Псевдоожижение: что это такое и зачем оно, виды псевдоожижения, определения.
Существует три классических агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное [1]. Это агрегатные состояния, которые могут переходить друг в друга в зависимости от соответствующей комбинации температуры и давления. Известно также четвертое состояние вещества: плазма, в которую газы переходят при высокой температуре и фиксированном давлении.
Классические агрегированные состояния материи широко распространены в среде человека, и человек научился обращаться с ними, чтобы перемещать и преобразовывать их для своих нужд.
Для транспортировки используются закрытые емкости для газов и жидкостей (хотя они не обязательно должны быть герметичными для жидкостей) и различные трубопроводы, которые частично или полностью изолированы от внешней среды. Что же касается материи в твердом состоянии, то люди изобрели большое количество устройств, агрегатов и транспортных средств для ее перемещения.
Поговорим более подробно - о твердом агрегатном состоянии вещества.
Сначала нужно добыть природные ресурсы. И делается это разными способами. Некоторые вещества извлекаются в естественной форме, например, в виде обычного песка. Но для многих природных веществ при их извлечении используются различные другие методы (вплоть, до взрывов). И часто, после этого, большие куски породы, все же, приходится уменьшать в размерах, чтобы их можно было транспортировать.
Затем, эти вещества при необходимости дополнительно измельчаются. Это могут быть частицы размером с гравий, которые используются в качестве основы для автомобильных и железных дорог и в строительстве, как песок, который используется для плавления алюминия, получения чистого кремния для электроники, керамики и т. Д. Измельчение проводят до получения порошка. в котором отдельные частицы больше не видны - невооруженным глазом. И здесь применение твердого вещества действительно безгранично, так как оно применяется практически во всех сферах жизни и деятельности человека.
Здесь следует отметить, что трудно ожидать, что полученные частицы будут одинаковыми по форме и размеру, так как значительная часть процессов измельчения твердого вещества происходит механически.
И в природе происходят подобные процессы, которые, однако, длятся миллионы лет и доходят, например, до консистенции песка. Но у людей нет такого времени, и поэтому они должны использовать методы для активизации таких процессов.
Конечно, механическое измельчение - не единственный способ получить мелкие твердые частицы. Например, для металлов - существует целая отрасль, называемая порошковой металлургией [2]. Он занимается не только изготовлением порошковых изделий, но и изготовлением металлических порошков и их дальнейшей обработкой. В этом случае помимо механических методов получения металлических порошков используются химические методы измельчения, электролиз, центрифугирование и другие методы. И здесь, также, нельзя гарантировать, что будут получены частицы абсолютно одинаковой формы и размера. Однако такая сложная задача ставится только в определенных, конкретных случаях, которые здесь не рассматриваются.
После завершения этапа измельчения требуются дальнейшие действия с полученным материалом (например разделение на фракции: по размеру частиц).
Но, когда мы говорим о разделении частиц на фракции по размеру, то, фактически, имеем в виду определенный диапазон средних размеров таких частиц, например от 1 до 5 см (мм, мкм ...).
Кроме того, частицы могут подвергаться другим видам воздействия, таким как, например, обезвоживание, дегазация, легирование и т. д. В результате получается твердый материал, состоящий из отдельных гранул (частиц) и применяемый в различных технологических процессах в пищевой и медицинской технике. используется в промышленности, различных областях химии, машиностроения и др.
На пути интенсификации описанных выше процессов, человек сталкивается с большими трудностями. Даже если вещество, состоящее из отдельных твердых частиц (например, песок), просто просеивается через сито, сито «забивается», и процесс просеивания замедляется и, даже, может полностью остановиться.
Однако человека отличает наблюдательность и умение делать выводы. Возможно, кто-то заметил, что вещество, состоящее из мелких твердых частиц, принимает внутреннюю форму сосуда, в котором это вещество находится: точно так же, как жидкость. Также известно, что при определенных условиях ученые получали "капли" песка [3] [4].
Но самый известный и наиболее распространенный метод, в котором среда из мелких твердых частиц ведет себя как жидкость, — это, конечно, метод, известный как «псевдоожижение» или «псевдоожиженный слой» [5].
Суть процесса заключается в том, что в емкость помещается вещество, состоящее из мелких, твёрдых частиц, а снизу под давлением - подается жидкость или газ. При определенном давлении жидкости или газа частицы твердого вещества начинают преодолевать силу тяжести и силы сцепления друг с другом и с поверхностью, на которой они изначально расположены, и начинают интенсивно двигаться. В этом случае вещество приобретает свойства жидкости, а сам процесс, визуально, выглядит как кипящая жидкость. Отсюда - и название процесса.
Здесь вроде бы все ясно: чтобы добиться псевдоожижения, необходимо пропустить жидкость или газ с необходимым давлением через слой твердых частиц. И, получите это!
Однако существует второй известный метод псевдоожижения, работающий без жидких или газообразных веществ: это так называемое вибрационное псевдоожижение [6]. И этот вид псевдоожижения известен давно. В древности, например, его использовали для просеивания песка при строительстве и гончарном производстве (и используют его до сих пор).
В этом процессе псевдоожижения твердые частицы вещества получают восходящее ускорение из-за толчка поверхности, на которой они расположены, и возвращаются обратно под действием силы тяжести. И здесь жидкость или газ не играют никакой роли в движении твердых частиц, поэтому этот процесс в принципе может происходить и в вакууме. Но, конечно, как и первый процесс – в присутствии гравитации. Но, в силу своей специфики, этот вид псевдоожижения используется гораздо реже, чем псевдоожиженный слой.
Здесь важно, что эта псевдоожиженная среда приобретает свойства жидкости в обоих процессах. А это означает, что частицы этой cреды могут легче перемещаться. Собственно говоря, псевдоожижение направлено, в первую очередь, именно на перемещение мелких, твердых частиц вещества, но при этом, также, могут быть реализованы различные технологические процессы.
В Интернете есть масса информации о псевдоожижении (флюидизации). Например, на YouTube есть много видеороликов, демонстрирующих разные типы псевдоожижения: как для использования в различных технологических процессах, так и для развлечения. Например, оба типа псевдоожижения показаны в [7]. Видно, что псевдоожиженная среда (в данном случае песок) ведет себя как жидкость. Тяжелые предметы тонут, а легкие выталкиваются на поверхность и раскачиваются на поверхности этой среды. В другом видеоролике [8] – показано использование псевдоожижения в развлекательных целях.
Конечно, имеется и огромное количество информации об использовании псевдоожижения в различных технологических процессах. Так, фирма немецкая фирма Buss-SMS-Canzler GmbH производит сушилки Combi Fluidization Technology / CFT [9]. В этом устройстве используется метод псевдоожижения (в псевдоожиженном слое), при котором газ проходит через гранулированную среду. Это всего лишь один пример того, как псевдоожижение можно использовать в производстве.
Это может показаться абстрактным, но тогда вспомним устройства для получения так называемой «воздушной кукурузы», которые встречаются в кинотеатрах… Там, в потоках горячего воздуха, подаваемого снизу, «пляшут» зёрна кукурузы, «взрываясь» и увеличиваясь в размерах и это очень похоже на процесс псевдоожижения…
И здесь возникает вопрос, какой фактор (или факторы) вызывает эффект псевдоожижения? Если это возможно, это поможет создать другие типы псевдоожижения, которые могут расширить возможности науки и техники.
Отметим, что в природе - многое поразительно повторяется на разных уровнях. Например, и раковины улиток на Земле, и многие галактики в космосе имеют форму, похожую на спираль Архимеда [10]. Воронки, образующиеся в воде различных водоемов, также вращаются по форме спирали Архимеда. Наконец, вода из ванной точно так же стекает в сливное отверстие (здесь также можно отметить, что с уменьшением радиуса вихря - поток воды ускоряется, что может пригодиться нам - в дальнейшем).
Почему бы, тогда, не попытаться найти и аналогии процесса псевдоожижения?
Мы исходим из предположения, что твердые частицы, участвующие в процессе движения во время псевдоожижения, имеют разные размеры и формы. И, поэтому, независимо от характера сил, вызывающих их движение, они начинают двигаться в разных направлениях (не обязательно строго вертикально) и с разным ускорением. Двигаясь вверх, они сталкиваются с другими частицами, изменяя направление своего движения и далее перемещаются также, случайным образом. Каждая частица достигает своей высоты, когда действие силы, толкающей ее вверх, и гравитации уравновешивается, а затем они движутся вниз, образуя противоток частиц. Также есть столкновения, изменение направлений движения, возможно создание и разрушение временных агломератов частиц. В целом такое движение можно назвать хаотичным, беспорядочным, случайным.
Какие здесь могут быть аналогии? С броуновским движением [11]!
Как известно, это движение было обнаружено Робертом Брауном в 1827 году. Броуновское движение - является ярким подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, которое является основной позицией молекулярно-кинетической теории. Экспериментально подтверждено, что твердые частицы, размером менее 3 микрометров, непрерывно движутся или вращаются по сложным траекториям. В этом случае броуновские частицы обычно не тонут и не плавают, а вместо этого взвешиваются, например, в воздушной среде. И здесь можно увидеть аналогию между броуновским движением - и псевдоожижением.
Попробуем найти хотя бы одно, более наглядное, подтверждение этому предположению.
В книге для радиолюбителей [12] в разделе, посвященном самостоятельному изготовлению высоковольтного электростатического генератора Ван де Граафа [13], рассмотрено несколько примеров практического использования генератора. Одним из таких примеров было создание визуальных эффектов с помощью куска прозрачного пластикового цилиндра, закрытого с обоих концов алюминиевыми колпачками, которые являются электродами. А внутри цилиндра – были кусочки пробки, покрытые графитом. Если эта секция цилиндра стоит вертикально на одном из электродов, и определенная разность потенциалов приложена от генератора высокого напряжения к электродам, то эти покрытые пробкой куски графита начинают беспорядочно перемещаться между электродами в электрическом поле. Было интересно наблюдать за этим, но было непонятно, можно ли это хоть как-то использовать на практике.
И, конечно, это более безопасно, чем то, что часто делают радиолюбители на YouTube, используя высоковольтные трансформаторы и умножители напряжения (от старых телевизоров, с электронно-лучевой трубкой). Всё это: для получения красивой, но жизненно опасной, электрический дуги, в результате электрического пробоя воздуха...
Но, в 1984 году, в бывшем Советском Союзе, на русском языке, была издана монография [14], посвященная новому виду псевдоожижения: электродинамическому псевдоожижению дисперсных систем (так назвал этот явление: автор монографии).
Кратко ознакомимся с этим явлением на примере созданной мной рабочей модели, в которой проводилась электродинамическое псевдоожижение. Модель представляла собой небольшую прямоугольную коробку (примерные размеры: высота 2 см, длина и ширина 5 х 2 см) из тонких листов прозрачного электроизоляционного пластика 2 (оргстекла) без основания и крышки. Вместо дна и крышки были приклеены кусочки медной фольги 3 (размером с коробку), чтобы создать герметичное пространство. Перед приклеиванием второго куска медной фольги, внутрь было засыпано небольшое количество порошка искусственного твердого графита, с размером зёрен: примерно 5–20 мкм.
Конечно, там был и обычный воздух, в котором образовавшийся параллелепипед был герметично «запечатан» (заклеен). По аналогии с устройством из [12] днище и крышка представляли собой параллельно расположенные электроды 3, подключенные к регулируемому источнику высокого напряжения (через выводы 4). Параллелепипед с электродом располагался на горизонтальной поверхности, а порошок, состоящий из электропроводящих твердых частиц 6 графита, лежал на нижнем электроде. Выглядело это, примерно, так:
В качестве источника высокого напряжения – был использован блок питания широко известной «Люстры Чижевского», предназначенной для получения отрицательно заряженных ионов воздуха. Только он был доработан, чтобы получить возможность регулирования выходного высокого напряжения:
При подаче напряжения от этого источника, в межэлектродном пространстве формировалось электрическое поле, напряженность которого определялась как разностью потенциалов источника напряжения, так и постоянным расстоянием между электродами. Маленькие, твёрдые, электропроводные частицы 6 порошка, лежащие на нижнем электроде 3 и друг на друге, получали заряд от этого электрода. При этом, между этим электродом и частицами на нем, возникли кулоновские силы отталкивания. Пока напряженность поля была низкой, частицы оставались на нижнем электроде. Однако, по мере увеличения напряженности электрического поля, сначала некоторые частицы, а затем все - преодолевают силы сцепления и силу тяжести и перемещаются к верхнему электроду из-за кулоновсэлектрода и пр, обзауется два встречных потока ких сил притяжения. После того, как эти частицы касаются другого электрода, они передают ему существующий заряд и принимают заряд от верхнего электрода, отталкиваются кулоновскими силами и летят вниз. Однако, из-за различных моментов начала движения частиц, их касания противоположного электрода, образуется два встречных потока частиц с противоположными знаками зарядов. Частицы сталкиваются друг с другом, обмениваются зарядами, слиаются в агломераты, которые разрушаются, менятся траектории полета частиц и так далее.
Таким образом создается автоколебательное, беспорядочное движение частиц в пространстве, между электродами. Их движение обусловлено кулоновскими силами отталкивания и притяжения, но внешне напоминает движение твердых частиц в известных типах псевдоожижения, что, вероятно, и привело автора монографии к выводу, что это явление также является разновидностью псевдоожижения.
Конечно, почти одинаковый вид проявления некоторых процессов не является достаточным основанием для определения их идентичности…
Следует отметить, что, в отличие от, так сказать, двух «классических» видов псевдоожижения, это вид удобен для исследований тем, что их можно проводить: на обычном столе, чем автор статьи и воспользовался
Интересные статьи
Интересные статьи
