Дробление воздуха механическим воздействием среды

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Дробление воздуха механическим воздействием среды

08.10.2020

Наиболее распространенный способ образования пузырьков воздуха во флотируемой пульпе путем механического разрушения струи воздуха и крупных его пузырьков изучен совершенно недостаточно. Более подробно исследованы аналогичные процессы эмульгирования жидкостей и пульверизации жидкости в воздухе; ряд полученных при этом закономерностей может быть использован в рассматриваемом случае.

Термодинамический анализ процесса может быть произведен с некоторыми допущениями. Если принять, что струя воздуха, передвигающаяся в жидкости, имеет постоянную скорость и плотность во всех частях, что полученные из этой струи пузырьки имеют одинаковые размеры и все продолжают двигаться с одинаковой скоростью, что плотность воздуха в струе и в пузырьках одинакова, что в процессе распада струи воздух не растворяется, и наконец, если пренебречь энергией пульсации поверхностен пузырьков, то для случая распада струи воздуха на пузырьки вследствие механического воздействия среды может быть написано следующее уравнение:
Дробление воздуха механическим воздействием среды

где Rг — средний радиус полученных пузырьков;

Rс — средний радиус струи воздуха;

р — плотность струи воздуха;

vc — скорость относительного перемещения струи и среды;

ожг — поверхностное натяжение на границе газ — жидкость;

vп — средняя скорость относительного перемещения пузырьков и среды;

l — длина струи;

B — добавочная энергия движения окружающей среды.

В случае распада пузырька на более мелкие имеет место слеlующее уравнение:

где R0 — радиус первоначального пузырька

Rп — средний радиус конечных пузырьков;

Pо и рп — плотность воздуха в пузырьках до диспергирования и после него (остальные обозначения те же, что и в предыдущем уравнении).

Из этих уравнений видно, что дисперсность пузырьков воздуха возрастает со снижением поверхностного натяжения. Кроме того, средний размер полученных пузырьков тем меньше, чем больше скорости движения начальных масс воздуха, чем резче замедление этого движения, чем меньше начальные размеры струи или пузырьков и чем меньше энергии расходуется на добавочные (бесполезные) движения в среде. Однако при пользовании указанными уравнениями следует иметь в виду, что принятые допущения в большинстве своем мало или даже совершенно не обоснованны.

Для правильного понимания механизма элементарного акта распада струи воздуха или пузырька на более мелкие части в значительной степени полезны исследования процессов диспергирования жидкости в жидкой или газообразной среде.

Ребиндер указывает, что «...при правильном кинетическом рассмотрении процесса образования эмульсии механическим диспергированием, — например, при интенсивном перемешивании системы из двух жидкостей, процесс идет далеко не так, как это обычно излагали до последнего времени». Опыты показывают, что первая стадия процесса заключается в вытягивании капель диспергируемой жидкости в среде. При этом работа, связанная с возрастанием поверхности и преодолением молекулярных сил поверхностного натяжения, происходит за счет внешних механических сил.

Однако было бы неточностью считать, что механизм диспергирования (воздуха под воздействием внешней среды ограничивается вытягиванием пузырьков с их последующим распадом. Многие исследователи отмечают значительную роль в этом процессе явлений вибрации поверхности пузырьков, турбулентности потоков жидкости и завихрений у поверхности воздушных струек.

Установлено, что при определенной, достаточно большой скорости взаимоперемещения воздуха и воды поверхность их раздела становится как бы «шероховатой», покрываясь массой небольших вихрей. Милович, исследуя процессы, происходящие при вдувании струи воздуха в окружающую атмосферу, обосновал это явление теоретически. Оказывается, при известных, сравнительно не очень больших скоростях на поверхности струи воздуха возникает оболочка из множества мелких вихрей, вызывающих диспергирование отдельных участков струи и существенно замедляющих ее скорость (поскольку вихревое движение оболочки струи происходит за счет энергии поступательного движения ее частиц). Количественный эффект перемешивания поверхности струи со средой характеризуется Миловичем при помощи «коэффициента всасывания» в, определяемого по формуле

где l — длина струи;

d — ее диаметр (при данной l);

k — коэффициент.

Между d и l существует определенная зависимость. Милович показал, что она характеризуется следующим уравнением;

где vж — скорость в данной точке струи;

vжо — начальная скорость струи;

х — расстояние данной точки струи от сопла,

d — диаметр сопла;

k — коэффициент.

Применяя приведенное выше уравнение к случаю работы радиального импеллера флотационной машины, видим, что vж является радиальной скоростью струи пульпы у внешней кромки лопасти импеллера, d — гидравлическим радиусом выходного сечения импеллера. Поскольку диаметр отверстия равен четырем гидравлическим радиусам R, уравнение примет вид:

Видно, что р возрастает с увеличением начально скорости движения струи и с уменьшением ее начального сечения. Совершенно естественно, что вихревому движению на поверхности струи значительно способствует снижение поверхностного натяжения.

Прямым экспериментальным исследованием процесса диспергирования воздуха в жидкости при вдувании его через относительно широкие отверстия является работа Стабникова. В этой работе в известной мере моделируются процессы, происходящие в пневматических флотационных машинах патрубочного типа.

Исследуя процессы барботажа (пробулькивания) Стабников сделал много фотографий поведения струй воздуха вдуваемого в воду и в вязкую жидкость (касторовое масло). Эти опыты показывают следующее:

1. Форма газовой струи во многом (если не в основном) определяется скоростью истечения газа. При малых расходах газа он выходит с перерывами, в виде цепочек пузырей. По мере увеличения расхода газа перерывы между выходом отдельных цепочек уменьшаются, и в конце концов наступает момент, когда поток газа образует факел, имеющий примерно постоянную форму и размеры. Чем меньше отверстие, тем большие скорости истечения газа необходимы для получения факела. Наоборот, при достаточно больших отверстиях факел может получиться при меньших скоростях истечения.

2. Если струя газа направляется вниз, то факел получается очень коротким; по существу в этом случае струя распадается в момент вылета из отверстия. Прямоугольное отверстие имеет меньшую длину факела, чем круглое.

3. Процесс образования пузырьков относительно мало зависит от вязкости жидкости. Размеры пузырьков в основном определяются скоростью газового потока и поверхностным натяжением. Фотографии показывают, что с увеличением скорости струи и с уменьшением поверхностного натяжения резко повышается дисперсность пузырьков. Это наблюдение хорошо совпадает с качественными выводами, которые были сделаны выше на основании теоретических соображений.

Заметно, что при больших скоростях распад струи газа происходит главным образом за счет трения ее об окружающую жидкость. Видно также, что крупные пузыри дробятся на более мелкие. Имеется некоторый верхний критический предел размеров пузырьков, выше которого они в данных условиях существовать на могут.

Указанные наблюдения могут быть перенесены на случаи диспергирования воздуха во флотационной машине с большой осторожностью, так как вязкость пульпы все же меньше вязкости жидкости в опытах Стабникова.

Визуальные наблюдения Стремовского и Арутюняна показывают, что при работе на воде у глубоких флотационных машин пневматического типа воздух при выходе из патрубка диспергируется плохо (рис. 286). В этом случае дробление воздуха на достаточно мелкие пузырьки происходит в турбулентных потоках при переходе воды из аэролифтного отделения в шпицкастены.

То, что крупные пузырьки при всплывании могут распадаться на мелкие, доказывают многие наблюдения. Hа рис. 287 приведены в качестве примера фотографии, показывающие этот процесс. Видно, как в кормовой зоне пузырька от него отрываются мельчайшие пузырьки.

Кроме перечисленных явлений, обусловливающих дробление воздуха во флотационных машинах, необходимо также отметить роль удара удара воздушных образований о спокойные (или двигающиеся в ином направлении) массы жидкости, а также о стенки и другие твердые детали флотационной машины. Теоретический анализ этих процессов достаточно сложен.

Итак, различные процессы дробления воздуха на мелкие пузырьки под воздействием среды, находящейся во флотационных машинах, подчиняются следующим общим закономерностям. Во всех случаях средний размер пузырьков, полученных в результате дробления более крупных воздушных образований, тем меньше, чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе воздухом; чем более турбулентный характер движения потоков пульпы; чем больше начальная скорость поступления воздуха в пульпу.

С уменьшением размеров пузырьков затрудняется их дальнейшее диспергирование ввиду: а) снижения скоростей их движения относительно среды; б) увеличения их «капиллярной жесткости», равной 2ожг/R (ожг — поверхностное натяжение, R — радиус пузырька). Уменьшение поверхностного натяжения и в этом случае играет огромную роль в повышении дисперсности пузырьков.

Важно отметить, что вопреки имевшемуся мнению диспергирование воздуха у машин механического типа происходит в основном не в самом импеллере, а в выбрасываемой им пульпе.

Как отмечалось, рассмотренный механизм дробления воздуха имеет местo у всех типов флотационных машин, но главным образом у машин группы А и Б-1 по приведенной классификации.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: