РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРОТРАНСПОРТА
В ПРИСУТСТВИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ДОБАВОК
2.1. Характеристика ГДАВ на примере полиакриламида
Флокуляция частиц при взаимодействии с флокулянтами может происходить по разным
механизмам – за счет сил электростатического притяжения полимерных ионов и
противоположно заряженных активных центров твердых частиц, в результате
образования водородных связей даже при одноименных зарядах полимерных ионов и
поверхности твердых частиц, а также за счет сил межмолекулярного взаимодействия
(сил Ван-дер-Ваальса) [131, с. 478]. Однако энергия связей за счет сил
межмолекулярного взаимодействия составляет 8 – 16 кДж/моль [17, с. 66, 47,
c. 137], энергия водородных связей – от 8 до 40 кДж/моль, а энергия связей за
счет сил электростатического притяжения – 400 кДж/моль и выше [2, с. 92, 17, с.
66 и 67]. Поэтому при моделировании процесса флокуляции при транспортировании
пульпы по трубопроводу в качестве ГДАВ был выбран частично гидролизованный ПАА,
при электролитической диссоциации которого в растворе образуются полимерные
ионы, имеющие как отрицательно заряженные, так и незаряженные элементарные
звенья. Кроме того, было принято, что адсорбция полимерных ионов на твердых
частицах происходит только за счет сил электростатического притяжения, а другие
виды связей при гидродинамическом воздействии не образуются.
Макромолекула ПАА в сдвиговом потоке вытягивается в линию, размеры которой
определяются геометрическими размерами элементарного звена полимера и степенью
полимеризации n [142, с. 345]. На рис. 2.1 показана структура незаряженных
элементарных звеньев (рис. 2.1 А), а также заряженных элементарных звеньев
анионоактивного (рис. 2.1 Б) ПАА, имеющих размеры, приведенные в табл. 2.1 [38,
с. 28 и 29].
А) Незаряженное элементарное звено ПАА
Б) Заряженное элементарное звено
анионоактивного ПАА
Рис. 2.1. Структура элементарных звеньев полиакриламида
Таблица 2.1 -
Длины химических связей между атомами в элементарном звене ПАА [38, с 28, 29]
Обозначение длины связи
Значение, нм
а1
0.112
а2
0.154
а3
0.152
а5
0.122
а4
0.147
а6
0.105
а7
0143
Так как полимерные ионы в потоке вытянуты, а в вершинах, где находятся атомы
углерода в состоянии sp3 – гибридизации, существуют вращательные степени
свободы, то с высокой степенью вероятности можно считать, что макромолекула
будет адсорбироваться на тех частицах, границы которых окажутся в пределах ее
области взаимодействия, представляющей собой цилиндр с размерами Ri и Li (рис.
2.2).
Рис. 2.2. К пояснению области взаимодействия молекулы ПАА
Степень полимеризации ПАА находится в пределах от до . Характерные размеры
области взаимодействия элементарного звена ПАА приведены в табл. 2.2. Сравнивая
возможные значения величины = n (см. рис. 2.3) с граничными диаметрами классов
крупности частиц транспортируемого материала (табл. 2.3) [81, с. 80, 124,
с. 265], можно сделать следующие предположения о характере взаимодействия
частиц твердой фазы с макромолекулами ПАА, а также о форме и виде флокул,
которые будут образовываться при этом взаимодействии.
При взаимодействии с частицами кусковых классов полимерные ионы изменяют
условия обтекания таких частиц потоком, а также коэффициент трения между этими
частицами и стенкой трубопровода. Флокулы из частиц этого класса при таком
взаимодействии не образуются, возможно только «налипание» частиц тонких и
мелких классов крупности на одну частицу кускового класса.
Так как поверхность частиц кускового класса содержит большое количество
заряженных частиц малого диаметра, то взаимодействие хотя бы одной из них с
одним заряженным центром полимерного иона будет приводить к взаимодействию и
других центров этого макроиона с частицами поверхности агломерата.
Таблица 2.2 -
Характерные размеры области взаимодействия элементарного звена ПАА
Обозначение размера
Значение, нм
Примечания. - радиус области взаимодействия для незаряженного, а - для
заряженного элементарного звена ПАА.
Рис. 2.3. Зависимость длины молекулы ПАА (мм) от степени полимеризации
Таблица 2.3 -
Параметры классов крупности частиц транспортируемого материала
[81, с. 82, 124, с. 265]
Название
класса
Граничные диаметры частиц, мм
Средний диаметр
частиц, мм
Не менее, чем
Не более, чем
Тонкие
0,00
0,20 (0,15)
0,10
Мелкие
0,20 (0,15)
2,00 (3,00)
1,10
Кусковые
2,00 (3,00)
4,00 (5,00)
3,00
При этом не исключается взаимодействие заряженных частиц поверхности агломерата
с другими полимерными ионами и «налипание» более мелких частиц на свободные
заряженные центры этих ионов. Участие в образовании флокулы второй частицы
кускового класса крупности невозможно по причине значительных сил
гидродинамической природы, действующих на такие частицы.
Частицы кусковых классов крупности движутся в потоке волочением или
перекатыванием по дну трубы, поэтому «налипшие» в процессе образования флокул
частицы меньших классов крупности не будут оказывать существенного влияния на
характер и параметры их движения. Можно принять в качестве постулата, что для
частиц кусковых классов адсорбция полимера приводит только к снижению
обобщенного коэффициента трения о поверхность трубы.
При адсорбции на поверхности частицы мелкого класса хотя бы одного полимерного
иона происходит стабилизация системы «твердая частица + полимер», с другими
полимерными ионами эта частица взаимодействовать уже не будет, и дальнейшее
образование флокулы будет происходить только на одном этом ионе. Поэтому при
взаимодействии с частицами мелких классов ГДАВ могут образовывать флокулы двух
видов (см. рис. 2.4). Первый вид флокул образуется при взаимодействии с
п
- Київ+380960830922