книги из ГПНТБ / Алейников, Н. А. Структурирование ферромагнитных суспензий

Рис. 2.7. Изменение перепада давления Ар в слое в зависимости от скорости

Рис. 2.8. Изменение перепада давления в слое в зависимости от скорости восходящего водного потока для частиц магнетита крупностью — 0.1+0.05 мм (а) и —0.05+0.02 мм (б) при на­ пряженности магнитного поля: 1 — 0, 2 — 40, 3 — 80, 4 — 120,

5 — 160, 6 — 200 н 7 — 240 з.

s в структурах, несмотря на некоторое небольшое расширение слоя h, что при V = const определяется простым соотношением

А

~ S 1

где к — постоянная величина.

Дальнейшее увеличение скорости потока, связанное с умень­ шением Ар, приводит к образованию псевдоожиженных систем, состоящих из разорванных первоначальных (при Ариякс) струк­ тур, легко подвергающихся фильтрации.

Наблюдения по поведению ферромагнитного слоя в продоль­ ных и поперечных магнитных нолях могут быть использованы при рассмотрении условий фильтрации.

Для относительно малых скоростей потока жидкости через структурированный псевдоожиженный слой было предложено

В гидродинамическом потоке суснензии можно принять, что соприкасающиеся твердые частицы передают движение друг другу

имежду ними через слой жидкости возникает упругая взаимосвязь.

Вэтом случае появляется упорядоченность системы и образова­ ние с большей или меньшей вероятностью слабо ориентированных структур (скоплений), которые в своем движении увлекают жидкость. Такое состояние неустойчивой суспензии, охарактери­ зованное некоторой статической величиной упорядоченности, бу­ дет возрастать с увеличением концентрации суспензии и степени ее дисперсности.

При наложении внешнего магнитного поля на гидродинами­ ческий ноток ферромагнитной неустойчивой суспензии взаимо­ связь между частицами, а также ее упорядоченность резко возра­ стают, т. е. повышается структурность системы. Если магнитное взаимодействие между частицами в потоке не вызовет их выпаде­ ние в осадок, то образуется подвижная суспензия с высокой упо­ рядоченностью, которую можно рассматривать как псевдожид­ кость [2, 3].

Одной из интересных ситуаций может являться вихревое дви­ жение суспензии вдоль силовых линий магнитного поля. Ближай­ шей гидродинамической моделью такого движения будет переме­ шивание суспензии в цилиндрическом сосуде, различными по кон­

21

струкции мешалками. Движение в них является симметричным относительно оси z, и все три составляющие вектора скорости ѵ£, ѵг и vt (аксиальное, радиальное и тангенциальное) отличны от нуля. В экспериментальных исследованиях по перемешиванию жидкостей лопастными мешалками [6—13] было установлено на­ личие трехмерного движения и наличие цилиндрического вихря, который в своей центральной части весьма часто характеризовался как квазитвердое тело.

Наиболее вероятно, что вихревое движение в вязкой жидкости и тем более в неоднородных по концентрации суспензиях сущест-

вует во всем объеме цилиндра, но проявляется с различной ин­ тенсивностью, имея наибольшую циркуляцию в зоне, определяе­ мой радиусом мешалки. В работе [14] показана невозможность описания изменения тангенциальной скорости от радиуса в соот­ ветствии с классическим вихрем Рэнкина [15], по которому вих­ ревое движение переходит в безвихревое с точкой разрыва, как это приведено на рис. 2.9, где дано сопоставление опытных дан­ ных [10] и данных по расчету модели вихря Рэнкина. При рас­ смотрении полученных данных установлено, что основная часть вихря сосредоточена в интервале 0—г, (радиус лопасти мешалки), а на участке гл—R a (радиус сосуда) существует завихренность в небольшом размере.

При перемешивании жидкости в сферическом сосуде радиально­ лопастной мешалкой наблюдалось два вращающихся круговых вихревых шнура [16]. Течения были моделированы на основе

22

создания электромагнитного поля около кругового проводника, через который пропускался ток, а с помощью железных опилок воспроизводились линии тока течения (рис. 2. 10).

С. Я. Гзовским [8, 9] экспериментально был определен про­ филь распределения давления р и окружных скоростей vt во вращающемся потоке (рис. 2.11). При условии существования центрального вихря радиусом г0 (рис. 2.11), учиты­

вая, что ѵг и vt действуют в одной плоскости, было определено общее цен­ тростремительное ускорение, близкое величине 0.866 для всех конструкций мешалок:

ßc2

ш= — гз ,

где

где <ім — диаметр мешалки и д ' — динамическая вязкость, было найдено соотношение [13]

гы — 1Q3 _|_ 1.6 Re4 •

По-видимому, очень важно найти более общую параметрическую характеристику состояния перемешивания. В таком направлении решалась задача в работе И. С. Павлушенко и Е. М. Демьяно­ вой [12]. При перемешивании жидкости давление ее на дно камеры

23

(упор) уменьшается нли увеличивается в зависимости от типа и диаметра мешалок, а также от скорости их вращения (рис. 2.12, 2.13). Величина изменения давления косвенно характеризует аксиальные силы при перемешивании.

При упрощении скоростной напор вихря в вертикальном на­ правлении будет

мую суспензию магнетита раз личной крупности в неоднород-

ном постоянном магнитном поле нами были использованы следую­ щие условия. В цилиндрический сосуд из полиметилметакрилата диаметром 100 мм при высоте заполнения 140 мм добавлялось 100 г магнетита и 1 л воды при температуре 12—15° С. Перемешивание про­ изводилось четырехлопастной пластмассовой пропеллерной мешал­ кой диаметром 64 мм с бронзовым валом (диаметром 10 мм), отстояв­ шей от дна цилиндра на расстоянии 16 мм и имевяіей ширину лопасти 25 мм, длину 20 мм и шаг 16 мм. Перемешивание 1 л воды показало линейное уменьшение давления жидкости на дно ка­ меры, выраженное в уменьшении веса сосуда в граммах в зави­ симости от числа оборотов мешалки (рис. 2.14).

Для наблюдения за распределением средней концентрации маг­ нетита С в объеме цилиндра в зависимости от числа оборотов ме-

24

шалки (п об./мин.) из верхней его части через отверстие диаметром 4.5 мм, расположенном на расстоянии 83 мм от дна цилиндра, отбиралась суспензия объемом 400 мм в течение 3 мин. На рис. 2.15

представлено изменение концентрации С в отбираемой пробе. Как видно, в области наибольшего перепада давления Дрст кон­ центрация суспензии увеличивается с повышением числа оборотов п и стремится к некоторому пределу, превышающему вычислен­

ную С для всего объема суспензии (9.1%). Для получения предель-

-р,г

С,%

не был достигнут, по-видимому, вследствие невозможности со­ здать между частицами связанной гидродинамической струк­ туры. В суспензиях визуально наблюдалось движение спираль­ ных полос, насыщенных частицами магнетита.

Магнитное поле создавалось соленоидом с внутренним диамет­ ром 260 мм и высотой 60 мм. Напряженность поля регулировалась по постоянному току. Цилиндр с мешалкой помещался соосно с соленоидом так, что нижние плоскости их совпадали. Напряжен­ ность поля Н и Н grad Н были измерены вдоль стенок цилиндра по высоте z от горизонтальной оси симметрии соленоида при пере­ мешивании суспензии магнетита. Напряженность магнитного поля изменялась от 0 до 80 э, а Н grad Н от 0 до 200 э2/см. С увеличением 2 до 40—60 мм напряженность поля уменьшается незначительно,

а Н grad Н быстро возрастает. При дальнейшем увеличении z напря­

25

женность поля понижается более интенсивно, а Hg v a d H после достижения максимального значения до 300 э2/см монотонно убы­ вает, как это показано в работе [17].

После обычного перемешивания суспензия намагничивалась в поле в течение 3 мин. Изменение величины С в отбираемом объеме

Рис. 2.16. Изменение концентрации твердого в сливе С в за­ висимости от напряженности магнитного поля II для магне­ тита различной крупности при скорости вращения импел­ лера 200 (1), 250 (2), 300 (3), 350 (4), 400 (5), 450 (6), 500 (7)

и 600 об./мин. (S).

(400 мм) в зависимости от Я и в для различных классов крупности приведено на рис. 2.16. Для тонкого класса 0.05 мм вначале про­ исходит возрастание С, а затем наступает ее резкое уменьшение до минимальной величины. Возрастание концентрации наблю­ дается и для больших по размеру частиц, но с постепенным уга­ санием максимума до полного его исчезновения у крупных клас­ сов. С увеличением числа оборотов мешалки максимум концентра­ ции смещается в область больших значений Н. Спиральные по­

26

лосы, наблюдаемые без магнитного поля, в поле расширяются и приближаются к стенкам цилиндра.

При увеличении исходной средней весовой концентрации сус­ пензии до 17—25%, т. е. при сближении частиц в потоке, полу­

чается более резкий спад С с увеличением Н даже при повышен­ ном числе оборотов мешалки (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Изменение концентрации твердого в сливе С в зависимости от напряженности магнитного поля Н для магнетита различной крупности при содержании твердого в исходной суспензии: 9.1 (7), 17.4 (2)

и 25.01% (3).

