DD270641A3

DD270641A3 - METHOD FOR STOS PARAMETER DETERMINATION FOR COALESCENCE PROCESSES

Info

Publication number: DD270641A3
Application number: DD29879386A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Bergelt; Karl-Heinz Weber; Hans J Schulze; Hansjoachim Stechemesser
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-12-30
Filing date: 1986-12-30
Publication date: 1989-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur routinemaessigen Messung der Stosszeit und Stosstiefe als Funktion der Energie eines Partikels (Feststoffteilchen, Fluessigkeitstropfen, Gasblase), das auf eine Fluessig/Gas- oder Fluessig/Fluessig-Grenzflaeche stoesst und die direkte Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit gestattet. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe im wesentlichen mit optischen Mitteln und ohne die Verwendung fotografischer Techniken geloest.The invention relates to a method for the routine measurement of the impact time and depth of impact as a function of the energy of a particle (solid particles, drops of liquid, gas bubble), which encounters a liquid / gas or liquid / liquid interface and allows the direct determination of the particle velocity. According to the invention, this object is achieved essentially by optical means and without the use of photographic techniques.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Stoßparanieterbestimmung bei KoaleszensprozessenMethod for collision parameter determination in coalescence processes

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stoßparameterbestimmung bei Koaleszensprozessen, das zur Messung der Stoßzeit und Stoßtiefe als Funktion der Stoßgeschwindigkeit bzw. Energie eines Partikels (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase), das auf eine Flüssig/Gas- oder Flüssig/ Flüssig-Grenzflache stößt, benutzt wird. Daneben sind andere wichtige Parameter des Koaleszensprozesses, wie z. B. die Ausflußzeit des dünnen Filmes zwischen Partikel und Grenzfläche, bestimmbar.The invention relates to a method for impact parameter determination in coalescence processes used for measuring the impact time and depth of impact as a function of the impact velocity or energy of a particle (particulate matter, liquid drop, gas bubble) impacting a liquid / gas or liquid / liquid interface becomes. In addition, other important parameters of the coalescence process, such. As the outflow time of the thin film between particles and interface, determinable.

Das Verfahren ist Z'jr wissenschaftlichen Untersuchung ausgewählter Mikroprozesse des Koaleszensprozesses in dispersen Systemen vorzugsweise zur Kennzeichnung der Anhaftwahrscheinlichkeit bei der Flotation aber auch bei de_L Herstellung, Stabilisierung und Zerstörung von Fest/Flüssig-, Flüssig/ Flüssig-, Flüssig/Gas-Dispersionen, -Emulsionen und -Schäumen in der Papierindustrie, Aufbereitungstechnik, Abwasserwirtschaft usw. vorgesehen.The method is Z'jr scientific investigation of selected micro-processes of the Koaleszensprozesses in disperse systems, preferably for identifying the Anhaftwahrscheinlichkeit in the flotation but also in de _L preparation, stabilization and destruction of solid / liquid, liquid / liquid, liquid / gas dispersions, -Emulsions and foams in the paper industry, processing technology, wastewater management, etc. provided.

Charakteristik des Standes der Technik Die Stoßzeit und Stoßtiefe eines Partikels (Feststoffteilchen,DESCRIPTION OF THE PRIOR ART The peak time and depth of impact of a particle (particulate matter,

Flüssigkeitstropfen, Gasblase) beim Stoß auf eine Flüssig/ Gas- oder Flüssig/Flüssig-Grenzflache sind von der Energie des stoßenden Partikels und den Parametern des Fluids und des Gases abhängig. Derzeitig wird diese Abhängigkeit bei gleichbleibenden Fluid- und Gas-Parametern aus der Bewegung der Grenzfläche mittels fotografischer Verfahren bestimmt. Zum Einsatz kommen dabei entweder die Hochfrequenzkinematografie (P.F. Whelan, D.J. Brown: Particle-bubble attachment in froth flotation, Bull. Inst. Min. & Metallurgy Trans 65Liquid droplets, gas bubbles) upon impact with a liquid / gas or liquid / liquid interface are dependent on the energy of the impacting particle and the parameters of the fluid and the gas. Currently, this dependence is determined from the movement of the interface by means of photographic processes, with constant fluid and gas parameters. High frequency cinematography is used (P.F. Whelan, D.J. Brown: Particle-bubble attachment in froth flotation, Bull. Inst. Min. & Metallurgy Trans 65

(1956) 591, S. 181; Autorenkollektiv: Neue Forschungsergebnisse zu den Grundlagen des Flotationsprozesses, Freiberger Forschungsheft A 638, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981, S. 40; Allan, R.S.; Mason, S.G.: Particle motions in sphered suspensions, J. of Colloid Science 17 (1962). p. 383 bis 408) oder stroboskopisch^ Methoden (L.R. Flint, W.I. Howarth: The collision efficiency of small particles with spherical air bubbles, Chem. Engng. Sei. 26 (1971), S. 1155; H.;:. Schulze: Experimentelle Untersuchung der hydrodynamischen Wechselwirkung von Partikeln mit einer Gasblase, Aufbereitungstechnik 22 (1981) 5, S. 256) Mit den fotografischen Verfahren ist eine sehr zeitaufwendige manuelle Bearbeitung und Auswertung der verfahrensbedingt großen Zahl an Einzelbildern, wie Filmentwicklung, Vermessung· der Koordinaten für Partikel und Grenzfläche usw., bis zur Darstellung der Amplituden-Zeit-Funktion, aus der schließlich die zu bestimmenden Größen, wie Stoßzeit, Stoßtiefe und Geschwindigkeit (bzw. Energie) des Partikels ablesbar oder berechenbar sind, verbunden. Hinzu kommt ein hoher Filmmaterialverbrauch bei gleichzeitig c,dringer Ausbeute.(1956) 591, p. 181; Author collective: New research results on the basics of the flotation process, Freiberger research booklet A 638, VEB German publishing house for basic industry, Leipzig 1981, P. 40; Allan, R.S. Mason, S.G .: Particle motions in sphered suspensions, J. of Colloid Science 17 (1962). p. 383 to 408) or stroboscopic methods (LR Flint, WI Howarth: The collision efficiency of small particles with spherical air bubbles, Chem. Engng., 26 (1971), p. 1155; H.;: Schulze: Experimental investigation The hydrodynamic interaction of particles with a gas bubble, Aufbereitungstechnik 22 (1981) 5, p 256) With the photographic process is a very time-consuming manual processing and evaluation of the process-related large number of individual images, such as film development, measurement of the coordinates for particles and interface etc., until the representation of the amplitude-time function from which finally the quantities to be determined, such as peak time, depth of impact and speed (or energy) of the particle are readable or calculable connected. In addition, there is a high film material consumption at the same c, dringer yield.

Die frühere vereinfachte Vorstellung von derartigen Stoßen (L.F. Evans: Bubble-mineral attachment in flotation, Engng. Chem. 46 (1954), S. 2420) als erzwungene Schwingung eines Systems mit einem Freiheitsgrad ließ dabei sogar die indirekte Bestimmung der Stoßgeschwindigkeit aus der Bewegung der Grenzfläche als gerechtfertigt erscheinen. Das ist aber eine unzulässige Voraussetzung.The earlier simplified conception of such collisions (LF Evans: Bubble-mineral attachment in flotation, Eng. Chem. 46 (1954), p. 2420) as forced oscillation of a system with one degree of freedom even allowed the indirect determination of the collision velocity from the movement the interface seem justified. But that is an impermissible condition.

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Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Stoßzeit und Stoßtiefe als Funktion der Geschwindigkeit von Partikeln (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase) beim Stoß auf eine Flüssig/Gas- oder Flüssig/ Flüssig-Grenzflache zu entwickeln, die eine routinemäßige Bestimmung der genannten Parameter bei wesentlich gesteigerter Arbeitsproduktivität durch Automatisierung der bisher manuell auszuführenden Arbeiten bis zur Darstellung der Amplituden-Zeit-Funktion ermöglicht.The object of the invention is to develop a method for measuring the impact time and impact depth as a function of the velocity of particles (solid particles, liquid droplets, gas bubble) when impacting on a liquid / gas or liquid / liquid interface, which is a routine determination of said Parameter with significantly increased labor productivity by automating the previously manually performed work to the representation of the amplitude-time function allows.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Natur des Vorganges entspricht die Beschreibung des Stoßprozesses als gekoppelte Schwingung eines Systems mit zwei Freiheitsgraden, also mit einem Modell, das von der Unterschiedlichkeit der Geschwindigkeiten zwischen Partikel und Grenzfläche ausgeht. Demnach ist es notwendig, die Partikelgeschwindigkeit nicht indirekt aus der Bewegung der Grenzfläche, sondern direkt zu bestimmen und die genannten unzulässigen Voraussetzungen zu vermeiden.DESCRIPTION OF THE NATURE OF THE INVENTION The nature of the process corresponds to the description of the collision process as the coupled oscillation of a system with two degrees of freedom, that is, with a model based on the difference in velocities between particle and interface. Accordingly, it is necessary to determine the particle velocity not indirectly from the movement of the interface, but directly and to avoid the above-mentioned impermissible conditions.

Ausgehend von den bereits genannten Mangeln der bisherigen Lösungen und deren Ursachen besteht die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, womit die Stoßzeit und Stoßtiefe als Funktion der Geschwindigkeit eines Partikels (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase) beim Stoß auf eine Flüssig/ Gas- oder Flüssig/Flüssig-Grenzflache aus der Bewegung dieser Grenzfläche, ohne unzulässige Voraussetzungen und ohne fotografische Mittel bestimmt werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Partikel nach senkrechter Bewegung im ersten Medium mit einer definierten und direkt gemessenen Geschwindigkeit zentrisch in Normalenrichtung auf die Grenzfläche auftrifft und die Analyse der Grenzflächenbewegung nach dem an Sj.ch bekannten Prinzip der analoodn Lichtstrommodulation durchgeführt wird, wobei der durch die Bewegung der Grenzfläche modulierte Lichtstroin über ein lichtsensitives Element in elektrische Signale umgewandelt wird, die die Schwingungen der Grenzfläche durch Amplitude und Frequenz widergeben. Meßgrößen s^nd demnach die Bewegung der Grenzfläche im Stoß-Based on the above-mentioned shortcomings of the previous solutions and their causes, the object is to develop a method with which the peak time and depth of impact as a function of the velocity of a particle (solid particles, liquid droplets, gas bubble) in the impact on a liquid / gas or liquid / Liquid interface from the movement of this interface can be determined without undue conditions and without photographic means. According to the invention, this object is achieved in that the particle after vertical movement in the first medium with a defined and directly measured velocity centrally in the normal direction strikes the interface and the analysis of the interfacial movement is carried out according to the known Sj.ch principle of analoodn Lichtstromodulation, where the light strobe modulated by the movement of the interface is converted via a light-sensitive element into electrical signals which reproduce the vibrations of the interface by amplitude and frequency. The measured quantities are therefore the movement of the interface in the collision

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Zentrum und die Partikelgeschwindigkeit. Ausgangsgröße ist eine der Wegamplitude proportionale Spannung. Aus der ersten Halbschwingung der registrierten Spannungs-Zeit-Kurve sind die Stoßparameter Stoßzeit und Stoßtiefe ablesbar. Der Stoßtiefe entspricht die maximale Amplitude und der Stoßzeit die Halbwertsbieite des Peaks. Zur Stoßparameterbestimmung wird eine Anordnung verwendet, die einerseits die Grenzflächenbewegung nach dem an sich bekannten Prinzip der analogen Lichtstrommodulation in eine Spannung umformt, die aus einem Meßspaltprojektor, der das Bild einer Spaltblende auf die Meßkante der Gren.fläche projiziert und dessen Projektionsbild wiederum mittels eines Mikroskops auf die Fotokathode eines Sekundärelektronenvervielfachers vergrößert abgebildet wird,und die andererseits durch Zwangsführung des stoßenden Partikels in einer Kapillare mit Einengung an der Austrittsöffnung für den zentrischen Stoß dieses Partikels in Normalenrichtung der Grenzfläche sorgt und gleichzeitig die direkte Bestimmung der Geschwindigkeit ermöglicht.Center and the particle velocity. Output is a voltage proportional to the path amplitude. From the first half-cycle of the registered voltage-time curve, the impact parameters of peak time and depth of impact can be read. The depth of impact corresponds to the maximum amplitude and the peak time corresponds to the half-value curves of the peak. For collision parameter determination, an arrangement is used which, on the one hand, transforms the interface movement into a voltage according to the known principle of analogue light modulation, which projects from a measuring gap projector which projects the image of a slit diaphragm onto the measuring edge of the surface and whose projection image again by means of a microscope is shown enlarged on the photocathode of a secondary electron multiplier, and on the other hand, by forcibly guiding the abutting particle in a capillary with constriction at the outlet opening for the centric thrust of this particle in the normal direction of the interface provides while allowing the direct determination of the speed.

Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt nach dem an sich bekannten Prinzip der Zeitmessung für die stationäre Bewegung eines Objektes entlang eines gegebenen Weges. Das sich bewegende Objekt ist das stoßende Partikel. Seine Bewegung wird elektro-. magnetisch ausgelöst wobei gleichzeitig eine Einrichtung zur Zeitnahme gestartet wird. Nach der Bewegung des Partikels um eine bestimmte Wegstrecke passiert es die Lichtschranke, die vor der Flüssig/Gas-Grenzfläche angeordnet ist, wobei die Zeitnahmeeinrichtung gestoppt wird und der Registriervorgang verzögert - entsprechend der Bewegungsdauer des Partikels zwischen Lichtschranke und Flüssig/Gas-Grenzfläche - ausgelöst wird. Eine konkrete Realisierung des Wesens der Erfindung ist im Ausführungsbeispiel verdeutlicht.The speed measurement is carried out according to the known principle of time measurement for the stationary movement of an object along a given path. The moving object is the impacting particle. His movement is electro-. triggered magnetically while a device for timing is started. After movement of the particle by a certain distance it passes the photocell, which is located in front of the liquid / gas interface, wherein the timing device is stopped and the registration process delayed - corresponding to the movement time of the particle between the photocell and liquid / gas interface - triggered becomes. A concrete realization of the essence of the invention is illustrated in the exemplary embodiment.

Ausführungsbeispielembodiment

Die praktische Realisierung ist in der Figur 1 veranschaulicht. Das Fallen einer Glas- oder Bleikugel in der Flüssigkeitssäule der Kapillare 8 wird durch Öffnen eines Metallkugelventils mittels des Elektromagneten 7 ausgelöst. Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Elektromagneten wird derThe practical realization is illustrated in FIG. The falling of a glass or lead ball in the liquid column of the capillary 8 is triggered by opening a metal ball valve by means of the electromagnet 7. Simultaneously with the commissioning of the electromagnet is the

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Set-Eingang des Flip/Flop-Bausteins angesteuert, der den nachfolgenden "ms-Zähler" startet. Nach dem Durchfallen der Flüssigkeitssäule in der Kapillare unterbricht die Kugel kurz vor der Tropfenoberfloche den Strahlengang der Lichtschranke. Damit wird über den Trigger der Reset-Eingang des Flip/Flop-Bausteins angesteuert und der "ms-Zähle-" ausgeschaltet. Unmittelbar nach dem Ansprechen des Triggers wird über die einstellbare Verzögerungseinrichtung der stochastische Analysator gestartet. Die Verzögerungszeit wird dabei so gewählt, daß etwa gleichzeitig mit dem Analysator-Start die fallende Kugel auf den Meniskus des hängenden Tropfens 5 stößt. Die ctuoende Kugel versetzt den Meniskus dabei in eine schwingende Bewegung.. Nach dem an sich bekannten Prinzip der analogen Lichtstrommodulation erhält man am SEV-Ausgang eine zur Amplitude des Meniskus proportionale Spannung. Diese Spannung wird mittels des stochastischen Analysators abgetastet, digitalisiert und abgespeichert. Anschließend können die gespeicherten Werte in zeitlich richtiger Reihenfolge auf einem X/Y-Schreiber aufgezeichnet werden.Set input of the flip / flop block, which starts the following "ms counter". After falling through the liquid column in the capillary, the ball interrupts the beam path of the light barrier just before the Tropfenoberfloche. This activates the reset input of the flip / flop module via the trigger and switches off the "ms count". Immediately after the trigger is triggered, the stochastic analyzer is started via the adjustable delay device. The delay time is chosen so that approximately simultaneously with the analyzer start the falling ball encounters the meniscus of the hanging drop 5. The ctuoende ball puts the meniscus thereby in a swinging motion .. According to the known principle of analog light current modulation is obtained at the SEV output to the amplitude of the meniscus proportional voltage. This voltage is sampled, digitized and stored by means of the stochastic analyzer. Subsequently, the stored values can be recorded on an X / Y recorder in chronological order.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber existierenden Lösungen bestehen in folgenden:The main advantages of the invention over existing solutions are as follows:

- automatische St.oßparameterbestimmung von der Erfassung der Grenzflächenbewegung bis zur cira;:ischen Darstellung- Automatic determination of the impact parameters from the detection of the interface movement to the cira;

- Steigerung der Arbeitsproduktivität- Increase labor productivity

- kein Filmmaterialverbrauch- no footage consumption

- direkte und damit korrekte Bestimmung der Stoßgeschwindigkeit- direct and thus correct determination of the impact velocity

- wesentlich verbesserte Meßgenauigkeit für alle Stoßparameter.- Significantly improved measurement accuracy for all impact parameters.

Claims

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'Claims

Method for impact parameter determination in coalescence processes, based on the analysis of the movement of an interface between media of the same or different states of aggregation, which is triggered by the impact of a particle on the interface, characterized in that the particle after vertical movement in the first medium with a defined i ' and the analysis of Grenzfläcnenbewegung is carried out according to the known principle of analog light current modulation, wherein the modulated by the movement of the interface light flux via a light-sensitive element in electr. Signals are converted, which reflect the vibrations of the interface by amplitude and frequency.

i Great drawing