы- щелачивание водой при 95° С в течение 60 мин 86.4 59,9 94,9 64,5
Сода — 60 Прямое выщелачивание (без спекания) — — 45.7 —
Марганцевый концент- рат — 100 Смешение, спекание, из- мельчение, выщелачива- ние 6,9 — 70,8 46.7
Сильвинит — 60 Прямое выщелачивание — — 36,5 —
Железная руда— 100 Смешение, спекание, из- мельчение, выщелачива- ние 58.0 — 72.0 —
Сода — 150 1 IpHMOC пыщеллчипяпис — — 40.0 —
Цементация металлов. Для цементации, являющейся элект-
рохимическим процессом, необходимо наличие разности потен-
циалов между отдельными участками поверхности металла [90].
Как было уже установлено, на металлических частицах в вих-
ревом слое разность потенциалов за счет удара и трения дости-
гает величины, достаточной не только для процесса цементации,
но и для электролиза. Это явление использовано в новых, осно-
ванных на применении вихревого слоя, способах цементации
металлов [17; 7‘2|. Цементация железом, никелем пли кобальтом
меди, золота, серебра, мышьяка, платины и других металлов
можег быть в АВС весьма эффективной, особенно в тех случаях,
когда содержание этих металлов в растворах незначительно.
но
В табл. 44 приведены данные по цементации платины, палладия,
иридия и родия железом в аппаратах ВА-100 при концентрации
каждого из металлов 10 мг/л.
Как видно из таблицы, применение АВС для лого процесса
весьма перспективно, так как обычно при таких концентрациях
металлы практически не извлекаются и сбрасываются со сточны-
ми водами
Важнейшие перспективы в области цементации металлов от-
крывает тот факт, что в вихревом слое можно вести цементацию
любого металла любым другим (кроме щелочных), независимо от
их взаимного расположения
в ряду напряжении. Правда,
термин цементация может
быть здесь не совсем удачен,
так как в АВС при цемента-
ции металла, стоящего правее
в ряду напряжений, метал-
лом, расположенным левее,
первый из них может выде-
ляться и в виде гидроокиси.
Например, алюминий, при це-
ментации его медью, выделя-
ется только в виде А1 (ОН)3.
Поскольку в вихревом слое
электромагнитное поле при-
водит в движение только фер-
ромагнитные частицы, то для
цементации немагнитными ме-
Та шца 44
Содержание платины, палладия,
иридия и родия растворе при
различной продолжительности
цементации железом
Металл Содержание металл в растворе, чг ~
в исход- ном рас- творе через 5 с О о Е <D я- О о
Pt 10 3,7 0,013 0,0
Pd 10 0,043 0.0 0,0
Ir 10 0,35 0,024 0.0
Rh 10 1.82 1,82 1.5
талламк следует применять смесь ферромагнитных и немагнит-
ных частиц. При этом необходимо использовать замечательную
особенность такого комбинированного вихревого слоя: в водных
растворах солей металлов преимущественно один из металлов,
находящихся в вихревом слое в виде твердых частиц, переходит
в раствор, вытесняя нз него растворенный металл. Так, в случае,
если вихревой слой создан из частиц никеля п железа, то в рас-
твор сернокислого цинка переходят только ионы железа, вытсс
няя из него цинк.
В табл. 45 приведены некоторые данные по содержанию метал-
лов после цемент, и цинка из водных растворов сернокислого
цинка в вихревом слое из частиц двух металлов (исходная кон-
центрация цинка — 1 г/л).
Практически для каждого раствора может быть подобран
такой состав частиц вихревого слоя, при котором в раствор
переходит только тот металл, который должен оставаться в рас-
творе.
Следующей важной особенностью процесса цементации в вих-
ревом слое является тот факт, что различные металлы, находя-
щиеся в обрабатываемом растворе, обладают различной способ-
ностью к цементации. По способности быть вытесненным из рас-
111
твора железом некоторые металлы можно расположить в следую-
щий ряд: Са < Mg < Мп < Ni < Zu < Al. Отсюда вытекает
то важное обстоятельство, что из сложных растворов могут
быть извлечены избирательно только те металлы, коюрые яв-
ляются излишними, «загрязняющими». Взамен их в раствор могут
быть введены по желанию технолога те металлы, которые явля-
ются основными. Приведенных примеров достаточно, чтобы сде-
лать вывод о том, что вихревой слой открывает большие пер-
спективы в гидрометаллурги-
ческих процессах цветной
металлургии.
Экстракция. В производ-
стве редкоземельных элемен-
тов экстракция является од-
ним из основных методов их
получения и разделения. Из-
менение коэффнцента распре-
деления веществ в тройных
системах при обработке их
магнитными полями 189] и в
вихревом слое, а также изме-
нение коэффициента селектив-
ности экстракции открывают
широкие перспективы приме-
нения АВС и метода экстраги-
рования не только в произ-
водстве редких земель, ио и
в тех производствах, где ра-
нее экстракция была малоэф-
фективной
Флотация. В обогащении
руд флотационным методом
большое значение имеют опе-
рации ОТТИркИ ГЛ ШИСП.1Х
шламов от флотируз .i.\ ми-
частиц минерала и ра .номер-
Таблица 45
х
Содержание металлов в растворе
после цементации цинка в вихревом
слое из частиц двух различных
металлов
А'° от «та Наименование металлов час- тиц, образую- щих вихревой слой Содержание металлов в растворе после цементации, г/л
1 1-е 0,42
Ni —
2 Fe .47
Mo —
3 Fe 1,6
Ti —
4 Ni 1,4
Cu —
.5 Ni 0,56
Mo 0,05
6 Ni 0,5
Ti 0,4
поверхиости
иералов, активация
иосгь распределения в пульпе флотреагептов. В ирон.зводспю,
например, калийных солей операцию оттирки осуществляют
в горизонтальных аппаратах-смесителях в течение 10 15 мин.
Однако из-за больших габаритов оттирочных аппаратов около
30% продукта находится под воздействием ламинарно движу-
щейся жидкости В результате этого па флотацию подается про-
дукт с большим количеством шлама. Содержащиеся в пульпе
тонкодисперсные глинистые шламы, обладающие развитой по-
верхностью, способны адсорбировать значительное количество
флогреагептов, что приводит к увеличению раехола реагентов,
усложнению процесса и загрязнению копией трата |91|.
В вихревом слое падежная оттирка глинистых минералов
осуществляется за доли секунды. На действующих производ-
112
ствах диспергирование реагентов в пульпе осуществляется в
контактных чанах или двухвальных смесителях. При таком спо-
собе вносимые в пульпу амины распределяются в виде крупных
мицелл, что приводит к большому перерасходу аминов jk поль-
зуется их не более 25%). Пенная флотация водорастворимых
солей калия (сильвинита) осуществляется в растворах, насы-
щенных КС1 и NaCl. Это требует получения эмульсии гЬлотреа-
гентов, например мазута, в насыщенных растворах. Существую-
щее оборудование не позволяет получить такие эмульсии,
поэтому в качестве флотреагента применяют обычный мазут,
загрязняющий получаемый продукт и мешающий процессу
последующей сушки.
В АВС легко осуществляется получение эмульсии мазута в
маточном растворе и равномерное распределение аминов в пульпе.
Избирательное дробление минералов. Возможность избира-
тельного измельчения в вихревом слое может быть использована
и в процессах обогащения. Опыты показали, что можно подобрать
такой режим работы вихревого слоя, при котором будет интен-
сивно измельчаться кимберлит, а зерна природных алмазов ос-
танутся неповрежденными. Тонкое измельчение кимберлитовой
руды в АВС ускоряется по сравнению с измельчением в шаро-
вых мельницах в десятки раз. Кроме того, оно дает возможность
извлекать алмазы крупностью менее 0,2 мм. Отсюда видно, что
применение вихревого слоя для избирательного дробления мине-
ралов может быть весьма эффективным.
Получение дисперсных гидроокисей и карбонатов. Целый
ряд производств горной химии связан с получением в качестве
промежуточных или окончательных продуктов гидроокисей,
карбонатов, оксалатов и других нерастворимых соединений. Об-
разующаяся в вихревом слое в процессе химической реакции
твердая фаза обладает дисперсностью, на порядок большей, чем
дисперсность этого же вещества, полученного в аппарате с ме-
шалкой 1271, Гидроокиси, карбонаты и оксалаты могут обладать
повышенной или пониженной растворимостью, иными магнит-
ными, электрическими и оптическими свойствами, химической
активностью. Осаждение их в вихревом слое может быть про-
ведено при pH, отличных от pH осаждения в нормальных усло-
виях. Все эти факты делают вихревой слой весьма перспектив-
ным для осуществления целого ряда технологических процессов
горной химии.
Перечисленные в этой главе некоторые процессы, безусловно,
не исчерпывают всех возможностей вихревого слоя.
ПРИМЕНЕНИЕ АВС В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛМАЗНЫХ
И АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
В настоящее время в промышленности наибольшее распро-
странение получили алмазные круги на органической, идилли-
ческой и керамической связках 1761. В качестве органической
8 5-381
U3
связки применяют фенолформальдегидные смолы; как металли-
ческую связку используют олово и другие легкоплавкие метал-
лы; в качестве керамической связки применяют каолин. Ал-
мазосодержащий слон состоит из связующего, наполнителя и
алмазного порошка. В качестве наполнителей используют кар-
биды бора н кремния различной крупное! в. медный порошок
и др.
Основным требованием, предъявляемым к смешению алма-
зосодержащих пресс-порошков, является равномерность компонен-
тов в смеси. Неравномерное распределение компонентов в кругах
на органической связке резко ухудшает прочность инструмен-
та и снижает его режущую способность. Отклонение содержа-
ния компонента в различных частях смеси металлических свя-
зок приводит к фазовым изменениям при спекании, что снижает
стабильность режущих свойств алмазных кругов. В связи с этим
процессы смешения компонентов шихты алмазосодержащих
пресс-порошков очень длительны — от 7 до 48 ч для различных
составов.
Основным обрудоваппем, применяемым тля приготовления
смеси порошков на заводах алмазного инструмента, является
емкость, вращающаяся в двух взаимно перпендикулярных плос-
костях.
Использование для этих целен аппаратов с вихревым слоем,
как показали испытания в промышленных условиях, позволяет
за 30—40 с получить смеси такого же качества, а при смешении
в течение 60 с и более—смеси, в которых равномерность распре-
деления компонентов составляет не менее 99%. В табл. 46 при-
ведены некоторые сравнительные данные по качеству смешивания
различных композиций в АВС и в емкости, вращающейся в двух
плоскостях.
Таблица 46
Сравнительные данные по качеству смешивания в АВС
и во вращающемся барабане
< остяп смеси АВС Вращающаяся емкость
ЕI родолжп* тсльиость сме- шения. с МпкС11М.1.'1Ы1ОС отклонениг ог истинного зна- чения. % I [рОДО-ПЖП тельноегь <’мг- (пення. г Максимальное отклонение от истинного зна- чения, %
Карбид бора—.50% 11ул1111С|1бакелнт — 50% Ь'1 0,12 25 200 0,31
Медь — 80 % Олово — 20% 90 0,17 25 200 0,24
Карбид бора — 50% 11улы1србакслнт — 49% Алмаз — I % 16 0,17 10 800 0,57
114
Равномерность распределения компонентов алмазосодержа-
щей шихты, полученной при перемешивании в АВС, дает воз-
можность значительно улучшить режущую способность алмазных
кругов (32]. Так, при испытании двух партии кругов по 1000
штук в каждой, изготовленных разными методами, установлено,
что расход круга на срезание I г твердо! о сплава ВК-15 (режу-
щая способность) в случае смешения компонентов в ABC cociaB
ляет 0,825 мг, а в случае смешения вс вращающихся барабанах —
0,886 мг, т. е. режущая способность алмазного иш ipy мента в
случае использования на процессах приготовления алмазосо-
;к р.жащпх пресс-порошков вихревого слоя выше па 6,8%
Изготовление алмазных кругов на вулкаицтс' й основе,
внедрение которых все шире осуществляется в промышленности,
сопряжено с большими трудностями. Поступающая для этих це-
лей вулканитовая крошка имеет размеры частиц 0,5—1 мм, в то
время как технологическим процессом предусмотрено примене-
ние крошки с размером 0,1—0,3 мм. Кроме этого, смешение рези-
новой крошки с наполнителями и алма .нымл ерпамп оказалось
невозможным на существующем смесительном оборудовании.
Поэтому в операциях, связанных с получением связок и алмазо-
содержащих пресс-порошков на вулканитовой основе, пшюбза-
дают ручные операции. Особенности вихревого слоя позволили
применить АВС для этих целей. Разработан новый способ при-
готовления смесей, который позволяет совместить процесс дроб-
ления вулканитовой крошки и смешения ее с наполнителями,
обеспечивая высокое качество получаемых изделий [871.
Эффективным является АВС и для смешивания компонентов
шихт связок на металлической основе, которые во вращающихся
барабанах требуют смешения в течение 30—48 ч и, кроме того,
смешения с алмазным порошком путем ручного перелопачива-
ния смеси. Ё вихревом слое высококачественное смешивание ат
мазных пресс-порошков (с увлажнением и без увлажнения) на
связках с металлической основой с общим весом компонентов
до 1,5 кг происходит в течение 90—120 с. При этом равномер-
ность распределения компонентов составляет нс менее 99%.
Однако существуют определенные ограничения в применении вих-
ревого слоя в случае смешивания металлических порошков В
общем количестве смеси должно быть не более 10% магнитной
фракции, в противном случае образующиеся диски из ферро-
магнитного порошка исключают перемешивание вообще.
Не менее перспективным является применение АВС для ова-
лпзацни и избирательного дробления алмазов.
Синтетические алмазы после химической обработки состоят
из кристаллов различной зернистости —друз. С целью их раз-
рушения и выделения порошков по зернистостям обычно исполь-
зуют шаровые мельницы, в которых друзы под действием \ да-
ров и обкатки шарами разрушаются. Такая обработка друз при-
водит зачастую к разрушению монокристаллов и не позволяет
получить запрограммированный выход алмаза по зернистости.
8;
115
Использование особенностей вихревого слоя дает возможность
обеспечить избирательное дробление дефектных и трещиноватых
зерен. Возможность создания большой частоты ударов при ма-
лой величине силы удара обеспечивает необходимые условия
для достижения этой цели [861. В результате избирательного
дробления дефектных зерен происходит упрочнение всей обра-
батываемой массы зерен. В табл. 47 приведены результаты обра-
ботки в АВС нескольких партий алмазных порошков различной
прочности.
Га- лица 47
Упрочнение алмазных зерен после обработки п ЛВС
Зернис- тость. мкм Исходная проч- ность. н Прочность после обра- ботки в вихревом слое. Н Выход от исходно- го коли- чества, % Зернис- тость, мкм Исходная проч- ность. И Прочность после об- работки в вихревом слог. 1 1 ВЫЧ .5Д от KCXr.j lo- ro коли- честв.»* %
* 12.3 100 160 125 6.76 6,68 8.38 10,55 66,0 53,0 50 40 160 .80 6.S7 4,8о 8.11 61./> 57,(>
В табл. 48 приведены результаты ситового анализа и проч-
ности 300 кар алмазных зерен марки АСР после измельчения в
АВС в течение 4 мин.
Тач лица 48
Результаты ситового анализа и изменения прочности 400 кар
алмазных зерен зернистостью 200—250 мкм и прочностью
3,3 Н после обработки в АВС
Зернис- тость. мкм Фракционный состав Проч- ность после дробле- ния, Н Зернис- тость. мкм Фракционный состав Прочность по: ле дробле- 1 ния, Н
кар О/ /п кар %
250/200 2.5 0,83 7,15 88/63 60,0 20.00 3.25
200/160 6,0 2,00 5,77 63/50 35,5 11.83 3,37
160/125 8,7 2,90 4,71 50/40 44,5 14,83 2,58
125/160 28,0 9,33 4,04 Менсе 40 69,5 23,16 —
100/80 44.2 И,73 4,90
Из приведенных примеров видно, что происходило избира-
тельное дробление алмазных зерен, т. е. измельчались только
менее прочные кристаллы. В то же время получались кристаллы
алмаза, прочность которых значительно превышала прочность
исходных зерен. Выхот зерен с повышенной прочностью был
значительно выше теоретически возможного, если факт увели-
чения средней прочности зерен объяснять только разрушением
менее прочных. Можно предположить, что увеличен не прочнос-
ти зерен происходило также за счет снятия внутренних напря-
жений в кристаллах, возникавших в процессе синтеза алмаза, а
также за счет разориептации кристаллических блоков, вызывае-
116
мой многократными ударами ферромагнитных частиц по кристал-
лу (импульсная обработка), аналогично упрочнению кристаллов
при воздействии на них ударной волны
Форма зерна природных алмазов во многом определяет стой-
кость алмазного инструмента. В частности, овализировапные
зерна лучше удерживаются связкой. Обычно овализаиию алмаз-
ных зерен производят в воздушном овализаторе. Однако малая
производительность, большой процент передраблпвания зерен в
таких овализаторах усложняют и удорожают процесс.
Наличие высокочастотных ударных нагрузок в зоне дей-
ствия вихревого слоя позволяет использовать эту его особен-
ность для проведения процесса овализации. При этом псрепзмель-
чение зерен в АВС в несколько раз ниже, чем в воздушном овали-
заторе. За 2—5 мин обеспечи-
вается сглаживание острых Таблица 49
граней кристаллов и уменьше-
ние сои । пошей ня длин осей
кристаллов. Для этих целей
может быть применен пол\ ав-
томат АВСП-100 [741, кото-
рый в значительной мере удов-
летворяст условиям перера-
ботки небольших партий по-
рошкообразных материалов
при большом их ассортименте,
когда требуется получить вы-
сокое качество продукта за
Результаты ситового анализа
порошка карбида кремния после
измельчения в ЛВС
зернистость, мкм Гадсржтние. %
ИСХОДНОГО пос, проб. ( И
+200 26,9 8 «
200'160 40,8 3.3.4
160 125 31.6 20,3
125 40 0,7 32,2
—40 — 5..3
короткое время.
Получение тонкой фракции абразивных материалов всегда
сопряжено с большими затратами времени и энергии Возможнос-
ти вихревого слоя в этом отношении могут быть продемонстри-
рованы на рассмотренных ранее примерах измельчения кварцево-
го песка, а также измельчения карбидов металлов.
В табл. 49 приведены данные по ситовому анализу карбида
кремния, подвергнутого измельчению в вихревом слое в течение
5 мин.
'• ' При более длительном измельчении карбидов металлов мож-
но получить до 90% фракции менее 30 мкм.
Интенсивность диспергирования в вихревом слое определя-
ется многими факторами, зависимость от которых носит экстре-
мальный харакер. К этим факторам прежде всего относятся раз-
меры, материал и величина загрузки ферромагнитных частиц в
рабочую камеру.
Сравнение энергопапряженпости вибромельниц, для которых
она составляет 0,8 —1,2 кВт на I дм" обьсма помольной кахеры
1981, с аналогичным показателем для аппаратов с вихревым сло-
ем (для ВА-100 она составляет около 3 кВт па 1 дм3) свидетсяв-
ствует о значительных возможностях вихревого слоя при измель-
чении твердых продуктов.
ПРИМЕНЕНИЕ ABC
В ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
* борьба с загрязнением окружающей среди приобретает все
большее значение. Одной из острейших проблем является проб-
лема очистки сточных вод промышленных предприятии и свя-
занные с ней вопросы проектирования систем водоснабжения и
канализации.
Сточные воды, сбрасываемые предприятиями, загрязнены раз-
личными веществами, характер и концентрация которых зави-
сят от вида п технологии производства, сырья и реагентов участ-
вующих в технологическом процессе, технического состояния
аппаратуры и оборудования, культуры эксплуатации. Все эти
обстоятельства предопределили применение весьма разнообраз-
ных методов очистки. Широко применяются методы усреднения,
смешения, нейтрализации, отстаивания, фильтрован ня, ионного
обмена н др. Среди этих методов получили распространение и
методы, разработанные на основе применения вихревого слоя
ферромагнитных частиц 148; 80].
Очистка сточных вод от шестивалентного хрома и других
I яжелых металлов. Сточные воды, содержащие хром, свинец, ни-
кель, железо, марганец, медь и другие тяжелые металлы, харак-
терны для целого ряда предприятий машиностроения (гальва-
нические цехи), химической, нефтехимической и других отрас-
лей промышленности [231. Для очистки таких вод с использо-
ванием аппаратов с вихревым слоем разработано несколько
методов. Основные из них аналогичны ранее известным методам
[18; 95]. Однако в них умело используются те особенности вих-
ревого слоя, которые позволяют резко сократить расход реаген-
тов, добиться более полной очистки и перевести эти процессы на
непрерывный режим.
Как указывалось ранее, ферромагнитные частицы под воздей-
ствием электромагнитного поля совершают интенсивное переме-
шивание поступающих в реакционную зону реагентов. Под воз-
действием удара и трепня происходит их измельчение до коллоид-
ной степени дисперсности [391. Образовавшийся коллоидный
металл является хорошим восстановителем. Одновременно с об-
разованием коллоидного металла в процессе диспергирования
ферромагнитных частиц в вихревом слое идет образование водо-
рода за счет электролиза воды. Оба фактора естественно вли-
яют на реакцию восстановления шестивалентного хрома и дру-
гих металлов в сточной воде. Эта особенность вихревого слоя поз-
воляет значительно сократить расход серпокислого железа на
пос, I.топление шеегпналептного хрома и даже юбиться полного
восс тновлеп ия шее швалей того хрома и др\, их металлов пт точ-
ной воде только за счет коллоидного метал кт и выделяющегося
водорода.
11а рис. 79 нрпве тепы сравни тельные деты in т-м/'ости и
полноте восстановления шестивалентного хрома в \ВС и в аппа-
рате с мешалкой при различном количестве восстановителя.
Как видно из рисунка, в вихревом слое практически полное вос-
становление достигается уже при расходе сернокислого железа
не более 10% от стехиометрического. Процесс восстановления
длится доли секунды, что обеспечивает возможность непрерыв-
ного ведения процесса с большой
скоростью.
Интенсивное перемешивание ре-
агентов и воздействие электромаг-
нитных полей, а также дисперги-
рование образовавшихся соедине-
ний приводит к тому, что образо-
вавшиеся гидроокиси металлов
более дисперсны, чем полученные
в аппаратах с механическими ме-
шалками.
В табл. 50 приведены данные по
дисперсности осадков, полученных
при промышленном использовании
аппарата ВА-100 для очистки сточ-
ных вод, содержащих в своем со-
Ргс. 79. Скорость россгаиои..с.-
ния шесп1валеит11''Г'' 'рома:
/, 2,3 — п яшырлте с механической
мешалкой при расходе посети' опитсля
(FeSO4) 50, 80 и Ю0'\, от стехиомет-
рического соответ-- пенно; 4, 5 —
в АВС при расходе Н"»О4 10 и 1 °.,
ставе растворимые соли свинца до
675 мг/л, железа — 275 мг/л,меди —
68 мг/л, марганца — 480 мг/л.
Интересно, что увеличение дис-
персности осадков не приводит к за-
медлению процесса их отстаивания. " метрич кг,г
Наоборот, осаждение частиц твер-
дой фазы после реакции в АВС происходит в полтора-два раза
быстрее, чем после реакции в аппарате с мешалкой. Здесь,
по-видимому, сказывается интенсивная магнитная обработка
образовавшейся суспензии, приводящая к изменению поверхност-
ного натяжения на границе жидкость — твердое тело [33].
