Методы получения неоднородных систем

Получение пены. Дисперсия газа в виде пузырьков в жидкости, пластмассе или в суспензии создается с целью получения пены или пенного продукта (пористых пластмасс, пористых строительных и теплоизоляционных материалов).

Вспениванию в большинстве случаев сопутствуют технологические процессы. Такое вспенивание необходимо при производстве пористых материалов, при очистке газов и т.п., однако оно часто оказывается вредным и тормозит развитие технологического процесса. В последнем случае пену необходимо разрушать.

Основным элементом пены является пузырь – частица газа (пара), окруженная жидкостью.

Пена представляет собой группу пузырьков, отделенных друг от друга тонкими пленками жидкости. Устойчивость пены определяется физико-механическими свойствами жидкости и степенью диспергирования в ней газовой фазы.

Пузырьки в жидкости образуются:

· при выделении газа из пересыщенного раствора или при разложении вещества в жидкости с выделением газовой фазы;

· за счет механического или пневматического распыления газа в жидкости.

Из пересыщенного раствора пузырьки газа возникают лишь при наличии газовых центров пустот в жидкости. Такими центрами могут быть газовые пузырьки, твердые включения с адсорбированным на их поверхности газом.

Большой интерес представляет образование пузырьков пневматическим путем – барботажем. При барботаже различают два основных режима работы пузырьковый и струйный.

При малом расходе газа наблюдается пузырьковый режим. Прорыв газа через жидкость происходит отдельными пузырьками, размеры которых зависят от свойств жидкости, скорости газа и конструкции барботера.

Увеличение скорости газового потока приводит к турбулентному истечению, и поток газа в жидкости становится сплошным (струйным). Распад струи на пузырьки происходит на расстоянии 70…100 мм от места истечения.

Пузырьки газа в жидкой фазе образуются и при перемешивании в механических мешалках за счет воронки, которая появляется при вихревом движении жидкости вокруг оси вращения мешалки. Захваченный таким образом газ образует пузырьки, которые затем в турбулентном потоке дополнительно дробятся.

Пена образуется, когда пузырьки газа медленно всплывают, при этом они не коалесцируют и не растворяются в жидкой фазе. В зависимости от физических свойств жидкости и размера пузырьков газа пена может существовать в стабильном состоянии от нескольких секунд до нескольких лет. Устойчивость пены повышают с помощью добавок – стабилизаторов.

Если стенки пузырей пенной системы заменить пластиками, то получаются абсолютно устойчивые пена - пенопласты. Если же эти перегородки состоят из вяжущих веществ, то образуются пористые материалы с жесткой структурой – пенобетоны.

 

Течение неньютоновских жидкостей

Основные понятия реологии

Появление и характер структур в неоднородных системах, как правило, определяют по механическим свойствам этих систем. Важнейшими из этих свойств являются вязкость, упругость, пластичность, прочность. Так как эти свойства непосредственно связаны со структурой, то их называют структурно-механическими.

Изменения структурно-механических свойств обусловлены взаимодействием частиц неоднородной системы со средой и между собой, исследовать которые позволяют методы реологии – науки о деформациях и течении материальных систем. Реология изучает механические свойства систем через их деформации под действием внешних напряжений.

Деформация – это относительное смещение точек материальной системы без нарушения ее сплошности.

Деформации делят на упругие и остаточные. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки (напряжения), остаточная деформация является необратимой, т.е. изменения в системе остаются и после снятия нагрузки. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.

Среди упругих деформаций различают объемные (растяжение, сжатие), сдвиговые и деформации кручения.

Жидкости и газы деформируются при наложении минимальных нагрузок. Под действием разности давлений они текут. Течение является одним из видов деформации, когда величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов жидкости при течении не сжимаются и их плотность остается практически постоянной.

Некоторые материалы обладают способностью к большим обратимым деформациям (например, резина). Их называют эластичными. Мерой эластичности считают максимальную величину обратимой деформации. Необратимые деформации возникают при превышении предела упругой деформации. Хрупкие материалы при этом разрушаются, а пластичные материалы деформируются без разрушения.

Напряжение, вызывающее деформацию тела, на две составляющие: нормальное и тангенциальное, которым отвечают два основных вида деформаций: растяжение (сжатие) и сдвиг.

Соответствие характера деформации виду напряжения постулирует первая аксиома реологии:

При всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все материальные системы ведут себя одинаково – как идеально упругие тела.

Изотропное сжатие не позволяет выявить качественные различия в структуре тел.

Вместе с тем вторая аксиома реологии гласит: