Файл: Циперович, М. В. Обогащение углей в тяжелых суспензиях.pdf

§ 2. СВОЙСТВА т я ж е л ы х с у с п е н зи й

Реологическая характеристика суспензий

К числу основных реологических свойств, определяющих теку­ честь таких дисперсных систем, как суспензий, относятся вязкость и пластичность.

Известно, что основными свойствами жидкости, определяющими ее природу, являются высокая подвижность частиц и сохранение постоянства объема. Реальные жидкости, в отличие от идеальных, не обладают абсолютной несжимаемостью и подвижностью, т. е. для взаимного перемещения частиц в них требуется некоторая за­ трата энергии. Причиной сопротивлений, возникающих при движе­ нии жидкостей, является внутреннее трение между частицами, на­ зываемое вязкостью. Это свойство жидкостей количественно харак­ теризуется коэффициентом вязкости ц .

С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил, влияние которых у жидкостей является преобладающим.

Вязкость жидкости зависит от давления и температуры. По опре­ делению Максвелла [12], коэффициент вязкости жидкости численно равен тангенциальной силе, действующей на единицу поверхности одной из двух параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на единицу длины, причем пространство между этими плоскостями заполнено исследуемой жидкостью и одна из плоскостей передви­ гается относительно другой со скоростью, равной единице.

В простейшем случае для истинных жидкостей, подчиняющихся

где т — тангенциальная сила (касательное напряжение или напря­

коэффициент вязкости, зависящий от рода жидкости; ^ — градиент

скорости или скорость сдвига.

За единицу абсолютной вязкости (пуаз) принята вязкость такой жидкости, в которой на 1 см2 поверхности слоя действует сила, равная 1 дин, если скорость между слоями изменяется на 1 см/сек на 1 см расстояния между ними.

Для характеристики деформации систем применяют реологиче­ ские кривые, изображающие зависимость деформации от нагрузки, в частности, графики зависимости градиента скорости от напряжения сдвига.

Основы реологии были заложены исследованиями Ф. Н. Шве­ дова. Часто вместо градиента скорости используют расход Q

31

(в капиллярном вискозиметре) или число оборотов N цилиндра (в ротационном вискозиметре).

Основные типы реологических кривых показаны на рис. 8. Для ньютоновской жидкости любое малое напряжение сдвига создает градиент скорости, т. е. приводит жидкость в движение. Зависимость

между градиентом скорости dv и напряжением сдвига т в этом

случае выражается прямой линией 1, выходящей из начала коорди­ нат. Котангенс угла, образуемого такой линией с осью абсцисс, выражает вязкость т] = ctga. Чем меньше угол, тем больше вязкость.

Прямая 5 соответствует телу, обладающему свойствами, противо­ положными ньютоновской жидкости. Она характеризует идеально хрупкое тело. До некоторого пре­

начинается не от нуля. Выше предельного напряжения сдвига вели­ чина деформации пропорциональна напряжению, как и у ньюто­ новской жидкости.

Зависимость между градиентом скорости и напряжением сдвига

и суспензий, Ф. И. Шведов, Бингам, М. П. Воларович и другие исследователи обнаружили, что течение растворов не подчиняется этому уравнению. Оно начинается при весьма малых напряжениях, но градиент скорости непропорционален напряжению (рис. 8, кри­

выше некоторого критического они ведут себя как пластичные тела Бингама. Эти системы являются не ньютоновскими и получили назва­

32

ние псевдопластичных. У них при увеличении градиента скорости течения вязкость уменьшается до некоторого предела (рис. 8, кри­ вая 2, точка а), затем остается постоянной (прямой участок), а при наступлении турбулентного режима начинает снова возрастать (после точки в). Снижение вязкости с повышением градиента скорости отступает от закона Ньютона, что называется аномалией вязкости.

