Задание

1. Определить радиус шариков, выполненных из различных материалов, для измерения вязкости в диапазоне, соответствующему варианту задания.

2. Выбрать шарик, удобный к применению, или дать заключение о применимости данного метода для измерений вязкости заданного диапазона.

3. Определить градуировочную характеристику.

4. Определить время падения шарика при максимальной вязкости.

Порядок выполнения работы

1. Принять расстояние между отметками - в пределах мм.

2. Принять минимальное время измерений, соответствующее измерению наименьшей вязкости - в пределах с.

3. Из Табл. 3.1 выбрать материал шарика и из системы уравнений (3.4а) и (3.5) определить приближенный диаметр шарика. Плотности материалов, из которых могут быть изготовлены шарики, приведены в Табл. 3.2.

4. Вычислить критерий Рейнольдса Re. Если , то из системы уравнений (3.4в) и (3.5) уточнить диаметр шарика. Если получилось, что мм, т.е. шарик не удобен в работе, выбрать материал шарика с меньшей плотностью и определить его диаметр снова.

5. Градуировочная характеристика (зависимость взкости от времени падения) определяется из системы уравнений (3.4) и (3.5).

6. Время падения шарика при максимальной вязкости определяется из градуировочной характеристики.

Варианты заданий (диапазон измеряемых вязкостей) принять те же, что и в работе № 2.

Таблица 3.1. Плотность некоторых материалов.

Материал	Плотность , кг/м3
Свинец	11340
Сталь	7800
Алюминий	2700
Органическое стекло	1200
Полиэтилен ВД	1050

Литература

1. Дианов И.Г. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы химических производств. - М.: Химия, 1973. - 228 с.

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 224 с.

Работа № 4 диспесный состав

Цель работы.

По результатам измерений дисперсного состава построить интегральные кривые распределения частиц по размерам, определить основные параметры распределения: медиану и ширину распределения, средние размеры частиц в распределении, удельную поверхность дисперсной фазы.

Общие положения, расчётные формулы

Дисперсные системы - системы, где в сплошной среде (газе, жидкости) распределены частицы другого вещества. К ним относят обычно аэрозоли, суспензии, эмульсии, пены и сыпучие материалы. Аэрозоли – частицы, взвешенные в газе: это пыли (твёрдые частицы, взвешенные в газе), туманы (капельки жидкости, взвешенные в газе), дымы (твёрдые и столообразные частицы, взвешенные в газе). Суспензии - твёрдые частицы, взвешенные в жидкости. Эмульсии – капли жидкости, взвешенные в другой жидкости, причём эти жидкости взаимно не растворимы. Пены – пузырьки газа, распределённые в жидкости.

Дисперсные системы могут состоять из частиц одинакового размера – это монодисперсные системы. Характеристики, которые полностью определяют монодисперсную систему: размер частиц , плотность материала частиц и концентрация частиц . Монодисперсные системы встречаются крайне редко, получить их весьма сложно.

Природные и искусственные дисперсные системы состоят из частиц различного размера – это полидисперсные системы. Может оказаться, что подавляющее число частиц в дисперсной системе имеют размер в узком диапазоне, то есть приблизительно одинаковые по размеру, в то же время есть небольшое число частиц сильно различающихся по размеру. Такая система близка к монодисперсной, имеет узкое распределение частиц по размеру. Могут быть дисперсные системы, в которых частицы самых разных размеров присутствуют в соизмеримых количествах - у таких систем широкое распределение частиц по размеру. Кроме того, зависимости числа частиц в системе от их размера для разных систем могут быть различными. Таким образом, для полного определения полидисперсной системы необходимо знать дисперсный состав, то есть требуются дополнительные характеристики системы: функция распределения частиц по размерам, ширина распределения и некий характерный для этой системы размер частиц.

Большинство не искажённых дисперсных систем имеют логарифмически нормальное распределение частиц по размерам, описываемое выражением:

, (4.1)

где: - проход (доля частиц в распределении с размером меньшим ) в %, - медиана распределения (размер частиц, делящий распределение пополам, соответствующий проходу D = 50 %), - параметр ширины распределения (среднеквадратичное отклонение размера частиц от среднего значения). Таким образом, распределение частиц по размерам полностью определяется двумя параметрами: и . В вероятностно - логарифмической системе координат это выражение имеет вид прямой линии, угол наклона которой характеризует степень полидисперсности дисперсной системы (ширину распределения) и определяется параметром . Из свойств логарифмически нормального распределения: , откуда:

, (4.2)

где: - размер частиц, соответствующий проходу D = 84.1 %, - размер частиц, соответствующий проходу D = 15.9 %.

Существуют различные типы распределений частиц по размерам. Наиболее употребительными являются: счётное распределение, где - доля числа частиц (в штуках) размером меньших , и массовое распределение, где - доля массы частиц в распределении размером меньших .

Проход по массе для каждой фракции:

, (4.3)

где: i - номер фракции, k - общее число фракций, m_i - масса частиц в i фракции.

