ЗДРІБНЮВАННЯ

ЗДРІБНЮВАННЯ (дроблення) — процес зменшення розмірів шматочків твердих тіл шляхом механічного руйнування їх під дією зовнішніх сил. Принципово процеси З. і дроблення між собою не розрізняються. При дробленні переважно одержують продукти розміром понад 5 мм, а при З. — менше 5 мм. Процес З. відіграє важливу роль при виготовленні ЛП. Так, З. кускового матеріалу до порошкоподібного стану дозволяє збільшити поверхню фазового контакту діючих речовин, що особливо важливо при змішуванні, сушінні, грануляції, таблетуванні тощо під час виробництва готових лікарських форм і сприяє збільшенню швидкості хімічних і дифузійних процесів, зміни структури матеріалу, прискорення твердофазних реакцій. За розміром шматочків вихідної сировини і кінцевого продукту З. умовно поділяють на кілька видів. У таблиці наведена орієнтовна класифікація видів З. У хіміко-фармацевтичній промисловості застосовують усі види З. від середнього дроблення до колоїдного розмелення. Основною характеристикою є ступінь З. i — який визначають за формулою:

i = dн/dк, (1)

де dнрозмір шматочків або зерен вихідного матеріалу до З.; dкрозмір шматочків або зерен здрібненого продукту. Найчастіше під dн і dк. розуміють розміри максимальних за величиною шматочків матеріалу до і після З. На практиці величина шматочків сипкого матеріалу визначається граничними розмірами отворів сита, через які вони проходять. Тому ступінь З. за формулою (1) обчислюється як відношення діаметрів граничних отворів сита для просіювання матеріалу, що подрібнюється, і здрібненого продукту. Форма отворів сита при цьому повинна бути однаковою. У тих випадках, коли просіювання подрібнюваного матеріалу і здрібненого продукту виконане на ситах з отворами різної форми, необхідно вводити поправковий коефіцієнт на форму отворів.

Таблиця. Класифікація видів З.

Вид З. Розмір шматочків
до З. dн, мм після З. dк, мм
Дроблення
велике 1000 250
середнє 250 20
дрібне 20 1–5
Розмелення
грубе 1–5 0,1–0,04
середнє 0,1–0,04 0,005–0,015
тонке 0,1–0,04 0,001–0,005
колоїдне –0,1 –0,001

Твердий матеріал можна здрібнити до часток бажаного розміру різними способами: роздавлюванням, розколюванням, розламуванням, різанням, розпилюванням, стиранням, розбиванням і різними комбінаціями цих способів.

Роздавлювання. Тіло під дією навантаження деформується по всьому розміру, а коли внутрішнє напруження в ньому перевищить межу міцності на стискання, руйнується. У результаті такого руйнування утворюються частки різного розміру і форми.

Розколювання. Тіло руйнується частково в місцях концентрації найбільшого навантаження, яке чинять клинчасті робочі елементи здрібнювача. Частки, отримані при цьому, більш однорідні за розмірами і формою. Такий спосіб порівняно з роздавлюванням дозволяє регулювати величину одержуваних часток.

Розламування. Тіло руйнується під дією згинаючих сил. Розміри і форма часток, що утворюються при розламуванні, приблизно такі ж, як і при розколюванні.

Розрізання. Тіло розділяється на частки заданих розмірів і форми. Процес повністю керований.

Розпилювання. Результати виходять такі ж, як і при розрізанні. Процес повністю керований, частки мають задані розміри і форму.

Стирання. Тіло подрібнюється під дією стискаючих, розтягуючих і зрізаючих сил. При цьому утворюється дрібний порошкоподібний продукт.

Розбивання. Тіло розпадається на частини під дією динамічних навантажень. Розрізняють руйнування тіла стиснутим і вільним розбиванням. При стиснутому розбиванні тіло руйнується між двома робочими органами здрібнювача. Ефект такого руйнування залежить від кінетичної енергії тіла, що вдаряє. При вільному розбиванні руйнування тіла настає в результаті зіткнення його з робочим органом здрібнювача або іншими тілами в польоті. Ефект такого руйнування визначається швидкістю їхнього зіткнення незалежно від того, чи рухається тіло, що руйнується, чи робочий орган здрібнювача. На принципах розколювання, роздавлювання та розбивання, а також на поєднанні цих способів з розламуванням і стиранням працює переважна більшість сучасних здрібнювачів. Коли напруження в матеріалі перевищує внутрішні сили зчеплення часток, він розпадається на більш дрібні частинки. Якщо розмір цих уламків великий, їх знову піддають руйнуванню, доки не отримають продукт необхідного розміру. Визначення величини витраченої при цьому енергії становить одну з головних проблем у теорії З. Для вираження залежності між витратами енергії та результатами З. запропоновано ряд гіпотез. За першою з них (Ріттингер) робота А, що витрачається на З., пропорційна новоутвореній поверхні S у матеріалі, що подрібнюється:

A = Ay·S, (2)

де Аупитома робота, тобто робота, що витрачається на утворення одиниці нової поверхні; визначається дослідним шляхом. За іншою гіпотезою (Кіка — Кирпичова) робота А З. пропорційна об’єму v або вазі G шматочка, який подрібнюється:

σ2·υ σ2·G

A = ——— = ———— , (3)

2·E 2·E·γ

де Е — модуль пружності матеріалу; γ — питома вага; σ — межа міцності матеріалу. Гіпотезу Ріттингера застосовують для визначення енергетичних витрат при тонкому З., а гіпотезу Кіка — Кирпичова — дрібному, середньому і великому З. Згідно з третьою гіпотезою (Ребіндера) робота З. пропорційна як новоутвореній поверхні, так і об’єму матеріалу, який подрібнюється:

σ2·υ

A = ——— + KS, (4)

2E

де К — коефіцієнт пропорційності.

Були запропоновані й інші співвідношення (Стедлера, Левенсона, Хоултейна, Бонда, Рундквіста та ін.) для оцінки енергетичних витрат при З., котрі не набули значного поширення, як і залежності (2), (3), (4). Це пояснюється, насамперед, складністю розглянутого завдання. Тільки зовні процес З. здається простим, а насправді з погляду характеру, величини і напрямку сил, під дією яких відбувається руйнування матеріалу, а також кількісного обліку результатів руйнування, він є у найвищій мірі складним, а прагнення описати його певним узагальненим рівнянням навряд чи допоможе дати вичерпну відповідь на основне питання теорії З. Тому на практиці для розрахунку характеристик здрібнювачів різних типів використовують емпіричні залежності. За способом З. всі здрібнювачі можна розділити на такі основні групи: розколювальної і розламувальної дії; роздавлюючої дії; стирально-роздавлюючої дії; ударної дії; ударно-стиральної дії; колоїдні здрібнювачі. В основу такої класифікації покладено головний спосіб, яким руйнується матеріал здрібнювачем. При необхідності подрібнити той або інший матеріал до часток визначеного розміру потрібно спочатку визначитися, яким способом проводити З., а потім вже підбирати тип і розмір здрібнювальної машини. З цього погляду зазначена класифікація є найбільш зручною. У літературі також часто подають класифікацію здрібнювачів за величиною одержуваних часток. Відповідно до цієї класифікації здрібнювачі поділяються на дробарки великого, середнього і дрібного дроблення і млини тонкого і колоїдного З. Недоліком такої класифікації є відсутність вказівки на спосіб З., що лежить в основі роботи здрібнювача, а також те, що дробарку того самого типу залежно від її розміру можна віднести до дробарок і великого, і середнього, і дрібного дроблення, тобто до різних класів. Здрібнювачі розколювальної та розламувальної дії особливо ефективні при великому і середньому дробленні, а також при одержанні кускового матеріалу з мінімальним виходом дрібного. До здрібнювачів цієї групи належать щокові (і = 3/5), конусні (і = 3/7) і зубовалкові (і = 3/6) дробарки. До здрібнювачів роздавлювальної дії відносяться гладковалкові дробарки (і = 3/20) і ролико-кільцеві млини (і = 40 і більше) — вертикальні і горизонтальні. Хоча в основі дії цих машин лежить той же спосіб З., вони значно відрізняються один від одного за конструкцією. Головною їх відмінністю є положення робочих елементів і принцип створення роздавлювальних зусиль: в одних ці зусилля створюються пружинами, в інших — відцентровими силами. Типовими представниками здрібнювачів стирально-роздавлювальної дії є бігуни і бісерні млини. На бігунах одержують продукт З. з розмірами часток, які не перевищують 40 мкм. Бісерні млини використовують для безперервного надтонкого З. Дія здрібнювачів ударного типу заснована на принципі вільного або стиснутого удару. До здрібнювачів цієї групи належать дезінтегратори і дисмембратори, молоткові і роторні дробарки, струминні і барабанні млини. Дезінтегратори і дисмембратори застосовують для З. крихких і м’яких матеріалів з малою абразивністю. Ступінь З. в них коливається в межах 10/40. Молоткові дробарки використовують для руйнування матеріалів низької і середньої міцності і забезпечують ступінь З., величина якого коливається від 10/15 до 30/40. Для тонкого З. в хіміко-фармацевтичній промисловості широко використовують барабанні млини (і = 50/100). Струминні млини досить ефективні при З. матеріалів, чутливих навіть до незначного підвищення температури; використовуються при тонкому і надтонкому З. Ударно-стиральний спосіб З. матеріалу реалізується у вібраційних і планетарних млинах. Вібраційні здрібнювачі мають високу питому продуктивність і застосовуються для тонкого З. різних матеріалів — до розміру часток 100/10 мкм при сухому помолі і до 1 мкм — при мокрому. Планетарні млини — особливий вид млинів для тонкого З. високодисперсних матеріалів, вони здійснюють його у багато разів швидше, ніж звичайні і вібраційні млини. Колоїдні млини призначені для одержання часток, розмір яких становить 1 мкм і менше. Для запобігання агрегуванню дуже дрібних часток розмелювання здійснюється у диспергуючому середовищі. З. в колоїдних млинах відбувається при пропусканні суспензії через невелику щілину між дисковими або конусними ротором і статором. Існують і більш складні конструкції колоїдних млинів. З. може бути періодичним і безперервним. Періодичний процес З. використовують при малих обсягах виробництва, тому що він порівняно мало економічний, супроводжується нагріванням і агрегуванням оброблюваного матеріалу і характеризується вмістом у готовому продукті перездрібнених і недоздрібнених фракцій. Безперервне З. може проходити у відкритому і замкнутому циклі з наступною або попередньою класифікацією. При відкритому циклі З. також утворюється продукт широкого гранулометричного складу. Найкращі показники якості продукту та енерговитрат досягаються при З. в замкнутому циклі з безперервним добором тонкої фракції, при цьому схема з попередньою класифікацією, як правило, застосовується при вмісті у вихідному матеріалі не менше 30–40% необхідної тонкої фракції. З метою економії енергії ступінь З. повинен відповідати оптимальному значенню необхідної дисперсності; при високому ступені З. процес проводять поступово. Залежно від вимог виробництва і властивостей матеріалу, що подрібнюється, застосовують сухе і мокре З. Сухе З. проводять звичайно в повітряному середовищі, а при переробці токсичних, вогне- та вибухонебезпечних матеріалів — в інертних газах. Мокре З. здійснюється у воді та інших рідинах; з використанням добавок ПАР можна одержати особливо високодисперсні продукти.

Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. — Новосибирск, 1986; Вибрационная дезинтеграция твердых материалов / В.И. Ревнивцев, Г.А. Денисов, Л.П. Зарогатский и др. — М., 1992; Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. — М., 1977; Сокур Н.И., Потураев В.Н., Бабец Е.К. Дробление и измельчение руд. — Кривой Рог, 2000.