Реологические свойства жидких сред

СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ И ЖИДКИХ СРЕД ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ СЕПАРАЦИИ

Свойства минералов

В земной коре насчитывается около 3000 минералов. Минералы отличаются друг от друга химическим составом, физико-химическими и физико-механическими свойствами. К ним относятся: плотность, форма, твердость, цвет, блеск, электропроводность, смачиваемость, магнитная проницаемость и др.

С помощью технологий, основанных на гравитационной сепарации, можно извлекать порядка 250 из известных минералов.

Для гравитационных процессов сепарации существенное значение имеют такие свойства минеральных зерен, как плотность, крупность и форма.

Плотность вещества минерала (истинная плотность) это отношение массы к объему вещества:

.

Плотность минерала (кажущаяся плотность) – отношение массы к объему тела:

.

Объем тела больше объема вещества, поскольку включает в себя поры и пустоты. Объем пор равен разности объема тела и объема вещества, то пористость минерала:

.

Пример: какова кажущаяся плотность каменного угля, если его истинная плотность составляет 1450 кг/м³, а пористость – 10%.

Решение: из уравнения для пористости минералов получаем: =1450(1-10/100)=1305 кг/м³.

Крупность минеральных зерен определяется характерным размером – эквивалентным диаметром, равным диаметру сферы, равновеликой по объему зерну т.е.:

, откуда .

Пример: найти эквивалентный диаметр куска угля, если его масса составляет 0,785 г, а плотность – 1500 кг/м³.

Решение: поскольку масса частицы равна произведению ее объема на плотность, то при переводе массы частицы в килограммы, получаем:

Качественная характеристика и значения истинной плотности некоторых минералов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Свойства некоторых минералов, извлекаемых гравитационными методами

Форма минеральных зерен зависит от физико-механических свойств минералов, условий разрушения горных пород и последующих на них воздействий природного и техногенного характера.

Например, зерна минералов, образованные при разрушении руд коренных месторождений имеют неправильную форму обломков кристаллов. У зерен каменных углей угловатая форма, сланца – пластинчатая, асбеста – игольчатая, магнетита – близкая к кубической. Окатанные минеральные зерна россыпных месторождений имеют округлую форму.

Отклонение формы зерен от сферической можно охарактеризовать коэффициентом формы, равным отношению поверхности шара, равновеликого по объему минеральному зерну к поверхности зерна:

.

В зависимости от величины коэффициента формы принято минеральные зерна относить к следующим формам:

Среды для гравитационной сепарации. Виды сопротивления среды. Движение тел во взвесях

Сепарационные эффекты при гравитационной сепарации проявляются при взаимодействии частиц обогащаемого материала с жидкими средами и между собой. Средами для гравитационной сепарации являются вода, воздух, тяжелые жидкости и суспензии.

Существенное влияние на скорость перемещения сепарируемых частиц имеют физические и реологические свойства жидких сред.

Из физических свойств наибольшее влияние оказывает плотность жидкой среды, т.е. масса единицы объема жидкости.

Наибольшее применение в качестве разделительной среды при гравитационной сепарации имеют вода и воздух. Плотность воды при нормальных условиях составляет 1000 кг/м³, а воздуха – 1,23 кг/м³.

В качестве тяжелых жидкостей, плотность которых больше плотности воды, используются водные растворы хлоридов цинка и кальция, а также водный раствор хлористого цинка, водный раствор хлористого кальция, бромоформ, жидкость Туле и др.

Наиболее часто в практике обогащения полезных ископаемых используются водорастворимые жидкости и водные растворы хлоридов цинка и кальция. На их основе возможно приготовление растворов широкого диапазона плотностей, необходимых для осуществления фракционных анализов и сепарации.

Реологические свойства жидких сред

К реологическим свойствам жидких сред, определяющим их текучесть, относятся вязкость и предельное напряжение сдвига.

Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление их сдвиговому течению. Силы, возникающие при скольжении слоев жидкости относительно друг друга, называются внутренними силами трения, а жидкости, в которых это трение возникает, называются вязкими.

В соответствии с законом Ньютона сила внутреннего трения пропорциональна скорости сдвига жидкости и площади соприкасающихся сдвигаемых слоев:

,

где Т – сила внутреннего трения;

S –площадь соприкасающихся слоев;

m - коэффициент динамической вязкости жидкости;

- градиент скорости сдвига;

U – скорость сдвига.

В результате внутреннего трения в вязкой жидкости возникают касательные напряжения, которые пропорциональны скорости деформации сдвига.

Вязкость можно рассматривать как меру передачи движения частиц жидкости в направлении перпендикулярном скорости их движения.

Коэффициент динамической вязкости жидкости зависит от температуры давления и энергии связи молекул и определяется экспериментальной формулой А.И.Бачинского:

,

где v – удельный объем;

C,w - постоянные.

В табл.1.3 приведены значения коэффициентов динамической вязкости некоторых жидкостей.

Таблица 1.3 - Коэффициенты динамической вязкости некоторых жидкостей

Кинематическим коэффициентом вязкости называют отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:

.

Реологические свойства гетерогенных (неоднородных) систем (суспензии, коллоидные растворы, эмульсии), в частности дисперсных, закону Ньютона не подчиняются. Из-за сцепления элементарных объемов они имеют напряжения сдвига даже при отсутствии движения.

Дисперсные системы

Дисперсные системы со всевозможной комбинацией фаз, различающихся природой и агрегатным состоянием, размером частиц и взаимодействием между ними, характеризует широкий спектр структурно-механических свойств.

Множество различных взаимодействий фаз в суспензиях можно объединить в три основные группы:

· гидродинамическое взаимодействие между жидкостью и диспергированными твердыми частицами, приводящее к увеличению вязкости жидкости;

· межчастичное взаимодействие, способствующее образованию хлопьев, скоплений, агломератов;

· столкновения частиц, вызывающие вязкостные взаимодействия.

Под каждым из таких взаимодействий подразумевается множество факторов, составляющих содержание приведенных выше групп, взаимосвязь которых представлена на рис.1.2.

Рис.1.2. Соотношение групп взаимодействий и факторов, определяющих вязкость суспензии

Реологические свойства суспензий зависят от преобладания того или иного вида взаимодействия.

С ростом меж частичного притяжения вязкость суспензии растет, т.к. частицы дисперсной фазы образуют формулы, скопления, агломераты, что приводит к появлению псевдо пластичного характера течения суспензии.

При более сильном меж частичном притяжении вязкость суспензии растет, прочность флокул увеличивается, и они выдерживают некоторое напряжение сдвига без разрушения. Суспензия в данном случае приобретает предел текучести и становится вязко пластичной. При более высокой прочности флокул о суспензии можно говорить как о пластичной.

При слабом и среднем меж частичном притяжении, но высокой концентрации дисперсной фазы, проявляются свойства грануловязкости, и суспензия при этом превращается в пасту. Если такой же эффект возникает при сильном меж частичном притяжении, но при низких концентрациях дисперсной фазы, то суспензия превращается в гель.

Суспензии представляют собой двухфазные системы, где дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - жидкость.

В практике обогащения полезных ископаемых широко известны водные суспензии, представляющие собой взвесь тонкодисперсных частиц минералов в воде. Они фактически являются рабочими средами многих обогатительных процессов.

Суспензии характеризуются соотношением твердой и жидкой фаз, которое может быть представлено:

- объемной концентрацией твердой фазы, равной отношению объема твердой фазы суспензии к объему суспензии;

- массовой концентрацией твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к объему суспензии;

- массовой долей твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к массе суспензии;

- разбавлением (разжижением) суспензии, равным отношению массы жидкой фазы к массе твердой фазы

- плотностью, равной отношению массы суспензии к ее объему.

Пример: масса пробы магнетитовой суспензии объемом 1 л составляет 1,3 кг. Масса отделенной от воды и высушенной твердой фазы составляет 375 г. Определить показатели, характеризующие соотношение фаз суспензии.

Решение: поскольку известны масса и объем суспензии, то ее плотность составит .

Масса жидкой фазы равна разности массы суспензии и массы твердой фазы, т.е.

.

Массовая доля твердой фазы составит:

,

разжижение суспензии

Этот показатель можно определить и по соотношению масс жидкой и твердой фазы,

т.е.

Массовая концентрация твердой фазы составляет

Если известна плотность твердой фазы, например, для рассматриваемого случая она равна 5000 кг/м³, то .

Контрольные вопросы

1. На каких явлениях и свойствах минеральных зерен основаны гравитационные методы обогащения полезных ископаемых?

2. Дайте понятия плотности и истинной плотности минералов. В чем различия между ними?

3. Что такое «эквивалентный диаметр» минерального зерна и как его определить?

4. Как найти пористость минерала? Каково влияние пористости на скорости движения минеральных зерен в жидкости.

5. Дайте понятие коэффициента формы минерального зерна.

6. Что такое коэффициент динамической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

7. Что такое коэффициент кинематической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

8. Что такое суспензия и каковы ее основные характеристики?

9. Перечислите факторы, определяющие вязкость суспензий и дайте пояснения их влиянию.

10. Запишите формулу для плотности суспензии.

Соотношение групп взаимодействий и факторов,

определяющих вязкость суспензии