11.4 Аэрозоли. Их особенности. Практическое значение.

11.5 Порошки. Текучесть, гранулирование, псевдожидкое состояние.

К порошкам относят системы типа Т/Г, имеющие части­цы размером до нескольких сотен микрометров, состоящие из воздушной (газо­вой) дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы, между частицами которых имеется контакт, Если частицы более крупные, то такие системы относят к сыпучим материалам. В различных отраслях промышленности не принято учи­тывать эти разграничения, и все подобные системы считают сыпучими материалами, массами или продуктами.

Сыпучие материалы способны течь под действием внешнего усилия Р. В отличие от течения сплошных тел, течение сыпучих материалов заключа­ется в отрыве слоя частиц от себе подобных или поверхности и в перемещении отдельных частиц или агрегатов частиц при со­хранении границы раздела между частицами.

При движении часть сыпучего материала может прилипнуть к поверхности, образуя на ней слои ниже линии Б (рис. XI.2, в). Динамическое состояние сыпучих материалов связано с их структурно-механическими свойствами и может быть выражено количественно. Образование структуры в системе Т/Г зависит от контактных взаимодействий между частицами и частиц с по­верхности, т.е. аутогезии и адгезии . Различают адгезию и аутогезию отдельных частиц (рис. XI.2, а, в) и массы частиц, составляющей сыпучий материал (рис. XI.2, в). Контактное взаимодействие между частицами характеризует прочность всей сыпучей массы.

Рисунок XI.4 - Адгезия (а) и аутогезия (б) отдельных частиц и слоя сыпучего материала (в)

Адгезия и аутогезия отдельных частиц определяется силой F_ад и F_аут соответственно; для сыпучего материала адгезия возникает при контакте частиц с поверхностью (линия АА на рис. XI.2, в) и характеризуется величиной F^N_ад. Аутогезия между частицами из­меряется величиной F^N_аут и возникает при контакте слоев частиц (линия ББ на рис XI.2, в).

Связь между адгезией отдельных частиц и адгезией слоя частиц Р определяется соотношением

F^N_ад = F_{ад *} N,

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта, обычно в рас­чете на 1 м².

F^N_ад характеризует силу адгезии в расчете на единицу площади: ее можно назвать давлением или напряжением, определяющим адгезию.

Аутогезия частиц сыпучего материала связана с аутогезией пары частиц следующим соотношением:

F^N_аут = F_{АУТ *} N

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта, или удельное число контактов.

Число контактов зависит от структуры сыпучего материала, размеров частиц и плотности их упаковки. Аутогезия обусловлена двумя причинами; первая из них определяется природой контактирующих тел, а вторая вызвана положением частиц в сыпучем материале.

Взаимное перемещение частиц сыпучего материала и его течение определяются не только адгезией и аутогезией, но и трением.

Трением называют взаимодействие, которое возникает в местах контакта поверхностей и препятствует их относительному перемещению. Трение и адгезия, а также аутогезия вызваны одними и теми же причинами, т.е. взаимодействием между телами: в данном случае частицы — твердая поверхность и частицы — частицы. Направления силы трения и сил адгезии и аутогезии не совпада­ют. При адгезии и аутогезии они действуют перпендикулярно поверхности контакта, а в случае трения — тангенциально.

Адгезия обусловливает прижим и удержание частиц на повер­хности, а трение препятствует перемещению частиц относительно поверхности. Если частицы движутся относительно друг друга, то трение тормозит это движение, а аутогезия определяет связь между частицами при их взаимном удалении (рис. XI.4, б).

На сыпучий материал может действовать давление Р_вд (рис. XI.4, в). Оно вызвано массой вышележащих частиц или внешней нагрузкой. Для того чтобы заставить сыпучий материал течь, необходимо осуществить сдвиг слоя частиц относительно твердой поверхности или другого слоя частиц. Сдвиг произойдет, если приложить внешнее воздействие, равное F_отр. Величина F_отр называется напряжением сдвига и рассчитывается на единицу площади сечения сыпучего материала

Если сдвиг происходит внутри сыпучего материала по линии ББ (рис. XI.4), то коэффициент трения соответствует внутреннему трению. При сдвиге частиц относительно поверхности по линии АА определяется коэффициент внешнего трения Сила трения, препятствующая перемещению частиц по поверхности и относительно друг друга, кроме адгезии и аутогезии зависит от ряда других факторов. К их числу относятся механическое за­цепление между выступами соприкасающихся тел, деформация зоны контакта, абразивное воздействие и некоторые другие. Подобные факторы влияют на значение коэффициента трения как его составляющие.

По величине аутогезии и на основе закона трения можно классифицировать структурно-механические свойства сыпучих материалов. Взаимодействие между частицами неодинаково: у связнодисперсных систем аутогезия больше массы частиц, что позволяет частицам удерживаться друг относительно друга; для свободнодисперсных сыпучих материалов аутогезия незначительна и не оказывает влияния на перемещение частиц внутри материала.

Деление сыпучих материалов на связнодисперсные и свободнодисперсные достаточно условно. Одни и те же материалы в различных условиях могут принадлежать либо к одной, либо к другой системе.

Обычно размер частиц связнодисперсных сыпучих материалов меньше, чем размер частиц свободнодисперсных. Переход из одной системы в другую зависит от таких факторов, как влага, внешнее давление, температура и др.

Порошки можно перевести в аэрозольное состояние под действием воздушного потока над поверхностью сыпучего материала в процессе пневмотранспорта (рис. XI.5, а) и псевдоожижения (рис. XI.5, б).

б

Рисунок XI.5 - Перевод частиц в аэрозольное состояние

Под действием воздушного потока материал разрыхляется, нарушается аутогезионное взаимодействие между частицами и внутренней поверхностью трубопровода. Аэродинамическая сила создает дополнительное давление на сыпучий материал, частицы которого переходят в высококонцентрированную аэрозольную систему. В результате материал приобретает способность течь. Аналогичные явления происходят и при образовании псевдожидкого слоя.