Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

18.06.2015

Наиболее эффективный путь интенсификации процессов массо- и теплообмена в гетерогенных (дисперсных) системах с твердыми фазами — создание в этих системах состояния псевдоожижения и псевдокипения.
Это состояние должно обеспечиваться внешними механическими воздействиями в большинстве случаев независимо от механических воздействий, непосредственно связанных с осуществлением конкретных технологических операций.
Эти воздействия должны учитывать физическую природу объекта переработки и исходить из того, что связи между частицами дисперсной фазы должны быть разрушены по возможности в равной степени во всех элементах объема системы до любого заданного регулируемого уровня.
Иными словами, необходимо воздействовать как на каждую частицу в отдельности, так и на систему частиц таким образом, чтобы в разных элементах объема системы и во всем ее объеме создавалось одинаковое регулируемое динамическое состояние (при необходимости заданное различное, но с регулируемыми параметрами).
Тогда деформационные процессы, изменение объема системы или процесс взаимного распределения дисперсных фаз, т. е. конкретные технологические задачи, будут осуществляться на фоне определенного динамического состояния системы, что позволит обеспечить управление образованием структур с заданными свойствами на всех стадиях их получения. Это в равной степени относится как к грубодисперсным, так и структурированным системам.
Теперь мы подошли непосредственно к одному из основных вопросов, рассмотрению которых посвящена эта книга. Как же создать оптимальное динамическое состояние в дисперсных системах (преимущественно в системах с φ>φc, и δ<δc) с жидкой и газовой дисперсионными средами?
Одна из наиболее существенных трудностей состоит в том, что это состояние, во-первых, должно быть близким к изотропному для всего объема перерабатываемой дисперсной системы.
Во-вторых, это состояние должно достигаться одновременно во всем объеме системы, что особенно важно для трехфазных систем (Т—Ж—Г).
Известную аналогию принципу создания такого рода динамического состояния можно провести при осуществлении процессов плавления твердых тел.
Динамическое состояние расплавленных систем достигается в результате ослабления (по мере роста температуры) межатомных, ионных и межмолекулярных связей и повышения вследствие этого подвижности атомов, ионов или молекул (увеличения интенсивности их тепловых Колебаний), необходимого для преодоления энергетического барьера. Повышение температуры до температуры плавления сопровождается резким уменьшением энергии активации, достаточно создания небольшого градиента давления, чтобы система могла деформироваться и течь.
Казалось бы, что и для дисперсных систем возможен тот же путь создания максимальной легкоподвижности, основанный на увеличении температуры системы и, как следствие, интенсивности тепловых колебаний молекул дисперсионных сред. В самом деле, именно тепловые колебания молекул дисперсионной среды являются причиной броуновского движения частиц дисперсных фаз, характерного для коллоидных растворов. Энергия такого теплового движения порядка kT.
Ho, во-первых, в структурированных и особенно в высококонцентрированных системах образующие структуру частицы дисперсных фаз, как мы указывали выше, на несколько порядков могут превышать размеры коллоидных частиц, поэтому они не могут участвовать в тепловом броуновском движении.
Во-вторых, даже если частицы имеют коллоидные размеры, то энергии теплового броуновского движения недостаточно для того, чтобы «вырвать» их из структурной сетки. Ведь каждая частица зафиксирована по меньшей мере двумя контактами с соседними частицами, а при высокой концентрации системы число таких контактов значительно превышает два. Энергия же связи в контакте при фиксации частиц в положении ближнего энергетического минимума почти на порядок выше энергии теплового броуновского движения. И тем не менее именно тепловое воздействие на термочувствительные дисперсные системы самое эффективное.
Использование тепловых воздействий как средства создания оптимального динамического состояния в термочувствительных системах позволяет во всем объеме системы достичь изотропное, равновероятное по объему ослабление межатомных, межмолекулярных связей и, как следствие, создать максимальную легко-подвижность, текучесть в системе при пониженной до минимума энергии активации процесса течения. Особо следует отметить, что достижение такого динамического состояния в термочувствительных системах есть следствие увеличения интенсивности теплового колебания атомов, ионов и молекул, в результате чего нарушается порядок в структуре твердого тела и фиксированное положение элементов кристаллической решетки в кристаллических твердых телах. Таким образом, непосредственная причина нарушения структуры твердого тела состоит в повышении интенсивности колебаний атомов, ионов или молекул до уровня, соответствующего энергии их взаимодействия в фиксированном положении в структуре, в частности в узлах кристаллической решетки для кристаллических твердых тел.
Вместе с тем, учитывая, что пищевые дисперсные системы по химическому составу являются в огромном большинстве органическими соединениями, возможности регулирования их динамического состояния за счет повышения температуры весьма ограничены, а во многих случаях этот путь вообще неприемлем.
И хотя тепловые воздействия, как мы уже отмечали выше, не могут сами по себе служить средством создания оптимального динамического состояния в дисперсных системах с маловязкой жидкой дисперсионной средой или в двухфазных сыпучих системах (т. е. в двухфазных системах с газовой средой), сама идея сообщить частицам дисперсных фаз колебательное движение весьма привлекательна. Действительно, именно колебания дисперсных частиц с энергией, достаточной для преодоления Ван-дер-Ваальсовых сил сцепления в структурной сетке дисперсной системы, по аналогии с тепловыми колебаниями атомов и молекул в кристаллической решетке твердого тела, могут привести к объемному и предельному разрушению структуры. А это как раз основное условие создания оптимального динамического состояния.
Вместе с тем по амплитуде и по частоте колебаний частиц дисперсных фаз параметры внешних воздействий на дисперсные системы не могут не отличаться существенным образом от параметров колебаний атомов, молекул или ионов при плавлении твердых тел в результате их нагревания до температуры плавления. Применительно к дисперсным системам амплитуды колебаний частиц относительно друг друга и относительно дисперсионной среды должны быть по крайней мере не меньшими, чем расстояние, соответствующее дальней коагуляции Н2=10в-7 м. В противном случае связи — контакты между частицами в структурной сетке не могут быть разорваны. Исходя из этих соображений, в общем случае амплитуда относительного смещения частиц дисперсных фаз должна быть не меньше, чем 10в-7 м, т. е. ≥0,1 мкм.
Минимальная частота колебаний частиц может быть определена из следующего условия: период колебаний должен быть меньше, чем время перехода частицы из одного устойчивого фиксированного положения в структурной сетке в новое фиксированное положение. Иными словами, период вынужденных колебаний системы T должен быть существенно меньше периода ее релаксации, т. е. Т≪0. В противном случае разрушаемая вибрацией структура вновь успеет тиксотропно восстановиться.
При этом, однако, необходимо учитывать одно важное обстоятельство.
Разрушение структур в дисперсных системах при подведении к дисперсной системе энергии от источника механических (или иных) внешних воздействий, естественно, сопровождается диссипацией, т. е. поглощением этой энергии в системе. Причем чем больше степень снижения вязкости, тем больше доля поглощаемой дисперсной системой энергии от подводимой к ней. При подведении к системе энергии в форме механических колебаний — вибрации это явление выражается в виде декремента затухания, т. е. резкого снижения амплитуды колебаний в среде по мере удаления от источника — генератора колебаний.
Следовательно, амплитуда колебаний, подводимых к дисперсной системе, должна существенно превышать минимальную амплитуду относительного смещения частиц дисперсных фаз, необходимую для разрыва коагуляционных контактов между ними (т. е. 10в-7 м). Естественно, чем больше объем подвергаемой внешним воздействиям дисперсной системы и чем дальше элемент этого объема удален от источника колебаний, тем больше должна быть амплитуда колебаний при вибрации.
Определение декремента затухания колебаний, необходимое для обоснованного выбора параметров вибрации, может быть осуществлено с помощью методов и приборов, рассмотренных ранее.
Расчеты показывают, что с учетом затухания колебаний в объеме системы в реальных установках и аппаратах для переработки дисперсных систем амплитуда подводимых к таким системам колебаний должна составлять от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Поэтому мощность колебаний J, отнесенная к единице колеблющейся массы (J = a2ω3, где а — амплитуда, ω — круговая частота), достаточно высока, и реализовать такую вибрацию можно только с помощью подведения к дисперсной системе колебаний, в частности от генератора с механическим, электромеханическим или гидравлическим вибратором.
Иными словами, рассмотренные выше важные особенности условий подведения к структурированной дисперсной системе энергии внешних воздействий и ее диссипации в процессе разрушения структуры указывают на необходимость применения именно механических воздействий — механической вибрации.
В последние годы все более широкое распространение получают методы создания псевдоожижения и псевдокипения в слое дисперсного материала путем его «взвешивания» в условиях периодических механических колебаний — вибраций.
