Главная > Пена и пенные пленки > ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПЕН В РЕЖИМЕ СКОЛЬЖЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПЕН В РЕЖИМЕ СКОЛЬЖЕНИЯ

П. М. Кругляков, Т. В. Мешкова

При течении пены как сплошного тела предполагается, что все сопротивление и энергия диссипации сосредоточены в тон­ком слое жидкости с эффективной толщиной 6.

Из уравнения Ньютона т=т]оDvldr следует, что скорость те­чения V такого тонкого слоя при движении пены в трубе ра­диусом г0 равна

V=r&/r<j=AprfS/(2Lr]<j) (1)

Или, если жидкостная прослойка обладает напряжением сдвига

V=(Ap — Ap0)rc6/(2Lr1o) (2)

Где т — динамическое напряжение сдвига; т]о—ньютоновская вязкость жидкостного слоя, равная динамической вязкости рас­творителя; Ар и Аро — соответственно перепад давления на кон­цах трубы длиной L и предельный сдвиговый перепад давле­ния.

Входящая в выражения (1) и (2) толщина б является неко­торым эффективным параметром, зависящим как от реальной толщины пенных пленок, отделяющих пузырьки пены от стенки трубы, так и от площади, занятой этими пленками, размера ка­налов Плато — Гиббса у стенки и степени «заторможенности» поверхностей раздела жидкость —- газ.

Для проведения исследований течения пены в режиме сколь­жения (поршневом режиме) в зависимости от строения пены, свойств раствора ПАВ и степени смачиваемости стенок трубы были сконструированы две установки: одна — с непрерывной ге­нерацией пены, другая — периодического действия.

Ввиду сложности поддержания постоянной кратности и дис­персности пены, генерируемой в установке непрерывного дейст­вия (вследствие диффузионного «старения» пены при большой длительности ее перемещения до поступления в трубу), более удобным оказалось следующее устройство, с использованием которого была проведена большая часть исследований.

Пеногенератором в этом приборе служит стеклянная ем­кость со стеклянным фильтром 17Р01, а пеносборником (изме­рительная ячейка) — градуированный стеклянный стаканчик с пористым дном. Ячейка герметично закрывается стеклянной крышкой с двумя отводами. К одному отводу присоединяется U-образный водяной манометр, контролирующий давление по­даваемого в измерительную ячейку воздуха, а другой отвод служит для выхода воздуха нз ячейки в момент ее заполнения пеной. В центре крышки вмонтирован стеклянный стержень, на который надета пластинка из органического стекла, служащая поршнем для вытеснения пеиы. Пластинка движется по стек­лянному стержню под действием давления воздуха. В измери­тельной ячейке установлены два платиновых электрода, при­соединяемые к кондуктометру, для измерения кратности пены.

Кратность пены рассчитывали по формуле

N=KL/KFB (3)

Где KL и Kf — удельная электропроводность внутрипленочной жидкости и пены соответственно; В — структурный коэффи­циент, В = 1,5—3.

После набора пены в измерительную ячейку выходы закры­ваются, а сверху подается воздух, перемещающий поршень. Про­странство под стеклянным фильтром соединено с атмосферой, через этот фильтр избыточная жидкость вытекает из пены.

При достижении необходимой кратности пены выход изме­рительной трубки открывается и пена начинает перемещаться по трубке. Скорость движения измеряется по уменьшению объ­ема пены в градуированной измерительной ячейке. Пену полу­чали из растворов додецнлеульфата натрия (марки ч) и Трито­на Х-100 (фирмы Ferak).

Существование поршневого режима течения было доказано в ряде работ прямыми наблюдениями. Тем не менее представ­лялось целесообразным в первую очередь исследовать зависи­мость скорости течения пены от перепада давления, т. е. от раз­меров трубок (длины и радиуса), и от вязкости пенообразую­щего раствора, так как в результате изменения дисперсности пены при течении, а также вследствие разрушения пены и не­равновесности толщины пленок в пене и пленок у стенки труб­ки очевидные из (1) и (2) зависимости могли нарушаться. Кро­ме того, зависимости (1) и (2) предполагают, что на поверхно­сти жидкостной прослойки с пеной нет скачка скорости (сколь­жения пены по поверхности жидкой пленки).

Результаты исследования зависимости скорости течения V Пены (л = 200) от перепада давления Др при различных длинах и радиусах трубок показали, что, хотя в отдельных опытах на­блюдались линейные зависимости V(Ap), скорость течения при варьировании радиуса и длины трубок не изменяется строго пропорционально с измененнем радиуса и длины [различие V,-Ilvr2 и r2/rj (или LJL2) достигает 20%J, что, очевидно, связа­но с непостоянством кратности пены при течении (вследствие разрушения пены) и соответственно параметра 6.

Далее была исследована зависимость скорости течения пе­ны от вязкости пенообразующего раствора (при одном и том же перепаде давления). Пеиу получали из раствора додецил­сульфата натрия (1-Ю-3 моль/л) н хлорида натрия (0,1 моль/л); вязкость раствора варьировали добавлением сахарозы. Было установлено, что при увеличении динамической вязкости пено­образующего раствора в два раза скорость течения пены при том же перепаде давления уменьшилась в 1,3 раза, при шести­кратном увеличении вязкости — всего в 2,23 раза, при этом пре­дельное динамическое напряжение сдвига т0 оставалось практи­чески постоянным (т0~1,25 Н/м2). При одинаковой степени «заторможенности» поверхностей пленок у поверхности трубки это соответствует сильному увеличению эффективной толщины жидкостной прослойки (почти в три раза при изменении вяз­кости в шесть раз).

Для определения области напряжений сдвига XAprj2L и Соответственно области давлений, прн которых сохраняется поршневой режим течения, были проведены исследования тече­ния пены в широком интервале перепада давления.

Было установлено, что зависимость и (Лр) остается линей­ной, отношение 6/т] сохраняется приблизительно постоянным до напряжения сдвига т0~9—10 Н/м2, а при т>10 Н/м2 наблю­дался переход от поршневого режима к сдвиговому. Значение динамического напряжения сдвига т, соответствующее смене режима течения, значительно меньше предельного напряжения т0, теоретически рассчитанного по уравнению (4), приведенно­му ниже, и соответствует значению то, вычисленному по форму­ле (4) для пен с очень низкой кратностью (п~ 5—10):

Т0=1,3(о/«к)ф,/3/?„акс(ф) (4)

Где о — поверхностное натяжение; ср = (л—1 )/п — объемная доля газа в пене; п — кратность пены; /?rs=2Ari-/?3//2Ar /?2Г- — средний объемно-поверхностный радиус пузырьков; УУ,- — число пузырь­ков данной фракции; /ч, акс(ф) =0,1—0,5 в зависимости от объем­ной доли газа.

Следует отметить, что аналогичные низкие значения т0~5— 10 Н/м2 (не превышающие 12 Н/м2), получены и в других рабо­тах. Возможно,1 что это связано с неравновесным характером сдвига ячеек пены при ее течении с более низкоэнергетическим механизмом сдвига в пенах, чем это принято в теории или ло­кальным снижением кратности у стенок трубки вследствие раз­рушения пены.

Как видно из уравнений (1) и (2), важнейшим параметром, определяющим скорость течения в режиме скольжения, явля­ется толщина слоя скольжения 6. Как отмечалось выше, эта толщина должна зависеть от давления в каналах Плато — Гпб­бса п связанных с ним структурных характеристик (кратности пены, ее дисперсности и радиуса кривизны каналов пены). Кро­ме того, эффективная толщина слоя может зависеть от свойств адсорбционных слоев ПАВ, определяющих степень «затормо­женности» поверхности лшдкостного слоя, вязкости жидкости и гидрофилыюстн стенок трубки.

Исследования влияния начальной дисперсности пены на ско­рость ее течения показали, что при изменении размера пенных пузырьков от 3-10~2 до 7,5-Ю-2 см (пену получали с исполь­зованием стеклянных фильтров Р01, РОЗ, ПОР 100 и 160) ско­рость течения прн одном и том же перепаде давления изменя­лась ие более, чем в 1,5 раз. Соответственно величина б изме­нялась в этой серии опытов от 4,8 до 7,4 мкм, причем четко вы­раженной зависимости эффективной толщины жидкостного слоя от дисперсности пены не выявлено.

Более определенные результаты получены при исследова­нии влияния кратности пены на скорость ее течения.

При малых кратиостях пены (я = 20—200) скорость ее тече­ния резко снижается с увеличением кратности, что связано с уменьшением толщины слоя скольжения с 14,5 мкм при п=18 до 4,8 мкм при я=200, а затем остается приближенно посто­янной для всех кратностей в интервале от 300 до 1000, причем воспроизводимость результатов экспериментов для этой обла­сти кратностей резко ухудшается. Очевидно, что такой харак­тер зависимостей V(я) и б(п) связан с интенсивным разруше­нием пены при течении, зависящим как от кратности, так и от скорости течения. Специальные измерения кратности пены на входе в трубку и на выходе из нее показали, что при кратности на входе более 300—400 кратность на выходе снижается до 100—150, что и приводит к инверсии зависимости V (п) при крат­иостях выше 200, т. е. к росту скорости течения с увеличением кратности пены.

Исследование влияния природы пенообразователя (ПАВ) на скорость течения пены показало, что наименьшую скорость течения имеет пена, полученная из раствора додецнлеульфата натрия с добавкой лаурилового спирта, наибольшую скорость — пена из раствора Тритон-Х-100.

Аналогичная закономерность наблюдается при сравнении скоростей течения раствора по каналам пены, полученной из различных композиций ПАВ. Поэтому можно предположить, что увеличение скорости течения в режиме скольжения njni из­менении композиций ПАВ (от додецнлеульфата натрия с до­бавкой лаурилового спирта к додецилсульфату и Тритону-Х-100) связано с возможностью скольжения пены по жидкостной про слойке (т. е. с неполной «заторможенностью» поверхности раз­дела жидкость — газ). Однако в связи с тем, что в этой после­довательности может увеличиваться и скорость разрушения пе­ны н соответственно толщина прослойки, то для окончательного выяснения причин наблюдаемой — закономерности изменения скорости течения пен требуются дополнительные исследования.

Было исследовано также влияние природы материала трубок на предельное напряжение сдвига и причины возникновения т0 в режиме скольжения. При течении пены по гидрофобным по­верхностям (трубки из поливинилхлорида) предельное напря­жение сдвига достигало тс~9 Н/м2. Это означает, что при те­чении по гидрофобным поверхностям в исследованном интерва­ле скоростей сдвига сразу происходит переход к сдвиговому (по пенной матрице) режиму течения. Это подтверждается и срав­нением отношений скоростей течения

(vi/vг)тес, р= (Др — Дро) iri2L2/(Ap — Дрс)2Г22£1, экспериментальных н рассчитанных по уравнению Букингема-— Рейнера для условия то^ДгЛр)

Расчетное значение vi/v2, составило «9, а эксперименталь­ное значение этого отношения равно 11,35. Одновременно отме­тим, что структурная вязкость при течении в сдвиговом режи­ме составляла 0,15 Па-с, что близко к данным, полученным при скоростях сдвига лг 10 с-1.

Предельное напряжение сдвига при режиме скольжения пе­ны по результатам всех опытов изменялось в пределах от 0— 2,7 Н/м2. Из всех исследованных композиций ПАВ наименьшее значение т0 достигалось при течении пены, полученной из рас­твора додецилсульфата натрия с добавкой лаурилового спирта. Наибольшее влияние на предельное напряжение сдвига оказы­вает гндрофобность стенок трубок, поэтому можно сделать вы­вод, что сдвиговое напряжение связано с прорывом жидкостных прослоек, формированием краевых углов при контакте каналов пены с твердой подложкой и гистерезисом краевых углов.

[1] Другие исследователи различают три или четыре [8, 9, 18] режима пенообразования.

[2] Подробнее причина возникновения краевых углов в тонких пленках и методы их измерения обсуждаются в гл. 2 и 3.

[3] Множитель, стоящий перед экспонентой, определяется из условия / HR)dR= при о = соЫ.

.4 6

[4] Анализировались пузырьки больших диаметров (I—^ см) в газовс эмульсин, полученной без ПАВ.

[5] Конечно, внешние пузырьки, граничащие с газовой фазой, имеют ис­кривленные пленки

Давление рг' в работе f43a] было названо осмотическим давление^ ноны Учитывая неполноту аналогии р'а с обычным осмотическим давлением p.!CT! iopou, считаем нецелесообразным использование этого термина.

[7] Давлением, оказываемым столбом пены чож ;репеоречь *" Описание установки для получения и г )анпя • и> <

Разд. 1.2.

[9] Разд. 3.1 напнсан совместно с канд пм нак Э Млнт-.:.;': (Бомарг^)

Ментальными данными по зародышеобразоваиню в других си­стемах [303]. Можно также рассчитать критическую концентра­цию ПЛВ Скр при разрыве пленки, соответствующую произволь­но выбранному времени т, например тКр=1. Значение Скр опре­деляется из условия т(Сьр)=ткр, из уравнения (3.52) находим:

Скр=С, ехр[— В/1п(т/Л)]. (3.37)

Конценфацнп Скр н С,—характерные константы данной си­стемы, определяющие способность ньютоновской черной пленкн существовать в метастабильном состоянии в области Скр<;С< <Сеш, при С^Сс ньютоновская черная пленка термодинамиче­ски устойчива, т. е. отсутствует движущая сила образования микроскопической дырки в бислойной пенной пленке.

По удельной линейной энергии дырки у можно оценить энергию взаимодействия двух соседних молекул в плоскости пленки: г = ^лс1 (где D среднее расстояние между двумя моле­кулами в плоскости пленки). Ясно, что при исследовании зави­симости т(С) и использовании теории флуктуационного образо­вания дырок в бислое, возникающих при слиянии вакансий в нем, можно определить параметры, характеризующие свойства молекул в двумерной системе.

Следует отметить, что в приведенном анализе не определя­лась форма зародыша (дырки): однослойная или двухслой­ная. Подробно этот вопрос обсуждаося в [298J.

Параметры, приведенные в табл. 3.7, получены на основе классической сорнп зародышеобразования в предположении >чень болыио | числа вакансий в зародыше, поэтому их надо '■читать эффективными величинами.

Во всех исследованных пленках метастабнльная область, в которой пленки термодинамически неустойчивы и рачрыва-

[10] Следует, правда, отметить, что сравнение Сы и Ctij не вполне коррект­но, 1ак как даже для пленки одного типа Сы<.Сы,}- К сожалению, в рабо­тах [326, 327] Сы не определяли.

[11] Отметим, что в отсутствие ПАВ значения констант Гамакера дли эмульсионных водных и иеводных пленок одинаковы.

[12] Обзор работ, чосвящснныч правилу Хнюиова н его интерпретации па основе изотерм г v :линчвающего шилення в смачивающих пленках, дан в [3391.

[13] Здесь и далее в этом разделе речь идет о поли молекулярных cms вающих пленках, получающихся обычно из неполярных жидкостей. Клас ческие монослон нерастворимых ПАВ — особый (предельный) вариант так пленок и здесь не рассматривается

"" По данным [349] полученные результаты согласуются с услови устойчивости Оа>Ов'— Оав', который однако является недостаточным крит рием устойчивости [338].

[15] В отечественной литературе кроме этого названия процесса выделен': жидкости используются н другие термины: осушение или обезвоживание г чы. дренаж, а также вытекание (истечение) жидкости из пены.

[16] и 10 мин после ее образования, VL о — остальная часть жидкости в ne~i (измеряют после разрушения).

Широко распространенной характеристикой сннерезиса яв­ляется продолжительность вытекания из пены половины перво­начального объема жидкости [8, 398]. Определение этой хара - ■ еристики предусмотрено ГОСТом на противопожарные пены

Для точного измерения количества жидкости, вытекающе' из пены используют различные сосуды и градуироваиньт I рубки [1, 38, 400, 401].

Для измерения промежутка времени о момента получен пены до начала вытекания жидкости из пены предложено про­бу пены помещать в цилиндр, устанавливать его вверх дном.

[17] Более общая зависимость радиусов каналов (и кратности) пены ог нысоты при течении в гравитационном поле рассмотрена в [396].

19J

[18] Поскольку в описываемых опытах Др0^ 1,85 а/а [дисперсность соот­ветствовала (4—6)-10~2 см], то равновесное капиллярное давление р0« «Др0.

[19] 4. синерезис пены в гравитационном поле 5.4.1. Уравнения сннерезиса в гравитационном поле

[20] Коэффициент Тк является константой в показателе степени уравне ' в работе [41] он назван периодом устойчивости

[21] Такая ситуация реализуется прн малых nenenaiav давления (до 5— 10 кПа)

[22] Для додекаэдрической модели пены при условии Л=const и а,—а, (ио D In N!Ndi=^D In NJNJ-X) значение коэффициента пропорциональное^ меньше 6.

17—110

[23] Краткий обзор электропроводности разбавленных дисперсных систем с анализом выражений для коэффициента В дан в работе [5001.

[24] Эта повермюст] в тва раза меньше всей межфазной поверхности ъ {■.шпице объема пены

[25] Жидкость КОЖ-2 использовалась для устранения ценообразования производстве чернил.

[26] по уменьшению времени жизни горизонтальной пенной пленки после нанесения капли раствора антпвспенпвателя объ­емом 9 мкл (пленку получают на кольце, изготовленном из тон­кой платиновой проволоки, диаметр кольца 2 см):

Kj= 1 — тдп/тх, (9.7)

Где тдп и is — время жизнн пленки после введения капли раствора антнвспе­ннвателя и пенообразователя соответственно.

Исследования метода оценки пеногасящей способности по времени разрушения пленкн показали, что коэффициент К> сильно зависит от времени формирования пленкн и концентра­ции антнвспеннвателя в капле, а именно, Kf уменьшается при увеличении времени образования пленкн н снижении концен­трации антивспеиивателя и мало зависит от температуры п влажности окружающей среды.

Сравнение пеногасящей способности шести различных ве­ществ тремя указанными выше методами при некоторых стан­дартизованных условиях выявило хорошее соответствие между параметрами Кн. К'н и Kf-

Наиболее полная характеристика пеногасящей способности антивспенивателя должна учитывать его эффективность при раз-

[27] Такая зависимость нарушается прн переходе к высокомо. юк.!> - спиртам [536].

Ш

[28] По Гольману, такая фаза, наиболее характерная для ионной фло;>- цин, называется не совсем удачным термином — спенка» [7].

[29] В англоязычной литературе чаще всего используют термины Lesser О Cumulation Ratio или Enrichment Factor.

[30] При последующем выводе не принимаются допущения об отсутствии коалесценции н диффузионного укрупнения, а также о равенстве исходной концентрации и концентрации вещества внутри каналов и пленок, которое обычно принимается в моделях пеииого разделения [7]

[31] Термин введен Абрнба по аналогии с дефлегмацией при перегонке.

Пена и пенные пленки

  1. Пока что нет комментариев.