Для капиллярного вискозиметра признаками псевдопластич­

вращающего ротор. Вязкость псевдопластичных тел называют ка­ жущейся или эффективной вязкостью [94]. Последняя зависит не только от свойств тела, но и условий опыта (размеров прибора, пред­ варительных механических или термических воздействий). Поэтому сопоставлять результаты измерений вязкости псевдопластичных систем можно только при одинаковых условиях проведения опыта. Аномалия вязкости имеет место и у пластичного тела (тело Шведова) (рис. 8, кривая 3). У таких систем существует два предела текучести. Первый, отвечающий напряжению, при котором начинается течение, называется статическим предельным напряжением сдвига t s. Второй предел текучести определяется экстраполяцией прямолинейного участка кривой, отвечающего пластической вязкости, до пересече­ ния с осью абсцисс. Это напряжение называется динамическим пре­ дельным напряжением сдвига та.

Таким образом, у псевдопластичных тел (Шведова) имеется xs и та, а у псевдопластичных жидкостей — только та, у пластичных

в логарифмической системе, т. е. lg S от ]g т. Для ньютоновских жидко­ стей эта зависимость выражается прямой линией под углом 45°. Для неньютоновских систем углы наклона кривых отличны от 45°.

Реальные системы деформируются по различным законам в за­ висимости от условий, и их реологические кривые в значительной степени отличаются от приведенных на рис. 8 основных типов.

Применяемые в практике обогащения суспензии отличаются как от истинных жидкостей, так и от пластичных систем. От истинных жидкостей они отличаются наличием твердых частиц, находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом. При невысокой кон­ центрации твердых частиц (бесструктурные суспензии) свойства суспензий приближаются к свойствам вязких жидкостей, и зависи­

мость между ^ и т описывается кривой, подобной 1 на рис. 8. Рео­

логическая характеристика этих суспензий определяется одним по­ казателем — вязкостью, которая возрастает с увеличением дисперс­ ной фазы.

Зависимость вязкости разбавленной суспензии от объемной кон­ центрации взвешенных шарообразных недеформирующихся частиц выражается формулой Эйнштейна

где ц 0 — динамический коэффициент вязкости дисперсионной среды; с — объемная концентрация твердой фазы.

Эта формула справедлива для с sg 0,03—0,05.

Зависимость вязкости суспензий от концентрации твердой фазы с учетом гидродинамического взаимодействия и столкновения частиц выражается формулой Ванда

ствует маловязким суспензиям.

При высоком содержании твердой тонкодисперсной фазы взаимо­ связь между частицами проявляется в большей степени, что вызвано образованием структур (структурированные суспензии). От пластич­ ных систем они отличаются тем, что в спокойном состоянии начинают быстро расслаиваться. Состояние структурированных суспензий выражается кривыми 2, 3 (см. рис. 8).

Обычно различают два типа структур: образующиеся вследствие повсеместного соприкосновения сольватных оболочек частиц дис­ персной фазы очень высокой концентрации (гели, эмульсии, пасты); образующиеся вследствие регионального сцепления частиц, име­ ющих неправильную форму, при концентрациях, недостаточных для образования структур первого рода.

Используемые при обогащении угля суспензии ближе подходят под структуры второго типа. Структура в них образуется при раз­ личной объемной концентрации и зависит при прочих равных усло­ виях от удельной поверхности утяжелителя, определяемой размером частиц. При очень тонкой дисперсности и высокой концентрации дисперсной фазы в суспензии могут возникнуть коагуляционная структура и явления тиксотропии, т. е. способность суспензии об­ ратимо загустевать с течением времени при постоянной температуре и обратимо разрушаться при механическом воздействии. Механиче­ ское разрушение структуры с ее последующим обратимым восстано­ влением можно наблюдать любое число раз. Явление тиксотропии, например, имеет место в суспензиях из бентонитовых глин или с их большим участием.

Поддержание в необходимых пределах реологических парамет­ ров суспензий, используемых при обогащении, достигается в основ­ ном подбором соответствующих утяжелителей.

Однако имеются и другие способы их улучшения, к числу которых относятся, в частности, добавление к суспензии различного рода реагентов и физическое воздействие на нее с помощью вибраций.

3i