Среди различных форм механических воздействий на дисперсные системы в гидромеханических технологических процессах вибрация занимает особое место как наиболее эффективное средство создания регулируемого динамического состояния дисперсных систем.
Главной отличительной особенностью вибрации как одного из видов механических воздействий является возможность передачи системе энергии большой удельной мощности при малой амплитуде ее смещения за период колебаний. Вместе с тем возможность регулирования параметров вибрации (частот и амплитуд) в широких пределах позволяет распространить ее действие как на значительные объемы перерабатываемой дисперсной системы, так и, наоборот, в случае необходимости ограничить тончайшим слоем в несколько микрон, непосредственно соприкасающимся с поверхностью, генерирующей механические колебания. По этим причинам вибрация может рассматриваться как универсальная форма механических воздействий на дисперсные системы вообще и на структурированные системы в особенности.
Именно поэтому вибрация нашла широкое применение в самых различных областях современной технологии, в том числе н при переработке дисперсных систем в пищевой промышленности.
Даже далеко не полный перечень исследований в этих областях указывает на исключительное разнообразие задач, решаемых с использованием вибрации. К ним относятся: транспортирование, агрегирование, уплотнение и формование дисперсных структур, тонкое измельчение, диспергирование твердых тел в сочетании с гомогенизацией и т. д.
Универсальность вибрации состоит в том, что она является наиболее эффективным общим средством управления динамическим состоянием систем при осуществлении различных технологических операций в различных дисперсных системах.
Роль вибрации состоит не только в том, что она приводит к интенсивному движению частиц относительно друг друга в объеме системы, но также и в том, что при этом резко увеличивается скорость движения каждой частицы в отдельности относительно ее центра массы.
В пищевой промышленности вибрационные и импульсные воздействия с успехом используются для ускорения процессор образования ряда пищевых масс при просеивании и сепарировании, при резании и сортировании, при уплотнении и мойке, транспортировании, измельчении, формовании и дозировании, в ориентирующих и сушильных установках и т. д.
Вместе с тем разнообразные пульсационные процессы, осуществляемые обычно при относительно низких частотах и больших амплитудах смещений, также по сути дела следует рассматривать как частный случай вибрационных воздействий на системы.
Основная роль вибрации во всех указанных выше случаях состоит в интенсификации процессов тепло- и массообмена путем быстрого увеличения поверхности взаимодействия участвующих в этих процессах компонентов (например, теплоносителя и высушиваемого дисперсного материала), повышения скорости конвективной диффузии, понижения вязкости и т. д., что и определяет скорость и полноту протекания того или иного процесса.
Значительный вклад в развитие вибрационной техники и ее применение в различных технологических процессах внесли советские ученые. Вместе с тем, в большинстве работ по вибрации закономерности ее действия изучались главным образом с позиций гидродинамики, механики сплошных сред и классической механики. При таком подходе дисперсные системы обычно рассматривались как сплошные среды и не учитывались гетерогенные химические или физико-химические процессы, протекающие в многофазных системах на межфазных границах.
Среди многочисленных направлений использования вибрации особое место принадлежит воздействию механических колебаний на структурированные дисперсные системы. Именно для этих систем эффект действия вибрации наибольший, а сама вибрация в ряде случаев принимает такую форму механического воздействия, без которой вообще становится невозможным осуществление процесса.
Характерная особенность применения вибрации при переработке таких дисперсных систем состоит в том, что техническое воплощение процессов и аппаратов с использованием вибрации намного опередило уровень научной разработки проблемы взаимодействия «генератора колебаний — дисперсной системы». На начальном этапе использования, вибрационной техники часто со случайно выбранными параметрами (частотой и амплитудой колебаний) это положение еще оправдывалось непосредственным и сравнительно легко достигаемым технологическим эффектом.
На современном уровне развития науки и техники ставится задача максимальной интенсификации и оптимизаций процессов, решение которой должно обеспечить максимальный технологический эффект от использования вибрации при одновременном снижении до минимума энергетических затрат на осуществление процесса.
Подробное рассмотрение многочисленных работ, связанных с применением вибрации в технологических процессах получения структурированных дисперсных систем, может явиться предметом специального изучения. Вместе с тем целесообразно выделить основные наиболее существенные этапы и направления исследований в этой области.
Впервые попытка использования вибрации для интенсификации процесса смешивания была сделана в 30-е годы А.Е. Десовым. Однако особого эффекта при этом не было обнаружено, так как перерабатывались слабоструктурированные системы, содержащие большое количество жидкой фазы.
Гораздо более эффективным оказалось применение вибрация при переработке многокомпонентных смесей для получения высоконаполненных твердой фазой материалов, прежде всего бетонов.
Следующий этап развития работ в области изучения воздействия вибрации на структурированные дисперсные системы Связан с попыткой дать количественную оценку эффективности воздействия вибрации на перерабатываемую среду, обосновать выбор ее параметров и дать реологическое описание поведения дисперсных систем в условиях вибрации. На этой основе были разработаны более строгие методы определения параметров процесса.
Существенно важный этап в развитии представлений об управлении свойствами дисперсных систем с помощью вибрационных воздействий связан с созданием нового раздела' реологии структурированных дисперсных систем — виброреологии.
В основе виброреологии лежит изучение закономерностей деформации и течения структурированных дисперсных систем при воздействии на них вибрационного поля.
Это направление как самостоятельный раздел реологии связано с разработкой методов и экспериментальным определением полной реологической кривой течения структурированных систем в условиях вибрации. Впервые такие полные реологические кривые были получены в работах Н.В. Михайлова, С.К. Носкова и Н.Б. Урьева. Эти кривые, дающие полное реологическое описание поведения структурированных дисперсных систем в условиях вибрации, получены на основе первичных виброреограмм, которые отражают зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации дисперсных систем, подвергаемых воздействию вибрационного поля с различными параметрами.
Самостоятельный раздел в изучении воздействия вибрации на неньютоновские системы (в основном высокомолекулярные соединения, наполненные полимерные системы и т. п.) связан с работами Г. В. Виноградова с сотрудниками, а также с работами Д. Ферри, С. Онаджи, А. Тобольского, Г. М. Бартнева и др.
Эти работы посвящены изучению воздействия вибрации на неньютоновские системы путем создания сдвиговых периодических колебаний. Они явились основой при разработке так называемых динамических методов в современной реологии аномально вязких систем.
Как уже отмечалось, специфическая особенность различных видов дисперсных материалов и структурированных систем состоит в том, что вследствие сильно развитой поверхности раздела фаз (например, высокодисперсной твердой фазы малого размера и массы в жидкости или газе) поверхностные явления на границе раздела фаз и контактные взаимодействия в таких гетерогенных системах приобретают по сравнению с внешними силовыми воздействиями решающее значение.
Существенно важным следствием применения объемной вибрации при исследовании свойств высококонцентрированных структурированных систем в условиях непрерывного сдвигового деформирования является устранение разрыва сплошности как главного препятствия на пути достижения предельного разрушения структуры.
Роль вибрации, однако, не ограничивается устранением разрыва сплошности и реализацией возможности разрушения структуры до любого, регулируемого уровня. В самом деле, подобно тому как в разбавленных коллоидах броуновское движение дисперсных фаз, определяющее Динамическое состояние таких систем, генерируется тепловыми колебаниями молекул дисперсионной среды, в условиях вибрации в концентрированных системах аналогичное динамическое состояние создается колебаниями частиц дисперсных фаз, инициируемыми внешними подводимыми к дисперсной системе механическими воздействиями от генератора вибрации.
В этом смысле вибрация по аналогии с тепловыми воздействиями также является универсальной формой воздействия не только на высоконаполненные системы с жидкой дисперсионной средой, но и на двухфазные сыпучие системы. Под действием вибрации такие системы переходят в одно из двух динамических состояний.
I. Состояние псевдоожижения, подобное жидкому конденсированному, при котором частицы совершают миграцию относительно друг друга без увеличения объема слоя, а в случае высокодисперсных порошков (δ<δс) — с существенным уменьшением объема в результате уплотнения структуры.
II. Состояние виброкипения, при котором структура слоя разрушается, а его объем возрастает в результате отрыва частиц дисперсных фаз друг от друга, и в слое наблюдается интенсивное перемешивание.
Основная динамическая характеристика этих состояний — граница между ними, определяемая таким сочетанием частоты и амплитуды колебаний, при котором возникает переход из состояния псевдоожижения в состояние виброкипения (рис. 18).

Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

Частотно-амплитудная характеристика границы перехода в этом случае может рассматриваться как параметр, непосредственно связанный со свойствами дисперсной системы в динамических условиях, зависящих в свою очередь от динамики контактных взаимодействий частиц в слое. Вместе с тем в технологическом плане реализация виброкипящего слоя снимает целый ряд рассмотренных выше ограничений, характерных для псевдоожиженного и кипящего слоев, создаваемых восходящими потоками жидкости и газа.
