Определение качества смешивания при приготовлении водно-глинистой суспензии Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ

УДК 621.742.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ ВОДНО-ГЛИНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ

Е.С. Абдрахманов, Т. Сабиров, Н.К. Кулумбаев, А. Мухтанова, Ж. Садыкова, Г. Шегебаева

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Жумыспш планепгарлык механизмдь аппаратта сазды-су суспензиясын дайындаудыц кейб1р мвселглгр1 щрастырылган.

В работе рассматриваются некоторые вопросы приготовления водно-глинистой суспензии в аппарате с планетарным механизмом.

The questions of water-clayey substance preparing in apparatus whit planned mecfanism of mixture.

Качество отливок получаемых в песчано-глинистых формах прямо зависит от качества самой смеси, т.е. от уплотняемое™, текучести, податливости и прочности [1, с. 71].

Для приготовления формовочной смеси, используемой в литейном производстве, необходимо следующие компоненты:

- отработанная оборотная смесь;

- песок кварцевый с содержанием природной глины менее 2%, марки 1К016-1К032;

- глина огнеупорная бентонитовая молотая сухая, порошкообразная;

- лигносульфанат для повышения прочности смеси;

- каменноугольная пыль ПЖ для понижения химического пригара в разделе форма-металл.

Эти компоненты являются основными составляющими смеси при машинном уплотнении песчано-глинистых форм.

Усредненный состав смеси для тракторных отливок при машинной формовке следующий:

- оборотная смесь ~ 93 % ,

- глинистая суспензия «3 % ,

- лигносульфанат «1 % ?

- асбестовые крошки ~ 1% ,

- свежий кварцевый песок «2%,

причем при смешивании глину дают в виде водно-глинистой суспензии, так как раздельная их подача снижает их смешиваемость, т.е. равномерность покрытия суспензией поверхность каждой песчинки.

Таким образом, становится очевидным вопрос «О получении качественной водно-глинистой суспензии» - как главный компонент, определяющий прочностные свойства смеси.

Процесс получения глинистой суспензии происходит в смесительных аппаратах, т.е. в аппаратах с перемешивающими устройствами.

Перемешивание представляет собой процесс многократного перемещения частиц текущей среды относительно друг друга во всем объеме аппарата, происходящий под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой. В промышленной практике для перемешивания используют, главным образом, вращающиеся механические мешалки различных конструктивных типов [2]. Следовательно, при необходимости выбора конструктивного типа аппарата с мешалкой возникает вопрос о количественных характеристиках, позволяющих сравнивать различные мешалки. В нашем случае сравнительными числовыми характеристиками будет достижение технологического качества водно-глинистой суспензии, за более короткое время.

Нам кажется, что этого можно достичь, за счет интенсификации перемешивания потока в аппарате, т.е. за счет турбулизации потока в баке смесителя.

Интенсификация потока можно достичь различными путями, в частности, применением вращающихся механических мешалок различных конструкций. Один из вариантов таких мешалок, как в конструктивном, так и оптимизационном смысле процессов, рассматривается на настоящей работе. Это - смесительный аппарат АПТПЖС: аппарат планетарного типа для перемешивания жидких сред - патент № 2060807, от 27 мая 1996 года. Аппарат - лабораторный, полупромышленного типа и его гидрохймико-механические, а также гидродинамические характеристики являются предметом исследования.

В аппарате с любым объемом, в зависимости от частоты вращения лопастей п, имеют место различные гидродинамические режимы движения

жидкости, от которого зависит мощность N перемешивания. Критерий мощности в первую очередь определяется центробежным критерием Рей-нольдса Яец = рпй2м /¡л и определяется нелинейным соотношением [2]

Кч=/(.'Яец),

где ¡1 - динамический коэффициент вязкости.

Геометрий потоков, создаваемой лопастями в баке данного аппарата, были изучены с теоретической и экспериментальной точки зрения. Результаты исследования будут опубликованы.

Экспериментальные данные показывают, что смесительный аппарат создает сильно развитое турбулентное течение в проточных частях аппарата. В частности было установлено, что в проточной части аппарата возникают мероидальные течения: вынужденные, несколько контурные циркуляционные течения.

Результаты эксперимента и эмпирические выводы. В одних и тех же условиях проводились серии экспериментов по выявлению различных рабочих параметров АПТПЖС. Была установлена пороговая вращательная скорость (V) мешалки, выше которой в растворе появляются пузырьки. Появление пузырьков отрицательно влияют на скорость растворимости частиц в жидкости, что приводит к увеличению рабочего времени аппарата. Это противоречит целевой установке: получение качественной водно-глинистой суспензии за оптимально-технологическое время. Очевидно, что эта пороговая скорость (V) была установлена для конкретного случая - при получении водно-глинистой суспензии для формовочной смеси.

Опыт проводился следующим образом.

Аппарат загружался технологически необходимыми компонентами, которые при полном смешивании соотвествует суспензии с заданной вязкостью.

Далее из смесителя через каждую минуту, начиная с начала работы аппарата, снимались пробы методом свободной наливки на стеклянные пластинки. Они разбиты на 9 ячеек с размерами 1 Ох 10 мм. Затем каждый квадратик этой пластинки подвергался на микроисследоваиия на предмет подсчета нерастворимых частиц с помощью микроскопа МИМ-7. Усредненные результаты проб каждой серии экспериментов приведены в таблице 1.

По данным таблицы 1 построим гистограмму и по ней определяем усредненную величину скорости растворения частиц.

Таблица 1

№ пробы 1 Время (мин) 1 Количество нерасстворенных : частиц («-сред, кол-во) 23

2 2 12

3 3 4

4 4 1,5

5 5 0

Гистограмма экспериментальных данных Рис. 1

На основе экспериментальных данных составим интерполяционный многочлен Лагранжа

Ь/О = [2.5(3 -6г2 - 65,51 + 207]/6 (1)

и эмпирическую формулу

л = -35.81& + 23 (2)

зависимостей между временем (X) интенсивной работы смесителя и числом (п) нерасстворенных частиц в суспензии.

. Графики этих зависимостей приведены на рисунке 2: а) - многочлен Л агранжа; б) - эмпирическая формула зависимости. Очевидно, что по этим соотношениям можно определить как скорость растворения частиц, так и оптимальное время, необходимое для достижения поставленной цели.

На практике поставленную выше задачу можно решить еще путем определения требуемого уровня концентрации за короткое время, что соответ-свует постановке задачи. Для этого составим математическую модель рассматриваемого процесса.

Процессы химической технологии - это сложные физико-химические системы. В зависимости реализации процессов и его аппаратурного оформле-

Графики зависимостей нерастворимых частиц от времени

Рис» 2

иия все многообразие химико-технологических процессов, а также их математических моделей, можно разделить на несколько классов, а именно:

- процессы нестационарные (переменные во времени) - динамические

модели,

процессы стационарные (не меняющиеся по времени) - статические модели,

- процессы, в ходе которых параметры меняются в пространстве, - модели с распределенными параметрами,

~ процессы, в ходе которых параметры не меняются в пространстве, -модели с сосредоточными параметрами.

Рассматриваемый нами процесс - процесс получения качественной водно-глинистой суспензии - относится к нестационарным, т.е. к динамическим моделям. При составлении математической модели необходимо использовать закономерности физических и химических процессов, происходящих в исследуемом объекте. Кроме того необходимо учитывать конструктивные параметры химико-технологического аппарата (мощность, напор, диаметр и др.), свойств обрабатываемых веществ (констант скорости, вязкости и др.) [2]. Отсюда видно, насколько сложно составление математической модели процесса, адекватно описывающий процесс.

Известно [3], что суспензии бентонитовых глин относятся к реопектиче-сим неньютоновским жидкостям, включающим в себе реакцию А л-В к > Р ~ реакцию двух реагентов: А и В- жидкости и сухого вещества. Тогда уравнения материального баланса имеет вид

'dCA V

dt ~V

dCB V

. dt ~ V

А?

в,

(3)

с начальными условиями

С А = Caq * ^В = С Во > (4)

при t = 0.

Здесь V ~ объем бака аппарата смешения, уА + vB = у - количество и подоваемых реагентов А и 5 - жидкости и сухого вещества, к - константа скорости реакции. Константа скорости реакции к зависит от многих факторов, и поэтому считается неизвестной величиной. Однако в данной работе мы считаем, что к - const. Эмпирические значения к можно определить, используя соотношения (1) или (2).

Как видно здесь не учтены многие параметры процесса. Однако в дальнейшем убедимся, что, решая систему (3), (4), мы получим приближенную формулу для вычисления уровня концентрации реагента В в суспензии.

Действительно, из (3) вытекает соотношение

С А - СВ - С Во + ^Ао • (5)

Используя это соотношение, из (3) получим

dC

в _

dt

Следовательно,

св =

с2 -

4Ул

Во ~

Cl(CBn-C2)~C2(CBn ~Cl)'e

(СВп-с2)-(СВп-с,)-е

кУ в°

-k(cj-c2)t

■k(cj-c2)t

С

1/2

Здесь -- 2 корни уравнения

Сд -С, -

с2 -

Аз

С, -с

кУ

+

Сп.-С

Ас

V

JcV

(6)

+

J

4v_ kV

- это

4v

А>

kV

kV

Сд =0

которые являются состояниями равновесия реакции.

Соотношение (6) определяет уровень концентрации реагента В в суспензии в любой момент времени Г. (6) совместно с (5) должны образовы-

вать систему материального баланса (здесь не учитываются тепловые процессы, протекающие в ходе реакции). Если известен требуемый уровень концентрации, то по (6) можно определить оптимальное время суспенди-рования.

Очевидно, что при г —> +оо получим «идеальный уровень концентрации».

ЛИТЕРАТУРА

1. Матвееико И.В., Белъчук В. С. Реологические основы испытаний формовочных смесей и импульсного уплотнения. Ротапринт МАСИ - 1991.- 87 с.

2. Васыльцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. -Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1979.-271 с.

3. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под общей ред. д.т.н. Б.Б.Некрасова. Минск.: Вышэйшая школа, 1985 - 382 с.

С

С

С., -С

V

кУ

+

4У_