Таблица 50
Дисперсность осадков гидроокисей металлов, полеченных и аппаратах
с мешалками и п АВС
Содержание
гидроокисей, %
[1)0 5(1 1.5 .—
50—3) —
30—25 23.-- —
25—20 44.95 —
Интервалы дис- персности, мкм Содержание гидроокисей. С.
Механи- ческое п?- ремешива кие Вихревой слой
20 -10
10-5 — 0,31
5-3 — 5,23
Ищервалы дис- персности, мкм Содержание гидроокисей. %
Мехами ноское не ремеши Не- кие ВпхроиоЛ '•ЛОЙ
3-2 >.03
2-1 — l(i,9
1 — 19
119
Важнейшей особенностью вихревого слоя является тот факт,
что после обработки в нем изменяются физико-химические свой-
ства вещества, что в большой степени влияет на химическую
активность обрабатываемого продукта.
Наряду с этим, как указывалось выше, наблюдается раз-
ложение воды с образованием гидроксил-иона. Совокупность
этих факторов позволяет при проведении реакции осаждения про-
извести полное осаждение тяжелых металлов при расходе извест-
кового молока значительно меньше, чем его необходимо по сте-
хиометрическому уравнению из расчета па гидроокись металла
(табл. 51).
Таблица 51
Осаждение тяжелых металлов в АВС при различном расхо ic
известкового молока
Наименование содержащихся i сточной воде примесей н их количество, мг/л Условия осаждения Содержание мс».и1.топ после обработки в вихревом слое, мг/л
H„SO4 Fe Си РЬ Мп Обра- ботка в вихре- вом слое, с Расход Са (ОН)2 по отно- шению к стехио- метричес- кому рас- чету, % РЬ Мп
11540 683 — 675 320 3 100 90 80 70 Следы 6—8
1600 275 1П,( 375,8 502.3 3 90 80 — 4,8
870 180 144,8 540 132 3 <К1 «0 70 Следы » 11,2 20,2
• После обработки в вихревом слое Fe и Gu отсутствуют
Состав примесей в сточных водах (в мг/л), на которых осуще-
ствлено промышленное внедрение аппаратов с вихревым слоем,
приветен ниже:
Хр< м общий ПО >(10
» iiiri'iiiiia.'icnTitblA 20 10 000
Железо 10- 1500
Свинец 10- 50С
Марганец До 1000
120
Никель
Медь
Кислотность
40- 350
20- 350
до 10 000
Технологическая схема установки с применением АВС для
очистки сточных вод от хрома методом химического восстанов-
ления в кислой среде с последующим осаждением его в виде
гидроокиси приведена на
рис. 80.
Установка состоит из
сборпика-усредпптеля /,
насоса 2, емкостей-дозато-
Рнс. 30. Техполо! ичесюы схема установки
для очистки сточных вод от хрома с при-
менением АВС
ров восстановителя 3 и оса
дителя 4, аппаратов с вих-
ревым слоем 5. Сточные во-
ды, содержащие шестива-
лентный хром, поступают
в усреднитель для вырав-
нивания концентрации,по-
еле чего насосом подаются в аппарат с вихревым слоем, куда
одновременно поступает раствор сернокислого железа или би-
сульфит натрия. Расход сточной воды регулируется ротаметром.
Сточные воды после восстановления в них хрома посту пают на
осаждение Сг3+ в следующий АВС, куда одновременно подается
Таблица 52
Результаты испытаний установки для очистки сточных вот
от хрома с использованием АВС*
Характеристика ис- ходной сточной воды Расход FeSO4 по отноше- нию к сте- хиометри- ческому расчету. % Содер- жание Сг"+ после обра- ботки в АВС. мг/л Характеристика ис- ходной сточной воды Расход Fc-SOji по отноше- нию к сте- хиометри- ческому расчету, 0/t Содер- жание тюсле обра- ’ лжи ь АВС. МГ/Л
pH среды Содержа- ние Сг» мг/л pH среды Содержа- ние Сг, мг/л
0,5 460 100 0,8 76 5 90
0,5 43 100 — 0,8 2200 100 —
0,5 460 90 — 4 103 100 —
.5 83 100 — 4 103 90 —
5 83 90 — 4,5 1100 100 —
5 83 80 0,3 4,5 1100 90
0,8 76,5 100 — 4,5 1100 80 0,"
Расход Са (ОН), по отношению к стехиометрическому расчету состя пяст I 1
Наличие Сг‘+ после илйгралшации не обнаружено
твеегковое молоко. В этом аппарате происходит осаждение хро-
ма п других тяжелых металлов в вид гидроокисей.
Контроль за величиной pH процесса осуществляется рН-мег-
ром, установленным за аппаратом. Если остаточное содержание
шестивалентного хрома выше 0,1 мг/л, а эго фиксируется
121
с помощью сигнализатора хрома, установленного за АВС, то про-
изводи гея корректировка расхода серпокислого железа. Произ-
водительность установки — 15—40 м3/ч при использовании
одного АВС в зависимости от его типоразмера. Для восстанов-
ления хрома рекомендуется применять 5—10%-ный раствор серно-
кислого железа, а для нейтрализации кислых сточных вод и осаж-
дения металлов — 5—10%-пый раствор известкового молока.
Режим работы установки непрерывный. Реагенты расходуются
согласно стехиометрическому расчету.
В габл. 52 приведены некоторые результаты испытаний уста-
новки рассмотренного тина и промышленных' условиях.
Из приведенных данных видно, что эффект очистки сточных
вод от шестивалентного хрома с использованием ЛВС высок н
не зависит от кислотности сточных води исходной концентрации
хрома.
Такой же эффектдостигается при нейтрали чщнп кислых сточ-
ных вод и осажщпии как Сг:|+, так н других тяжелых металлов
в виде гидроокисей. При этом расход известкового молока соот-
вествует стехиометрическому расчету. Это особенно видно, если
сравнить полученные результаты с литературными данными по
расходу реагентов при проведении процессов в аппаратах с ме-
шалками [12; 18; 20; 96; 100]. В большинстве случаев на восста-
новление 1 массовой доли шестивалентного хрома до трехвалент-
мого расходуют от 16 до 32 массовых долей сернокислого железа
пли от 3 до 11 массовых долей бисульфита натрия, а для осажде-
ния 1 массовой доли трехвалентного хрома в виде гидроокиси —
до 5 массовых долей извести. Применение аппаратов с механи-
ческими перемешивающими устройствами требует больших про-
изводственных площадей и значительных капитальных затрат.
Длительность циклического процесса очистки — от 30 до 120
мин.
В противоположность этому в комплект установки с приме-
нением АВС для очистки сточных вод от хрома методом хими-
ческого восстановления в щелочной среде при одновременном
осаждении хрома и других металлов в виде гидроокисей входят
лишь емкости для сернокислого железа и известкового молока
с дозаторами, один АВС и фильтр или шламопакопитель-ог-
стойник. Работа установки аналогична ранее описанной. Осо-
бенностью является только одновременная по ;ача в рабочую зону
аппарата с вихревым слоем сернокислого желе, а и известкового
молока.
В табл. 53 представлены некоторые результаты испытаний та-
кой установки в промышленных условиях.
Процесс восстановления Ств+ и осаждения металлов в таких
установках ведут при pH 8-ь 9, используя 5 10% ныс раст-
воры сернокислого железа И известкового молока, [.ля обеспече-
ния большой скорости процесса при исходной концентрации Ст6+
выше 50 мг/л расход Са(ОН)2 и FeSO4 выдерживают равным сте-
хиометрическому расчету. При меньших концентрациях хрома
122
Таблица 53
Результаты испытаний установки для очистки сточных вол
от тяжелых металлов с использованием ЛВС (то очистки
pH —2 3, после очистки рН=8,5 !))
Наимено- вание ме- таллов, со- держащих- ся в исход- ной сточ- ной поде Исходная кон- центрация ме- таллов в воде, мг/л Концентрация металлов в по- де после обра- ботки в АВС. мг/л Наименова- ние метал- лов, содер- жащихся в исходной сточной воде 1 {сходная концентрация металлов в по- до. мг/л Концентрация металлов и воде после об- работки в \ИС ”г л
Сг°+ 50—100 0 Mg До 300 Следы
Сг'+ 50— 100 0 Pb 50—100 0.09
Fe До 500 Следы Си 50 - 100 Qie.iiJ
Ni 50—100 0
целесообразно расход реагентов увеличить на 3—5"п. Продол-
жительность осветления сточной воды в отстойниках — 1,5—
2 ч. Рассмотренный метод очистки сточных вод является наиболее
экономичным из известных, что открывает широкие перспективы
использования его в различных отраслях промышленности.
Очистка сточных вод от фенола. Сильно загрязненными сточ-
ными водами являются воды производства фенолформальдегид-
ных смол, синтетических фенолов, коксохимических и лесохи-
мических предприятий, которые содержат в своем составе ор-
ганические вредные примеси типа фенола, формальдегида,
дифенилолпропана и др, 183}.
На большинстве предприятий для очистки таких вод приме-
няют методы окисления фенола и других органических приме-
сей пиролюзитом, бихроматом натрия или калия при темпера-
туре 95—100° С. Процесс окисления длится от 3 до 5 ч при
расходе окислителя до 5 г на 1 г фенола. Станция очистки
с 12 реакторами емкостью по 25 м3 каждый обеспечиваег очистку
от 400 до 600 м3 воды в сутки.
Применение АВС позволяет значительно упростить техноло-
гическую схему, снизить температуру реакции окисления до 20—
25° С, сократить расход окислителя до 2—3 г на 1 г фенола и
продолжительность реакции до сотых долей секунды.
Столь значительное ускорение и снижение температуры реак-
ции окисления фенола можно объяснить снижением энергии акти-
вации реакции за счет различных факторов вихревого слоя.
Как и в предыдущих процессах, здесь безусловно значительную
роль играет процесс электролиза.
В табл. 51 приведена характерно гика феполсодсржащпх
сточных вод различных проишодств, па которых для окисления
фенола применены АВС.
Технологическая схема установки, применяемая предприя-
тиями для очистки данных сточных вод, чрезвычайно проста.
Сточные воды от производства фенолформальдегидных смол и
123
Таблица 54
Характеристики фгиолсодержащих сточных под, которые мог\т быте
очищены на установке, использующей АВС
Количество загрязняющих веществ, г/л
Наименование загрязняющих веществ в водях производ- ства фенолфор- в водах произвол- в водах произвол-
м альдегидных ства эпоксидной ства дифснилол-
X смол смолы пропана
Фенол 0,5—5 0,1—0,5 До 10
Кислота 2—5 — 10
Формальдегид 0,2—10 — —
Дифени лолпропан 3—5 1,5 До 3
Метанол 0,8—10 3 —
Сухой остаток 6,5 — 45
дифенилолпропана для смешения и выравнивания копией граций
фенола поступают в усреднитель, который снабжен барботером
для подачи пара или воздуха. Из усреднителя предварительно
проанализированные на содержание фенола сточные воды насо-
сом подаются в аппарат с вихревым слоем. Одновременно пода-
ется окислитель — раствор бихромата натрия или калия с кон-
центрацией 150—300 г/л. В рабочей зоне аппарата происходит
окисление фенола. Расход окислителя при этом составляет 2,5—
3 г на 1 г фенола. Температура реакции 20—25° С. Если в сточ-
ной воде содержится смола, температуру реакции необходимо
повысить до 40—60° С. После первого аппарата с вихревым слоем
сточные воды подаются во второй аппарат такого же типа на вос-
становление остаточного шестивалентного хрома сернокислым
железом в щелочной среде с одновременной нейтрализацией и
осаждением трехвалентного хрома. В качестве нейтрализующего
агента можно использовать известь, соду и другие щелочные
агенты.
Такая комплексная очистка сточных вод дает возможность
провести обесфеиоливание сточных вод до остаточного содержа-
ния фенола от 0,01 до 5 мг/л и содержания Ст"4- до 0,001 мг/л
(исходные концентрации загрязняющих веществ представлены
в табл. 52). Одновременно с окислением фенола наблюдается
окисление содержащихся в сточной воде других органических
примесей. Так, содержание формальдегида снижается до 120—
150 мг/л (исходная концентрация до 10 г/л), метанола — до
2,3 мг/л (исходная концентрация 6,4 г/л), дифенилолпропана —
до 320 мг/л (при исходном содержании 4,6 г/л).
При очистке сточных вот от фенола в аппарат с вихревым
слоем рекомендуются следующие условия: кислотноегь — не мо-
нет 5 г/л; производительность аппарата тина ВЛ-100 — 12—15
м3/ч, аппарата АВС-150—30—35 м:,/ч. Непрерывность процесса
создает предпосылки для дальнейшей его механизации и авто-
матизации.
124
Внедрение аппарата с вихревым слоем на процессе обесфепо-
ливапия вод позволяет снизить энергозатраты в 15—20 раз,
расход реагентов на окисление— в 1,5—2 раза, уменьшить не-
обходимые производственные площади в 5 раз.
Очистка сточных вод от циансодержащих соединен iii. Наи-
более ядовитыми производственными стоками являются воды,
содержащие как простые соединения — циашпы (с попами
CN—), так и комплексные [Cli(CN2)~], ICu(CN3)-2I, |Zn(CNv)~2]
и др. Общая концентрация простых и комплексных цианидов
колеблется от 10—15 до 150—300 мг/л. Обычно обезвреживание
цианидов и удаление их из сточных вод производится отдувкой
цианистого водорода после предварительного подкисления раст-
воров, биологическим разрушением, электролизом и окислением
цианидов химическими реагентами [18]. За последние годы как
в нашей стране, так и за рубежом наибольшее распространение
получил реагентный метод обезвреживания цианидов — окисле-
нием их гипохлоритом кальция Са (ОС1)2, хлорной известью
СаОС12 или газообразным хлором. Реакция протекает в два этапа:
окисление цианидов до цпаиаюв при pH — 10— 11,5, затем гид-
ролиз цианатов до азога и углекислого газа при pH 7 ч- 7,5.
На предприятиях наибольшее количество циапсодержащих
сточных вод очищается на установках периодического действия,
где обработка реагентами ведется в поочередно заполняемых
емкостях. Большие количества сточных вод очищаются на уста-
новкам непрерывного действия. Это требует надежного и непре-
рывного контроля и автоматического регулирования дозировки
реагентов.
Циансодержащие сточные воды с концентрацией циап-иона
порядка 5—50 мг/л поступают в резервуар, разделенный на две
секции. Резервуар рассчитан на пребывание в нем очищаемых
сточных вод в течение 30—40 мин. В первой секции сточные воды
смешиваются с обезвреживающими щелочными реагентами; здесь
же протекают предварительные реакции. Эта секция оборхдована
лопастной мешалкой. Емкость первой секции рассчитана на 5—
10-мнпутное пребывание воды в ней. Из первой секции стоки
поступают во вторую секцию, которая рассчитана на 30-минут-
ное пребывание в ней воды. За это время реакция обезврежива-
ния завершается полностью. В качевтве обезвреживающего реа-
гента используется гипохлорит натрия. Величина pH в первой
секции поддерживается путем добавок раствора едкого натра
на уровне 10,5 единиц. Контроль за величиной pH среды в резер-
вуаре и содержанием цианидов осуществляется с помощью рН-
метра и датчика сигнализатора циана. Обезвреженные сточные
воды из резервуара поступают на смешивание с кислыми и щелоч-
ными стоками.
Использование аппарата с вихревым слоем паст возможность
провести реакцию окисления цианидов и разложение последних
до карбонатов и аммиака в одну стадию в щелочной среде при
pH = 9 ч- 10.
125
При промышленном осуществлении метода цп.знсодсржащне
сточные воды от источников их образования поступают в усред-
нитель, откуда насосом подаются в аппарат । вихревым слоем.
Одновременно в рабочую зону аппарата подаются щелочной
агент и окислитель. Контроль за pH среды в аппарате и остаточ-
ным содержанием цианидов после окисления, как в в предыду-
щем случае, осуществляется pH-метром и сигнализатором циа-
на. Из аппарата сто^ые воды поступают в коллектор, где сме-
шиваются с нейтрализованными сточными водами от других
учасI ков гальванопокрытий.
В качестве щелочного реагента применяются известь или <-ода
в виде 5—10%-ного раствора, в качестве окислителя— гипо-
хлорит кальция или натрия, хлор или хлорная известь. Расход
окислителя составляет 110% от стехиометрического расчета.
Ниже представлены результаты анализов, полученных при
испытании аппарата ВА-100 на очистке циансодержащих сточных
вол при производительности 12—15 м3/ч:
Исходное содержание
цнан-иопов, мг л
8000
2300
4320
50
62,1
34.3
Солсрж.шне (1Н..Н-НОНЯ
после очистки в АВС. мг,л
0.12
0,09
0.02
0,02
0,0011
0.001 I
лак видно из приведенных данных, качество очистки практи-
ч.-ч.и не зависит от концентрации циап-иона в исходной сточной
воде
Счистка сточных вод от серебра, фтора и ни тросоединений.
Сточные воды производства кинофотоматерпалов содержат в сво-
ем составе от 80 до 2 000 мг/л серебра, значительная часть кото-
рого находится в виде коллоидных частичек, обволакиваемых
желатиной. Желатиновая оболочка препятствует коагуляции
золя, что в значительной степени затрудняет извлечение серебра
сепарированием сточной воды. Некоторая часть серебра нахо-
дится в воде в виде растворенных солей. Если концентрация ио-
нов серебра незначительна (до нескольких милиграммов), то из-
влечение его химическими методами нецелесообразно. Все эти
причины приводят к тому, что в водах, сбрасываемых предприя-
тиями, остается до 10—15 мг/л серебра.
В перечисленных случаях для извлечения серебра целесооб-
разно применение АВС. При этом достигается двойной эффект.
Ионное серебро восстанавливается железом и электролизом на
ферромагнитных частицах. Одновременно разрушаются;желати-
новые оболочки иа частицах металлического серебра и быстрее
происходит их коагуляция. Обработка до 5 м'1 /ч воды в аппара-
те ВА-100 пли АВС-100 позволяет увеличить извлечение серебра
сепарированием на 5—10 мг/л. Для обработки серебросодер-
126
жащих сточных вод рекомендуется применять частицы и мяг-
ких углеродистых сталей диаметром от 1 до 1,4 мм и длиной
12—18 мм.
Значительные трудности испытывают предприятия в очистке
сточных вод от фтора [55]. Например, кислые воды су перфос-
фатных производств содержат фтора до 2,5 г/л. Обычно _ля ней-
трализации и обесфторивания сточных вод применяют мет или
известковое молоко, которыми обрабатывают воду в реакторах-
нейтрализаторах объемом по 40 м3, снабженных лопастными
мешалками. В результате химических превращений выпадают
в осадок трудиорастворимые соединения типа CaF,, CaSO4,
СаНРО,, Са;,(РО4)2.
Процесс нейтрализации длится 1 —1,5 ч. О< галочное содержа-
ние фтора в воде составляет 50—60 мг/л. При использовании кас-
када реакторов удельная производительность их не превышает
0,25 м3/ч на 1 м3 реактора.
Применение АВС позволяет значительно упростить техно о-
гичсскуто схему и улучшить качество очистки Как и в преды-
дущих случаях, в рабочую зону АВС одновременно подают сточ-
ную воду и необходимое количество известкового молока. На
выходе из аппарата в воде содержится не более 15 мг/л фтора.
Удельная производительность АВС составляет около 30 000 м3 ч
на 1 м3 рабочего объема, что соответствует производительности
ВА-100 и АВС-100 до 15 м3/ч, а АВС-150 — до 40 м! ч.
Представляет интерес использование АВС для очистки сточ-
ных вод от ароматических нитросоедииеиий путем восстановления
их до соответствующих аминов. Для этого процесса могут быть
рекомендованы ферромагнитные частицы из мягкой углеродистой
стали диаметром 1—1,4 мм с соотношением l/d от 12 до 16.
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕВОГО СЛОЯ
В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОЙМАТЕРИАЛОВ
Керамзитовая промышленность. В процессе производства ке-
рамзита глинистое сырье подвергается гомогенизации и измель-
чению в глиномешалках, вальцах, бегунах. Однако это оборудо-
вание не обеспечивает качественного измельчения, в результате
чего прочность керамзитового гравия низка. Недостаточные из-
мельчение и гомогенизация сырья приводят у тому, что даже 3°6
карбонатных включений в хорошо вспучивающихся легкоплав-
ких глинах делает их непригодными: полученный из них керам-
зит теряет прочность или разрушается при хранении вследствие
гидратации СаО.
Сильно запесочсипые глины с содержанием свободного SiO2
до 10—30% также малопригодны для изготовления керамзита.
Все эти проблемы в значительной степс!1’1 могхт быть решены
в случае обработки сырья в вихревом слое. Измельчение и гомоге-
127
9
Таблица 55
Результаты измельчения и гомогенизации в АВС
шихт для получения керамзита
1 № опыта : Характеристик.! сырья и про- должительность обработки в АВС Механические свойства керам-Шта
при обработке шихты в АВС при смешении шихты вне ЛВС
Объемная масса 7, г/см’ Предел проч- ности при скалывании 7с«10~Па Коэффициент онструктив- ioro качеств? объемная масса 7, г/см 11 редел проч- ности при налипании «с-10—5, Па 1 Коэффициент конструктив- ного качества
1 Смышляевская глина г 26% свободного SiO2 (обработка шликера 30 с) 0,24 2,25 10,3 0,38 1,60 5,1
2 Тоже с 41% свободного SiOa (обработка шликера 30 с) 0,34 2,45 7,8 0,84 3,24 4,1
3 ЧлсовъярскшТ моиогермит (сухая обработка 7 мин) 0,85 29,4 30 1.0 9.81 6,5
4 5 Глина Образцово-Печорско- го месторождения 50%. зо- ла угольная 50% (сухая об- работка 7 мин) То же при опудрнванни по- луфабриката каолином (су- хая обработка 7 мин) 0,57 0,74 10,7 27,9 18 32,0 0. чЧ 1,32 8.4
низания в АВС шихт для получения керамзита общестроительно-
го и специального назначения дали значительный эффект сниже-
ния объемной массы и повышения прочности (табл. 55). Так,
шликерная обработка смышляевской глины с содержанием сво-
бодной двуокиси кремния до 40% привела к уменьшению объем-
ной массы керамзита почти в два раза при одновременном уве-
личении прочности (коэффициент конструктивного качества почти
в два раза выше у керамзита, изготовленного из обработанной в
в АВС шихты). Причиной резкого улучшения свойств керамзи-
та, очевидно, является активация кварцевого песка, вызванная
образованием активных центров — свободных радикалов, воз-
никающих в результате разрыва силоксановой связи Si—О
аналогично тому, как это происходит при диспергировании SiO2
в дезинтеграторах при большой частоте вращения ротора. Ис-
следовавшие это явление Л. Я. Уйбо и А. Я- Паэ [94] об обра
зованни свободных радикалов судили по появлению полосы
парамагнитного поглощения с параметрами g 2,001 и А// =
(2 ч-3) Э, чго хороню совпадает с параметрами Е-иептра
в кристаллическом кварце. Е-центр является дефектом основной
решетки и образован мостиковой вакансией кислорода.
Активация SiO2 приводит к тому, что двуокись кремния ак-
тивно участвует в силикате- и стеклообразовании. После обжига
керамзита в гранулах отсутствуют крупные частицы SiO2, явля-
128
ющиеся концентраторами напряжений. Наличие SiO2 в составе
стекла повышает прочность и термостойкость. Хорошие резуль-
таты дает сухая обработка сырья в вихревом слое. Например, из
часовъярского монотермита получен легковесный огнеупорный
заполнитель с объемной массой, в два раза меньшей, и проч-
ностью, в три раза большей, чем у контрольных образцов (опыт
3, табл. 55). Положительный эффект достигнут при сухой обра-
ботке в вихревом слое многокомпонентных шихт, включающих
до 50% золы ТЭС (опыты 4 и 5).
Приведенные примеры показывают, что применение АВС
весьма перспективно для получения качественного керамзита
из запесоченного и закарбоннзпрованного сырья, для получения
керамзита с повышенной прочностью и термостойкостью, высо-
кокачественных заполнителей из шихт, включающих до 50%
отходов, например угольной золы. Однако широкое применение
АВС для керамзитовой промышленности сдерживается тем об-
стоя голым ком, что высокопроизводительные аппараты для сухой
обработки шихт еще практически не разработаны
Производство ячеистых бетонов. Ячеистый бетон получают
в результате затвердевания предварительно вспученной при по-
мощи газообразователя смеси вяжущего, воды и кремнеземистого
компонента. В качестве газообразователя наиболее часто при-
меняется алюминиевая пудра, которая, реагируя с водным раство-
ром гидроокиси кальция, выделяет водород.
Известно, что с уменьшением размера пор и увеличением
однородности пористости качество ячеистого бетона повышается.
Для достижения этого необходимо равномерное распределение
алюминиевой пудры в массе и увеличение степени ее дисперсности.
Кроме этого, структура ячеистого бетона определяется таким
технологическим фактором, как содержание в смеси активно-
го СаО.
Обычно подготовка газообразователя сводится к частичному
удалению парафиновой пленки с поверхности частиц алюминия
путем перемешивания ее с водой и поверхностно-активными
веществами и последующему введению суспензии в смесь. Из-за
низкой эффективности перемешивающих устройств парафиновая
плёнка практически не удаляется. Кроме того, имеет место коа-
гуляция частиц алюминия, приводящая в дальнейшем к мест-
ной концентрации газовыделен ня в изделиях, появлению рако-
вин и трещин. Из-за недостаточности газовыделения в случае
производства газосиликата в смесь приходится вводить .то 25%
извести. Необходимость дополнительного введения извести дик-
туется также требованием к моменту окончания гаювыделення
получить за счет гидратаппоппого схватывания прочность бето-
на, достаточную для удержания его во вспученном состоянии.
Применение АВС для подготовки суспензии алюминиевой пудры
в производстве газосиликата позволило полностью избежать
коагуляции частиц алюминия, повысить их активность, выход
газа и гомогенность смеси. Некоторые сравнительные данные по
IOQ
9 5-381
физико-механическим свойствам газосилнката, полученного с ис-
пользованием алюминиевой суспензии, приготовленной разными
способами, приведены в табл. 56.
Таблица 56
Физико-механические сгойстпа газосилнката, полученного
с использованием алюминиевой суспензии, приготовленной
разными способами
Условия приготовления
суспензии
Механические свойства газосилнката
при обработке суспен-
зии алюминиевой
пудры в ЛВС
при подготовке су-
спензии алюминиевой
пудры в аппарате
с мешалкой
I Алюминиевая пудра—
100% по отношению
к расчетному коли-
честву
120
385
377
414
18.7
10,3
11,8
2.50
1,47
I 41
394.
419
438
15,2
79,5
10.8
2,03
0,92
1,14
2 1<, же — 90% по от-
ношению к расчетно-
му количеству
950
380
427
375
14,5
15,2
12,3
1,85
1,70
1,80
Из таблицы следует, что при использовании алюминиевой
суспензии, обработанной в АВС, получен газосиликат, прочность
которого на 10—30%, а коэффициент качества па 20—60% боль-
ше, чем у контрольного (табл. 56, опыт 1).
Применение АВС дало возможность на 10% сократить расход
газообразователя и па 2% извести, причем утяжеления газо-
силиката не произошло. Наоборот, объемная масса его уменьши-
лась, а прочность возросла. Очевидно, что качество газобетонов
может быть также повышено за счет обработки в вихревом слое
известково-песчапой или цементно-песчаной смеси с целью акти-
вации SiO-j аналогично тому, как это происходит при произ-
водстве керамзита.
Производство силикатного кирпича. Сырьем для производства
силикатного кирпича служит кварцевый песок (92—95% сухой
смеси) и известь (5—8%). Прочностные характеристики кирпича
находятся в прямой зависимости от степени активации SiO2
п равномерности смешения компонентов. В спя ш с этим большой
ирикшческип интерес представляй! применение АВС. для об-
рабощц сухой смеси i целью смешения и активации компонентов.
В связи с этим были проведены опыты по активации известково-
песчаной смеси путем просыпания ее через вихревой слой аппа-
рата ВА-100. Интересно отметить, что при такой кратковремен-
но
пой обработке смеси (частички смеси в зопс вихревого слоя нахо-
дились на протяжении долей секунды) измельчения песка и извес-
ти практически не наблюдается. О степени активации можно
судить по изменению механических свойств полученного из этой
смеси силикатного кирпича.
Условия обработки
смеси в АВС
Предел прочности
при сжатии
ас • 10~®. Па
Без обработки 91,2
Однократное просыпание через слой 239.5
Двукратное » » » 324,5
Трехкратное » » » 328,1
Как видно из приведенных данных, кратковременной актива-
цией смеси прочность силикатного кирпича может быть увеличена
более чем в 3,5 раза.
Очевидно, что аналогичная обработка известково-песчаных,
известково-зольных и известково-кремнеземистых смесей приво-
дит к столь же заметному увеличению механических свойств
силикатных бетонов, широко применяемых в сборном строи-
тельстве.
* * *
Аппараты с вихревым слоем могут найти применение в произ-
водстве асбестоцементных изделий, технология которых включа-
ет распушку асбестового волокна и смешение его с водой и це-
ментом. При мокром и полусухом способах формования АВС
могут заменить бегуны на стадии распушивания асбеста и обеспе-
чить одновременное смешение его с цементом и водой и актива-
цию поверхности всех компонентов. При сухом способе также
могут быть совмещены операции распушивания асбеста, смешения
его с песком и цементом и активации поверхности всех составляю-
щих смеси. Кроме этого, для производства асбоцементных изде-
лий используют портландцементы только высоких марок, что удо-
рожает изделия. В вихревом слое возможна эффективная обра-
ботка цементов с целью увеличения их удельной поверхности
и активности. В табл. 57 приведены результаты таких опытов.
Тай ища 57
Изменение активности иемента при его обработке я АВГ
Продолжи- тельность об- работки п BX-I00, мин Удельная по- керу кость, см2/г Нормальная густота Сроки СХРЛТЫПЯШ* ’ о—мин Активность з ip—4 п.-
К 1ЧС "Э
0 3080 0,330 1—05 1—25 2 И
10 4 (165 0.335 0- 55 1-05 47?
20 5477 0,382 0—51 1 —14 477
30 6724 0,392 1—15 I—41 4''
9*
131
В производстве синтетического линолеума значительное место
занимают процессы перемешивания многокомпонентных систем,
содержащих полимеры, красители, наполнители, пластифика-
торы и другие добавки, причем некоторые из них в очень малых
количествах. Например, 1 кг стеарата кальция вводится на 2400 кг
массы. Добиться равномерности распределения малых добавок
чрезвычайно трудно. Для таких целей вихревой слой может
оказаться весьма эффективным. При смешении композиций в
АВС может быть использован и рассмотренный ранее Э(])фект
влияния электромагнитного поля на обрабатываемые полимеры.
Испытания показали, что смешение в вихревом слое в течение
1 мин линолеумной композиции на основе поливинилхлоридной
смолы привело к увеличению прочности линолеума по основе
на 10 и по утку на 20% и увеличению термостабильности
в два раза.
Целесообразно применение АВС и для целого ряда других
процессов в производстве строительных материалов. Например,
обработкой в вихревом слое можно ускорить процесс вулканиза-
ции тиоколовых герметиков вообще и однокомпопепгиых в част-
ности 129]. В настоящее время полный процесс вулканизации
двух- и трехкомпонентных герметиков при комнатной температу-
ре длится 7—10 суток, однокомпонентных герметиков при такой
же температуре и влажности воздуха 95—100% — до 12 суток.
Обрабатываемые в АВС компоненты тиоколовых герметиков*
либо основа герметика в виде жидкого каучука активируются,
в результате чего можно значительно (в 2—5 раз) ускорить про-
цесс вулканизации при одновременном улучшении физико-меха-
нических свойств готовых герметиков [3; 62].
Аппараты с вихревым слоем могут быть применены также
в производстве керамических изделий при подготовке керами-
ческой массы по шликерному способу, для размола красителей
и пигментов.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АВС
В ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Свойства вихревого слоя ферромагнитных частиц могут быть
i 'юльзованы для самых разнообразных целей [611. Только спо-
ы юсть слоя к диспергированию веществ проверена уже на де-
стыках процессов и дала положительный э(]к|>екг. Разработан,
например, способ размола целлюлозы в вихревом слое [59; 77]
В бумажном производстве процесс размола занимает одно из
главных мест, гак как от качества ра »мола зависят все свойства
f Наполнители — мел, каолин, сажа п другие; ад гезивы — эпоксидные смо-
лы; вулканизирующие агенты — перекись марганца, двуокпсь свинца, перекись
бария; активаторы и ускорители.
132
получаемой бумаги. АВС позволяет получать бумажную массу
любой степени помола при незначительных затратах времени.
Расход электроэнергии на размол в два раза меньше, чем в кони-
ческих мельницах. Волокна целлюлозы при размоле в АВС уко-
рачиваются незначительно, зато интенсивно идет их фибрилля-
ция, что способствует улучшению механических свойств бумаги.
В табл. 58 приведены данные по физико-механическим свойствам
бумаги, полученной из целлюлозы, измельченной в аппарате
ВА-100.
Таблица 5-°
Физико-механические свойства бумаги, полученной
из целлюлозы, измельченной в АВС
Продолжитель- ность размола, мин Помол, °ШР Средняя длина волокна, мм Разрывная длина бумаги, м (. опротнвлснис
раздиранию. Н продя г-ли- ва пин . 7-10— Н
Исходная 17 2,1 6850 1,78 4,70
30 26 1.87 8140 1,35 5,98
60 35 — 10350 1,26 6,37
90 47 1,68 — .— —
135 67 1.4 11340 1,06 5.88
Удельный расход электроэнергии на размол в этом случае
составил 10 кВт ч/т°ШР, что в два раза меньше, чем на кониче-
ских и дисковых мельницах.
Значительный интерес представляет способ получения метал-
лополимерных композиций [68], разработанный на принципе ис-
пользования вихревого слоя. Способ позволяет упростить тех-
нологию получения металлополимерных композиций, перевести
процесс с циклического на непрерывный. По этому способу могут
быть получены композиции из эпоксидных смол, каучука, фторо-
пласта, полиэтилена, капрона и других полимеров и различных
металлов — железа, алюминия, никеля, чугуна, меди, свинца,
хромоникелевых сплавов и т. д. [41]. Металл диспергируется не-
посредственно в среде полимера или мономера с последующей
его полимеризацией, в растворах полимеров или в порошках
и суспензиях. В вихревом слое металл диспергируется до разме-
ров в десятые — сотые доли микрона. При этом мпкронапряже-
ния в дисперсных частицах, вызванные деформацией кристалли-
ческой решетки, превышают предел прочности материала. Это
приводит к образованию хемосорбционных связей между части-
цами металла и молекулами полимера и, как следствие, к резкому
изменению механических свойств нового материала. При введе-
нии 0,05—0,1% коллоидной стали 08Х19Н8Т в эпоксидные смо-
лы ЭД-5 и ЭД-6’удельная ударная вязкость отвержденной смолы
увеличивается на 50—100% при сохранении всех остальных ме-
ханических свойств. Даже фторопласт-4 изменяет свои свойст-
ва при внесении коллоидного металла (табл. 59). Аналогичным
образом в полимеры могут быть введены любые наполнители.