Возрастание средней концентрации С под влиянием магнитного поля может быть объяснено преимущественным образованием в верхнем объеме суспензии разряженных линейных структур. Перемещение таких линейных структур при заданной скорости и попадание их в пристенную область под влиянием центробежных сил определяется главным образом их прочностью, хотя при выходе через отверстие они подвергаются разрушению. Максимальное

значение С можно рассматривать как концентрацию, отвечающую наибольшему содержанию линейных структур. Вместе с тем эта концентрация отвечает критической концентрации, при которой наступает образование подвижных преимущественно объемных

27

структур. Образование подвижных объемных структур можно рас­ сматривать как наложение линейных структур друг на друга, непрерывно подвергающихся относительному скольжению, но перемещающихся в направлении гидродинамического потока. Седиментационный лавинный процесс объемных структур при­ водит к концентрированию суспензии магнетита в нижней части цилиндра до 75% содержания твердого по весу, при этом не наблю­ дается выпадение ее в осадок. Время образования концентриро­ ванной суспензии не превышает 30 сек. Такую образовавшуюся суспензию в магнитном поле, над поверхностью которой сущест­ вуют потоки с малым содержанием твердого в виде отдельных оторванных флокул, можно назвать как предельно флокулирован­ ную и вместе с тем как псевдожидкую систему (тяжелую суспен­ зию), обладающую определенной структурностью.

Седиментационный лавинный процесс объемных структур и образование «стабильных» подвижных предельно флокулирован­ ных суспензий в магнитном поле малой напряженности являются результатом своеобразного совмещения магнитных, гидродинами­ ческих и гравитационных сил. Стабильность суспензии, несом­ ненно, определяется высокой кинетикой образования структур из продуктов их распада под воздействием гидродинамического потока. Одновременно, по аналогии с представлениями в магнит­ ной гидродинамике [18—20], магнитные силовые линии «захваты­ ваются» движущимися ферромагнитными структурами, деформи­ руются, в результате чего создается «объемное» магнитное поле, которое как бы «удерживает» суспензию в ограниченном объеме.

Магнитное взаимодействие движущихся частиц в структурах имеет сложный характер, который не может быть описан методами одной магнитостатики. При установившемся изотермическом про­

где первый член представляет магнитную энергию, второй — энергию, затрачиваемую на перемещение суспензии в объеме V' от центра сосуда к его стенке под давлением р , и третий член — гравитационный, независимый от магнитного поля.

Одним из важных свойств концентрированных суспензий в маг­ нитном поле являются их реологические свойства. Эти свойства до сего времени практически не изучены, за исключением растворов коллоидной дисперсности — магнитные жидкости (см. литературу к гл. VII). Реологические свойства магиетитовых и ферросилициевых суспензий дисперсностью 0—50 мк в обычных условиях подробно изложены в обзорах и экспериментальных наблюде­ ниях [21, 22], в которых технологические свойства суспензий опре­ деляются предельным напряжением сдвига и вязкостью. Приме­

28

нение в этих исследованиях различных электролитов и органи­ ческих соединений, влияющих на структурирование суспензий, будет иметь свое значение и в магнитных полях (см. гл. VII).

Вязкость для неныотоновских жидкостей определяется сте­ пенным уравнением [23, 24]

Аналитическое решение движения жидкости в аппарате с ме­ шалкой, как модели с вращающимся цилиндром, дает относительно окружной скорости зависимость [24, 25]:

W =

Вязкость жидкости оказывает влияние на профиль окружной скорости в аппаратах с мешалками, что показано в работе [26].

Аналитическое описание состояния ферромагнитных суспензий в совмещенных магнитных полях и гидродинамических потоках представляет значительную сложность, поэтому накопление экспе­ риментальных наблюдений с обнаружением закономерностей в свойствах суспензий будет представлять определенную научную ценность.

Для получения одной и той же средней весовой концентрации в сливе (400 мл) из суспензий различной крупности магнетита с увеличением напряженности магнитного поля требуется уве­ личение интенсивности перемешивания тем больше, чем крупнее частицы. Эта зависимость от Н grad Н не носит линейного харак­ тера, как это видно на рис. 2.18, построенного на основании результатов опытов (рис. 2.16). Получаемые состояния суспензий можно характеризовать как магнитно-гравитационные, в которых положительно действуют в одном направлении магнитные и гра­ витационные силы: для крупных частиц требуются меньшие зна­ чения Н grad Н. Для концентрации 4.55% эта зависимость для ука­ занных условий может быть описана эмпирическим уравнением (d — средний диаметр, см)

п = (180 + 5 • ІОЫі) + (0.7 — 20d) (Н grad Н)К

29