Применение вибрации позволяет перейти в ранее «запретную» область создания виброкипящего слоя в концентрированных дисперсных системах, образуемых высокодисперсными твердыми фазами.
He останавливаясь на описании виброкипящего слоя, достаточно подробно рассмотренного ранее, мы хотели бы в этой книге обратить внимание на важную отличительную особенность гетерогенных процессов, осуществляемых в условиях виброкипящего слоя.
Особенность этих процессов состоит в возможности создания оптимального динамического состояния в результате активного конвективного массообмена дисперсных фаз между собой и с дисперсионной средой.
Энергетические критерии достижения оптимального динамического состояния в виброкипящем слое определены одним из авторов на основе математического моделирования этого процесса с учетом контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз.
В результате определены полная энергия колебаний системы как сумма потенциальной и кинетической энергий в момент разрыва слоя, критическая амплитуда колебаний, средняя сила сцепления в контакте между частицами в процессе образования виброкипящего слоя и критическое расстояние между частицами, при превышении которого при вибрации контакт между ними необратимо разрушается и тем самым выполняется главное условие создания оптимального динамического состояния в высокодисперсных двухфазных сыпучих системах.
Решение совокупности рассмотренных выше задач послужило основой для строго количественного определения параметров создания оптимального динамического состояния в высокодисперсных двухфазных системах, образуемых твердыми частицами в жидкой или газовой дисперсионных средах, и, следовательно, условий создания в них максимальной легкоподвижности — «сверхтекучести».
Во всех исследованиях, приведенных в данной книге, интенсивность вибрирования оценивали произведением квадрата амплитуды на куб частоты колебаний (а2ω3). Этот показатель, предложенный В.Н. Шмигальским, имеет четкий физический смысл, так как определяет плотность энергии механических колебаний, генерируемых в единицу времени, т. е. мощность вибрирования, подводимую к исследуемым системам.
В последние годы на основе математического моделирования процессов разрушения и образования структур в двух- и трехфазных дисперсных системах получено точное решение в количественной форме задач по определению параметров вибрационного поля, необходимых для создания в системе оптимального динамического состояния.
В результате в общем случае определены критические условия, соответствующие началу разрушения коагуляционных структур и предельному разрушению с достижением наименьшего уровня эффективной ньютоновской вязкости ηm.
В этом случае величина удельной мощности вибрационного поля Jm определяется из соотношения
Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

Все необходимые для определения величины Jm параметры определяются экспериментально и рассчитываются в соответствии с методами, основы которых описаны ранее.
В приведенном соотношении свойства дисперсной системы характеризуются периодом релаксации Qm, который определяется эффективной вязкостью системы и ее модулем упругости, а также условиями затухания колебаний в ней.
В соотношении (V.1) одна из основных характеристик структурированной дисперсной системы: взаимодействие частиц, в контакте в динамических условиях, определяемое энергией взаимодействия, фигурирует в неявном виде.
Это обстоятельство учтено в результате определения энергии вибрационного поля Nc, поглощаемой дисперсной системой в процессе поддержания ее регулируемого динамического состояния и непосредственно расходуемой на разрыв всех контактов между частицами в единице объема дисперсной системы:
Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

где а и ω соответственно амплитуда и частота колебаний, ρ — плотность дисперсной системы, R — расстояние от генератора колебаний до рассматриваемого элементарного объема системы, ηm — наименьшая эффективная вязкость, соответствующая предельному разрушению структуры, т. е. разрыву всех контактов, между частицами.
Принципиальное преимущество вибрации заключается также в том, что при поддержании критических (J=Jc или N=Nc) режимов вибрации единый технологический процесс можно разделить на четко выраженные, последовательно протекающие стадии, обнаруживаемые, в частности, в процессе вибрационного смешивания многокомпонентных систем типа T—Ж.
В обычных условиях смешивания (без вибрации) вследствие пространственно-временной неоднородности разрушения структуры в различных элементах объема системы структурообразование протекает с различной скоростью и этот процесс растянут во времени (рис. 19, кривая А).
При протекании технологического процесса без вибрации механические воздействия при получении высококонцентрированных дисперсных структур совпадают с началом коллоидных процессов, поэтому возрастание вязкости в результате этих процессов начинается с самого начала технологической операции и продолжается по мере удаления газовой фазы.
В таких условиях происходит дополнительное снижение взаимной подвижности компонентов, ухудшение условия контактирования жидкой и твердой фаз и их равномерное распределение в объеме смеси, что приводит к образованию неодинаковых по размеру увлажненных агрегатов, неравномерному протеканию коллоидных процессов и локальному образованию конечной структуры.
При оптимальном вибрировании (J=Jс) и полном устранении пространственно-временной неоднородности разрушения структуры каждая последовательно протекающая стадия процесса характеризуется вполне определенным характером макроструктуры и преобладающим типом контактных взаимодействий (рис. 19, кривая Б).
Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

Обнаружение стадий процесса формирования максимально наполненных твердой фазой дисперсных структур позволяет по-новому подойти к изучению технологии получения и переработки пищевых дисперсных систем и определению оптимальных параметров технологических процессов.
Общепринятый подход к изучению закономерностей процессов смешивания высококонцентрированных дисперсных структур, их формирования, транспортирования и т. д. с позиций механики сплошных сред и гидродинамики состоит в том, что все они рассматриваются как существенно различные, отличающиеся друг от друга как по виду, так и по интенсивности механических воздействий. Такой подход является чисто технологическим.
Принципиально новый физико-химический подход к исследуемым процессам состоит в том, что все эти процессы рассматриваются с единых физико-химических позиций как однотипные и трактуются как процессы образования и разрушения дисперсных структур в результате возникновения и разрыва контактов в динамических условиях при вибрации, т. е. как последовательные элементы единого процесса структурообразования, завершающегося формированием предельно однородных, максимально плотных структур.
Разделение процесса формирования структуры на стадии не по виду технологической операции, а по преобладающему на каждой стадии типу структуры позволяет управлять каждой стадией в отдельности и процессом в целом, изменяя параметры воздействий в соответствии с типом структуры и изменением структурно-реологических свойств системы от стадии к стадии.
Такой подход позволил дать основанное на физико-химических закономерностях формирования однородных дисперсных структур математическое описание этого процесса в комплексе.
Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

В результате математического моделирования с помощью ЭВМ для ряда структур разработана система управления процессом — с обратной связью путем непрерывного изменения непосредственно в ходе формирования структуры параметров механических (вибрационных) воздействий в соответствии с закономерностями непрерывного изменения структурно-механических свойств.
Таким образом, анализ свойств высококонцентрированных структурированных дисперсных систем показывает, что главные из них — структурно-механические свойства (структурная макрореология) и микрореологические характеристики (элементарные акты контактных взаимодействий) — во всем возможном диапазоне их изменения могут быть изучены лишь при условии внешних механических вибрационных воздействий с достижением оптимального динамического состояния системы, при котором сложная по совокупности структурно-механических свойств система переходит в более простую и в пределе в наиболее простую ньютоновскую систему — с наименьшим уровнем вязкости. В результате этого реологическое сопротивление системы изменению формы или объема уменьшается до минимума (рис. 20).
Наиболее сложный по сочетанию структурно-механических: свойств тип систем (упруговязкопластичная система) характеризуется широким спектром сочетаний упругих, пластичных и вязких характеристик и может быть описан уравнением наиболее сложного реологического тела — моделью Шоффилда и Скотт-Блера. Второй тип сложной реологической системы (вязкопластичная система) описывается реологическим уравнением — моделью Бингмана. Третий тип — более простой из рассматриваемых неньютоновских систем описывается моделью Сен-Венана. Подробное математическое описание каждого из указанных реологических типов систем приведено в специальной литературе и: в книге авторов.
Управление реологическими свойствами систем с помощью вибрации предусматривает перевод системы в наиболее простую по реологическим свойствам и в пределе, как мы уже отмечали, в бесструктурную систему (с полным разрывом связей между частицами) с достижением уровня ηv=ηm.
Вибрация как универсальная форма механических воздействий для создания оптимального динамического состояния дисперсных систем

На схеме, приведенной на рис. 21, рассмотрены возможные варианты переходов дисперсных систем из одного реологического типа в другой в результате вибрационных воздействий на дисперсные системы при их деформировании или изменении объема.
Первый тип характерен для упруговязкопластичных систем. В общем виде они могут быть описаны полной реологической кривой течения.
Данные системы характеризуются наличием предела прочности, а их эффективная вязкость может изменяться в зависимости: от скорости деформации на многие десятичные порядки. К таким системам относятся, например, затяжное тесто для печенья, массы для приготовления сыра, карамельные массы и т. п. Для этих систем вклад упругой составляющей весьма велик.
Второй тип характерен для так называемых бингамовских пластиков. Принципиально он мало отличается от первого. Отличие состоит лишь в абсолютном значении упругой составляющей. К таким системам относятся сахарное тесто для печенья, творожные массы, мясные фарши и т. п.
Третий тип наблюдается в случае сыпучих высокодисперсных порошков, характеризующихся постоянным значением напряжения сдвига, уровень которого в процессах сдвиговой деформации существенно не изменяется.
Воздействие вибрационного фона на каждый из трех типов указанных систем приводит к существенному изменению закономерностей деформирования этих систем. Чем выше интенсивность вибрации, тем эти изменения более глубокие.
Вибрационные воздействия при переработке систем первого и второго типов приводят к резкому уменьшению предельного напряжения сдвига или к его полному устранению. Системы могут переходить в жидкообразные (неньютоновекие) системы, уровень вязкости которых определяется удельной мощностью (интенсивностью) вибрации.
При переработке бингамовских пластиков воздействие возрастающей по интенсивности вибрации позволяет уменьшить величину предельного напряжения сдвига до нуля и далее превратить систему в ньютоновскую.
Воздействие вибрации на сыпучие системы приводит их в состояние, подобное вязким жидкостям (P может быть уменьшено и сведено до нуля), причем уровень ньютоновской вибровязкости зависит от параметров вибрации и в пределе может достигнуть своего наименьшего значения.
Такое изменение реологических характеристик под действием вибрации создает условия для резкой интенсификации технологических процессов, снижения затрат механической энергии на изменение реологического сопротивления системы или ее объема в процессе переработки при одновременном значительном повышении качества готовых изделий.
Казалось бы, что, доказав теоретически и экспериментально возможность и определив условия достижения предельного разрушения структуры, мы тем самым можем считать проблему создания оптимального динамического состояния в основе своей решенной. Однако попытки осуществления в конкретных химикотехнологических процессах, особенно в высококонцентрированных дисперсных системах, принципа предельного разрушения структуры натолкнулись на ряд серьезных трудностей. Первая и главная из них — необходимость резкого увеличения мощности механических воздействий на дисперсную систему по мере приближения к наибольшей степени разрушения структуры. Было установлено, что для достижения η(Р)=ηm ускорения вибрации в сотню и более раз превышают ускорения поля силы тяжести. При этом вибрация становится такой интенсивной, что для этого необходимо создание специального оборудования, в котором осуществлялся бы технологический процесс. Вместе с тем резко увеличивающаяся энергоемкость процесса снижает его эффективность. Анализ зависимости энергетических затрат внешних воздействий от степени разрушения структуры приводит к парадоксальному на первый взгляд выводу: наибольшие затраты механической энергии обнаруживаются именно при подведении к системе вибрационных воздействий, наименьшие — при непрерывном сдвиговом деформировании. Ho мы только что доказали, что достижение предельного разрушения структуры возможно лишь при вибраций, при сдвиговом же деформировании высококонцентрированных систем из-за проявления локального разрыва сплошности при очень малой скорости деформации достижение наименьшего уровня вязкости ηm невозможно. Причина этого явления заключается в специфике процесса разрушения структур с обратимыми по прочности контактами.
Разрушение пространственных структур в дисперсных системах — достаточно сложный процесс, характеризуемый тем, что по мере увеличения степени разрушения существенно изменяется и сам механизм распада структуры. Вначале, когда внешние механические воздействия сообщаются системе, находившейся до этого в состоянии покоя, происходит распад сплошной структурной сетки на отдельные агрегаты из частиц. Внутри таких агрегатов содержится значительное количество дисперсионной среды. Поэтому если эти агрегаты принять за дисперсные фазы, то объемное соотношение между этими фазами и жидкой средой вне агрегатов может быть весьма высоким, хотя при этом действительное содержание жидкой среды в системе может быть большим, а значит, и истинное соотношение между твердой фазой и жидкой средой, т. е. истинная объемная концентрация твердых частиц в среде, малы.
Мы уже обращали внимание на то, что во многих областях технологии дисперсных систем ограничиваются достижением именно этого этапа разрушения, часто ошибочно полагая, что при этом структура разрушена полностью. В этом-то и кроется, на наш взгляд, одна из главных причин невозможности в рамках существующей технологии резкого ускорения гетерогенных процессов в структурированных дисперсных системах.