133
Таблица 59
Свойства фторопласта-4 с различным содержанием
коллоидного металла
Показатель 1начение величин при содержании коллоидного металла, %
0 0,05 0,45
Предел прочности при растяжении, Па 2285-104 2480 104 2742 10*
Относительное удлинение при разры- ве, % 275 287 293
iдельное электрическое сопротивле- ние (поверхностное), Ом 4,3-1010 4-1011’ 4,3 Ю10
Удельное электрическое сопротивле- ние (объемное), Ом см 2,4-1010 2,3 I О16 2,3-1018
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц 0.0005 0,0005 0,0007
Диэлектрическая проницаемость при частоте I МГц 2,0 2,0 2,1
В процессе диспергирования их непосредственно в среде поли-
мера частицы наполнителя одновременно активируются. К ак-
тивированным частицам наполнителя происходит прививка мак-
рорадикалов полимера. Сшивание полимера происходит через
эти частицы [7; 93]. Возможна сополимеризация полимеров с
неорганическими веществами типа А12О3, ТЮ2, MgO, СаСОя
металлами (71.
Интенсивное диспергирование твердой фазы с одновременной
активацией частиц может быть использовано в производстве
лаков и красок. Железоокисные пигменты, например, в АВС в
любом пленкообразующем веществе диспергируются до размеров
менее 20 мкм в течение 15—60 с, тогда как в шаровых мельни-
ках время помола составляет несколько часов.
В процессе измельчения пигментов идет одновременно и из-
мельчение с поверхности самих ферромагнитных частиц. Для
белых или светлых красок это неприменимо. Однако для красок
разных цветов добавка металла не только не ухудшает свойств,
ио зачастую даже значительно их улучшает L881. Были опро-
бованы аппараты на процессе получения водоэмульсионных
красок, в состав которых входят мел, тальк, двуокись титана,
ультрамарин. Опыты показали, что удовлетворительного каче-
ства краска может быть получена при обработке в вихревом слое
в течение 1—2 мни.
Положительные результаты получены при диспергировании
люминесцентных краев гелей с целью получения перасслаиваю-
щейся люмипесцирующей туши. Необходимая дисперсность кра-
сителей (менее 2 мкм) получена при измельчении в АВС в тече-
ние 5—6 мин.
Исследования показали перспективность применения вихре-
вого слоя для получения буровых растворов, в том числе и таких,
получение которых невозможно другими методами. В АВС полу-
чены нерасслаивающиеся суспензии мела в нефти и дизельном
топливе, что открывает новые возможности в бурении нефтяных
скважин. В табл. 60 приведены некоторые сравнительные данные
по свойствам буровых растворов, полученных в АВС и во фрезер-
но-струйной мельнице.
Тайлиии
Свойства буровых растворов, полученных в ЛВС
и по фрезерно-струйной мельнице
Состав бурового раствора Свойства раствора после диспергирования в течение 10 мин (циркуляция в системе бак—насос—АВС—бак)
АВС Фрезерно-струйная мельница
Вязкость, с Суточный отстой, %
Вязкость Суточньй ОТСТОЙ. 'г>
Вода — 80% Мел —20% Вода — 80% 16,5 55 15,5 39
Глина — 20% Полиакриламид — 6 г/л Нефть — 90% 29,0 0 20,0 8
Мел — 10% — 0 — 100
Как видно из таблицы, вихревой слой может применяться для
Получения буровых растворов. Однако для этих целей должны
быть созданы специальные аппараты, обладающие необходимой
производительностью и отвечающие требованиям к работе в поле-
вых условиях.
Частным случаем использования диспергирующей способно-
сти вихревого слоя является получение в АВС горючих смесей
для судовых силовых установок, работающих на тяжелых топ-
ливах. При смешивании дизельного топлива с мазутом в аппара-
тах с мешалками образуется неустойчивая эмульсия с размером
частиц мазута 20—100 мкм. В АВС за несколько секунд обра-
зуется нерасслаивающаяся эмульсия с размером частиц мазута
менее 1 мкм, что позволяет использовать такую смесь в качест-
ве топлива для дизельных судовых двигателей. Промышленные
испытания АВС-100 на одном из судов подтвердили целесообраз-
нрсть такого использования АВС.
В литейном производстве приготовление огнеупорной суспен-
зии кварцевого песка в этитсиликате — один из ответственных
процессов, так как от качества суспензии зависит прочность ли-
тейных форм. Применение АВС для этих целей может сократить
время приготовления суспензии в 700 раз при значительном улуч-
шенпн их качества и сокращении расхода этилсиликата 1291.
Весьма перспективно в литейном производстве применение вих-
ревого слоя для плакирования кварцевых песков. Обычно про-
цесс плакирования весьма трутоемок и требует создания сложных
1 15
установок. В вихревом слое достаточно кратковременного кон-
такта (за время свободного просыпания через вихревой слой)
песка и смолы для качественного и равномерного покрытия по-
верхности песка плакирующим слоем.
Несколько своеобразным является применение АВС для об-
работки деталей из металлов и пластмасс с целью снятия заусениц
пли облоя. Если в вихревой слой на несколько сек\нд поместить,
например, пластмассовую деталь, имеющую в местах разъема
пресс-форЪы облой, то облой быстро разрешается под удар 1ми
ферромагнитных частиц. Для большого количества деталей типа
электроконтактных разъемов такая обработка взамен ручной яв-
ляется весьма перспективной. Аналогичный эффект достигается
для мелких деталей из металлов, полученных штамповкой. Осо-
бенно удобны в обработке детали, имеющие центральное отвер-
стие, которое может быть использовано для установки этой дета-
ли в приспособление. Надетая на специальный стержень и поме-
щенная в вихревой слой, созданный ферромагнитными частицами
в жидкой среде с абразивным порошком, такая деталь под дей-
ствием вращающегося электромагнитного поля начинает быстро
вращаться, и заусеницы с нее снимаются за весьма малое время.
Было исследовано влияние вихревого слоя на теплообмен в
потоке газа. Установлено, что теплоотдача от внутренней стенки
трубы, в которой создан вихревой слой ферромагнитных частиц,
увеличивается в 3—5 раз. Степень интенсификации теплообмена
зависит от ряда факторов: формы и размеров частиц, плотности
вихревого слоя, напряженности магнитного поля. Авторы, про-
водившие эти исследования [34], предлагают использовать вих-
ревой слой для создания форсированного теплообменного аппара-
та нового типа.
Испытано влияние вихревого слоя на скорость охлаждения
проката, в частности труб. Оказалось, что наибольшая интен-
сификация процесса достигается в случае работы АВС в режиме
"ферромагнитных дисков», т. е. при плотности вихревого слоя вы-
ше критической. Высокочастотное ударное действие ферромаг-
нитных частиц может быть использовано для образования на-
клепа на поверхности обрабатываемых металлических деталей с
целью их упрочнения или изменения структуры. В этом случае
также следует учитывать, что от lid частиц зависит степень воз-
действия вихревого слоя на обрабатываемый материал. Это хо-
рошо видно по изменению магнитных свойств ферромагнетика,
подвергнутого воздействию вихревого слоя. На рис. 81 приведена
зависимость изменения намагниченности образца из никеля диа-
метром 0,8 мм, подвергавшегося обработке в вихревом слое нике-
левых частиц различной длины. Как видно из рисунка, эта зави-
симость имеет экстремальный характер, причем максимум кри-
вой смещается в сторону большей длины частиц при меньших
значениях напряженности намагничивающего поля.
В условиях вихревого слоя интенсивно протекает деструк-
ция сложных органических молекул. Это явление представляет
136
большой практический интерес и может быть использовано для
целого ряда процессов, например, для регенерации < ip\итери-
рованных полимеров. Так, измельчение в ЛВС резин ласт воз-
можность получить полноценные регенераты с намного меньшими
затратами энергии и времени, чем известными методами регене-
рации. Обработка нефти в вихревом слое приводит к увел! чепию
выхода легкокипящнх фракций на 20—30%. Дсструктхрипова-
нием в вихревом слое могут быть получены ценные продукты из
лигнина, который теперь практически не использушся Прак-
тически неограниченные возможности применения вихревого
слоя для осуществления механохимических реакций, открываю-
щих принципиально новые возмож-
ности в процессах получения различ-
ных химических веществ, синтеза
полимерных продуктов, обладающих
новыми ценными свойствами.
Активация твердых вешеств в вих-
ревом слое может быть одним из мето-
дов увеличения активности и созда-
ния новых катализаторов. Особый
интерес представляет использование
АВС для синтеза красителей, в том
числе органических.
Перечисленные примеры безуслов-
но не являются исчерпывающими в
смысле определения области примене-
ния АВС, а дают лишь некоторое
представление о возможностях вих-
ревого слоя.
-АВ,Г
00?
005
004
0.02
О 4 6 12 16 20 L.HM
Рис. 81. Зависимость измене-
ния намагниченности образца
никеля после обработки в вих-
ревом слое частин никеля диа-
метром 0,8 мм в течение 1 ч
от их длины (цифры \ кри-
вых соответствуют значению
напряженности намагничива-
ющего потя в кА м).
В настоящее время созданы только первые типы аппаратов,
в которых используется принцип вихревого слоя, выявлены да-
леко не все возможности, которые таит в себе вихревой слой.
Основные преимущества АВС перед оборудованием других ти-
пов следующие: резкое, в десятки и сотни раз ускорение про-
цессов как физических, так и химических; улучшение качества
получаемых продуктов; уменьшение расхода сырья и увеличение
выхода продукта; снижение затрат энергии; уменьшение необ-
ходимых производственных площадей; возможность автомати-
зации технологических процессов. Перечисленные преимущества
далеко не полно раскрывают возможности АВС, по даже из них
видно, что АВС найдут широкое применение в самых различных
отраслях народного хозяйства.
ЛИТЕРАТУРА
1 Активированный каолин и применение его в рецептуре резиновых
смесей — «Каучук и резина», 1961, № 9, Авт.: Н. Л. Эйдельнант,
С. И. Рубина, В. 3. Смоляницкнй. В. Л. Серебрякова, Л. В. Плуп-
шан, В. С. Дашкевич.
2. А к у и о в В. И. Струйные мельницы. М , «Машиностроение»,
1967. 263 с. с ил
3 Аппараты с вихревым слоем для внесения наполнителей в каучуки
и латексы — В кн «Новые материалы и проце сы в резиновой про-
мышленности». Вып 2. Днепропетровск, 1973. с ил Авт. В В. Ка-
фарои, Д Д Логвиненко, О П Шетяков, К. Л Цанткср
4. Атрошенко П. С., Воронина С. М Условия равновесия
и работа зарождения малого пу’ырька в гомогенной жидкости в маг-
нитном поле.— «Магнитная гидродинамика», 1971, № 2.
5. А т р о щ е н к о П. С., В о р о н и и а С. М. П о в х II. Л. По-
верхностное натяжение плоской пленки в однородном магнитном
поле.—- «Магнитная гидродинамика», 1971, № 2
6. Бабич В К,Пи рогов В. А О природе изменения коэрци-
тивной силы при деформации отожженных углеродистых сталей.—
В кил «Физика металлов и металловедение». Т 28. Вып. 3. 1969.
7. Б а р а м б о й м Н К. Механохимия высокомолекулярных соеди-
нений М .«Химия», 1971.363 с сил
8. Безденежных А. А. Математические модели химических
реакторов. Киев, «Техн1ка» 1970. 176 с. с ил.
9. Б о з о р т Р. Ферромагнетизм. Перевод с английского под редак-
цией Е И. Коидорского и Б. Г. Лифшица. М.. «11иосграиная лите-
ратура», 1956. 784 с. с ил.
11. Болдырев В В,Молчанов В.И..Аввакумов Е.Г.
Реферативный обзор работ сибирского отделения АН СССР в области
мех-июхимии — В кн.: «Механохимнческие явления при сверхтон-
ком измельчении», Новосибирск, 1971.
12. Бор, его соединения и сплавы Киев, изд-во /АН УССР, 1960.
110 с. с ил. Авт . Г В. Самсонов, Л Я. Марковский А Ф Жигач,
М Г Валяшко
13. Брил ж м е н П. В. Попсйшис работы в области высоких давлений.
М., «Иностранная литература», 1918.
14. Б у г я г и н П. Ю. Механизмы инициирования мехапохпмическпх
реакций в твердых телах.— В ки : «Тезисы докладов четвертого
Всесоюзного симпозиума по мехаиохимии и механоэмиссии в твердых
телах», М , АН СССР, 1973.
15 В е и т ц е л ь Е С. Теория вероятностей М , Издательство фи-
шко-математической литературы. 1962. 560 с. с ил.
16. В о р о >к ц о в Н II Основы синтеза промежуточны» продуктов
и красителей М , «Химия», 1971 798 с. с ил
17. Н о с к росс п с к и и А. П Н< коюрые вопросы проектировании
индукционных ираш.ислсй.— В сб.: «Труды Всесоюнюго штучно-
исследовательского института электромеханики». Г 36. М.. 1971.
18. Генкин В Е. Современные методы очистки сточных вод цехов
гальванических покрытий машиностроительных и прпборостроптс.п.-
138
ных заводов,— В кн.: «Современные методы очистки промышленных
сточных вод н внедрение их на предприятиях отрасли» М., ЦНИИ
«Эзектроннка», 1974
19. Гон и кберг М Г. Химическое равновесие и скорость реакции
при высоких давлениях, Л1 , «Химия», 1969 427 с. с ил.
20 Горел ин Л. И, Шм ид т Л. И Способ очистки сточных вот
от фенолов Авторское свидетельство № 192088. — Бюллетень изоб-
ретении, 1967, № 4.
21. Г у сев В. П. Производство радиоаппарату ры М ,< Высшая школ.
1970. 343 с. с ил.
22. Г у т е р Р. С., О в ч и н с к и ii Б. В Элементы численного анали
за и математической обработки результатов опыта. М. «Нахка»
1970 432 с. с ил
23 3 г у р с к и й В А., Зальцман Л. Г Нейтрализация про
мышленных вод гальванического цеха и возможности ее автоматиза-
ции, Киев. УкрНИННТИ, 1968. 18 с.
24 Исследование кинетики смешивания сыпучих материалов в пр«
мышленных смесителях.— «Химическая и нефтяная промышлсп
посты». 1964, № 11, Авт.' В В. Стрельцов, В. Т. Полянин А Г Фо
мпчев Р. Н. Комков
25. Исследование критического коэффициента заполнения аппарата
с вихревым слоем ферромагнитными частицами.— «Химическое
и нефтяное машиностроение», 1973, № 11. Авт.: В. В Кафаров.
Д Д. Логвиненко. О. П. Шеляков, В. Л Кирейкова, Е И Пол
щипкова.
26. Исследование механохимического разложения нитратов щелочных
металлов.— В кн.: «Механохимические явления при сверхтонком
измельчении». Новосибирск, 1971 Авт . В В. Болдырев.Е Г Ав
вакумов, Г. М Гусев, И В. Шмидт, Л И. Стругова.
27 Исследование образования твердой фазы при перемешивании ре.
гейтов в вихревом слое ферромагнитных частиц.— В кн Тсори
И практика перемешивания в жидких средах». М , НИИТЭХИМ.
1973. Авт.: Д. Д. Логвиненко. В В Кафаров, 3. А. Савенкова,
О. П. Шеляков.
28. Исследование процесса усиления резин наполнителями, актнвнро
ванными и модифицированными в вихревом слое —В кн : «Новые
материалы и процессы в резиновой промышленности» Вып 2 Днеп-
ропетровск, 1973 Авт : Л Е Чечик, А Д Чугай О П Шеляков
Д. Д. Логвиненко, Е. А. Морозко.
29 Интенсификация процессов получения мелкодисперсных суспензий
в аппаратах с вихревым слоем. М ЦИНТИхпмисфтемаш, 1974.
15 с. с ил. Авт.: Д. Д Логвиненко, В. В. Кафаров, Е. А. Морозко,
О. П. Шеляков, К. Л. Цанткср.
3) К а ф а р о в В. В. Методы кибернетики в химии и химической тех
пологий. Изд. 2-е, М , «Химия». 496 с. с ил
31 Киффер Р., Беиезовский Ф Твердые сплавы Перевоз
с немецкого Е. И. Ечеистовой под ред В И Третьякова М , Мс
татлургия», 1971. 390 с с ил.
32 Коломиец И. П Более тысячи предприятий работают полтав-
скими алмазами —«Синтетические алмазы», 1971. \? 2
33. Классен В II., Щербакова С В Улх чтение технологи-
ческих свойств воды воздействием магнитного поля. —«Горный жур-
нал», 1965, Х1» 5
34 Кремнев О. А , Ч ,з в 1 а р о в А С . У с и к Т Л Влияние
вращающегося магнитного поля на теп юобмеп в поюкс гз >а — В кн
« Техническая электромагнитная гидродинамики» Вып 6. М . «Ме-
тал турги я», 1967
35 К V х а р с к а я Э В Скоркин Ю И Модификация поверх-
ности каолина органическими и крсмннйорганичсскими полимерами
с помощью ультразвука.— «Каучук и резина» 1966, № 10.
36. Логвиненко Д. Д. Особенности взвешенного во вращающемся
электромагнитном поле слоя ферромагнитных частиц — Труды НПИ-
эмальхиммаш. Вып. 1. Полтава, 1972.
37. Л о г в и н е н к о Д. Д. Новое устройство для непрерывного полу-
чения эмульсий и суспензий.— В кн.: «Основные направления кон-
струирования и технологии изготовления аппаратуры с химически
устойчивыми и жаропрочными покрытиями. Вып. 3. Киев.
УкрНИИНТИ, 1970.
38 Логвиненко Д. Д. Использование вращающегося электромаг-
нитного поля для перемешивания жидких сред.— В кн.: «Теорчя и
практика перемешивания в жидких средах» М. НИИТЭХИМ.
1971.
39. Логвиненко Д. Д. Способ получения коллоидных растворов
ферромагнитных материалов. Авторское свидетельство № 179283.—
Бюллетень изобретений, 1966, № 5.
40 Логвиненко Д. Д., Потураев В Д. Устройство для
получения эмульсий и суспензий. Авторское свидетельство
Vs 192755.— Бюллетень изобретений, 1967, № 6.
41. Логвиненко Д. Д. Способ получения мез аллополимеров.
Авторское свидетельство № 400601.— Бюллетень изобретений, 1973,
№ 4
42. Логвиненко Д. Д. Герметичный реактор для проведения про-
цессов в кипящем слое.— В кн.: «Тезисы докладов Всесоюзного
совещания по основным направлениям конструирования и технологии
изготовления аппаратуры с химически устойчивыми п жаропрочными
покрытиями». Киев, УкрНИИНТИ, 1968.
43. Л о г г, к н е н к о Д. Д. Реактор для проведения процессов в ки-
пящем слое. Авторское свидетельство № 168264.— Бюллетень изоб-
ретений, 1965, № 4.
44. Логвиненко Д. Д., К а ф а р о в В. В., III е л я к о в О. П.
Математическая модель процесса перемешивания в аппаратах с вих-
ревым слоем, созданным вращающимся электромагнитным полем.—
В кн.: «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М..
НИИТЭХИМ, 1973.
45. Логвиненко Д. Д., Мороз В. С. Восстановление нитро-
соедипений в условиях перемешивания в вихревом слое ферромаг-
нитных частиц.— В кн.: «Теория и практика перемешивания в жид-
ких средах», М., НИИТЭХИМ, 1973.
46. Логвиненко Д. Д., Митрофанов С. И., Левин К. И.
Способ извлечения меди из растворов ее солей. Авторское свидетель-
ство № 195107.— Бюллетень изобретений, 1967, № 9.
47. Логвиненко Д. Д., Ц а н т к е р К. Л., III е л я к о в О. П.
Новый способ и устройство для получения золей металлов.— В кн.:
Труды НИИэмальхиммаш, Вып. 1. Полтава, 1972.
48. Логвиненко Д. Д., Ш е л я к о в О. П. Применение элект-
ромагнитных полей для интенсификации химических и физических
процессов.— В кн.: Современные методы очистки промышленных
сточных вод и внедрение их на предприятиях отрасли». М., ЦНИИ
«Электроника», 1974.
49. Логвиненко Д. Д., Шеляков О. П., Польши-
к о в Г. А. Определение основных параметров аппаратов с вихревым
слоем.— «Химическое и нефтяное машиностроение», 1974, № 1.
50. Л о г в н н е н к о Д. Д., Шеляков О П., Кирейкова
В. Л. Исследование характера движения ферромагнитных частиц
в вихревом слое, создаваемом электромагнитным полем,— В сб.:
Труды НИИэмальхиммаш. Вып. 1. Полтава 1972.
51. Миро ш и и ч е н к о В Ф., Семенюк II. И. Термодинами-
ческие основы процесса влияния электромаппиных полей па рас-
плав полимеров.— «Пластические массы», 1970, № 10.
52. М н х а й лов Н. В. Упругое расслабление системы при наложе-
нии пульсирующих напряжений.— ДАН СССР, XCIX, 1954, № 5.
140
53. Молчанов В. И. Способ получения водорода из воды. Автор-
ское свидетельство № 264360.— Бюллетень изобретений. 1970, № 9.
54. Моргулис М. Л., Петров К- Г. Новые вибрационные сме-
сители ВНИИНСМ.— «Химическое машиностроение», 1964, № 4.
55. Мурзин В. И. Удаление фтора из сточных вод и мероприятия
по улучшению технологии очистки.— В кн.: «Современные методы
очистки промышленных сточных вод и внедрение их на предприя-
тиях отрасли». М., ЦНИИ «Электроника», 1974.
56. Некоторые результаты испытания вихревого аппарата на стадии
нейтрализации сульфитного щелока.— В сб.: Труды НИИэмальхим-
маш. Вып. 1. Полтава, 1972, Авт.: К- Л. Цапткер, В. Н. Оберемок,
Д. Д. Логвиненко О. П Шеляков, И. В. Картипцев.
57. Некоторые результаты применения аппаратов с вихревым слоем
в технологических процессах порошковой металлургии.— В кн.:
«Тезисы докладов II всесоюзного семинара по металлокерамическим
и конструкционным материалам и изделиям». Киев, Изд-во АН УССР.
1972. Авт.: О. П. Шеляков, Д. Д. Логвиненко, А. В. Скрипник,
Е. И. Мошковскип, Г. Г. Карюк, В В. Уваров.
58 Н е н и це с к v К. Общая химия. Перевод с рум. под редакцией
А. В. Аблова. М., «Мир», 1968. 816 с. с ил.
59. Оберемок В. Н.,Шел яков О.П.,Логвиненко Д.Д.
Размол бумажной массы в вихревом слое ферромагнитных частиц.—
«Бумажная промышленность», 1974, № 4
60 Новая технология введения наполнителей в латексы и приготовления
дисперсий ингридиенгов латексных смесей в вихревом слое.— В кн.:
«Новые материалы и процессы в резиновой промышленности». Вып. 2
Днепропетровск, 1973. Авт.: В. В. Кафаров, Д. Д. Логвиненко
Е. Л. (Морозко, О. П. Шеляков, А. М. Белоножко. А. Д. Чугай,
Л. Е. Чечик.
61. Области применения аппаратов с вихревым слоем, создаваемым
электромагнитным полем.— «Химическое и нефтяное машинострое-
ние», 1974, № 4. Авт.: В. В. Кафаров, Д. Д. Логвиненко, К. Л. Цант-
кер, О. П. Шеляков, В. Н. Оберемок.
62. О возможности перемешивания, диспергирования и активации напол-
нителей для резин в вихревом слое.— В кн.: «Новые материалы
и процессы в резиновой промышленности». Днепропетровск, 1973.
Авт.: О. П. Шеляков, В. В. Кафаров, Д. Д. Логвиненко, А. Д. Чугай,
Л. Е. Чечик, Е. А. Морозко, А. М. Белоножко.
63. Олофинский Н. Ф. Электрические методы обогащения. М.,
Госгортехиздат, 1962. 572 с. с ил.
64. Патент Великобритании № 1006680, 1965.
65. Патент Франции № 1329266, 1963.
66. Патент Швейцарии № 8664161, 1961.
67. Патент Японии № 20817/63, 1963.
68. Патент США № 3691130, 1972.
69. Патент ФРГ № 2150663, 1972.
70. Патент ФРГ № 2150625, 1972.
71. Патент ГДР № 92705, 1972.
72. Патент ФРГ № 1947336, 1969.
73. Патент ГДР № 93011, 1972.
74. Патент ГДР № 94165. 1972.
75. П о л и в а н о в К. М., Левитан С. А. Об одной задаче рас-
чета вращающегося электромагнитного поля.— «Электротехника»,
1969, № 12.
76 П р и х н а А. И. Исследования в области сгнтетч'-ескнх алма ов.
«Синтетические алмазы», 1971, № 6
77. Размол целлюлозы в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных
частиц. «Бумажная промышленность», 1974, № 6. Авт.: В. Н. Обе-
ремок, Д. Д. Логвиненко, О. П. Шеляков. И. Д Кугушев, А. Т, Олей-
ник.
141
7* Р еб и и де р П. Л. Физико-химические исследования процесса
деформации твердых тел.— В кн.: «Юбилейный сборник, посвящен-
ный 30-летию Великой Октябрьской социалистической революции».
At— Л., АН СССР, 1947.
79. Р е б и и д е р П. Л., Ш р е й и е р Л. А., Ж и г а ч К. Ф. Попи-
зители твердости в бурении. М.— Л., ГОНТИ, 1944.
f"60j Савенкова 3 А., Никитенко At И., А1 а и ж е л и й
с-' А. П Применение аппаратов с вихревым слоем для очистки сточных
вод.— В ки.: «Современные методы очистки сточных вод и внедрение
их на предприятиях отрасли», At, ЦНИИ «Электроника», 1974
81. С а м so н о в Г. В., Уманский Я. С. Твердые соединения ту-
гоплавких металлов. At, Металлургпздат, 1957. 107 с. с ил.
82. Са мео н ов Г. В. Силициды и их использование в технике Киев,
пзд-во АН УССР, 1959. 204 с. с ил.
83. С а х а р и о в А. В. Очистка сточных вод и газовых выбросов в ла-
кокрасочной промышленности. М., «Химия», 1971. 144 с. с ил.
84 Сборник задач по теории вероятностей, математической статистике
и теории случайных функций. Под редакцией Свешникова А А.
М., «Наука», 1970. 656 с. с ил.
85. Смирнов Н. В..Дунин-Барковский И. В. Курс теории
вероятностен и математической статистики для технических прило-
жений. At. «Наука», 1969. 511 с. с ил.
86. Способ избирательного дробления абразивных материалов. Автор-
ское свидетельство СССР № 325988.— Бюллетень изобретений,
1972, № 4. Авт.: Е. Н. Бакуль, К. Л. Цанткер Д. Д. Логвиненко,
А. И. Прихна, Ю. И. Никитин, А. В. Скрипник. О. П. Шеляков,
Е. И. Мошковскнй, Е. П. Баглюк.
87. Способ приготовления алмазно-абразивиой смеси. Авторское сви-
детельство № 313842.— Бюллетень изобретений, 1971, № 27. Авт.:
At С. Пивоваров, Д. Д. Логвиненко, А. В. Скрипник, О. П. Шеля-
ков, Л. Ф. Полащенко, Н. Ф. Кондратенко, Е. П. Баглюк.
88. Способ упрочнения лакокрасочных покрытий. Авторское свиде-
тельство № 294477.— «Бюллетень изобретений», 1971, № С, Авг.:
Д. Д. Логвиненко, К. Л. Цанткер, О. П. Шеляков. Н. И. Шишков,
В. Н. Оберемок.
89. Способ экстракции углеводородов. Авторское свидетельство
№ 237309.— Бюллетень изобретений, 1969, № 8 Авт.: С. Г. Выбо-
ров, В. С. Зайцев, Н. В. Захарова, А. Г. Лиакумовнч, Ю. И. Мигу-
ров, Э. И. Нейфельд, В. И. Автин.
90. С г е н д е р В. В. Прикладная электротехника. Изд Харьковского
университета, 1961. 350 с. с ил.
91. Технология и автоматизация производства калийных у эбренпй.
Л., «Химия», 1973. 160 с. с ил. Авт.: Р. С. Пермяков, С. В. Егоров,
Г Г. Колликов, А. Г. Злобинскин.
92. '1 им а и Б. Л. О возможности влияния неоднородных электрических
и магнитных полей па химическую реакцию в газе.— «Жх'рпал фи-
зической химии». Т. XXXIII, 1959, № 6.
93. Тобольский А. И. Свойства и структура полимеров. At. «Хи-
мия», 1964.
94. У й б о Л. Я , П а э А. Я. Механическая активация и прочность
"’весгково-песчлных изделий.— В кп.: «Тезисы докладов четвертого
Всесоюзного симпозиума по мехаиоэмиссии и м< •ханохпмин твердых
тел» At, АН СССР, 1973. С
93. Ф р и д л я и д В. Я. Очистка сточных вод. At, ГОС11НТИ, 1968.
11 с • ил
! 6 \ в . В М , К п р н ч е и к о А. Г., Н е в о р о в А1 11 Способ
|Н( 1(11 <| > И(|Л< ОЛ’-рЖ.ПЦПЧ (ТОЧНЫХ ВОД. Alllopc КО-.’ ( IIll.Toie 11,(1 во
2. 133. — Бюллетень изобретений, 1970, А 1.
97. \ и и к С. И , Г а с и к At II., Кучер А. Г. Полхч пне пиз-
(фо :ористых м..| г.типовых концентратов. Киев, Texiiihi», 1969.
: -10 с. с из.
142
98. X о д а к о в Г. С. Тонкое измельчение строительных м.;.
М., Стройиздат, 1972. 239 с. с ил.
99 Цанткер К. Л., Л о г и и и е п к о Д. Д. Герметичный аппа-
рат для проведения процессов в псевдоожижением слое.— «Химичс-
ческое и нефтяное машиностроение», 1971, № 4.
100. Шевлягин В. Н., Сметанина Е. К. Способ обесфенгли-
ваиия сточных и аммиачных вод. Авторские свидетельство As 145003.—
Бюллетень изобретений, 1965, As 4.
101. Ш е л я к о в О. П., Л о г в и н е н к о Д. Д. О возможности исполь-
зования аппаратов с вихревым слоем в производстве метал.юкера
мических изделий.— В кп.: «Тезисы докладов 11 всесоюзного семи-
нара по металлокерамическим и копстрхкниопным материалам и
и изделиям». Киев, изд-во АН УССР, 1972.
102. 111 п и т а л ь с к и й Е. II. Способ проведения реакций па ферро-
магнитных катализаторах. Авторское свидетельство Ав 48211. 1936.
103. Чечерников В. И Магнитные измерения Под ред проф
С. II. Кондорского. М., изд МГУ, 1963. 285 с. с ил
104. .Электрохимия органических соединении. Л., «Химия», 1968. 591 i
с нл. Авт.: А. П. Томилов, С. Г. Мапрановский, М. Я. Фпошпп.
В, А. Смирнов.
105. Э л ь п и н е р И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологиче-
ское действие. М., Государственное издательство физико-математи-
ческой литературы, 1963. 420 с. с ил.
106. С a I v е г 1 е у R. A., Read A. D. Trans Inst. Min. Metall (section
C: mineral process extraction metall), 79, June, 1970, p. 741.
107. D e 1 n e z R. L'inflnence du champ magnetique sur les trans-
formations phisico-chimiques. «Bulletin Societe Royale des Scien-
ces», 1, 26 — annee, N 2. Liege, 1957, p. 83—86.
108 D e 1 n e z R. L’influence du champ magnetique sur les trasformations
phisico-chimiques». «Bulletin Societe Royale des Sciences». 11,
26-annee; N 4. Liege, 1957, p. 161 —164.
109 Heinike J., Harenz H. Tribochemische Umset zungen von
Wasser an mechanische bcanspruchten Metallobczplachen.— «Schmi-
erstoffe und Schmiertechhik», 4, 30, 1966.
110 Krause A., Binkowna A. Roczniki chem. Ann. Soc. chim.
Polonorum, 32, 1045(1958); 33, 819 (1959); 34, 341 (1960).
ill. Krause A., Binkowna A. Einfluss des magnetischcn Feldes
auf katalytische Reaktionen.— «Zeitschr. f. anorganische und allge-
meine chemie». Band 306, 1960, s. 237—240
112 Pi ret L. Fundamental aspects of grinding.— «Chem. Eng. Prog.»
113. S e 1 w о о d P. W. Nature, 228, October, 1970, p. 278.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ............ . . . 3
Глава I. Вихревой слой ферромагнитных частиц и его характеристики 5
Силы и моменты, действующие на ферромагнитную частицу
в вихревом слое............................................15
Движение ферромагнитных частиц в вихревом слое. Критиче-
ский коэффициент заполнения рабочей зоны ферромагнитными
частицами ...... . .9
Уравнения движения ферромагнитных частиц в вихревом слое 14
Магнитные поля вихревого слоя 17
Акустические колебания среды.........................20
Поведение немагнитной частицы в вихревом слое. Математи-
ческая модель процесса перемешивания .... 22
Ударные взаимодействия частиц в вихревом слое . , 41
Активация веществ в вихревом слое ... 48
Электризация в вихревом слое.........................63
Глава II. Конструктивные особенности и основные типы аппаратов
с вихревым слоем (АВС) ......... . . 66
Общие сведения об аппаратах . ............ 66
Основные типы аппаратов для жидкофазных и гетерогенных
процессов............................................75
Аппараты с вихревым слоем для перемешивания сыпучих мате-
риалов ............................................. 78
Оптимальные режимы работы АВС ... 81
Глава. Ill. Применение АВС для интенсификации технологических
процессов .................................................85
Использование АВС в технологических процессах резиновых
производств .... ...........85
Интенсификация химических процессов ... 94
Интенсификация процессов порошковой металлургии . .101
Применение АВС в электронной промышленности . 104
Возможные области применения АВС в горной химии . . . 108
Применение АВС в производстве алмазных и абразивных инст-
рументов ..................... . ... .113
Применение АВС в процессах очистки сточных вод .... 118
Возможности применения вихревого слоя в производстве
стройматериалов ................................... 127
Перспективы применения АВС в других отраслях промышлен-
ности . . . . . . . . . . . 132
Литература . . .............. 138
НАЖОЬА

Проект- ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП
Над оцифровкой данной книги работали:
Ружинский С.И. rygmskifaiaport.ги
Ружинский Ю.И.
Раенко А.С.
август 2005, г. Харьков, Украина
г.Харьков, ул. Чкалова 1
МП «Городок»
Популяризация применения химических добавок и оригинальных технологий в строительной индустрии.
ryginski@aport.ru
+38(057)315-32-63
Здесь может быть Ваша реклама!
Закажи книгу по бетоноведению или строительству на оцифровку и размести в ней свою рекламу.
Дополнительная информация: ryginski@aport.ru