Поверхность
Термин «поверхность» имеет центральное значение в технологическом процессе. Он описывает границу раздела между твердым телом и его окружением. В смесителях, контактных сушилках и синтетических реакторах это граница между технологическим оборудованием и продуктом. Эта граница влияет на поведение продукта на протяжении всего процесса.
С физической точки зрения поверхность представляет собой область повышенной энергии. Атомы и молекулы на поверхности не полностью связаны. В результате возникает поверхностная энергия, которая определяет смачиваемость и адгезию. Эта энергия влияет на то, будет ли продукт прилипать или легко стекать.
Поверхностная энергия обозначается символом γ.
γ = dW / dA
- γ — поверхностная энергия в Дж/м²
- dW — обратимая работа по созданию новой поверхности
- dA — вновь созданная поверхность
В науке о смачивании поверхностная энергия часто описывается с помощью угла смачивания; уравнение Юнга имеет следующий вид:
γSV = γSL + γLV ·cos(θ)
- γSV — поверхностная энергия границы раздела твердое тело–газ
- γSL — энергия границы раздела между твердым телом и жидкостью
- γLV — поверхностная энергия жидкости
- θ — угол смачивания
С химической точки зрения поверхность является местом возможных взаимодействий. Здесь могут происходить адсорбция, химические реакции или каталитические эффекты. Поэтому для технологического оборудования очень важно, чтобы поверхность была химически инертной. Она не должна отдавать компоненты продукту и не должна способствовать реакциям. Поэтому предпочтительно использовать коррозионно-стойкие стали и материалы на основе никеля. По этой теме есть статья в глоссарии «Материалы на основе никеля».
К компонентам, контактирующим с продуктом, относятся смесительная камера, смесительные инструменты, уплотнения и арматура. Ни одна из этих поверхностей не должна оказывать физического или химического воздействия на смешиваемый материал. Помимо выбора материала, важную роль играет геометрическая конструкция. Необходимо конструктивно избегать мертвых зон, зазоров и поднутрений. Цель — полный выгруз продукта по окончании процесса.
Свойства поверхности напрямую влияют на адгезию и очищаемость. Гладкие поверхности уменьшают реальную площадь контакта между продуктом и аппаратом. Это снижает силы адгезии и прилипание продукта. Одновременно с этим минимизируется риск образования остатков и перекрестного загрязнения.
Качество поверхности описывается с помощью показателей шероховатости. В перерабатывающей промышленности наиболее распространенным параметром является средняя шероховатость Ra. Обычные требования составляют Ra менее 0,8 микрометра. Для фармацевтических и гигиенически сложных применений часто требуются значения менее 0,4 микрометра. С уменьшением шероховатости снижается механическое закрепление частиц на поверхности.
Ra определяется как среднее арифметическое значение абсолютных отклонений профиля шероховатости.
Ra = (1 / L) · ∫₀ᴸ |z(x)| dx
z(x) — отклонение профиля, L — длина измерения. В перерабатывающей промышленности типичные требования Ra < 0,8 мкм. Для фармацевтических и гигиенических применений часто требуется Ra < 0,4 мкм. С уменьшением шероховатости уменьшается механическое закрепление частиц. Эффективная поверхность A_eff устройства больше геометрической поверхности A_geo. Эту зависимость можно упрощенно описать следующим образом:
Aeff = Ageo · (1 + k)
- Aeff — эффективная, реальная поверхность
- Ageo — идеально гладкая геометрическая поверхность
- k — коэффициент шероховатости
Коэффициент шероховатости k увеличивается с ростом шероховатости. Помимо механической обработки, поверхность может быть подвергнута электрополировке. При электрополировке в первую очередь удаляются микроскопические пики шероховатости. В результате получается очень однородная, гладкая и пассивная поверхность. Одновременно с этим на поверхности накапливается хром, что повышает коррозионную стойкость. В отдельных случаях электрополированные поверхности демонстрируют противоположное поведение при очистке. Иногда моющее средство плохо смывает грязь. Причина этого — гладкость поверхности. Из-за более или менее выраженной абразивности поверхность технологического оборудования для твердых веществ, контактирующая с продуктом, становится все более гладкой в течение срока эксплуатации.
Высококачественная поверхность обычно облегчает полный выгруз продукта. Сокращаются потери продукта. Также значительно снижаются затраты на очистку. Сухие, влажные и мокрые методы очистки можно проводить быстрее и безопаснее. Минимизируется расход чистящих средств.