16

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Сибирский государственный индустриальный университет"

Кафедра обогащения полезных ископаемых

Определение физических характеристик водоугольных суспензий

Методические указания по выполнению самостоятельной работы по дисциплине «Безотходные технологии обогащения и комплексная переработка угля» для студентов специальности

«Обогащение полезных ископаемых»

Составитель: В. И. Мурко

Новокузнецк 2010

1. Общие положения

Самостоятельная работа по определению физических свойств водоугольных суспензий по дисциплине «Безотходные технологии обогащения и комплексная переработка угля» выполняется в сроки, установленные учебным планом специальности.

Целью работы является закрепление студентами теоретических знаний и практических навыков, полученных в разделе «Физические процессы в нетрадиционных геотехнологиях» при изучении основных физических характеристик водоугольных суспензий. При этом основные физические характеристики определяются механическим состоянием водоугольных суспензий и результатами их сжигания.

Задачами самостоятельной работы являются: построение реологических моделей течения водоугольных суспензий по вискозиметрическим измерениям; определение низшей и высшей теплоты сгорания водоугольных суспензий.

Руководителем самостоятельной работы является преподаватель кафедры ОПИ. Он определяет задание каждому студенту или группе студентов. В задании указываются характеристики исходного материала и полученной из него водоугольной суспензии, физические характеристики которой требуется определить. Задание выдается на специальном бланке с указанием срока защиты, которое прилагается к пояснительной записке (приложение). В обязанности руководителя входят: консультации и контроль за качеством выполнения работы.

Ответственность за достоверность обоснований и расчетов несет студент. Законченная работа сдается на проверку руководителю и защищается ему или комиссии, назначенной заведующим кафедрой.

Результаты выполнения самостоятельной работы могут быть использованы при выполнении дипломных работ или проектов.

2. Теоретические положения

2.1. Реологические модели водоугольных суспензий

Водоугольные суспензии (ВУС) - это смеси измельченного угля с водой. Для придания суспензии свойств стабильности и необходимой текучести в суспензию вводится небольшое количество реагента - пластификатора. В результате образуется искусственная дисперсная система, представляющая новый вид топлива из угля – композиционное водоугольное топливо.

Для водоугольного топлива важнейшими характеристиками, определяющими его свойства как жидкого топлива, являются реологические параметры и показатели стабильности. Реология выясняет закон, которому подчиняется жидкость при действии на неё деформирующего усилия, а реологические параметры - это коэффициенты, входящие в аналитическую форму закона деформации.

В зависимости от значений реологических параметров водоугольные суспензии проявляют как свойства ньютоновских, так и свойства неньютоновских жидкостей. Для ньютоновских жидкостей уравнение реологического состояния имеет вид:

, (2.1)

где – напряжение сдвига, Па;

– вязкость жидкости, Па · с;

– скорость сдвига, с^-1.

Ньютоновское поведение присуще жидкостям с небольшой молекулярной массой.

В зависимости от вида уравнения реологического состояния неньютоновские жидкости обычно разделяют на три группы:

– вязкие – с реологическими характеристиками, не зависящими от времени;

– нестационарные - их реологические характеристики зависят от времени, в течение которого действует напряжение;

– вязкоупругие – обладают свойствами, как твердого тела, так и жидкости.

Как правило, наиболее распространенные водоугольные суспензии относятся к первой группе, т. е. являются вязкими неньютоновскими жидкостями.

Для неньютоновских жидкостей первой группы имеет место следующее уравнение реологического состояния:

(2.2)

Такие жидкости удобно подразделять на три группы в зависимости от вида функции в уравнении (2.2):

а) бингамовские пластичные жидкости (бингамовские пластики);

б) псевдопластичные жидкости (псевдопластики);

в) дилатантные жидкости.

Обычно для характеристики ВУС используют понятие эффективной динамической вязкости, которая определяется следующим образом:

. (2.3)

Как следует из этого определения и кривой течения, μ_эф переменна и изменяется в зависимости от скорости сдвига. Поэтому μ_эф имеет смысл только для определенного (заданного) значения скорости сдвига.

Реологическое уравнение для бингамовских пластиков можно записать в виде (модель Шведова - Бингама)

; при , (2.4)

где - предел текучести или начальное напряжение сдвига, Па;

- пластическая вязкость или коэффициент жесткости при сдвиге, Па · с.

Объяснение поведения бингамовских пластиков исходит из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему по величине . Если напряжение превышает , то структура полностью разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига . Когда же напряжение сдвига становится меньше , структура снова восстанавливается. В области возникает так называемая стержневая зона течения, в которой жидкость перемещается как твердое тело.

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают предела текучести, и кривая течения у них показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, т.е. эффективная (кажущаяся) вязкость , постепенно понижается с ростом скорости сдвига. График зависимости между напряжением сдвига и его скоростью в логарифмических координатах у псевдопластичных материалов зачастую оказывается линейным. Тогда для описания жидкостей рассматриваемого типа можно установить функциональную эмпирическую зависимость в виде степенного закона. Такая зависимость, впервые предложенная Оствальдом и затем усовершенствованная Рейнером, может быть записана в виде

, (2.5)

где и n являются постоянными (n < 1) для данной жидкости:

- мера консистенции жидкости - чем выше вязкость жидкости, тем больше , Па · сⁿ;

n – характеризует степень неньютоновского поведения материала, и чем больше n отличается от единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновские свойства.

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них также отсутствует предел текучести, однако их кажущаяся вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига. Степенной закон и в данном случае оказывается пригодным, но показатель степени n уже будет превышать единицу.

У неньютоновских жидкостей второй группы напряжение сдвига определяется не только скоростью сдвига, но и временем воздействия. При этом если с течением времени при постоянной скорости сдвига напряжение сдвига уменьшается, то жидкость относится к тиксотропной, а если возрастает – то к реопектической. После снятия возмущения структура жидкости постепенно восстанавливается. Причем, если в начале скорость сдвига возрастает, а затем убывает, то возникает явление гистерезиса. Тиксотропия наблюдается как у жидкостей псевдопластического, так и пластического типов.

Вязкоупругие жидкости третьей группы в той или иной степени проявляют как свойства твердого тела (упругое восстановление формы), так и жидкости (вязкое течение).