*r - плотность эмульсии; плотность жира сливок 0.8887 г/см 3
503. В таблице ниже приведены результаты исследования вязкости суспензий стеклянных шариков (средний диаметр 65 мкм) в водном растворе йодида цинка (состав, который предотвращал седиментацию шариков в процессе измерений):
Постройте по этим данным график зависимости приведённой вязкости от объёмной доли латекса и определить характеристическую вязкость [ при f ® 0]. Равна ли она теоретическому коэффициенту уравнения Эйнштейна для суспензий?
505. Рассчитайте молярную массу поливинилового спирта по данным вискозиметрического метода: характеристическая вязкость 0.15 м 3 /кг, константы уравнения Марка–Хаувинка K MH = 4.53 ×10 –5 л/г и a = 0.74.
506. Рассчитайте молярную массу этилцеллюлозы в анилине, используя экспериментальные данные вискозиметрического метода (константы: K MH = 6.9 ×10 –5 л/г, a = 0.72):
507. Для нескольких фракций нитрата целлюлозы в ацетоне проведены измерения вязкости при 25 °С и вычислены характеристические вязкости:
Вычислить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка для этой системы.
508. В таблице ниже приведены результаты вискозиметрических измерений растворов поли(g-бензил-L-глутамата) в диметилформамиде. Определить по ним ко-эффициенты уравнения Марка-Хаувинка.
509. В таблице ниже приведены результаты вискозиметрических измерений растворов нескольких фракций полистирола в метилэтилкетоне при 22 °С:
Найдите коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка для данной системы.
510. Для нескольких препаратов поликапролактама установлены молярные массы и определены характеристические вязкости их растворов в м-крезоле при 25 °С:
Найдите по этим данным коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка для системы поликапролактам/м-крезол.
511. Вычислить молярную массу поливинилацетата в ацетоне, пользуясь данными вискозиметрического метода (константы уравнения Марка – Хаувинка K MH = 4.2 ×10 –5 л/г, a = 0.68):
512. Определить характеристическую вязкость и коэффициент Хаггинса для поли(g-бензил-L-глутамата) в хлороформе по следующим данным:
513. Определить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка для поли изобутилена в циклогексане при 30 °С по следующим данным:
514. Растворы нескольких образцов поли пропиолактона в трифторэтаноле (ТФЭ) изучены вискозиметрически при 25 °С и была получена следующая зависимость характеристической вязкости от молярной массы:
515.
| с , вес % | 20.0 | 16.0 | 12.0 | 8.0 | 4.0 | |
| r*, г/см 3 | 0.970 | 0.975 | 0.979 | 0.983 | 0.988 | 0.993 |
| h, сПз | 0.986 | 0.857 | 0.697 | 0.612 | 0.532 | 0.476 |
*r - плотность эмульсии; плотность жира сливок 0.8887 г/см 3)
Постройте по этим данным график зависимости приведённой вязкости от объёмной доли жира и определить характеристическую вязкость [ при f ® 0]. Равна ли она теоретическому коэффициенту уравнения Эйнштейна для суспензий?
516. Растворы нескольких образцов полипропиолактона в хлороформе (трихлорметан, СHСl 3) были изучены вискозиметрически при 30 °С и была получена следующая зависимость характеристической вязкости от молярной массы:
Вычислить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка.
517. Установлено, что при 20 °С связь между характеристической вязкостью раствора полиизобутилена и его молярной массой M описывается формулой [h] (л/г) = 3.60×10 –4 ×М 0.64 . Определить молярную массу фракции полиизобутилена в растворе, характеристическая вязкость которого равна 1.80 м 3 /кг.
518. Измерения характеристической вязкости растворов нескольких фракций полиизобутилена с известными молярными массами в диизобутилене привели к следующим результатам:
Вычислить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка.
519. Рассчитайте молярную массу полистирола по характеристической вязкости его раствора 0.105 л/г. Растворитель – толуол; константы уравнения Марка– Хаувинка для данных условий: K MH = 1.7 ×10 –5 л/г, a = 0.69.
520. Вычислить молярную массу поливинилацетата в бензоле, если характеристическая вязкость его раствора равна 0.225 л/г, константы уравнения Марка–Хаувинка K MH = 5.7 ×10 –5 л/г и a = 0.70.
522. Определить молярную массу поливинилацетата в хлороформе, используя следующие данные: [h] = 0.340 л/г, константы уравнения Марка–Хаувинка K MH = 6.5 ×10 –5 л/г и a = 0.71.
521. В таблице ниже приведены результаты измерений вязкости смесей сливок со снятым (обезжиренным) молоком и дистиллированной водой как функция концентрации жира при 64 °С
| с , вес % | 20.0 | 16.0 | 12.0 | 8.0 | 4.0 | |
| r*, г/см 3 | 1.021 | 1.029 | 1.037 | 1.045 | 1.053 | 1.061 |
| h, сПз | 2.506 | 2.047 | 1.739 | 1.490 | 1.270 | 1.134 |
*r - плотность эмульсии, плотность жира сливок 0.8887 г/см 3)
Постройте по этим данным график зависимости приведённой вязкости от объёмной доли жира и определить характеристическую вязкость [ при f ® 0]. Равна ли она теоретическому коэффициенту уравнения Эйнштейна для суспензий?
523. Определить молярную массу нитроцеллюлозы, если характеристическая вязкость её раствора в ацетоне составляет 0.204 м 3 /кг, константы уравнения Марка–Хаувинка K MH = 0.89 ×10 –5 л/г и a = 0.9.
524. Для растворов нескольких образцов полипропиолактона в бутилхлориде получена следующая зависимость характеристической вязкости от молярной массы при 13 °С:
Вычислить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка.
525. Определить молярную массу этилцеллюлозы в толуоле, используя данные вискозиметрического метода (константы: K MH = 11.8 ×10 –5 л/г, a = 0.666):
526. При 25 °С была определена характеристическая вязкость растворов в тетрагидрофуране нескольких фракций полистирола с известными молярными массами:
Вычислить коэффициенты уравнения Марка-Хаувинка.
Приложение 1. Единицы измерения физических величин
Физическая величина – это произведение численного значения (числа) и единицы измерения. В СИ (официальное название : Le Système International d"Unités ) определены семь основных единиц измерения и две дополнительные (таблица 1.1). Все остальные физические величины выводятся из основных с помощью умножения или деления в соответствии с физическими законами (формулами). Например, линейная скорость движения определяется уравнением v = dl/dt . Она имеет размерность (длина/время) и единицу измерения СИ (производную от основных единиц СИ) м/с. Некоторые из производных единиц имеют собственные наименования и обозначения (таблица 1.2).
Для удобного обращения с большими или малыми численными значениями, в СИ применяются стандартные десятичные приставки, определяющие кратные и дольные десятичные производные. (Наиболее употребимые из них перечислены в табл. 1.3). Например, 1 нанометр (обозначается 1 нм) означает 10 –9 долю метра, то есть 1 нм = 10 –9 м. 1 миллипаскаль (1 мПа) означает 10 –3 паскаля. Основная единица массы “килограмм” уже имеет приставку кило-. В этом случае любые другие десятичные производные образуются от десятичной производной “грамм”. Например, 1 миллиграмм, 1 мг, означает 10 –3 г или 10 –6 кг. (Грамм является основной единицей массы в СГС и десятичной дольной единицей СИ). Если над единицей измерения с десятичной приставкой производится математическое действие, например возведение в степень, то действие относится ко всему обозначению. Например, 1 дм 3 означает 1 (дм) 3 , но не 1 д(м) 3 .
