МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИНАУКИ УКРАИНЫ УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
РЕФЕРАТ
По теме: «Теоретические основы измельчения твердых тел»
Работа
Студентки группы 3 – Ф – 68
Сомовой Юлии
Процесс измельчения широко применяется в химико-фармацевтическом производстве, особенно в фитохимических цехах. Измельчениепредставляет собой процесс механического деления твердых тел на части. Врезультате измельчения увеличивается поверхность обрабатываемых материалов,что позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие,выделение биологически активных веществ из измельченного материала.
Переработка материалов в измельченномвиде позволяет значительно ускорить экстрагирование и тепловую обработкуматериалов, провести указанные процессы с незначительными потерями действующихвеществ и меньшим расходом тепла [1]. (
Применение твердых материалов, раздробленныхна мелкие куски (путем дробления) или измельченных в порошок (путем размола),позволяет значительно ускорить растворение, обжиг, химическое взаимодействие,т.е. различные процессы, протекающие тем быстрее, чем больше поверхностьучаствующего в них твердого вещества.
В настоящее время для измельченияматериалов применяют машины различных типов, начиная от крупных щековыхдробилок, дробящих глыбы материала объемом до 2м3, и кончаяколлоидными мельницами, измельчающими продукты на частицы размером до 0,1мк.
Дробление и размол характеризуются степеньюизмельчения – отношением диаметра dк кусков после измельчения:
dн
/>i= (1)
dк
Куски исходного материала и куски или зерна,получаемые в результате измельчения, не имеют правильной (симметричной) формыпоэтому на практике размеры кусков (dн иdк) определяют размером отверстий сит, через которыепросеивают сыпучий материал, т.е. с помощью ситового анализа. (Плановский А.Н.,Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Изд – вохим. Лит – ры, 19682. С.49.)
Для расчета среднего характерногоразмера кусков материал разделяют с помощью набора сит на несколько фракций.В каждой фракции находят средний характерный размер как полусумму характерныхразмеров максимального dmaxиминимального dminкусков:
/> dmax+ dmin
/> dср= . (2)
2
Практически размер максимальных кусковопределяется размером отверстий сита, через которое проходит весь материалданной фракции, а размер минимальных кусков – размером отверстий сита, накотором данная фракция остается.
Средний характерный размер куска в смесивычисляют по уравнению
dср1*а1+ dср2*а2+…+ dср*аn
/>/> d = . (3)
а1+а2+…+аn
где dср1,dср2, …dсрn–средние размеры кусков каждой фракции; а1,а2,…, аn – содержание каждой фракции, % мас.
Найденные таким образом средниехарактерные размеры кусков D исходного и dизмельченного материалов используются для расчета степени измельчения поформуле (3).
В зависимости от размера кусковисходного материала и конечного продукта различают два типа измельчения: 1)дробление ;2) размол (порошкование).
Приблизительная характеристика классовдробления и размола приведена в табл.1:
Таблица 1
Классы измельчения
D,мм
d,мм
Крупное (дробление)
Среднее (дробление)
Мелкое (дробление)
Тонкое (размол)
Коллоидное (размол)
1000÷200
250÷50
50÷25
25÷3
0,2÷0,1
250÷40
40÷10
10÷1
1÷0,4
до 0,001
Крупное, среднее и мелкое дробленияосуществляют в дробилках сухим способом, а тонкое коллоидное измельчения –сухим и мокрым способом. При мокром дроблении уменьшается пылеобразование иполучают частицы, более однородные по размеру, облегчается также выгрузкаматериала.
Дробление материалов осуществляетсяраздавливанием, ударом, истиранием, раскалыванием и распиливанием, резанием,разламыванием.
Для достижения оптимальной степениизмельчения процесс осуществляют постадийно на последовательно соединённыхдробильно-размольных машинах.
Изрезывающие машины используют дляизмельчения растительного материала (корней, стеблей, цветков и др.).
Раздавливание применяют при крупном исреднем измельчениях, истирание – при тонком измельчении.
