1.2. Свойства воды

Для эффективного обезвоживания продуктов обогащения нужно, знать свойства воды.

Техническая вода подаваемая на фабрику из вне, содержит механические примеси. К основным свойствам воды относят: плотность, вязкость, способность смачивать твердые тела, pH, электропроводность.

Вода обладает различной степенью жесткости которая обусловлена растворенными в ней солями кальция и магния. Различают временную жесткость, устраняемую при кипячении в виде осадка гидрокарбонатов кальция и магния, и постоянную жесткость, определяемую присутствием солей кальция и магния (хлоридов, сульфатов и др.). Единица жесткости миллиграмм-эквивалент на литр (мг·экв/л). Эквивалентом принято содержание в 1 л воды 10 мг оксида кальция и 7,19 мг оксида магния.

Жесткость влияет на технологический процесс и на разрушение труб.

Различают два вида вязкости – динамическая и кинематическая. Коэффициент динамической вязкости (m) определяется как сопротивляемость воды течению. При течении все молекулы жидкости находятся в движении, последовательные слои скользят один по другому, что позволяет считать вязкость мерой внутреннего трения жидкости. Единица динамической вязкости – паскаль·секунда (Па·с).

Кинематическая вязкость (n) - это отношение динамической вязкости к плотности жидкости (δ) (1.1):

, (1.1)

Текучесть (φ) – величина, обратная вязкости (1.2):

, (1.2)

Поверхностное натяжение (s). Молекулы поверхностного слоя воды находятся под влиянием взаимного межмолекулярного притяжения, направленного вниз, благодаря тому, что плотность воды несравненно больше, чем плотность воздуха. Молекулы поверхностного слоя оказывают давление на всю массу воды.

Это давление называется поверхностным и достигает 1100 МПа. Благодаря такому большому поверхностному давлению вода обладает малой сжимаемостью.

Молекулам поверхностного слоя присущи силы притяжения, направленные во все стороны. Часть сил, направленных во внутрь объема воды, уравновешивается силами молекул воды.

Другая, неуравновешенная часть, направленная в воздух, сохраняет некоторое количество свободной энергии, которая пропорциональна поверхности воды. Так как свободная энергия стремится к наименьшему значению, вода принимает форму шара, как тела с наименьшей поверхностью.

Чем выше поверхностное натяжение жидкости, тем ниже ее способность смачивать твердые тела. Степень смачивания поверхности твердого тела жидкостью оценивается по краевому углу смачивания (q).

Капиллярное давление. Поверхность жидкости, заполняющей достаточно узкую трубу (капилляр), вследствие поверхностного натяжения принимает искривленную форму, образуя мениск (рис. 1.1, а, б, в, г).

У смачивающей жидкости (q <90°) мениск получается вогнутым (рис. 1.1, а), а у несмачивающейся (q >90°) – выпуклым (рис. 1.1, б). Равнодействующая сил поверхностного натяжения F направлена к центру кривизны. В результате создается дополнительное давление на жидкость, называемое капиллярным.

При вогнутом мениске капиллярное давление направлено от жидкости, то есть уменьшает внешнее давление на жидкость, а при выпуклом мениске – внутрь жидкости, то есть увеличивает давление на нее.

в

б

г

Рис. 1.1 Капиллярное давление:

а – вогнутый мениск; б – выпуклый мениск; в – поднятие жидкости; г – опускание жидкости

Капиллярное давление (Pк) прямо пропорционально поверхностному натяжению жидкости (s) и обратно пропорционально радиусу кривизны (радиусу мениска) (R) и определяется (1.3):

, (1.3)

При малых размерах радиус капилляра (r) связан с радиусом кривизны R зависимостью (1.4):

, (1.4)

Тогда

,

При капиллярном давлении, направленном вверх, давление на жидкость внутри капилляра под мениском станет меньше (давление отрицательное), чем вне капилляра. Жидкость в капилляре начнет подниматься до тех пор, пока ее уровень в капилляре не достигнет такой высоты столба (h), давление которого уравновесит действующее капиллярное давление (Pк) (рис. 1.1, в).

Высота столба определяется по формуле (1.5):

, (1.5)

где r – радиус капилляра; δ - плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

Жидкость, не смачивающая поверхность, образует выпуклый мениск, чем вызывает ее опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности (рис. 1.1, г).

Капиллярное впитывание и вытеснение жидкости имеют существенное значение при передвижении жидкости в пористых телах, что играет важную роль в процессах пропитки, фильтрации, сушки, окомкования и т.п.

Большое значение в свойствах технической воды имеет водородный показатель pH. Помимо влияния на технологический процесс величиной pH обусловлено коррозионное действие воды. Коррозия наблюдается уже при pH < 7.45, при постоянном значении pH коррозия прямо пропорциональна массе кислорода, растворенного в воде и ее электропроводности.

Электропроводность воды зависит от содержания солей. Допустимая электропроводность не должна превышать 0,0025 См (сименс). Более высокая электропроводность вызывает коррозию стальных конструкций.

Режим движения жидкости зависит от критерия, установленного Рейнольдсом и названного числом Рейнольдса (Re) (1.6):

, (1.6)

где d - плотность жидкости; V – скорость потока; d – характерный линейный размер, диаметр трубы, включающий в себя поток.

Переход от ламинарного движения к турбулентному характеризуется критическим значением Re_кр. Движение воды в жидкостных трубках круглого сечения и движение грунтовых вод в порах грунта происходит по ламинарному режиму.

При Re < 2300 – движение жидкости ламинарное;

Re = 2300 – 10000 – переходный режим;

Re > 10000 – движение жидкости турбулентное.

Ламинарный режим характеризуется градиентом скорости dV/dr

где V – скорость истечения или скорость сдвига; r – расстояние по нормали между двумя смежными плоскостями слоев жидкости.

Сила трения (F), действующая между двумя плоскостями жидкости, отстоящими друг от друга на расстоянии (r), пропорциональна градиенту скорости и площади (S) плоскостей жидкости (1.7):

, (1.7)

Чтобы образовывался поток движения жидкости необходимо напряжение сдвига (Т) (1.8):

, (1.8)

, (1.9)

Эти формулы выражают закон вязкого течения Ньютона, который приложим к любому ламинарному течению чистой жидкости, так называемой «ньютоновской жидкости», свойством которой обладает вода, смазочное масло и др.

Жидкости, для которых отсутствует зависимость между напряжением сдвига и градиентом скорости – «неньютоновские жидкости» - это пульпы, суспензии.