Переподготовка и повышение квалификации при кафедре химии и технологии переработки нефти и газа

Следует отметить, что в  условиях растворяющего действия среды  на деформируемое твердое тело может  обнаруживаться внешне сходное, но имеющее  иную природу явление – эффект Иоффе, который проявляется в  том, что, например, хрупкие кристаллы  поваренной соли могут пластически  деформироваться в воде, не насыщенной солью, при растворении их поверхности. В этом случае проявление пластичности связано не с понижением сопротивления  пластическому течению, как в  случае адсорбционного пластифицирования, а с увеличением прочности кристаллов вследствие растворения содержащего дефекты поверхностного слоя.

 

 

Практическое  применение эффекта Ребиндера

 

Адсорбционно-активные компоненты повсеместно применяются в составе  смазочно-охлаждающих жидкостей  для облегчения разнообразных процессов  механической обработки резанием (сверление, точение, фрезерование), шлифования и  полирования, поскольку все эти  процессы связаны с диспергированием обрабатываемого материала. Иллюстрацией возможностей использования эффектов адсорбционного понижения прочности в этих процессах является применение малых количеств легкоплавких металлов при обработке закаленных сталей и твердых сплавов. Так, в состав материалов шлифовальных кругов вместе с алмазным порошком вводят порошок легкоплавкого металла. При работе круга за счет повышения температуры при трении происходит выплавление микроколичеств активного металла, который снижает прочность обрабатываемых материалов, в том числе твердых сплавов (спеченных порошковых композиций карбидов вольфрама и титана с кобальтом). Резкое понижение прочности обрабатываемого материала позволяет в несколько раз увеличить скорость обработки с одновременным увеличением долговечности самих шлифовальных кругов.

Резкое понижение прочности  поверхностного слоя металлов играет существенную роль в улучшении работы узлов трения. Возникает автоматически  действующий механизм управления износом: если имеются случайные неровности на трущихся поверхностях (заусеницы, царапины и т. п.), в местах их дислокации развивается высокое местное  давление, вызывающее поверхностное  течение металлов, значительно облегченное  под действием адсорбированных  расплавов (смоченный расплавом  поверхностный слой металла теряет прочность). Трущиеся поверхности легко  пришлифовываются или заполировываются. Введенная смазка вызывает ускоренный «износ» неровностей, увеличивается скорость приработки (обкатки) деталей машин. Изучение роли поверхностно-активных сред в процессах трения и износа выделяется в качестве самостоятельной крупной задачи физико-химической механики.

Характерным примером проявления адсорбционного понижения прочности  может служить эксплуатация разнообразных  адсорбентов и катализаторов. Адсорбция (хемосорбция) на поверхности твердой  фазы, а следовательно, понижение поверхностной энергии и прочности являются неотъемлемым условием их функционирования. Здесь проявляется взаимное влияние поверхности твердого тела и молекул среды – контакт с твердой фазой облегчает разрыв и перестройку межатомных связей в адсорбируемых молекулах. Эти процессы адсорбции и перестройки молекул адсорбата, в свою очередь, приводят к ослаблению связей в поверхностных слоях катализатора. При этом для усиленного износа катализатора может быть достаточно внутренних напряжений, возникших на той или иной стадии приготовления гранул. Процесс разрушения ускоряется давлением вышележащего слоя гранул и особенно сильно в интенсивном режиме кипящего слоя. Эффективным путем предотвращения ускоренного разрушения адсорбентов и катализаторов является формирование оптимальной конденсационной (кристаллизационной) структуры с прочными фазовыми контактами между составляющими гранулу частицами.

Если измельчить реальное твердое тело любой природы до частиц, размеры которых примерно такие же, как расстояния между  микротрещинами, то такие частицы  уже почти наверняка не будут  содержать дефектов структуры. Они  станут гораздо прочнее, чем крупные  образцы того же самого тела. Затем, если эти однородные частицы соединить, то будет получено твердое (высокопрочное) тело нужных размеров и формы. Изготовленная  таким образом деталь машины, строительная деталь или частица катализатора будет гораздо прочнее, чем исходный материал до измельчения. Естественно, не настолько прочной, как отдельная частица, т. к. в местах объединения возникнут новые дефекты. Однако при качественном объединении частиц прочность исходного материала будет превзойдена. Для этого требуется особенно плотно упаковать мелкие частицы, чтобы между ними снова возникли силы межмолекулярного взаимодействия. Обычно для этого используют сжатие частиц прессованием и нагрев. Нагревают полученный прессованием мелкозернистый агрегат, не доводя его до плавления. При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний молекул (атомов) в кристаллической решетке. В точках соприкосновения колеблющиеся молекулы двух соседних частиц сближаются. Силы сцепления увеличиваются, частицы стягиваются, практически не оставляя пустот и пор, дефекты мест соприкосновения исчезают. К значительному снижению проявления эффекта адсорбционного понижения прочности приводит затвердевание жидкой фазы, адсорбированной поверхностью твердого тела [1].

 

Задача 2. Построение кривых текучести. Расчёт вязкости нефтепродуктов и энергии разрушения межмолекулярных структур.

Вариант 2.

В результате испытания образца  нефтепродукта с помощью ротационного вискозиметра (при постоянной температуре) были получены данные, приведенные в табл.1: Необходимо:

1. Рассчитать напряжение сдвига t [Па] и динамическую вязкость образца h [Па ´ с] при различных скоростях сдвига.
2. Построить кривую текучести образца с гистерезисом, т. е. при возрастании и убывании скорости сдвига – график зависимости напряжения сдвига t [Па] от скорости сдвига D [с^-1], и график зависимости вязкости от скорости сдвига.
3. Рассчитать энергию необходимую для разрушения надмолекулярных структур образца.

 

Таблица 1—исходные данные

С = 5,73 [Па/skt]
Показания	Скорость сдвига D, с-1
2,1	0,1
2,8	0,18
3,7	0,3
5,6	0,54
6,6	0,9
8,1	1,62
9,6	2,7
11,6	4,86
13	8,1
15	14,58
16,5	24,3
18	43,27
15	24,3
12,8	14,58
10	8,1
8	4,86
6,2	2,7
5	1,62
3,5	0,9
2,2	0,54
1,8	0,3
1,4	0,18
1,2	0,1

 

Напряжение сдвига t [Па] и динамическая вязкость h [Па×с] рассчитываются по следующим зависимостям:

 

t = С ´ a   (1)

где  С – постоянная измерительной системы. В данном примере

(2)

1. По исходным данным, приведенным в табл. 1 и уравнениям (1, 2), рассчитывается напряжение сдвига и динамическая вязкость исследуемого образца при соответствующем значении скорости сдвига. Результаты расчёта приведены в табл. 2:

 

Таблица 2—результаты  расчетов

Показания	Скорость сдвига	Напряжение сдвига,	Вязкость
	D, с-1	t, [Па]	динамическая h, [Па×с]
2,1	0,1	12,03	120,3
2,8	0,18	16,04	89,1
3,7	0,3	21,20	70,7
5,6	0,54	32,09	59,4
6,6	0,9	37,82	42,0
8,1	1,62	46,41	28,7
9,6	2,7	55,01	20,4
11,6	4,86	66,47	13,7
13	8,1	74,49	9,2
15	14,58	85,95	5,9
16,5	24,3	94,55	3,9
18	43,27	103,14	2,4
15	24,3	85,95	3,5
12,8	14,58	73,34	5,0
10	8,1	57,30	7,1
8	4,86	45,84	9,4
6,2	2,7	35,53	13,2
5	1,62	28,65	17,7
3,5	0,9	20,06	22,3
2,2	0,54	12,61	23,3
1,8	0,3	10,31	34,4
1,4	0,18	8,02	44,6
1,2	0,1	6,88	68,8

 

2. По данным, приведенным в табл. 2 строится кривая текучести (рис. 1) и график зависимости вязкости образца от скорости сдвига (рис. 2).

Рисунок 1—кривая текучести

Рисунок 2- График зависимости вязкости образца от скорости сдвига

1. Увеличение скорости сдвига приводит к росту напряжения сдвига и уменьшению вязкости образца.
2. Напряжение сдвига изменяется непропорционально изменению скорости сдвига. Следовательно, исследуемый образец является неньютоновской жидкостью.
3. Проводится определение энергии, необходимой для разрушения надмолекулярных структур в исследуемом образце.

Для того, чтобы определить значение энергии, необходимой для  разрушения надмолекулярной структуры  в образце необходимо найти площадь  области (А) между кривыми текучести (рис. 3).

 

Эта площадь имеет измерение  энергии к объёму испытуемого  образца:

,   (3)

и может быть рассчитана по следующей зависимости:

 

(4)

где  t₁ – функция напряжения сдвига от скорости сдвига на кривой А₁ – А₂, при возрастающей скорости сдвига;

t₂ – функция напряжения сдвига от скорости сдвига на кривой А₂ – А₃, при убывающей скорости сдвига;

D₁, D₂ – значения минимальной и максимальной скорости сдвига соответственно. В данной задаче D₁ = 0,1 с^-1, D₂ = 43,27 с^-1.

 

Рисунок 3-- Вывод уравнений зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига

 

Таким образом, энергия, необходимая  для разрушения надмолекулярной  структуры в образце в настоящем  примере, равна:

=

 

 

 

Задача 3.  Седиментационный анализ суспензий и порошков

Вариант 7 (14)

Таблица 3—исходные данные

, минут	0,5	1	3	6	10	15	18	22	25
, мг	2	11	33	51	60	70	73	75	77