Для такого качественного перехода к высокоинтенсивным процессам необходимо более глубокое разрушение структуры. При этом по мере увеличения интенсивности механических воздействий на дисперсные системы все более увеличивается доля индивидуальных частиц, находящихся вне агрегатов, а вероятность столкновения таких частиц и образования новых агрегатов в результате возникновения контактов между ними возрастает. И наконец, достигается предельное разрушение структуры, при котором агрегаты, состоящие из частиц, полностью разрушены, а новые агрегаты не возникают.
Итак, можно выделить три основных этапа разрушения структуры:
- первый — разрушение сплошной структурной сетки, сопровождающееся распадом структуры на отдельные достаточно крупные агрегаты;
- второй — разрушение агрегатов, сопровождающееся уменьшением размера и увеличением их числа, высвобождением из агрегатов и увеличением числа отдельных частиц, образованием новых агрегатов;
- третий — предельное разрушение структуры при полном отсутствии агрегатов из частиц.
Сам характер полной реологической кривой течения структурированных систем указывает на то, что четкая граница между этими этапами не проявляется, она размыта. Это значит, что переход из одного состояния структуры в другое по мере постепенного увеличения интенсивности механических воздействий изменяется постепенно. В противном случае переход от одного этапа к другому сопровождался бы резкими переломами кривой.
Вместе с тем каждый из трех этапов весьма специфичен по состоянию структуры в динамических условиях, т. е. в условиях механических воздействий на дисперсную систему. Естественно, что условия разрушения сплошной структурной сетки кардинальным образом отличаются от условий разрушения агрегатов, «плавающих» в дисперсионной среде, а значит, и параметры внешних воздействий, необходимые для разрушения сплошной структурной сетки и отдельных агрегатов из частиц, не могут не быть существенно различными.
Как уже отмечалось, изменение состояния структуры в дисперсной системе количественно оценивается совокупностью реологических характеристик, прежде всего вязкостью η, напряжением сдвига Р, упругостью E и периодом релаксации θ. Наиболее резкое, на много десятичных порядков, изменение с разрушением структуры претерпевают вязкость и период релаксации. Ho поскольку важнейшей характеристикой внешних механических вибрационных воздействий является частота колебаний, то, следовательно, при определении частоты подводимых в системе колебаний должно учитываться изменение периода релаксации в процессе разрушения структуры. А это в свою очередь означает, что для эффективного разрушения структуры к дисперсной системе целесообразно подводить частоту вынужденных колебаний, соответствующих всему спектру времени релаксации, а не только его наименьшему значению. Следовательно, необходимо воздействие целого спектра частот колебаний в соответствии со спектром времени релаксации этой системы.
Итак, вибрация и особенно поличастотная вибрация — именно та форма механических воздействий на дисперсные системы, с помощью которых достигается предельное разрушение структуры.
Однако это отнюдь не означает, что применение других видов воздействий на дисперсные системы во всех случаях становится ненужным. Более того, механические колебания позволяют значительно повысить результативность именно тех видов воздействий, самостоятельное применение которых в технологии дисперсных систем по тем или иным причинам далеко не всегда давало существенный технологический эффект. Речь идет о сочетании механических вибрационных воздействий с ультразвуковыми, тепловыми воздействиями, воздействием электрических и магнитных полей.
Такое сочетание не только существенно изменяет энергию активации процесса, но в значительной степени сказывается и на свойствах конечного продукта.
Совместное действие на структурированную дисперсную систему вибрации и, например, ультразвука приводит к гораздо большему разрушению структуры и вместе с тем к достижению существенно более ее высокой однородности, чем под влиянием каждого из этих видов воздействий с той же интенсивностью в отдельности.
Характерно, что воздействие ультразвука на фоне низкочастотной вибрации сопровождается интенсивным разогревом дисперсий, что особенно сильно сказывается на системах с термочувствительной структурой.
Итак, сочетание низкочастотных виброударных воздействий с ультразвуковыми оказалось весьма эффективным, во-первых, потому, что такое сочетание учитывает наличие спектра времен релаксации структуры в дисперсной системе, и, во-вторых, потому, что обнаруживается синергизм, т. е. взаимное усиление действия механической вибрации и колебаний ультразвукового диапазона частот. И все же даже такое сочетание различных форм воздействий на дисперсные системы, особенно по мере приближения к наименьшему уровню вязкости, сопровождается резким увеличением энергоемкости процесса разрушения структуры.
И здесь решающую роль в создании условий для эффективного разрушения структур играют физико-химические факторы управления свойствами поверхности частиц дисперсных фаз, и прежде всего контактными взаимодействиями.