ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Коагуляция частиц в сдвиговом потоке и при вибрации из "Физико-химические основы технологии дисперсных состем и материалов" В основе многих гетерогенных химико-технологических процессов, протекающих в концентрированных дисперсных системах с твердой фазой в жидкой или газовой средах, лежат контактные взаимодействия частиц дисперснЪ1х фаз. Сложность теоретического анализа поведения дисперсных систем, особенно высококонцентрированных, в гетерогенных процессах, сопровождающихся конвективным массопереносом, обусловлена тем, что контактные взаимодействия осуществляются в динамических, т. е. неравновесных условиях. [c.13] К настоящему времени в физикохимии дисперсных систем хорошо развита теория, описывающая взаимодействия конденсированных фаз преимущественно в равновесных условиях. Перенос этих классических представлений на дисперсные системы, подвергаемые интенсивным механическим и иным воздействиям и находящиеся поэтому в неравновесном нестационарном состоянии, некорректен и неизбежно ведет к существенным ошибкам. Следует также отметить, что проблемы агрегативной и седиментационной устойчивости как в экспериментальном, так и в теоретическом плане решены в основном для разбавленных систем. Полной теории устойчивости (агрегативной и седиментационной) высококонцентрированных систем, особенно в динамических условиях, до настоящего времени нет. Требует дальнейшего развития и понятие о критерии агрегируемости, оцениваемом по характерному размеру частиц, начиная с которого (по мере его уменьшения), сила взаимодействия (сцепления) частиц превышает силу тяжести [15]. Следует учесть то обстоятельство, что в реальных гетерогенных химико-техноло-гических процессах, осуществляемых в аппаратах с внешним подводом энергии, дисперсной системе может сообщаться ускорение, значительно превышающее ускорение свободного падения или, во всяком случае, отличное от него. Естественно, что и характерный размер частиц, проявляющих склонность к образованию агрегатов, будет соответственно изменяться. Поэтому следует в более общем виде, чем это выполнено в работе ] 15], определить критерий агрегируемости с учетом сказанного выше. [c.13] Ниже дается количественная теория процесса агрегатообра-зования на уровне контактного взаимодействия двух частиц [17, 18]. HyisTb в начальный момент времени две одинаковые сферические частицы радиусом Ro начинают сближаться со скоростью vo, расстояние между их поверхностями в этот момент составляет ko Ro. Необходимо найти связь между vo, Ro и другими параметрами, при которых частицы способны преодолеть потенциальный барьер поверхностных сил. Подобно предпосылкам в статической теории устойчивости ДЛФО предполагается, что потенциальная энергия взаимодействия частиц U(h) имеет максимум при /i = /Zk и достаточно глубокую потенциальную яму при /г Лк. Коагуляция наступает в том случае, если частицы, получив от внешнего источника кинетическую энергию, смогут преодолеть гидродинамическое сопротивление и потенциальный энергетический барьер и сблизиться до расстояний /г Лк. [c.15] Сравнение силы, противодействующей сближению частиц, и сИ]1йк дает условие, при котором (1.16) можно считать решением уравнения (1.12). [c.17] При этом условии реализуется предельный случай высокого потенциального барьера и появляется возможность исследовать агрегативную устойчивость систем в динамических условиях, заведомо устойчивых в статических, условиях за счет электростатического фактора. [c.17] Таким образом, (1.30) представляет собой условие, при котором в динамических условиях происходит коагуляция системы, устойчивой в статических условиях в соответствии указанными параметрами. [c.18] Таким образом, критерий коагуляции в динамических уело-ВИЯХ является условием, накладываемым на число Рейнольдса Reo, причем зависимость критического числа Рейнольдса R kp, ( от параметров поверхностных сил Ло и А выражена слабо. Иными словами, если в теории ДЛФО, пренебрегающей динамикой сближения частиц, критерий коагуляции определяется соотношением электростатических и молекулярных сил взаимодействия частиц, то в динамических условиях возможность коагуляции определяется в первую очередь гидродинамикой вязкой дисперсионной среды в зазоре между поверхностями частиц. Отсюда легко понять, что для коагуляции в динамических условиях чрезвычайно существенное значение приобретает фактор формы поверхностей частиц, т. е. для анизометричных частиц потеря агрегативной устойчивости в динамических условиях более