Зная массу частиц во фракции m_i не сложно определить число частиц во фракции:

, (4.4)

где: - плотность материала частиц, - средний размер частиц в i фракции, который можно определить как среднеарифметический между минимальным и максимальным размерами частиц во фракции

, (4.5а)

или средне геометрический (что предпочтительней)

, (4.5б)

или средне логарифмический, если и различаются более чем в два раза: . (4.5в)

Определив число частиц (или массу) в каждой фракции можно определить проходы D_i и по этим значениям построить счётное (или массовое) распределение частиц по размерам.

Одной из важных характеристик дисперсных систем являются средние размеры частиц:

• средний счетный диаметр ,

• средний поверхностный , (4.6)

• средний объёмный ,

• средний объёмно-поверхностный (заутеровский) ,

• средний массовый .

Здесь: - средний размер частиц, - масса частиц, - число частиц в фракции.

Важной характеристикой дисперсных систем является удельная поверхность - поверхность частиц диспергированного материала на единицу объёма частиц: , где: - поверхность частиц, - объём этих частиц.

Для шаровых частиц одинакового размера: , , . Для полидисперсного распределения

, (4.7)

где - средний поверхностный размер частиц в распределении – размер частиц, при котором, если бы все частицы были такого размера (монодисперсный аэрозоль) имели такую же общую поверхность, что и в полидисперсном аэрозоле с таким же числом частиц.

Большинство устройств для определения дисперсного состава (ситовый анализ, импакторы, аэрозольные счётчики) измеряют массу или число частиц по фракциям, по которым восстанавливают распределение частиц по размерам.

Ситовый анализ сыпучих материалов, порошков производится следующим образом. Собирают сита с различным размером отверстий (ячеек), последовательно уменьшающихся от наибольшего на верхнем сите до наименьшего на нижнем. Устанавливают набор сит во встряхивающее устройство, на верхнее сито насыпают определённое количество порошка, например, 100 г. Затем включают встряхивающее устройство, начинается просеивание. Через определённое время, достаточное для полного разделения порошка на фракции, встряхивающее устройство выключают. В результате просеивания на верхнем сите остаются частицы только большего размера, чем отверстия в верхнем сите, на следующем сите остаются частицы большего размера, чем на сите, но меньшего, чем на предыдущем и так далее. Остаток порошка на каждом сите (фракцию) взвешивают. Результаты измерений дисперсного состава порошков набором сит приведены в Таблице 4.1 (группа вариантов А).

Дисперсный состав аэрозолей определяют, например, каскадным импактором.

В каскадном импакторе реализуется инерционное осаждение частиц из струи аэрозоля па плоскую преграду. При натекании струи на преграду газ резко меняет направление движения и обтекает преграду. При этом частицы при своём движении отклоняются от линий тока газа из-за инерции, причём, чем массивнее (крупнее) частица, тем меньше она отклоняется от своего первоначального прямолинейного движения и натыкается на преграду, где и осаждается. Малые частицы огибают препятствие вместе с газом и не осаждаются. Эффективность осаждения частиц зависит от их размера , плотности , скорости и диаметра струи, вязкости газа и определяется безразмерным комплексом этих величин – критерием Стокса: . Граничный (минимальный) размер частиц, осаждающихся на преграде, соответствует .

Схема каскадного импактора приведена на Рис. 4.1. Цилиндрический корпус 1 импактора разделён на секции (каскады) перегородками 2, в каждой из имеются сопла 3, против которых установлены преграды (подложки) 4, а в последней секции на выходе установлен фильтр 5. Патрубок 6 предназначен для подвода анализируемой пробы аэрозоля, патрубок 7 – для вывода. Диаметры сопел уменьшаются от секции к секции по ходу движения аэрозоля, соответственно увеличивается скорость струи, набегающей на

Рис. 4.1. Каскадный импактор.

преграду. Таким образом, в первой секции на подложке осаждаются наиболее крупные частицы, а остальные поступают во вторую секцию, где так же осаждаются наиболее крупные из оставшихся (но менее крупные, чем осели на первой ступени) и так далее от ступени к ступени. Оставшиеся самые мелкие частицы осаждаются на фильтре. В результате все аэрозольные частицы осаждаются на ступенях импактора, разделяясь по фракциям.

Измерение дисперсного состава аэрозолей с помощью импактора производят следующим образом. В ступени импактора устанавливают предварительно взвешенные подложки (для анализа туманов – впитывающие, для твёрдых частиц – липкие). Затем через импактор пропускают аэрозоль с определённым расходом (обычно 20 литров в минуту). Через определённое время подачу аэрозоля прекращают, импактор разбирают, извлекают подложки и взвешивают. Разницу масс подложек до и после осаждения (осадок по ступеням) вносят в таблицу измерений.

Результаты измерений дисперсного состава аэрозолей (масляного тумана в сжатых газах на выходе из компрессоров) импактором приведены в Таблице 4.2 (группа вариантов Б).