Таблица 1.1 Основные и дополнительные единицы СИ
* определение СИ: "Моль – это количество вещества, в котором содержится столько названных единиц, сколько содержится атомов в 0.012 кг изотопа 12 С. " Можно сказать иначе, моль – это количество вещества, в котором содержится N A (число Авогадро) единиц вещества, которые должны быть ясно указаны. Например, в качестве единиц вещества могут рассматриваться формульные единицы AlCl 3 , 1/3AlCl 3 , ионы, электроны, мицеллы, частицы лиофобного золя, аэрозоля, эмульсии и т.д.
Табл. 1.2 Некоторые производные единицы СИ, имеющие собственные наименования
| величина | единица СИ | выражение через другие ед. СИ | ||
| наименование | обозначение | основные | другие производные | |
| электрический потенциал, ЭДС, напряжение, | вольт | В | кг×м 2 /(А×с 3) | Дж/Кл; Вт/А; |
| мощность | ватт | Вт | м 2 ×кг/с 3 | Дж/с |
| частота | герц | Гц | с –1 | |
| энергия, работа, количество теплоты | джоуль | Дж | кг×м 2 /с 2 | Н·м, Па·м 3 , В·Кл |
| количество электричества | кулон | Кл | с×А | Дж/В |
| сила | ньютон | Н | кг×м/с 2 | Дж/м; Па×м 2 ; Кл×В/м |
| электрическое сопротивление | ом | Ом | кг×м 2 /(А 2 ×с 3) | В/А |
| давление | паскаль | Па | кг/(м×с 2) | Н/м 2 ; Дж/м 3 |
| электрическая проводимость | сименс | См | А 2 ×с 3 /(кг×м 2) | А/В; Ом –1 ; Ф/с |
| эл. ёмкость | фарад | Ф | А 2 ×с 4 /(кг×м 2) | Кл/В; Кл 2 /Дж; Дж/В 2 |
Таблица 1.3 Некоторые десятичные (дольные и кратные) приставки к единицам СИ
Согласно грамматическим правилам СИ, обозначение десятичной приставки и обозначение исходной единицы пишутся слитно и не сопровождаются точкой как указанием на сокращение наименования, однако знак пунктуации должен стоять, если этого требуют грамматические правила текста, в котором обозначение встречается. Например, если обозначение сантиметра, см, стоит в конце предложения, то точка должна стоять как обычно, см.
Произведение двух разных единиц может быть записано тремя следующими способами (на примере вязкости): Па×с, Па·с, Па с (с пробелом между множителями). Отношение двух единиц может быть записано либо через дробь (например, Н/м), либо как произведение тремя способами: Н×м –1 , Н·м –1 и Н м –1 . Отношение трёх и более единиц измерения должно записываться в соответствии с обычными правилами математики (не допускается применение трёхэтажных дробей, знаменатель должен быть ясно определён, при необходимости с применением скобок).
СИ является рекомендуемой и наиболее удобной системой единиц в теоретических вычислениях и в коммуникациях (передаче информации) в области точных наук. Однако во многих частных случаях удобным оказывается использование других единиц измерения. Например, при экспериментальных исследованиях с использованием высоких давлений удобно применять единицу измерения “бар”, а при использовании вакуума – “миллиметр ртутного столба” (аналогично тому, как при исчислении возраста человека используются не секунды или гигасекунды, а годы, тогда как для аналогичных целей в социальной истории применяются столетия). По определениям СИ, некоторые из таких единиц допускаются для “временного” применения, и применяются фактически (см. таблицу 1.4). Многие единицы из прошлой практики не рекомендованы к применению и, фактически, почти не применяются в современных измерениях, однако их так же полезно знать, так как многие источники информации (энциклопедии, справочники, другие публикации) используют их. Например, в большинстве справочных изданий по физической химии вязкость жидкостей указывается в сантипуазах, а не в единицах СИ Па·с. Важнейшие из таких единиц перечислены в табл. 1.5.
Табл. 1.4 Единицы измерения не входящие в СИ, но используемые наряду с единицам СИ
| величина | наименование | обозначение | перевод в СИ |
| время | минута | мин | 60 с |
| час | ч | 3600 с | |
| сутки | сут | 86400 с | |
| давление | бар | бар | 10 5 Па |
| длина | ангстрём | Å | 10 –10 м, 0.1 нм |
| масса | атомная единица массы | а.е.м. | 1.66054×10 –27 кг |
| дальтон | Da | 1.66054×10 –27 кг | |
| тонна | т | 10 3 кг | |
| объём | литр | л | 10 –3 м 3 , 1 дм 3 |
| миллилитр | мл | 10 –6 м 3 , 1 см 3 | |
| температура | градусы Цельсия | °С | (Т – 273.15) K |
| угол плоский | градус | ° | (p/180) рад |
| минута | ¢ | (p/10800) рад | |
| секунда | ² | (p/648000) рад | |
| энергия | электрон-вольт | эВ | 1.60219×10 –19 Дж |
Табл. 1.5 Некоторые единицы измерения, применявшиеся в физической химии в прошлой практике, и не входящие в СИ
Для перевода физических величин из одних единиц измерения в другие следует помнить определение : физическая величина – это произведение числа и единицы измерения. Рекомендуется понимать это определение буквально и обращаться с физическими величинами по обычным правилам математики. Рассмотрим некоторые примеры.
Пример 1. Вычислить, сколько метров содержится в 2 мкм (микрометр).
Представим длину l = 2 мкм как l = 2×мкм (хотя такая запись не принята). Обратившись к табл. 1.3 узнаем, что приставка "мк" означается микро-, множитель 10 –6 . Поэтому запишем l = 2×мкм = 2×(10 –6 ×м) = 2×10 –6 ×м. Таким образом, 2 мкм = 2×10 –6 м (в двух микрометрах содержится 2×10 –6 м).
Пример 2. Вычислить, сколько м 3 содержится в 2 дм 3 .
Представим объём V = 2 дм 3 как V = 2×дм 3 . Cогласно табл. 1.3, приставка "д" означает "деци-", множитель 10 –1 . Поэтому можно записать 2×дм 3 = 2×(10 –1 ×м) 3 = 2×10 –3 ×м 3 = 0.002×м 3 . То есть, 2 дм 3 = 0.002 м 3 (в 2 дм 3 содержится 0.002 м 3).
Пример 3. Дана концентрация 2 г/л. Выразить её в кг/м 3 .
Из табл. 1.3 узнаем, что пристака "кило-" единицы измерения массы "килограмм" означает множитель 10 3 , то есть 1 кг = 10 3 г или 1×кг = 10 3 ×г. Решая последнее уравнение относительно "г", получим 1×г = 10 –3 ×кг. С другой стороны, из табл. 1.4 следует, что 1 л = 10 –3 м 3 . Поэтому можно сделать следующие преобразования:
2 г/л = = =
Таким образом, 2 г/л = 2 кг/м 3 .
Пример 4. Выразить давление р = 2 кПа в атмосферах.
Из табл. 1.5 следует, что 1 атм = 101325 Па, а из табл. 1.3 – что приставка "к" (кило-) означает множитель 10 3 . Таким образом, р = 2×кПа = 2×10 3 ×Па, то есть р = 2×10 3 Па. Разделив обе части уравнения (1×атм = 101325×Па) на 101325, найдем 1×Па = 9.8692×10 –6 ×атм. Подставим эту величину в уравнение для р :
р = 2×10 3 ×Па = 2×10 3 ×(1×Па) = 2×10 3 ×(9.8692×10 –6 ×атм) = 1.9738×10 –2 атм.
Отстойники - самые простые аппараты для разделения суспензий. Для них характерны малые эксплуатационные и капитальные затраты. Однако отстойники имеют небольшую движущую силу, громоздки, а также в них не очень качественно отделяются мелкие частицы. Отстойники используются для предварительного разделения суспензий, которые содержат много твердой фазы или крупные частицы.
Центрифуги и гидроциклоны обладают гораздо большей производительностью по сравнению с отстойниками. В данных аппаратах можно отделять мелкодисперсные частицы. Недостатком таких аппаратов, особенно это касается центрифуг, является высокая стоимость эксплуатационных расходов и самого аппарата. К тому же их нельзя использовать для отделения частиц, обладающим абразивным действием.
Достаточно эффективно разделять суспензии при помощи фильтрующих центрифуг и фильтров. В таких аппаратах помимо фильтрации, происходит промывка и просушка осадка. Недостатком таких аппаратом является их дороговизна и сложность.
Скорость гравитационного разделения суспензии снижается с уменьшением размера твердых частиц, а также разности плотности обеих фаз. В случае переходного или ламинарного режим осаждения скорость разделения суспензий снижается при росте вязкости жидкой среды.
Скорость разделения может быть увеличена в поле центробежной силы. Чтобы этого достигнуть, суспензию помещают внутрь цилиндрического барабана, который вращается вокруг своей оси с большой угловой скоростью ω. При этом суспензия получает вращательное движение с такой же угловой скоростью ω. Благодаря этому твердая частица, имеющая массу т, радиус вращения r, попадает под действием гравитационной силы mg и центробежной силы mω 2 r. Данный процесс называется центрифугированием, а аппараты, которые используются для его осуществления - центрифугами.
На практике центрифугирование ω 2 r»g. Именно поэтому гравитационной силой, как правило, пренебрегают и характеризуют напряженность центробежного силового поля величиной ω 2 r. Следовательно, в процессе центрифугирования ускорения оседающих твердых частиц возрастает на величину ω 2 r/g = Ф, называемую фактором разделения. Окружная скорость равна w = ω · r, то
Ф = (ω² · r)/g = w²/(g · r) = Fr ц
где Fr ц является центробежным критерием Фруда.
Осадительные центрифуги являются аппаратами для центрифугального осаждения и используются для разделения суспензий, которые имеют объемную концентрацию твердой фазы до 40%, а также состоят из частиц, размер которых колеблется от 0,005 до 10 мм. В процессе центрифугирования образуется осадок с небольшим содержанием жидкой фазы, а также осветленная жидкость, называемая фугатом .
Центрифуги можно разделить по фактору разделения Ф на нормальные (Ф<3500) и сверхцентрифуги, а также по рабочему режиму центрифуги разделяются на непрерывного и периодического действия. Осадительные центрифуги разделяются на сепарирующие, универсальные, осветляющие и обезвоживающие. К конструктивным характеристикам центрифуг относятся расположение вала и его опор, степень герметизации, способ выгрузки и взрывобезопасность.
Обезвоживающие центрифуги используются для сильного обезвоживания суспензий высокой концентрации. Универсальные центрифуги применяются для разделения низко- и среднеконцентрированных суспензий в том случае, если имеются умеренные требования к чистоте и влажности фугата. Осветляющие центрифуги используются для выделения высокодисперской твердой фазы из суспензий, где ее концентрация невелика. Сепарирующие центрифуги применяются для разделения нестойких эмульсий.
Для того чтобы разделить суспензию, которая имеет объемную концентрацию твердой фазы а о от 5 до 30% и размеры частиц от 5 да 40 мкм, используются центрифуги периодического действия, имеющего механическую выгрузку осадка. Такая центрифуга имеет два режима питания.
По первому режиму питания подача суспензии в барабан идет до его заполнения, а после завершения процесса центрифугирования фугат удаляется по отводной трубке. Конец этой трубки постепенно приближается к поверхности слоя осадка. После этого трубка принимает свое исходное положение. А осадок, который образуется в результате центрифугирования, срезается ножом, который постепенно проникает в этот слой. После завершения нож возвращается в начальное положение, и рабочий цикл начинается заново.
По второму режиму суспензия некоторое время поступает непрерывно, а фугат переливается через борт до того момента, как накапливается осадок определенной толщины. В этот момент прекращается подача суспензии, остаток фугата отводится по трубке. Осадок же срезается ножом, как и в первом режиме.
Для того чтобы разделить тонкодисперсные суспензии, которые имеют размер частиц 0,5-1,5 мкм, а также низкоконцентрированные суспензии, используются трубчатые сверхцентрифуги. Рабочим органом таких центрифуг является вертикальный барабан. Суспензия попадает в центрифугу через дно барабана, потом огибает распределительный диск и перемещается вверх, вращаясь вместе с барабаном. В таком барабане предусмотрено 3-4 ребра, которые обеспечивают суспензии частоту вращения барабана. Благодаря хорошему фактору разделения твердая фаза оседает на стенки барабана, а фугат постоянно удаляется из отверстия, которое находится на головке центрифуги. Осадок необходимо удалят вручную после того, как центрифуга будет остановлена, а ротор - разобран.
Такие центрифуги используются также для разделения стойких эмульсий, которые расслаиваются при продвижении вверх на легкую и тяжелую фазу. Тяжелая фаза при этом удаляется через периферийные отверстия, а легкая фаза - через центральные. Для определения положения разделения обеих фаз используется сменное кольцо, диаметр которого зависит от объемного соотношения и плотности фаз.
Трубчатые центрифуги имеют большую скорость и хорошую удельную производительность при небольшом объеме барабана. Однако из-за большой скорости вращения длина и диаметр барабана ограничены, чтобы достичь максимальной прочности. Поэтому диаметр барабана не может превышать 150 мм, рабочий объем - 10 дм 3 , а длина 1м.
Контроль суспензии
К атегория:
Производство точных отливок
Контроль суспензии
Изменение качества керамических форм (их прочности, газопроницаемости или теплового расширения) сигнализирует обычно о нарушениях технологического процесса. Поэтому необходимо хорошо знать влияние факторов, которые приводят к нарушению четкости технологии, особенно при массовом выпуске продукции.
Поскольку в ЧССР для производства оболочковых форм используют главным образом пылевидный кварц, кварцевый песок
И ЗТиЛсиЛиКаТ, то контроль суспензии направлен на исследование свойств этих исходных материалов.
На прочность керамических форм влияют следующие параметры:
– форма и величина зерен огнеупорного порошка в суспензии и обсыпочного материала;
– концентрация условной двуокиси кремния в суспензии;
– количество связующего в суспензии;
– технология нанесения слоев и их сушка.
Данные о влиянии величины зерен пылевидных огнеупоров на свойства керамических форм рассмотрены очень подробно в технической литературе. При этом указывается, что правильный интервал зернистости пылевидного огнеупора относится к главным факторам, определяющим его прочность, и что на прочность керамических форм влияет не только величина, но и форма частиц.
Обычно считается, что при крупнодисперсном пылевидном ог-неупоре керамические формы имеют меньшую прочность при изгибе, чем при мелкодисперсном. С уменьшением величины зерна и с увеличением его удельной поверхности растет прочность керамических форм, но до определенной величины, а затем опять снижается. Это доказывают результаты исследований, проведенных на заводе ZPS г. Готвальдов.
При постоянных рабочих условиях (постоянной вязкости суспензии, зернистости обсыпочного материала, концентрации условной двуокиси кремния в связующем, при постоянной технологии нанесения слоев, сушке и прокаливании керамических форм) испытывали на прочность при изгибе керамические формы, изготовленные из пылевидного кварца с различным распределением зернистости и с различной удельной поверхностью. Из результатов видно, что максимальная прочность керамических форм достигается при удельной поверхности от 5000 до 8000 см2/г.
Пылевидный кварц изготовляют путем размола кварцевого-песка. При размоле происходит постепенное измельчение зерен песка (в результате их раскалывания и истирания). При длительном размалывании частицы становятся очень мелкими, даже почти коллоидными.
В зависимости от способа и времени размола образуется различное количество коллоидных частиц. Такие частицы имеют очень большую поверхность, которая обладает так называемой механической активацией. Так как способы размалывания поставляемого пылевидного кварца различны (мокрые или сухие), то количество коллоидных частиц будет разным. Влияние коллоидных частиц пылевидного кварца на прочность керамических форм при изгибе было исследовано на опытных образцах. Наносили слои из смеси пылевидного кварца известной зернистости и пыли с высоким содержанием коллоидного кварца. Связующим был гидролизованный раствор этилсиликата с содержанием 115 г/л условной двуокиси кремния.
Опытные образцы изготовляли в постоянных условиях (нанесение слоев, сушка и прокаливание). Пыль представляла собой почти коллоидный кремнезем - отход при производстве кристаллического кремнезема с величиной частиц до 1 мкм.
Результаты исследований показали, что с увеличением доли коллоидного кремнезема в суспензии до 5% прочность оболочек на изгиб снижается медленно, затем быстрее, а при 15% образцы практически не имели прочности.
Согласно литературным данным прочность на изгиб очень мало зависит от обсыпочного материала с малым разбросом зернистости. Но если разброс зернистости достаточно велик, то влияние на прочность больше. Отмечается также, что на прочность керамических форм влияет и форма зерен.
Практический опыт показал, что зернистость кварцевого песка для обсыпки в пределах 0,06-0,5 мм не влияет на прочность оболочковой формы в тех случаях, когда величина зерна более или менее постоянна. С увеличением в песке очень мелких частиц прочность формы повышается.
Соотношение между качеством суспензии и величиной зерна обсыпочного материала определяется вязкостью суспензии. Керамическая форма из суспензии с максимальной вязкостью, обсыпанная мелким песком, будет иметь максимальное содержание суспензии по сравнению с формой, изготовленной из суспензии с низкой вязкостью, но обсыпанной крупным песком.
Суспензия для этих образцов имела вязкость 40 ± 2 с (при 24 °С) по воронке Форда (диаметр отверстия 6 мм). При очень густой суспензии (65-70 с), т. е. при высоком соотношении суспензии к массе обсыпочного материала, образуется форма с низкой прочностью. Это, вероятно, можно объяснить тем, что при гелеобразо-вании суспензии, в которой относительно мало песка, происходит ее растрескивание. Сетка трещин является причиной снижения прочности керамических форм. Прочность на изгиб керамических форм, изготовленных обсыпкой кварцевым песком с величиной зерна 0,2-0,4 мм с увеличивающейся вязкостью обмазки, приведена в табл. 79.
Обсыпочный мелкий кварцевый песок также влияет на прочность керамических форм при изгибе. Для густой суспензии не пригоден мелкий обсыпочный песок, так как на слоях керамической формы такой песок плохо держится и не обеспечивает хорошую связь отдельных слоев. Керамические формы из таких слоев имеют невысокую прочность. Вязкость суспензии составляла 70 ± 2 с по воронке Форда диаметром 6 мм.
Существенное влияние на прочность при изгибе керамических форм оказывает концентрация условной двуокиси кремния в связующем. В работе указывается, что прочность силли-манитовых керамических форм повышается с увеличением в гидро-лизованном растворе этилсиликата содержания условной двуокиси
кремния. Это же относится и к керамическим формам из кремнеземистых материалов.
Вязкость суспензии при всех концентрациях условной Si02 одинакова и составляет 30 ± 2 с при 22-24 °С.
Зернистость обсыпочного песка была в пределах 0,1-0,3 мм (испытания проводили на заводе ZPS г. Готвальдов).
На газопроницаемость керамических форм влияют следующие факторы: величина и форма зерна пылевидного огнеупора и обсыпочного материала; концентрация и тип жидкого связующего; температура и время прокаливания керамических форм.
Газопроницаемость снижается с повышением дисперсности пылевидного огнеупора (это относится к пылевидным огнеупорам вообще). Подтверждением этого являются результаты испытаний корундовых форм, изготовленных из суспензии, твердой фазой которой являлся искусственный пылевидный корунд различной зернистости. Концентрация условной SiO, в связующем составляла 20% (ZPS г. Готвальдов). Вязкость суспензии при 20-24° С была 18-20 с (по воронке Форда). Для экспериментов использовали огнеупорный порошок корунда В К 280-320 и М32. В качестве обсыпочного материала применяли корундовый песок ВК 36.
Критерием газопроницаемости являлась пропитываемость прокаленных керамических форм по CSN 726010. Результаты измерений представлены в табл. 83. Величины пропитываемости не отражают газопроницаемость, определенную соответствующим измерением объема воздуха, проходящего через материал в единицу времени под постоянным давлением. Пропитываемость характеризует только открытые поры (связанные с поверхностью), в которые может проникнуть жидкость. По величинам пропитываемости можно судить лишь о качественном изменении газопроницаемости.
Влияние зернистости обсыпочного материала на газопроницаемость керамической формы из молохита описано в работе. Согласно сообщениям авторов этой работы газопроницаемость керамических форм увеличивается с увеличением величины зерна обсыпочного материала только до определенной величины, а затем с увеличением крупности зерна снова снижается, особенно при суспензиях с высокой вязкостью.
Снижение газопроницаемости керамических форм с грубым обсыпочным материалом объясняется тем, что между его частицами имеются свободные пространства, в которые при повторном погружении легко проникла суспензия. Особенно это проявляется в тех случаях, когда суспензия очень вязкая, не вытекает из зазоров и они полностью ею заполняются. Аналогичные испытания были проведены на ZPS г. Готвальдов и с кварцевыми керамическими формами. Вязкость суспензии с пылевидным кварцем составляла 30 ± 2 с при 22-24° С по воронке Форда.
О влиянии качества связующего на газопроницаемость керамических форм сообщается в работе. Газопроницаемость керамических форм из суспензии на гидрозолях меньше, чем газопроницаемость форм, изготовленных на этилсиликатных связующих с органическими растворителями.
Испытания с гидрозолем Si02 на заводе ZPS г. Готвальдов показали, что пористость керамических форм, определяемая пропи-тываемостью, значительно выше, чем пористость керамических форм из алкозолей. Из этого следует, что газопроницаемость форм с гидрозольными связующими должна быть не ниже газопроницаемости формы с этилсиликатными связующими. Такая несогласованность с литературными данными может быть объяснена различным характером связующей пленки. Связующим при этих испытаниях был Ludox SM40 с очень мелкой коллоидной дисперсией Si02 (мельче, чем имеет связующее Syton 2). Наполнитель суспензии - пылевидный кварц, обсыпочный материал - кварцевый песок. По данным работы, огнеупорным материалом был молохит.
Исследования показали, что газопроницаемость, определенная по пропитываемости, повышается, если смешиваются два огнеупорных материала с различной формой зерна, причем прочность на изгиб керамических форм не снижается. Пропитываемость керамических форм, изготовленных из смеси пылевидного кварца и молотого корунда зернистостью 280/380 с алкогольным связующим, содержащим 118 r/л условной двуокиси кремния, после прокаливания была более высокая.
Повышение газопроницаемости керамических форм подтвердилось и при практическом испытании на отливках.
Рис. 1. Сверла для дерева, отлитые в формах из кварца рундом
При повышении температуры и длительности прокаливания прочность керамических форм повышается. Газопроницаемость повышается только в том случае, если в суспензии нет веществ, снижающих температуру плавления огнеупорных материалов. В противном случае происходит снижение газопроницаемости керамических форм.
В исследованиях, проведенных на заводе ZPS г. Готвальдов, изучали влияние технологии на важнейшие свойства, такие, как прочность на изгиб и газопроницаемость. При обычном изготовлении керамических форм для первых слоев использовали более жидкую суспензию, а для последующих более густую. Для жидкой суспензии применяли мелкий обсыпочной материал, для густой - крупный.
Керамические формы можно изготовить также погружением блока сначала в жидкую, а после стекания избытка - в густую суспензию. Цель испытаний - проверить, влияет ли существенно такая технология на прочность и газопроницаемость керамических форм.
Из суспензии, состоящей из пылевидного кварца и гидролизо-ванного раствора этилсиликата с концентрацией 115 г/л условной двуокиси кремния и кварцевого песка в качестве обычного материала, изготовляли опытные образцы четырьмя различными способами при нанесении слоев:
1) первый слой - жидкая суспензия, обсыпка мелким песком. Остальные слои - густая суспензия, обсыпка крупным песком;
2) первый слой - жидкая суспензия, обсыпка мелким песком. Второй слой - густая суспензия, обсыпка крупным песком. Остальные слои - так же, как первый слой;
3) первый слой - густая суспензия, обсыпка [крупным песком. Остальные слои-жидкая суспензия, обсыпка очень мелким песком;
4) все опытные образцы сначала погружали в жидкую суспензию, а после стекания ее избытка - в более густую; обсыпка крупным песком. Вязкость суспензии определяли по вороке Форда с отверстием диаметром 6 мм при 21-23° С.
В другой серии экспериментов проверяли влияние выдержки модельного блока в суспензии и времени стекания ее избытка перед обсыпкой на те же свойства керамических форм. Из данных табл. 87 следует, что изменения в технологии не влияют существенно на свойства керамических форм.
Исследовали также влияние вязкости суспензии при постоянных условиях на газопроницаемость керамических форм при различных температурах (табл. 88). Из этих данных видно, что с повышением вязкости суспензии газопроницаемость оболочки существенно снижается при всех вариантах сушки форм. Толщина керамических оболочек была постоянной, равной 4,5 мм (±5%).
Газопроницаемость оценивали по прохождению количества газов (в см3) через 1 см2 поверхности керамической формы за 1 мин.
Другими технологическими факторами, которые влияют на основные свойства керамических форм, являются сушка слоев, продолжительность и температура прокаливания. Прочность керамических форм с наполнителем-пылевидным кварцем при сушке на воздухе составляет 3,1-3,3 МПа; после отверждения аммиаком - только 1,48-1,56 МПа. В качестве связующего использовали гидролизованный раствор этилсиликата с разбавителем - спиртом.
У керамических форм, изготовленных из суспензии с гидрозолем кремнезема, также происходит изменение прочности, если их отверждают химическим способом вместо спокойной сушки на воздухе. В табл. 89, по данным английской литературы , даны для сравнения свойства керамических форм из молохита и гидрозоля (SYNTON 2х) с 30% Si02, высушенных на воздухе и отвержденных химическим способом. Наибольшую прочность имели керамические формы с гидрозолем Si02, которые высушивались спокойно на воздухе.
Контроль суспензии ограничивается измерением вязкости. В большинстве стран вязкость суспензии определяют по времени истечения суспензии из воронки Форда типа В или из вискозиметра Zahn . Только в исключительных случаях (согласно литературным данным) измеряется динамическая вязкость
в сантипуазах на вращающемся вискозиметре Брукфильда.
В ЧССР используют воронку Форда. Форма и размеры такой воронки и способ измерения в ЧССР , как и в некоторых других странах, нормализованы.
Рис. 2. Схема усовершенствованного вискозиметра Zahn
Замеренные величины вязкости должны быть всегда дополнены данными о величине отверстия воронки и температуры при определении вязкости.
В Англии диаметр отверстия воронки обозначается цифрой, которая ставится у буквенного обозначения типа воронки Форда - воронки В2, В3, В4, Въ.
Вискозиметр Zahn имеет сменные втулки с пятью различными диаметрами. При определении вязкости по воронке Форда за конец измерения принимают момент, когда струя суспензии прерывается, переходя в отдельные капли; при измерении вязкости вискозиметром Zahn окончанием измерения считают момент времени, когда на снижающемся уровне суспензии показывается острие стержня, установленного на дне воронки.
Важным фактором при измерении времени истечения суспензии является температура, так как с ее изменением изменяется и время истечения. Согласно данным работы время истечения значительно сокращается при повышении температуры. Так, если время истечения суспензии из воронки Форда В4 при 26° С составляет 130 с, то вязкость снижается при повышении температуры до 36° С до 96 с.
Время истечения суспензии имеет, естественно, объективное значение только при условии, что состав связующего и зернистость пылевидного огнеупора не изменяются. В противном случае суспензия при одинаковом времени истечения будет иметь различные соотношения между пылевидным огнеупором и связующим и изготовленные керамические формы будут иметь различные свойства. Поэтому данные о вязкости суспензии должны всегда сопровождаться сведениями о концентрации условной Si02 в связующем, а также о составе и зернистости пылевидного огнеупора или о его величине удельной поверхности.
С увеличением концентрации условной Si02 в жидком связующем и величины поверхности пылевидного огнеупора при постоянном отношении связующего и пылевидного огнеупора время истечения суспензии будет увеличиваться.
Из анализа всех этих условий, влияющих на вязкость суспензии, следует, что вязкость не может быть определяющим фактором для оценки качества керамической формы. Поэтому изыскивают методики, которые позволили бы найти зависимость качества керамических форм от их прочности и газопроницаемости.
Контроль исходных материалов для приготовления суспензий. В предыдущей главе был рассмотрен ряд факторов, которые оказывают влияние на качество керамических форм. Установлено, что качество керамических форм зависит прежде всего от стандартного качества используемых исходных материалов. Значит, одним из важнейших этапов входного контроля является контроль всех исходных материалов. Поэтому исследователи всех стран стремятся создать производственные способы испытания исходных материалов для осуществления быстрого и точного контроля производства керамических форм.
Контроль пылевидного кварца состоит в определении влажности, количества примесей, щелочности и зернистости. Наибольшая допускаемая влажность 1% (если она выше, необходимо пылевидный кварц сушить). Содержание примесей в пылевидном кварце должно быть минимальным; согласно данным работы молотый p-кварц, используемый в США , состоит из 99,8% Si02 и примесей: 0,11% А1203, 0,033% Fe203, 0,022% ТЮ2 и СаО и MgO (следы). Кварцевые порошки, используемые в ЧССР , не отличаются такой чистотой. Содержание в них А1203 и Fe203 бывает выше. Так как эвтектика с низкой температурой плавления в системе Si02-А1203 образуется при 5% А1203, то при нагреве кварца до 1300° С практически не образуется соединений с низкой температурой плавления, а только твердые растворы ; это не влияет на огнеупорность и на газопроницаемость керамических форм, содержащих 0,25-0,30% А1203 или Fe203. Но это может сказаться на хрупкости керамических форм, так как Fe203 при температуре 575-900° С диффундирует в кристаллическую решетку Si02. Содержание окислов кальция и магния в пылевидном кварце ЧССР бывает больше указанного.
Совершенно не допускается содержание элементарного железа которое окисляется в кислой среде жидкого связующего и сдвигает рН до неустойчивой области, чем вызывает преждевременное гелеобразование связующего. Живучесть суспензии при этом сокращается. При прокаливании керамических форм железо окисляется, а его соединения с кислородом (FeO, Fe203) образуют с Si02 соединения с низкой температурой плавления. Это сопровождается появлением дефектов на поверхности отливок.
Количество щелочных примесей в наполнителе должно быть минимальным. Высокая щелочность сокращает живучесть суспензии. Щелочность можно снизить повышением содержания кислоты в суспензии по эквиваленту, соответствующему количеству, потребному для связывания ионов Са++ или других веществ, повышающих концентрацию ионов ОН”.
Опыт показал, что щелочность, вызываемая СаО при его содержании до 0,035%, не уменьшает живучесть суспензии. Щелочность определяют кипячением навески пылевидного кварца в определенном количестве кислоты децинормальной концентрации. Неизрасходованную кислоту оттитровывают децинормальным раствором едкого натра. Кислоту, израсходованную для нейтрализации растворенных щелочей, пересчитывают на содержание СаО (в %).
По CSN 721531 зернистость пылевидного огнеупора определяют просеиванием на ситах по CSN 721263; мельчайшие частички (до 0,06 мм) определяются седиментационными испытаниями по Andreasen или Casagrand (CSN 721127). Эти способы простые, но требуется длительное время испытания для того, чтобы получить правильные и воспроизводимые результаты.
Долю мелких частиц можно определить и другими способами. Имеются сообщения о проведении ситового анализа и очень мелких огнеупорных порошков - до величины зерна около 2 мкм; при этом применяют металлические плетеные сетки. Ситовой анализ проводят мокрым способом и результаты сравнивают с результатами других способов.
Наиболее простым является способ определения с помощью седиментационных весов; на них определяют количество частиц, осадившихся за определенное время. Специальные фирмы изготовляют седиментационные весы с автоматическим регистрированием результатов взвешивания, как, например, седиментационные весы фирмы Sartorius-Werke G. М. В. Н. (Геттинген, ФРГ ).
Долю мелких частиц в пылевидном огнеупоре можно определить и турбидиметрическим способом, основанным на измерении интенсивности света при прохождении его через дисперсионную среду с частицами пылевидного огнеупора. Анализ проводится при помощи фотоэлектрического турбидиметра Вагнера. Преимущество турбидиметрического способа по сравнению с остальными седиментационными способами состоит в существенном сокращении времени анализа.
Для получения точных кривых распределения величины зерна и крупных частиц рекомендуется комбинировать турбидиметри-ческий способ с седиментационным взвешиванием. Седиментационные методы обычно не позволяют точно определять частицы менее 2 мкм. Седиментация таких мелких частиц длится долгое время, и определенные величины не точны вследствие броуновского движения молекул.
Величину зерна можно определять и при помощи вычислительных машин, например прибором Coulter-Counter. К суспензии анализируемого порошка добавляют электролит (NaCl), чтобы она была электропроводна, и измеряют сопротивление между двумя сосудами, разделенными капиллярной стенкой. По этому капилляру проходит суспензия. При проходе каждой частицы увеличивается сопротивление, изменение которого регистрирует электронный прибор. Максимальное увеличение сопротивления характеризует величину зерна. Если известна величина зерна, то можно определить величину удельной поверхности, и наоборот.
Наиболее часто для измерения удельной поверхности частиц применяют способы, основанные на адсорбции мономолекулярных слоев. Самым обычным является определение удельной поверхности частицы адсорбцией азота в соответствующих устройствах.
Способ BET используют только для частиц с относительно большой удельной поверхностью. Для кремнезема, например, такой поверхностью обладают частицы размером менее 20 мкм.
Кроме ранее приведенных приборов для измерения величины зерна иностранные фирмы предлагают много различных приборов. Некоторые из них работают в автоматическом режиме, такие, как гранулометр TURZ62 производства VEB Transformatoren und Rontgenwerke (Дрезден, ГДР ); седиграф - модель 5000 производства Micromeritics Corp. (США ); фотоседиментометр производства Microscal Ltd. (Лондон, Англия); турбидиметр производства Evans Electro Scienium Ltd. (США ); автоматический анализатор величины зерна SF 82, ASTMD -422 производства Matodo Testing Machine Co. (Токио, Япония).
Чтобы контроль зернистости пылевидного кварца был целесообразным, требуется знать допускаемые отклонения в величинах зерен. По опыту ZPS г. Готвальдов оказалось наивыгоднейшим следующее распределение величины зерна в пылевидном кварцевом порошке:
Контроль этилсиликата и спирта. Обычно контроль этилсиликата 40 ограничивают определением плотности пикнометром, которая характеризует содержание условной двуокиси кремния,и определением концентрации соляной кислоты методом титрования. Рекомендуется также определять содержание фракции с температурой кипения до 110 °С и содержание низкомолекулярных веществ.
Для этилсиликата 40 производства ГДР (завода VEB Chemie-Werk Niinch-ritz) по стандарту TGL 21405 характерны следующие величины: плотность при 20° С 1,04-1,06 г/л, температура воспламенения 60° С, содержание Si02 38-42%, НС1 не более 0,1%, низкомолекулярных веществ не бол ее 15%. Это чистая несмешиваемая с водой и смешиваемая со спиртом в любом соотношении жидкость, смесь этокси-полисилоксанов (преимущественно додекаэтоксиполисилоксанов).
По данным завода ZPS г. Готвальдов в этилсиликате 40 может быть до 8% фракции с температурой кипения до 110 °С.
Изготовители рекомендуют оценивать пригодность этилсиликата для приготовления связующего определением времени геле-образования. Этот параметр определяют следующим образом. В пробирке смешивают последовательно 10 мл пробы этилсиликата с 2 мл этилового спирта и 4 мл концентрированной соляной кислоты. Раствор в пробирке тщательно перемешивают, чтобы он стал гомогенным, и затем пробирку с раствором устанавливают в термостат, где выдерживают при 20 ± 0,5° С. Начало гелеобра-зования определяют по моменту очень медленного течения раствора при наклоне пробирки. Время гелеобразования - это промежуток от начала испытания до полного гелеобразования (прекращение движения раствора при наклоне пробирки).
В безводном этиловом спирте (CSN 660835), денатурированным добавкой 2% технического бензина, определяют содержание спирта спиртометром. При производственных испытаниях рекомендуется определять пригодность спирта для приготовления связующего следующим образом: 200 мл этилсиликата разбавляют 100 мл’ испытываемого этилсиликата спирта, добавляют 20 мл воды и 1 мл концентрированной соляной кислоты. Всю смесь хорошо перемешивают интенсивным встряхиванием колбы, в которой находится жидкость. Если температура раствора начинает значительно повышаться (40-45° С), то это свидетельствует о прохождении гидролиза. Одновременно аналогично определяют пригодность этилсиликата для приготовления связующего.
Все испытания исходных материалов подробно описаны в специальной литературе.
Рис. 4. Оптимальный гранулометрический состав пылевидного кварца
Изобретение может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др. Способ заключается в том, что измеряют вязкость жидкой фазы μ ж и суспензии μ c при различных скоростях сдвига S i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε). Производят графическое построение функциональных зависимостей μ жi =ft и μ ci =fS i , (1-ε), определение коэффициентов, значения содержания твердого (1-ε), а также значений вязкости μ сi по установленному уравнению. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам определения вязкости и реологических характеристик ньютоновских и неньютоновских жидких сред - суспензий и может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др.
Известен способ измерения вязкости жидкой среды по авторскому свидетельству СССР № 371478, заключающийся в последовательном прохождении жидкости через две капиллярные трубки одинакового диаметра, но разной длины, замере перепада давления и расхода жидкости, по которым рассчитывают величину вязкости. Данным способом можно определить лишь вязкость перемещаемой среды без замера скорости сдвига, оказывающей влияние на величину вязкости.
Более совершенным по отношению к рассмотренному выше является способ определения реологических характеристик вязкопластичных сред по авторскому свидетельству СССР № 520537 на 3-канальном капиллярном вискозиметре путем прокачивания исследуемой среды через три разные системы капилляров, оснащенных капиллярными трубками разной длины и диаметра, с измерением перепада давлений по длине капилляра одного диаметра и расхода жидкости.
Этот способ позволяет по трем параллельным замерам рассчитать потери напора на трение в капиллярных трубках разной длины и диаметра и по этим данным определить значения вязкости исследуемой среды и напряжение сдвига.
Недостатки способа: громоздкость устройства, необходимость оснастки вискозиметра дополнительной системой подачи исследуемой среды, неизбежны погрешности в измерениях, связанные с потерей давления на входе в каждый капилляр. В случае проведения исследований на разбавленных водных суспензиях с быстрорасслаивающейся твердой фазой при ламинарном течении возможно отложение осадка на горизонтальных капиллярных трубках, что приведет к дополнительным погрешностям при измерениях.
Известен более простой способ определения вязкости суспензий [А.Н.Плановский, В.Н.Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат, М., 1962, с. 294], включающий измерение вязкости жидкой фазы, соответствующей температуре суспензии, и содержания твердого в суспензии, в котором вязкость суспензии определяют по эмпирическому уравнению:
μ с =μ ж ,
где μ ж - коэффициент вязкости жидкой фазы, сП,
ε - доля жидкой фазы в единице объема суспензии, д.е.,
4,5 - коэффициент приведения.
Основной недостаток способа состоит в том, что в нем не учитывается влияние скорости перемещения суспензии. Для ньютоновских жидких сред по мере увеличения скорости перемещения значение коэффициента μ с повышается, а на неньютоновских, наоборот, - понижается. Поэтому приведенное уравнение не пригодно для определения коэффициента вязкости суспензий, в которых при их перемещении - перемешивании или перекачивании - проявляется тиксотропность, присущая неньютоновским средам.
Последний из рассмотренных способов, как наиболее близкий по существу к заявляемому, принят за прототип.
Задачей изобретения является учет скорости сдвига суспензии при определении ее вязкости с использованием стандартного вискозиметра, на котором возможен замер скорости сдвига и термостатирование перемешиваемой суспензии, что позволит повысить точность определения вязкости суспензии.
Технический результат достигается тем, что способ определения вязкости суспензии включает измерение вязкости жидкой фазы μ ж и суспензии μ с при различных скоростях сдвига S i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε), графическое построение функциональных зависимостей μ жi =ft и μ ci =fS i , (1-ε), определение коэффициентов значения содержания твердого (1-ε) и значений вязкости μ ci по уравнению:
где t - температура суспензии, °С,
Коэффициент, учитывающий влияние относительной скорости сдвига и содержания твердого на изменение структуры суспензии и (1-ε),
K t - температурный коэффициент (K t =1 при t≤60°С, K t =1,07 при t=61-90°С),
K ОС - коэффициент приведения (К ОС ≠1, 10).
Исследования реологических характеристик суспензий проводились на ротационном вискозиметре системы Брукфилд (Brookfield 2005 Catalog. Viscometers, Rheometers; Texture Analyzers for Laboratory and Process Applications). На данном приборе вязкость определяется через измерение крутящего момента, который возникает на валу шпинделя, погруженного в исследуемую среду - суспензию. Во время измерений можно менять частоту вращения шпинделя (n шп) посредством переключения тумблера, а также подбирать диаметр шпинделя (d шп). Суспензия помещается в термостатированный стакан несколько большего диаметра (D ст) и при необходимости перемешивается в стакане магнитной мешалкой. Частота вращения шпинделя пересчитывается в скорость сдвига (S) по формуле:
где r шп, R ст - радиусы шпинделя и стакана соответственно.
Для определения коэффициентов, входящих в уравнение определения вязкости, замеры выполняются при изменении параметров суспензии: содержания твердого Т/Ж или (1-ε), μ ж и температуры t, а также S (не менее 3-х замеров на каждом параметре).
На примере суспензий красного шлама с Т/Ж=1,2; 1,0; 0,5 и 0,33 (1-ε=0,257; 0,224; 0,126 и 0,087 соответственно), и концентрацией раствора по Na 2 O=2,5 г/л и Al 2 О 3 =2 г/л, термостатированных при t=25-60°С и 90°С (μ ж =0,7 и 0,4 соответственно) были измерены на ротационном вискозиметре коэффициенты динамической вязкости μ ci при скоростях сдвига S=0,8-1,61-4 с -1 (режим соответствует перемещению суспензии в сгустителе), S=8,05-16,6-34,7 с -1 (при перемешивании в цепных мешалках) и S=80,8-159 с -1 (при гидротранспорте в трубе).
Результаты измерений μ ci представлены на фиг.1 в виде функциональной зависимости μ ci =fT/Ж для приведенных выше значений S i , t и μ ж:
S=0,8-4 с -1 , кривая 1 (t≤60°С), кривая 2 (t=90°C),
S=8,05-34,7 с -1 , кривая 3 (t≤60°С), кривая 4 (t=90°C),
S=80,8-159 с -1 , кривая 5 (t≤60°С), кривая 6 (t=90°C).
| Таблица | |||||
| Расчетные значения коэффициентов, входящих в уравнение | |||||
| Наименование параметра | Значение коэффициентов, д.е. | ||||
| Т/Ж (1-ε) | 1,2 (0,257) | 1,0 (0,224) | 0,5 (0,126) | 0,33 (0,087) | |
| K S1 | t, °C | μ ж | S=0,8-4,0 с -1 (при сгущении) | ||
| 60 | 0,7 | 4,3 | 4,24 | 4,18 | 4,12 |
| 90 | 0,4 | ||||
| K S2 | 60 | 0,7 | S=8,05-34,7 с -1 (при перемешивании) | ||
| 4,04 | 3,93 | 3,77 | 3,56 | ||
| 90 | 0,4 | ||||
| K S3 | 60 | 0,7 | S=80,8-159 с -1 (при гидротранспорте) | ||
| 3,96 | 3,71 | 3,23 | 3,01 | ||
| 90 | 0,4 | ||||
| К ос =14 кругом, K t =1 при t≤60°С, K t =1,07 при t=61-90°C кругом |
Для нахождения промежуточных значений коэффициентов K S построен по данным таблицы график на фиг.2 зависимости K S =fS для:
1. Т/Ж=1,2 или (1-ε)=0,257,
4. 0,33 (0,087).
Пригодность уравнения с использованием коэффициентов таблицы проверялась на примере нижеприведенного расчета.
Пример. В суспензии красного шлама была измерена на ротационном вискозиметре вязкость μ С =3000 сП при скорости сдвига S=1,61 с -1 , определены содержание твердого Т/Ж=0,33 или (1-ε)=0,087 и концентрация раствора (жидкой фазы), для которой значение μ ж =0,7 при температуре 25°С. Подставляя значения коэффициентов из таблицы, соответствующие условиям измерения, определим расчетную величину вязкости данной суспензии по предложенному выше уравнению:
μ ci =0,7·(1+0,087·14 4,12·1)=0,7+0,061·14 4,12 ;
lg(μ ci -0,7)=lg0,061+4,12·lg14=-1,215+4,12·1,146=-1,215+4,72=3,505;
μ ci =0,7+3200=3200,7 сП.
По вискозиметру μ с =3000 сП. Следовательно, относительная погрешность измерения составит:
Δ max =(3200,7-3000)·100/3000=6,69%.
На более густой суспензии с Т/Ж=1,2 измеренная величина вязкости при прочих равных условиях составила 12000 сП, а расчетное значение - 12284 сП, для которых Δ min =2,37%.
Таким образом, погрешность расчета по уравнению была в пределах 2,4-6,7%, что вполне допустимо при замерах ротационным вискозиметром такого вида суспензий.
Способ определения вязкости суспензии, включающий измерение вязкости жидкой фазы μ ж и суспензии μ c при различных скоростях сдвига S i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε), графическое построение функциональных зависимостей μ жi =ft и μ ci =fS i , (1-ε), определение коэффициентов 
, значения содержания твердого (1-ε) и значений вязкости μ ci по уравнению
где t - температура суспензии;
Коэффициент, учитывающий влияние относительной скорости сдвига и содержания твердого на изменение структуры суспензии и (1-ε);
K t - температурный коэффициент (K t =1 при t≤60°C, K t =1,07 при t=61-90°С),
Изобретение может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др. Способ заключается в том, что измеряют вязкость жидкой фазы ж и суспензии c при различных скоростях сдвига S i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-). Производят графическое построение функциональных зависимостей жi =ft и ci =fS i , (1-), определение коэффициентов 
, значения содержания твердого (1-), а также значений вязкости сi по установленному уравнению. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 ил., 1 табл.
Рисунки к патенту РФ 2343452
Изобретение относится к способам определения вязкости и реологических характеристик ньютоновских и неньютоновских жидких сред - суспензий и может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др.
Известен способ измерения вязкости жидкой среды по авторскому свидетельству СССР № 371478, заключающийся в последовательном прохождении жидкости через две капиллярные трубки одинакового диаметра, но разной длины, замере перепада давления и расхода жидкости, по которым рассчитывают величину вязкости. Данным способом можно определить лишь вязкость перемещаемой среды без замера скорости сдвига, оказывающей влияние на величину вязкости.
Более совершенным по отношению к рассмотренному выше является способ определения реологических характеристик вязкопластичных сред по авторскому свидетельству СССР № 520537 на 3-канальном капиллярном вискозиметре путем прокачивания исследуемой среды через три разные системы капилляров, оснащенных капиллярными трубками разной длины и диаметра, с измерением перепада давлений по длине капилляра одного диаметра и расхода жидкости.
Этот способ позволяет по трем параллельным замерам рассчитать потери напора на трение в капиллярных трубках разной длины и диаметра и по этим данным определить значения вязкости исследуемой среды и напряжение сдвига.
Недостатки способа: громоздкость устройства, необходимость оснастки вискозиметра дополнительной системой подачи исследуемой среды, неизбежны погрешности в измерениях, связанные с потерей давления на входе в каждый капилляр. В случае проведения исследований на разбавленных водных суспензиях с быстрорасслаивающейся твердой фазой при ламинарном течении возможно отложение осадка на горизонтальных капиллярных трубках, что приведет к дополнительным погрешностям при измерениях.
Известен более простой способ определения вязкости суспензий [А.Н.Плановский, В.Н.Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат, М., 1962, с. 294], включающий измерение вязкости жидкой фазы, соответствующей температуре суспензии, и содержания твердого в суспензии, в котором вязкость суспензии определяют по эмпирическому уравнению:
С = ж ,
где ж - коэффициент вязкости жидкой фазы, сП,
Доля жидкой фазы в единице объема суспензии, д.е.,
4,5 - коэффициент приведения.
Основной недостаток способа состоит в том, что в нем не учитывается влияние скорости перемещения суспензии. Для ньютоновских жидких сред по мере увеличения скорости перемещения значение коэффициента с повышается, а на неньютоновских, наоборот, - понижается. Поэтому приведенное уравнение не пригодно для определения коэффициента вязкости суспензий, в которых при их перемещении - перемешивании или перекачивании - проявляется тиксотропность, присущая неньютоновским средам.
Последний из рассмотренных способов, как наиболее близкий по существу к заявляемому, принят за прототип.
Задачей изобретения является учет скорости сдвига суспензии при определении ее вязкости с использованием стандартного вискозиметра, на котором возможен замер скорости сдвига и термостатирование перемешиваемой суспензии, что позволит повысить точность определения вязкости суспензии.
Технический результат достигается тем, что способ определения вязкости суспензии включает измерение вязкости жидкой фазы ж и суспензии с при различных скоростях сдвига S i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-), графическое построение функциональных зависимостей жi =ft и ci =fS i , (1-), определение коэффициентов значения содержания твердого (1-) и значений вязкости ci по уравнению:
где t - температура суспензии, °С,
Коэффициент, учитывающий влияние относительной скорости сдвига и содержания твердого на изменение структуры суспензии и (1-),
K t - температурный коэффициент (K t =1 при t 60°С, K t =1,07 при t=61-90°С),
K ОС - коэффициент приведения (К ОС 1, 10).
Исследования реологических характеристик суспензий проводились на ротационном вискозиметре системы Брукфилд (Brookfield 2005 Catalog. Viscometers, Rheometers; Texture Analyzers for Laboratory and Process Applications). На данном приборе вязкость определяется через измерение крутящего момента, который возникает на валу шпинделя, погруженного в исследуемую среду - суспензию. Во время измерений можно менять частоту вращения шпинделя (n шп) посредством переключения тумблера, а также подбирать диаметр шпинделя (d шп). Суспензия помещается в термостатированный стакан несколько большего диаметра (D ст) и при необходимости перемешивается в стакане магнитной мешалкой. Частота вращения шпинделя пересчитывается в скорость сдвига (S) по формуле:
где r шп, R ст - радиусы шпинделя и стакана соответственно.
Для определения коэффициентов, входящих в уравнение определения вязкости, замеры выполняются при изменении параметров суспензии: содержания твердого Т/Ж или (1-), ж и температуры t, а также S (не менее 3-х замеров на каждом параметре).
На примере суспензий красного шлама с Т/Ж=1,2; 1,0; 0,5 и 0,33 (1- =0,257; 0,224; 0,126 и 0,087 соответственно), и концентрацией раствора по Na 2 O=2,5 г/л и Al 2 О 3 =2 г/л, термостатированных при t=25-60°С и 90°С ( ж =0,7 и 0,4 соответственно) были измерены на ротационном вискозиметре коэффициенты динамической вязкости ci при скоростях сдвига S=0,8-1,61-4 с -1 (режим соответствует перемещению суспензии в сгустителе), S=8,05-16,6-34,7 с -1 (при перемешивании в цепных мешалках) и S=80,8-159 с -1 (при гидротранспорте в трубе).
Результаты измерений ci представлены на фиг.1 в виде функциональной зависимости ci =fT/Ж для приведенных выше значений S i , t и ж:
S=0,8-4 с -1 , кривая 1 (t 60°С), кривая 2 (t=90°C),
S=8,05-34,7 с -1 , кривая 3 (t 60°С), кривая 4 (t=90°C),
S=80,8-159 с -1 , кривая 5 (t 60°С), кривая 6 (t=90°C).
| Таблица | |||||||
| Расчетные значения коэффициентов, входящих в уравнение | |||||||
| Наименование параметра | Значение коэффициентов, д.е. | ||||||
| Т/Ж (1-) | 1,2 (0,257) | 1,0 (0,224) | 0,5 (0,126) | 0,33 (0,087) | |||
| K S1 | t, °C | ж | S=0,8-4,0 с -1 (при сгущении) | ||||
| 60 | 0,7 | 4,3 | 4,24 | 4,18 | 4,12 | ||
| 90 | 0,4 | ||||||
| K S2 | 60 | 0,7 | S=8,05-34,7 с -1 (при перемешивании) | ||||
| 4,04 | 3,93 | 3,77 | 3,56 | ||||
| 90 | 0,4 | ||||||
| K S3 | 60 | 0,7 | S=80,8-159 с -1 (при гидротранспорте) | ||||
| 3,96 | 3,71 | 3,23 | 3,01 | ||||
| 90 | 0,4 | ||||||
| К ос =14 кругом, K t =1 при t 60°С, K t =1,07 при t=61-90°C кругом | |||||||
Для нахождения промежуточных значений коэффициентов K S построен по данным таблицы график на фиг.2 зависимости K S =fS для:
1. Т/Ж=1,2 или (1-)=0,257,
4. 0,33 (0,087).
Пригодность уравнения с использованием коэффициентов таблицы проверялась на примере нижеприведенного расчета.
Пример. В суспензии красного шлама была измерена на ротационном вискозиметре вязкость С =3000 сП при скорости сдвига S=1,61 с -1 , определены содержание твердого Т/Ж=0,33 или (1-)=0,087 и концентрация раствора (жидкой фазы), для которой значение ж =0,7 при температуре 25°С. Подставляя значения коэффициентов из таблицы, соответствующие условиям измерения, определим расчетную величину вязкости данной суспензии по предложенному выше уравнению.