вероятна. Рассмотрим в связи с этим процесс взаимодействия двух частиц, имеющих форму плоских дисков радиусом Ri и толщиной 2Ri (Ri — радиус кривизны боковой поверхности). Получив от внешнего источника начальную относительную скорость Vo в момент, когда расстояние между их поверхностями составляет ho Ri, диски сближаются так, что один из них все время остается перпендикулярным другому. [c.19] Как известно, наиболее мощным фактором стабилизации дисперсных систем, в том числе и в динамических условиях, является структурно-механический фактор. В соответствии с представлениями П. А. Ребиндера агрегативная устойчивость дисперсных систем, стабилизованных ПАВ, в статических условиях обеспечивается высокой вязкостью и механической прочностью адсорбционного слоя ПАВ и лиофильностью его наружной части [4, 26]. В динамических условиях, как указано в [15], механизм обеспечения устойчивости дисперсной системы с помощью ПАВ иной. Действительно, экспериментально установлено, что система, устойчивость которой в статических условиях обеспечена структурно-механическим барьером, может потерять устойчивость в динамических условиях [15]. Возможным объяснением этого явления служит лиофобно-лиофильная мозаичность поверхности частиц, т. е. наличие на них областей, свободных от адсорбционного слоя. В динамических условиях увеличивается вероятность соприкосновения частиц по лио-фобным участкам, что и приводит к потере устойчивости. [c.22] Учитывая сказанное, рассмотрим в качестве модели, описывающей коагуляцию частиц, стабилизованных ПАВ, систему жестких частиц, покрытых слоем ПАВ толщиной б, имеющим модуль упругости Et в вязкой жидкости. Будем считать, что если при столкновении частиц максимальное напряжение, развивающееся в слоях, сравнимо с критическим значением Ре, кр, т. е. с прочностью слоя, то слой будет пробит . В соответствии с [27] Рб.кр -Ев, так что условие пробоя можно сформулировать так слой будет пробит , если деформация его сравнима с толщиной б. [c.23] Эти предпосылки лежат в основе определения условия пробоя слоя. Как и выше, рассмотрим процессы столкновения двух дискообразных и произвольных частиц, имеющих углы. (Величины, помеченные индексом =1, относятся к первым частицам. 1 = 2 — ко вторым. Если в формулах, относящихся ко вторым частицам, принять м = 2, то они будут описывать поведение при столкновении двух сферических частиц). [c.24] Р — коэффициент проскальзывания жидкости на условной поверхности раздела адсорбционного слоя и дисперсионной среды. [c.24] Если адсорбционного слоя нет (б— 0), то (1.44) переходит в критерии (1.38) и (1.41) при и 6г Р / г соответственно. [c.25] В противном случае возможность коагуляции и, в том числе, пробоя слоя определяется главным образом гидродинамическими факторами. [c.25] Таким образом, чем меньше величина Я21Ям, т. е. чем менее изометричны частицы, тем в соответствии с (1.49) меньшие скорости необходимы для преодоления гидродинамического сопротивления сближению частиц. С другой стороны, как следует из (1.57), с уменьшением Д21Ям снижается интервал значений Vo, соответствующих коагуляции, т. е. для сильно анизометричных частиц коагуляция возможна при малых скоростях, но в весьма узком интервале их значений. [c.27] 57) получим, что интервал значений va, соответствующих коагуляции, существует, если R2 не менее 0,1 мкм, т. е. [c.28] По формулам, приведенным в данном разделе, можно оценить, произойдет ли потеря агрегативной устойчивости. Следует отметить, что такая оценка возможна лишь при условии протекания инерционной коагуляции, которая характерна для достаточно крупных (более 10 мкм) частиц. Для частиц, меньших 10 мкм, необходимая для инерционной коагуляции скорость движения частиц составляет более 1 м/с, что редко реализуется на практике. Поэтому для оценки агрегативной устойчивости систем малых частиц необходимо учитывать неинерционные механизмы коагуляции для сдвигового потока такой анализ приведен в [30]. [c.28] Подводя итог рассмотрению особенностей коагуляции частиц в динамических условиях, характерных для большинства химико-технологических процессов, осуществляемых в дисперсных системах, следует особо подчеркнуть, что закономерности и критерии коагуляции в динамических условиях существенным образом отличны от установленных для статических условий. Учет этого отличия важен для определения оптимальных параметров разнообразных процессов в дисперсных системах и особенно в концентрированных системах, содержащих твердые фазы в жидкой среде. [c.29] Вернуться к основной статье