В зависимости от физико-математическихсвойств исходных материалов используют следующие способы измельчения (табл.2):
Таблица 2
Материал
Способы измельчения
Твердый и хрупкий
Твердый и вязкий
Хрупкий, средней твердости
Вязкий, средней твердости
Раздавливание, удар
Раздавливание, распиливание
Удар, раскалывание и истирание
Истирание или истирание и удар, распиливание
(Чуешов В. И. Промышленная технологиялекарств. Т.1. – Х.: МТК – Книга,2002. С.32 – 34)
Виды измельчения Типы машин/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
По современным воззрениям, процесс деформациитвердых тел заключается в том, что под действием внешних сил в наиболее слабыхместах тела образуются замкнутые или начинающиеся на поверхности мельчайшиетрещины. При прекращении внешнего воздействия трещины под действиеммолекулярных сил могут смыкаться ( «Самозаживляться»); при этом телоподвергается лишь упругой деформации. Разрушение тела происходит в том случаеесли трещины на столько увеличиваются, что пересекают твердое тело по всему егосечению в одном или нескольких направлениях. В момент разрушениядеформирующегося тела напряжение в нем превышает некоторое избыточное значение,упругая деформация сменяется деформацией разрушения и происходит измельчение.
Процессы измельчения связаны сзначительным расходом энергии на образование новых поверхностей, на преодолениевнутреннего трения частиц при их деформации во время разрушения и напреодоление внешнего трения между материалом и рабочими частями машины.
Теория процесса измельченияустанавливает зависимость между энергией, затраченной на измельчение твердоготела, и результатом измельчения, т. е. размером кусков ( зерен ) продуктаизмельчения.
Теория измельчения основывается на двухгипотезах: объемной и поверхностной.
Объемная теория. Эта теория была впервые предложена и доказана Л. В.Кирпичевым в 1874 г.
Согласно объемной теории, расход энергиина дробление пропорционален объему тела и, следовательно, отношение работ А1и А2, затраченных на дробление двух тел, имеющих объемы V1 и V2, равно
А1 V1
/>/>= (4)
А2 V2
Работа равна произведению силы Pна деформацию и по закону Гука пропорциональна линейному размеру lтела, т. е. А = Pal (a – коэффициент пропорциональности).Объем тела пропорционален его линейным размерам и может быть выражензависимостью V=bl3 (b– коэффициент пропорциональности). Соответственно выражение (4) принимает вид:
P1al1 bl31
/>/>=
P2al2 bl32
откуда
P1 l21
/>/> = (5)
P2 l22
Таким образом по теории Кирпичева дляоднородных твердых тел усилия дробления пропорциональны квадратам ихсходственных линейных размеров или поверхностям тел, а произведенная работапропорциональна объемам или весам этих тел.
Поверхностная теория. Согласно этой теории, работа, затраченная надробление, пропорциональна поверхности кусков, образующихся при дроблении.Поверхность материала при дроблении возрастает обратно пропорциональноконечному размеру кусков dk, который, согласно зависимости (1) равен dн/і.
Тогда при одинаковой крупности кусковисходного материала получим для различной степени дробления:
І1
/>А1 dн І1
/>/> = /> = (6)
А2 І2 І2
dн/>
т. е. работа, затрачиваемая на дробление, пропорциональнастепени измельчения маиериала.
Несмотря на то, что обе теории неотражают в полной мере всех явлений, происходящих при дроблении, исследованияВ. А. Баумана показали, что теория Кирпичева хорошо согласуется с опытнымиданными при крупном и среднем дроблении, осуществляемом главным образом раздавливаниеми ударом. Поверхностная теория более соответствует процессам мелкого дробленияи тонкого измельчения, связанным с истиранием и иногда с раскалываниемматериала.
Таким образом, обе гипотезы близки вопределенной степени к истине и, следовательно, дополняют друг друга. Это нашлоотражение в единой теории дробления, предложенной П. А. Ребиндером.
По Ребиндеру, работа, затрачиваемая надробление, в общем случае равна сумме двух слагаемых:
А=σΔF+kΔV (7)
Первый член данноговыражения представляет собой энергию, расходуемая на образование новыхповерхностей при разрушении твердого тела. Эта энергия равна удельнойповерхностной энергии σ (приходящейся на единицу поверхности тела),умноженной на поверхность ΔF, образующуюся при разрушении.Второй член уравнения выражает энергию деформации. Она равна работе kупругой (и пластической) деформации на единицу объема твердого тела, умноженнойна часть объёма тела ΔV, подвергшуюся деформации.
Уравнение (7) являетсячастным случаем закона сохранения энергии, согласно которому процесс дробленияхарактеризуется переходом одного вида энергии твердого тела в другой. Доразрушения тело обладает потенциальной энергией, т. е. находится под действиемвнешних сил в состоянии упругой деформации. В результате разрушенияпотенциальная энергия переходит в кинетическую, причем энергия деформациипревращается в тепло и рассеивается в окружающую среду.
При крупномдроблении величина вновь образующейся поверхности, в следствии больших размеровисходного материала, сравнительно невелика. Поэтому в данном случае второй членkΔV уравнения (7) значительнопревышает первый член σΔF и расход энергии на дроблениеприблизительно пропорционален обыему твердого тела.
При тонкомизмельчении вновь образующаяся поверхность очень велика, поэтому в уравнении(7), описывающем этот процесс, первый член во много раз больше второго. В связис этим расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновьобразовавшейся поверхности.
Теория Ребиндера хорошосогласуется с опытом, а описанные выше объемная и поверхностная теорииосновываются на ней и могут рассматриваться как частные случаи. (ПлановскийА.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Изд– во хим. Лит – ры, 19682. С.51 – 54)
Расход энергии приизмельчении возрастает с уменьшением размера частиц. В связи с этим воизбежание непроизводительных затрат крайне важно, чтобы при организациипроцесса был заранее известен ожидаемый размер частиц после дробления. «Недробить ничего лишнего» — таково основное правило дробления.
С целью уменьшениярасхода энергии в ряде случаев целесообразно периодически удалять достаточноизмельченные частицы из зоны помола.
Фактический расходэнергии на измельчение определяется экспериментальным путем с учетом свойствматериала и степени измельчения.
Все измельчителиприменительно к условиям фармацевтического производства можно разделить на
1. машины для предварительногоизмельчения;
2. машины для окончательногоизмельчения.
В новейшихотечественных руководствах измельчители предпочитают классифицировать поспособам измельчения. В этом случае все измельчители, применяемые вфармацевтическом производстве, можно условно разделить на следующие группы:
1. Изрезывающего и распиливающего действий(траворезки-соломорезки, корнерезки, машины с дисковыми пилами).
2. Раскалывающего и разламывающегодействий (щековые дробилки).
3. Раздавливающего действия(гладковалковые дробилки – вальцовые мельницы, валковые дробилки с нарезнойрифленой поверхностью).
4. Истирающе – раздавливающегодействия (дисковые мельницы – эксцельсиор).
5. удоарлного действия (молотковыемельницы, дезинтеграторы, дисмембраторы, струйные мельницы).
6. Ударно – истирающего действия(шаровые мельницы, вибромельницы).
7. Коллоидные измельчители(струйные, вибрационные).
Для крупногодробления применяют щековые и конусные дробилки, в которых материал с размеромкусков не более 1500 мм измельчается под действием на него в основномраздавливающих и раскалывающих усилий до кусков размером около трехсот ста мм.
После крупногодробления материал подвергают в случае необходимости измельчению в дробилкахсреднего и мелкого дроблений, в которых измельчение осуществляетсяприблизительно от 100 мм (размер наиболее крупных кусков исходного материала)до 10 – 12 мм. Для среднего и мелкого дроблений используют валковые и ударно –центробежные мнльницы.
Для тонкогоизмельчения от кусков с размером 10 – 12 мм до частиц размером 2 – 0,0075 мм применяют барабанные и кольцевые мельницы. В них материал измельчается пододновременным действием раздавливающих, ударных и истирающих усилий.
Для сверхтонкогоизмельчения применяют вибрационные, струйные и коллоидные мельницы, в которыхчастицы материала измельчаются приблизительно от 10 — 1 мм до 75*10-5 – 1*10-4 мм. (Чуешов В. И. Промышленная технологиялекарств. Т.1. – Х.: МТК – Книга,2002. С.37 – 38)
Выбор дробилок имельниц производят в зависимости от вида измельчения, а также от физико –механических свойств измельчаемого материала ( твердость, хрупкость, абразивностьи др.).
Для крупного измельчениянаиболее широко применяются щековые дробилки. Конусные дробилки обладаютбольшей производительностью, чем щековые, требуют меньшего расхода энергии,дают более равномерный продукт с меньшим содержанием мелочи и отличаютсяспокойной работой. Однако вследствие более сложной конструкции большего веса ибольшей стоимости конусные дробилки целесообразно применять для крупногодробления только при большой производительности, когда одна конусная дробилкаможет заменить две или более щековых. Во всех остальных случаях следуетотдавать предпочтение щековым дробилкам.
Валковые дробилкизначительно уступают по производительности грибовидным, но при небольшихпроизводительности и степени измельчения целесообразние применять валковыедробилки, отличающиеся простотой, компактностью и надежностью работы. Дляхрупких материалов наиболее пригодны высокопроизводительные зубчатые валковыедробилки, простые по конструкции и требующие небольшого расхода энергии.
Молотковые дробилкимало пригодны для измельчения очень твердых и абразивных материалов (быстрыйизнос) или влажных материалов, содержащих более 15% влаги (забивание решетки). Длявлажных материалов небольшой твердости более приспособлены дезинтеграторы.
Тонкое измельчениематериалов (примерно до 100 мк) прозводится приимущественно в шаровыхмельницах. Ролико – кольцевые мельницы применяются лишь для тонкого измельченияматериалов небольшой твердости (например, для измельчения фосфоритов), а такжедля обработки материалов, не пригодных к измельчению в шаровых мельницах. Вследствиесложности устройства ролико – кольцевые мельницы применяют значительно режебарабанных.
Вибрационныемельницы могут быть наиболее эффективно использованы для получения высокодисперсныхизмельченных продуктов (не более 60 мк) при условии их предварительногоизмельчения примерно до 2 мм в дробилках или мельницах других типов.Вибрационные мельницы не пригодны для измельчения липких порошков и вязкихпаст.
Для сверхтонкогоизмельчения ряда материалов (каменный уголь, сухие красители, двуокись титана идр.) перспективно применение струйно – вибрационных мельниц.
Измельчение можетпроводиться в открытом и замкнутом циклах.
При измельчении воткрытом цикле куски материала проходят через дробилку (мельницу) только один раз,не возвращаясь в неё. Обычно в открытом цикле проводят крупное и среднееизмельчение, если нет необходимости получать конечный продукт точных размеров.При наличии мелочи в исходном материале его предварительно подвергаютгрохочению (рис.1.а).
При измельчении взамкнутом цикле дробилка (мельница) работает с грохотом или классификатором,при помощи которого слишком крупный продукт непрерывно возвращается дляповторного измельчения в дробилку или в мельницу (рис.1.б)такая схема широкоприменяется при тонком измельчении, когда требуется однородность размеровконечного продукта. Работа по замкнутому циклу позволяет снизить расход энергиина измельчение и повысить производительность дробилки.
На рис. 1 изображенынаиболее простые схемы измельчения в один прием. При изиельчении в два приема(рис.2.)материал после щековой дробилки поступает на поверочное грохочение, азатем направляется в валковую дробилку. Такая схема позволяет получатьравномерный по крупности продукт измельчения.
Количествоматериала, возвращаемого на повторное измельчение, при работе по замкнутомуциклу («циркуляционная нагрузка») составляет 300 – 600 % от веса исходногоматериала.
Величинациркуляционной нагрузки при дроблении в замкнутом цикле с предварительнымгрохочением определяется по формуле:
a
/> x= η – r (8)
где а – весовая доля крупных кусков висходном материале;
η – содержание крупнойфракции в верхнем продукте грохота (к.п.д. грохота);
r – весовая доля кусков крупнеезаданного размера в продукте дробления.
При измельчении в замкнутом цикле споверочным грохочением циркуляционная нагрузка составляет:
r
/> х = η – r (9)
в среднем весоваядоля крупной фракции в дробленном материале равна: для щековых и конусныхдробилок r = 0,7для грибовидных r = 0,4, для валковыхr = 0,7 – 0,8. (Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы иаппараты химической технологии. М.: Изд – во хим. Лит – ры, 19682. С.82 – 84)
/>/>/>/>Исходный Исходный материал
/>материал
/>
/>/>/> 1 Грохочение(предварительное)
/>/>/>/>/>/>/>/> 2/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/> крупный мелкий
/>/>/>/>/>/>/> (верхний) (нижний) продукт продукт
/>/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> дробление/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>
/> конечныйпродукт
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>а)
/>/> 1
/>/>/> Исхдный
Исходный материал материал
дробление
/>2/> /> /> /> /> /> /> /> />
/> Грохочение(поверочное)
/>
крупный мелкий
(верхний) (нижний) продукт продукт
/>
/>
б)
рис.1. Схемы измельчения водин прием:
а) – по открытому циклу; б)– по замкнутому циклу; 1 – грохот; 2 – дробилка;
Исходный
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> материал
/>Дробление (щековая дробилка)
/> 1 Грохочение (поверочное)
/> 2
3 />Нижний />/>
Продукт продукт
/>/>Дробление (валковая дробилка)
Конечныйпродукт
Рис.2. Схема измельчения вдва приема:
1 – щековая дробилка; 2 –грохот; 3 – валковая дробилка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чуешов В. И. Промышленнаятехнология лекарств. Т.1. – Х.: МТК – Книга,2002. С.32.