Образование пузырьков при выделении воздуха из раствора » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Образование пузырьков при выделении воздуха из раствора

08.10.2020

Основные закономерности — кинетические и термодинамические — процесса выделения воздуха из раствора были изложены выше. Во флотационных машинах всех типов, особенно у машин групп А и В (по приведенной классификации), имеются все условия для образования большого количества пузырьков воздуха из раствора.

Главной причиной возникновения пересыщения раствора воздуха в жидкости пульпы является резкое снижение давления во многих участках пульпы. Следует различать две разновидности образования пузырьков газов при их выделении из раствора вследствие явления «кавитации» (термин «кавитация», принятый в гидродинамике, означает «образование полостей») и «вскипания». В первом случае парогазовые пузырьки образуются при временном понижении давления, и имеется известная вероятность их повторного растворения. Обычно этот процесс происходит в ограниченных объемах жидкости, под влиянием гидродинамических воздействий. Кавитация имеет место преимущественно у машин группы А.

«Вскипание» жидкости происходит при устойчивом понижении давления в значительном объеме жидкости, без повторного увеличении давления. Развито оно в основном у машин групп Б и особенно В.
Образование пузырьков при выделении воздуха из раствора

Сущность явления кавитации хорошо видна при рассмотрении следующей модели. При движении волы в трубе в месте ее сужения скорость течения воды возрастает, давление (по закону Бернулли) падает. На участке трубы В—С (рис. 288, а) выделяются пузырьки водяного пара и газов воздуха; давление на этом участке сохраняется постоянным. В зоне сечения С водяной нар в пузырьках конденсируется (воздух при этом частично снова растворяется). В зоне прекращения кавитации резко повышается давление; местное давление может достигнуть сотен и даже тысяч атмосфер. Повышение давления, если рассматривать процесс с кинетической точки зрения, объясняется следующим образом. Скорость течения воды до аэрированной зоны (до сечения В—В) больше скорости течения за этой зоной (за сечением С—С). Скорость изменяется внезапно, вызывая в области сечения С С гидравлический удар. Повышение давления сжимает пузырьки; происходящее при этом уменьшение объема в свою очередь еще повышает давление. При сокращении объема пузырьков вода движется к их центрам и по инерции переходит через равновесное положение при этом пузырьки частично диспергируются. Имеются данные, что в небольших объемах воды давление на несколько мгновений повышается до сотен атмосфер.

На рис. 288, б приведен составной киноснимок, характеризующий возникновение и исчезновение пузырьков при кавитации за лопастью импеллера. Видно, что из воздушной полости, полученной при отрыве жидкости от лопасти, воздух попадает в зону турбулентных потоков, которыми диспергируется на отдельные пузырьки (после вытягивания крупных пузырьков). По мере понижения давления пузырьки увеличиваются; в зоне же гидравлического удара пузырьки, растворяясь, частично исчезают.

При повышении давления пары воды конденсируются очень быстро. За эти короткие отрезки времени газы пузырьков не успевают раствориться. Поэтому в жидкости остаются мелкие пузырьки воздуха, размеры которых доходят до нескольких микрон.

В принципе явление кавитации в пульпе имеет место в следующих случаях: при отрыве жидкости от твердого тела (от лопасти импеллера, отдельных твердых деталей), при разрыве сплошности струек жидкости вследствие больших скоростей их течения, при криволинейном движении потоков и при образовании вихревых поверхностей Гельмгольца.

«Вскипание» жидкости имеет место при понижении давления пульпой, при подъеме ее в верхние зоны и при выбрасывании пульпы из зоны повышенного давления в зону с меньшим давлением.

Явления понижения давления широко развиты в пульпе во флотационных машинах. В свое время Таггарт, рассматривая к процессы выделения воздуха из раствора в пульпе при флотации, сводил «все дело лишь к явлениям, происходящим за лопастями импеллера, указывая, что только в этих местах воздух выделяется из раствора.

Такое рассмотрение процесса едва ли может быть признано достаточным.

Наш анализ показывает, что выделение газов из раствора развито в машинах разных конструкций неизмеримо шире, чем это считал Таггарт.

Пульпа уже в момент попадания на импеллер изменяет траекторию движения. Кроме того, вся основная масса пульпы имеет вихревой характер движения. Кривая траектория движения отдельных потоков пульпы вызывает появление центробежных сил, понижающих давление к центру вихря. Из гидродинамики известно, что изменение давления характеризуется уравнением

где у — удельный вес жидкости;

g — ускорение силы тяжести;

r и r1 — радиусы кривизны потоков;

k — коэффициент.

Видно, что давление падает с уменьшением радиуса траектории потока и с повышением плотности пульпы.

При обтекании лопастей и других твердых деталей, имеющих конечную толщину, возникают участки с пониженным давлением, величина которых зависит от скорости потока, формы твердого тела и вязкости жидкости.

Как указывает Митрофанов, при вращении импеллера (у механических флотационных машин с радиальным импеллером) кавитация возникает при протекании с большой скоростью пульпы из участков с повышенным давлением, расположенных перед лопастями импеллера, в участки с пониженным давлением, расположенные за этими лопастями.

Кавитация за лопастями турбомашин изучена довольно подробно ввиду того, что она резко ухудшает их работу и увеличивает износ лопастей. При этом формы движения жидкости в турбинах определяются как с помощью уравнений гидродинамики совершенной жидкости (с введением ряда коррективов), так и чисто экспериментальным путем. Установлено, что отрыв жидкости от лопастей насоса при известных режимах его работы достигает больших размеров. На рис. 289 показана форма и величина этого отрыва при разных условиях (диаграмма построена нами на основании ряда данных о влиянии отдельных факторов на величину области отрыва жидкости от лопастей насоса).

Приведенные данные свидетельствуют о следующем:

1) при работе насоса с разными скоростями, но при больших расходах (и малых напорах) имеется отрыв жидкости от стороны повышенного давления лопасти; с уменьшением расхода (увеличением напора) этот отрыв исчезает;

2) размер «зоны отрыва» у стороны лопасти, имеющей пониженное давление, на много больше, чем у стороны повышенного давления;

3) с увеличением напора (уменьшением расхода) зона отрыва у стороны лопасти, имеющей пониженное давление, возрастает;
4) в ряде случаев зоны отрыва занимают от 1/3 до 3/4 межлопастного пространства, т. е. очень велики.

Сказанное было недавно подтверждено остроумным экспериментом Кашкарова. Оклеив импеллер белой бумагой и добавив в воду, находящуюся в камере флотационной машины, чернила, Кашкаров зафиксировал участки между лопастями импеллера, занятые пульпой и воздухом (светлые места на фоторафии рис. 290). Аналогичные данные были получены и Медведевым, который сфотографировал импеллер сквозь прозрачное дно флотационной камеры с помощью фотоаппарата, врашающегося синхронно с импеллером.

Пфлейдерер характеризует величину разрежения за лопостями насоса Аh уравнением:

где ф — коэффициент (для радиальных лопастей ф колеблется от 0,25 до 0,5; для осевых — от 1 до 1/4);

H — расход жидкости:

Q — напор;

n — число об/мин; z — число лопастей;

S — статический момент средней линии тока в меридиональном сечении относительно оси вращения;

b — высота лопасти. Проскура указывает, что при обтекании лопасти турбины установлена следующая зависимость, характеризующая кавитацию:

где x — длина зоны отрыва;

b — высота лопасти;

р — давление на значительном расстоянии перед лопастью;

Pd — давление паров воды в образованной «пустоте»;

y — удельный вес жидкости;

v — скорость движения жидкости перед лопастью.

При x/b < 1 кавитация имеется в конце лопасти, при x/b = 1 она охватывает всю лопасть, а при x/b больше 1 зона кавитации распространяется за пределы лопасти. Согласно Проскуре, вероятность возникновения и увеличения кавитации находится в прямом зависимости от скоростей потоков и развиваемого напора и в обратной зависимости от числа лопастей, их длины, к. п. д. турбинки и высоты всасывания.

Необходимо отметить, что возникновению кавитации в значительной мере способствует шереховатость твердых поверхностей

Очень большое значение имеют процессы кавитации и «вскипания» жидкости вне импеллера, при выбрасывании из него отдельных струй смеси пульпы и воздуха, перемешивающихся с более медленными потоками пульпы.

Учитывая данные гидродинамики об устойчивости вихрей и закономерностях турбулентного движения реальной жидкости, можно представить с большей долей вероятности следующую картину изменения давления и выделения воздуха из раствора в пульпе вокруг импеллера.

Из импеллера в камеру выбрасываются струи воздуха и пульпы, имеющей самые различные давления. Сжатие пульпы Средними (по направлению вращения) плоскостями импеллера и повторяющиеся гидравлические удары обусловливают появление многочисленных зон со значительно повышенным давлением г тыльных сторон лопастей в окружающую импеллер пульпу выходят объемы с пониженным давлением, вплоть до образования шнурообразных пустот.

При понижем и давлений в отдельных объемах пульпы выделяются в огромных количествах мельчайшие пузырьки. Часть из них при повторном повышении давления снова растворяется, но ввиду того, что по мере очень быстрого удаления от импеллера пульпа попадает в зоны с относительно небольшим давлением, значительная часть этих пузырьков не успевает раствориться и принимает деятельное участие во флотационном процессе.

Большие количества воздуха выделяются из раствора и при подъеме пульпы за счет уменьшения гидростатического давления (что особенно важно для машин пневматического типа). Подсчитано, что при подъеме пульпы, содержащей 30% руды удельным весом 2,7, на высоту 1 м в 1 л пульпы выделится из раствора около 3 см3 воздуха (при среднем размере пузырьков 0,01 мм это будет соответствовать 6*10в9 пузырьков). Если учесть, что пульпа во флотационных машинах, циркулируя, многократно перемещается от нижних уровней в верхние и обратно, то станет ясной существенная роль такой причины выделения воздуха из раствора.

Следует также отметить возможность (менее очевидную) выделения известного количества воздуха из раствора непосредственно в кормовой зоне минеральных частиц пульпы в случае достаточно больших значений чисел Рейнольдса. Количественное исследование этого фактора представляет интерес вследствие того, что в этом случае создаются крайне благоприятные условия для образования пузырьков непосредственно на минеральной частице.

Изменение концентрации растворенных газов в пульпе невдалеке от импеллера в точках, находящихся на расстоянии 10 мм одна от другой, подтверждено опытным путем. Из табл. 90 видно, что концентрация растворенного кислорода с пуском импеллера возрастает вдвое и значительно меняется в смежных точках.

Классен и Мещеряков исследовали некоторые закономерности возникновения пузырьков при выделении растворенных газов с помощью прибора, изображенного на рис. 290а.

Перед началом опыта весь прибор заполнялся исследуемым раствором. Затем в системе создавался нужный вакуум и цилиндра 1 вода переводилась в цилиндр 2 через капилляр 3.

Благодаря наличию низкого давления в цилиндре при выходе воды из капилляра 3 в ней образовалось большое количество зародышей пузырьков газа, облегчавших выделение газа из воды, находившейся в цилиндре. Выделяющийся газ собирался в цилиндре 2, а вода по трубке 4 выводилась в ресивер 5. Опытами было установлено, что для достижения динамического равновесия между количеством воды, вводимой в прибор, и количеством газа, выделяющимся из нее, необходимо пропустить через прибор 150 мл воды. После этого в цилиндре отмечался объем газов, выделившихся из раствора, и величина вакуума в системе, затем испытуемый раствор в определенном количестве вводился в цилиндр 3 за время, равное времени флотации данного объема в наших флотационных опытах. По окончании опыта отмечался объем газов в цилиндре при величине вакуума, равной исходной, с учетом поправки на гидростатическое давление, возникающее за счет разности уровней раствора в цилиндре 2 и трубке 4; вычислялся объем газов, выделившихся из раствора при заданных условиях. В опытах атмосферное давление колебалось в пределах 756—759 мм рт. ст.; температура раствора равнялась 15,5—16,2°. В таких условиях 1 л воды содержит примерно 20 мл растворенных газов. Теоретическое количество газов, которое должно выделиться из раствора при заданном вакууме, вычислялось по формуле Генри.

Влияние величины вакуума (пересыщения раствора) и концентрации соснового масла (поверхностного натяжения раствора) иллюстрируется рис. 2906. Чем выше вакуум, тем полней выделяются из воды растворенные газы. Добавление небольших количеств соснового масла резко усиливает выделение газов. При достаточно глубоком вакууме, достижение которого в вакуумных аппаратах вполне возможно, из воды выделяется окаю 90% растворенных в ней газов.

Как видно из рис. 290в, объем газов, выделяющихся из 1 л воды, весьма велик и колеблется в широких пределах, увеличиваясь с возрастанием вакуума и концентрации соснового и в растворе.

С возрастанием вакуума увеличивается диаметр пузырьков, определявшийся фотографированием (рис. 290г). Однако добавление соснового масла уменьшает размеры пузырьков, особенно при высоком вакууме. В общем получаются исключительно мелкие пузырьки (диаметром 0,1—0,2 мм). Напомним, что средний размер пузырьков при обычной флотации равен примерно 0,9 мм. Суммарная поверхность выделившихся пузырьков в 1 л воды измеряется 3—7 м2 (рис. 290д).

Процессы выделения воздуха из раствора связаны с начальном концентрацией его газов в растворе. Концентрация эта находится в прямой зависимости от начального числа пузырьков, степени их дисперсности и интенсивности перемешивания пульпы.

Для случая подчинения раствора закону Генри предложено уравнение, характеризующее кинетику растворения пузырьков

где S — начальная скорость растворения (на единицу площади поверхности пузырька);

А — поверхность пузырьков;

р — давление в них газа;

f — коэффициент выделения газа из жидкости на единицу поверхности и объема;

V — объем жидкости;

w — количество растворенного газа;

t — время растворения.

Выражая A, S и р через радиус пузырька, получим:

где n — число пузырьков.

Видно, что скорость растворения газов в пульпе тем больше, чем мельче пузырьки воздуха и чем с большим объемом жидкости они соприкасаются (т. е. чем интенсивней перемешивание). Аналогичная зависимость имеется и в случае неподчинения растворения данного газа закону Генри.

Опыты показывают, что начальная скорость растворения в воде отдельных газов примерно пропорциональна их растворимости. Поэтому, если принять скорость растворения азота за единицу, то скорость растворения кислорода составит 2,1 и углекислого газа 71. Скорости растворения газов и выделения их из раствора находятся в прямой зависимости. Поэтому в пузырьках, выделяющихся из раствора, имеется повышенное содержание углекислоты и кислорода за счет уменьшения содержания азота.

Экспериментальное исследование растворения воздуха в воде, проведенное Классеном и Мещеряковым, показало следующее. Скорость растворения газов воздуха возрастает с увеличением давления, концентрации пенообразователя и интенсивности перемешивания воды. Если барботировать воздух в воду, находящуюся под давлением в 3 атм, то насыщение раствора заканчивается в течение 1—2 мин., т. е. растворение газов происходит очень быстро.

Краткий анализ причин и механизма выделения воздуха из раствора позволяет считать, что образование таким путем воздушных пузырьков имеет большое распространение во флотируемой пульпе В общем случае количество и дисперсность пузырьков, выделяющихся из раствора, возрастают:

а) с увеличением концентрации пенообразователя и других веществ, понижающих поверхностное натяжение воды;

б) с повышением интенсивности перемешивании пульпы;

в) с уменьшением числа лопастей импеллера;

г) с повышением скоростей потока и напора, развиваемого импеллером,

д) с увеличением интенсивности циркуляции пульпы в вертикальной плоскости;

е) с повышением (до известного предела) плотности пульпы;

ж) с увеличением числа и дисперсности пузырьков воздуха, полученных механическим дроблением воздуха.

Как показано в части второй, выделению воздуха из раствора способствует наличие в пульпе минеральных частиц. При этом, чем более гидрофобна поверхность этих частиц и чем больше их суммарная поверхность в единице объема пульпы, тем большее число пузырьков выделится на них из раствора. Большим числом опытов было доказано, что выделение воздуха практически возможно лишь в присутствии газовых зародышей и частиц твердой фазы. Огромную роль играет смачиваемость частиц водой: на вполне смачиваемых гидрофильных поверхностях воздух из раствора не выделяется.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: