DD301493A7 - Vorrichtung zur stossparameterbestimmung bei koaleszensprozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stoßparameterbestimmung bei Koaleszensprozessen nach dem Prinzip der Bewegung einer Grenzfläche. Die Vorrichtung dient der routinemäßigen Messung der Stoßzeit und Stoßtiefe als Funktion der Energie eines Partikels (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase), das auf eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche stößt und die direkte Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit gestattet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine senkrecht stehende, einseitig geschlossene, auf der gegenüberliegenden Seite mit Einengung versehene und mit Flüssigkeit gefüllte Kapillare (s. Figur) verwendet wird, in der sich ein Partikel mit bekannter Geschwindigkeit in Richtung der offenen Seite bewegt, an der die Flüssigkeit eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche bildet, die sich im horizontalen Strahlengang eines Meßspaltprojektors befindet, der Bestandteil einer an sich bekannten Einrichtung zur Umwandlung der Grenzflächenbewegung in ein elektrisches Signal nach dem Prinzip der analogen Lichtstrommodulation mittels lichtsensitivem Element ist. Figur{Vorrichtung; disperse Systeme; Koaleszens; Stoßzeit; Stoßtiefe; Partikel; Flüssig-Gas-Grenzfläche; Bewegung; Amplitude; Geschwindigkeit; Schwingung; Fotozelle; Lichtschranke; Kapillare; Lichtmodulation}

Description

-2- 301493 Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung 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 stets sichtbaren und reproduzierbaren Bewegung dieser Grenzfläche, ohne fotografische Mittel und ohne die im Stand der Technik genannten unzulässigen Voraussetzungen bestimmt werden können. Die Partikelgeschwindigkeit wird dabei nicht indirekt aus der Bewegung der Grenzfläche, sondern direkt bestimmt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine senkrecht stehende, einseitig geschlossene, auf der gegenüberliegenden Seite mit Einengung versehene und mit Flüssigkeit gefüllte Kapillare verwendet wird, in der sich ein Partikel (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase) mit bekannter Geschwindigkeit in Richtung der offenen Seite bewegt, an der die Flüssigkeit eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche bildet, die sich im horizontalen Strahlengang eines Meßspaltprojektors befindet, der Bestandteil einer an sich bekannten Einrichtung zur Umwandlung der Grenzflächenbewegung in ein elektrisches Signal nach dem Prinzip der analogen Lichtstrommodulation mittels lichtsensitiven Elements ist. Der Meßspaltprojektor projiziert das Bild einer senkrecht stehenden Spaltblende auf die Meßkante der Grenzfläche, dessen Projektionsbild wiederum mittels eines Mikroskops auf die Fotokathode eines Sekundärelektronenvervielfachers vergrößert abgebildet wird.

Entlang des Partikelweges ist eine Lichtschranke zur Triggerung des Registriervorganges für das elektrische Signal angebracht. Diese Lichtschranke wird gleichzeitig zur direkten Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit ausgenutzt.

Meßgrößen sind demnach die Bewegung der Grenzfläche im Stoßzentrum 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 Halbwertsbreite des Peaks.

Die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung arbeitet nach dem an sich bekannten Prinzip der Zeitmessung für die stationäre Bewegung eines Objektes entlang eines bekannten Weges. Das sich bewegende Objekt ist das stoßende Partikel. Seine Bewegung wird elektromagnetisch 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 Zeitnahnieeinrichtung gestoppt wird und der Registriervorgang verzögert, entsprechend der Bewegungsdauer des Partikels zwischen Lichtschranke und Flüssig-Gas-Grenzfläche, ausgelöst wird. Gleichzeitig mit der Registrierung des elektrischen Signals beginnt das Partikel in das Zentrum der Grenzfläche zu stoßen. Eine konkrete Realisierung des Wesens der Erfindung ist im Ausführungsbeispiel verdeutlicht.

Ausführungsbeispiel Beispiel 1

Die praktische Realisierung ist in der Figur veranschaulicht. Eine von der Lampe 1 mittels des Kondensators 2 ausgeleuchtete Spaltblende 3 wird über ein Objektiv 4 (29mm Brennweite) auf die Meßkante des an der Kapillare 8 hängenden Tropfens 5 projiziert, so daß die gesamte Schwingungsamplitude innerhalb des projizierten Spaltes liegt. Der Spalt hat eine Länge von 17 mm und eine Breite von 0,1 mm. Er wird im Maßstab 1:10 beim Stoß von Glaskugeln mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 1 mm und im Maßstab 1:5 beim Stoß von Bleikugeln mit dem gleichen Durchmesserbereich abgebildet. Ein nachfolgendes Mikroskop bildet den projizierten Spalt vergrößert auf die Fotokathode eines Sekundärelektronenvervielfachers ab. Das Mikroskop dient gleichzeitig zur Beobachtung und Justierung der Tropfenoberfläche. Die Bauelemente 1 bis 8 einschließlich des Mikroskops mit SEV sind auf einer optischen Bank montiert, die erschütterungsfrei aufgestellt ist. Die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung umfaßt die Bauelemente Elektromagnet 7, Lichtschranke 6 und den Trigger zur Ansteuerung eines „ms-Zählers". Der Trigger ist mit der Verzögerungseinrichtung zur Ansteuerung des stochastischen Analysators verbunden. Anstelle des stochastischen Analysators kann auch ein Computer mit A-D-Wandler eingesetzt werden. Der optische Aufbau der Lichtschranke 6 ist prinzipiell identisch mit dem Aufbau des Meßspaltprojektors (1 bis 4) einschließlich des Mikroskops mit SEV. Der wesentliche Unterschied besteht lediglich in der kürzeren Brennweite des verwendeten Objektivs (f = 18 mm). Damit wurde ein gut fokussierter Lichtpunkt mit einem Durchmesser von 0,1 mm im Zentrum der Kapillare erreicht. Das Fallen eines Partikels in der Flüssigkeitssäule der Kapillare 8 wird durch Öffnen eines Metallkugelventils mittels des Elektromagneten 7 ausgelöst. Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Elektromagneten wird der Set-Eingang des Flipflop-Bausteins angesteuert, der den nachfolgenden „ms-Zähler" startet. Nach dem Durchfallen der Flüssigkeitssäule in der Kapillare unterbricht das Partikel 3 mm vor der Tropfenoberfläche δ den Strahlengang der Lichtschranke. Damit wird über den Trigger der Rsset-Eingang des Flipflop-Bausteins angesteuert und der „ms-Zähler" ausgeschaltet. Unmittelbar nach dem Ansprechen des Triggers wird über die einstellbare Verzögerungseinrichtung der stochastische Analysator gestartet. Danach wird die am SEV-Ausgang entsprechend der Tropfenauslenkung anliegende Spannung in kurzen Zeitintervallen vom stochastischen Analysator abgetastet, digitalisiert und abgespeichert. Anschließend können die gespeicherten Werte in zeitlich richtiger Reihenfolge auf einem X/Y-Schreiber aufgezeichnet werden. Das Oszilloskop dient dem Betrachten der Spannungs-Zeitfunktion vor der Ausgabe auf den X/Y-Schreiber. Mit Hilfe des Galvanometers wird die Tropfenauslenkung im Ruhezustand für alle Versuche konstant gehalten.

Beispiel 2

Mit der gleichen Vorrichtung wie im Beispiel 1, aber mit in vertikaler Richtung um 180° gedrehter Kapillare, in dereine Gasblase oder ein Flüjsigkeitstropfen nach oben steigt und auf die Grenzfläche stößt.

Beispiel 3

Mit der gleichen Vorrichtung wie im Beispiel 1 oder 2, aber mit dem Unterschied, daß an die Flüssigkeit in der Kapillare kein Gas, sondern eine zweite Flüssigkeit angrenzt.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber existierenden Lösungen bestehen in folgenden:

- automatische Stoßparameterbestimmung von der Erfassung der Grenzflächenbewegung bis zur grafischen Darstellung

- Steigerung der Arbeitsproduktivität

- kein Filmmaterialverbrauch

- direkte und damit korrekte Bestimmung der Stoßgeschwindigkeit

- wesentlich verbesserte Meßgenauigkeit für alle Stoßparameter.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Stoßparameterbestimmung bei Koaleszensprozessen nach dem Prinzip der Analyse der Bewegung einer Grenzfläche, gekennzeichnet dadurch, daß eine senkrecht stehende, einseitig geschlossene, auf der gegenüberliegenden Seite mit Einengung versehene und mit Flüssigkeit gefüllte Kapillare verwendet wird, in der sich ein Partikel mit bekannter Geschwindigkeit in Richtung der offenen Seite bewegt, an der die Flüssigkeit eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche bildet, die sich im horizontalen Strahlengang eines Meßspaltenprojektors befindet, der Bestandteil einer an sich bekannten Einrichtung zur Umwandlung der Grenzflächenbewegung in ein elektrisches Signale nach dem Prinzip der analogen Lichtstrommodulation mittels lichtsensitiven Elements ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stoßparameterbestimmung nach dem Prinzip der Analyse der Bewegung einer Grenzfläche bei Koaleszensprozessen, die 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-Grenzfläche stößt, benutzt wird. Daneben sind andere wichtige Parameter des Koaleszenzprozesses, wie z. B. die Ausflußzeit des dünnen Filmes zwischen Partikel und Grenzfläche, bestimmbar.

   Die Vorrichtung ist zur wissenschaftlichen Untersuchung ausgewählter Mikroprozesse des Koaleszensprozesses in dispersen Systemen vorzugsweise zur Kennzeichnung der Anhaftwahrscheinlichkeit bei der Flotation aber auch bei der Herstellung, Stabilisierung und Zerstörung von Fest-Flüssig-, Flüssig- Flüssig-, Flüssig-Gas-Dispersionen, -Emulsionen und -Schäumen in der Papierindustrie, Aufbereitungstechnik, Abwasserwirtschaft usw. vorgesehen.

   Charakterisierung des Standes der Technik

   Die Stoßzeit und Stoßtiefe eines Partikels (Feststoffteilchen, Flüssigkeitstropfen, Gasblase) beim Stoß auf eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche 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 des Partikels mittels fotographischer Techniken bestimmt. Zum Einsatz kommen dabei entweder die Hochfrequenzkinematografie (P. F. Whelan, D. J. Brown: Particle-bubble attachment in froth flotation, Bull, lnstr. Min. & Metallurgy Trans 65 ([1956] 591, S. 181; Autorenkollektiv: Neue Forschungsergebnisse zu den Grundlagen des Flotationsprozesses, Freiberger Forschungsheft A638, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981, S.40; Allan R. R.; Mason S. G.: Particle motions in sphered suspensions, J. of Colloid Science 17 (1982), p. 383 bis 403) oder stroboskopische 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.J.Schulze: Experimentelle Untersuchung der! iydrodynamischen Wüchselwirkung von Partikeln mit einer Gasblase, Aufbereitungstechnik 22(198115, S.526).

   Mit den fotografischen Techniken ist eine sehr zeitaufwendige manuelle Bearbeitung und Auswertung der ven .hrensbedingt 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 geringer Ausbeute.

   Die frühere vereinfachte Vorstellung von derartigen Stößen (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. Der Natur des Vorganges entspricht aber die Beschreibung des Stoßprozesses als gekoppelte Schwingung eines Systems mit zw<?i Froiheitsgraden, also mit einem Modell, das von der Unterschiedlichkeit der Geschwindigkeiten zwischen Partikel und Grenzfläche ausgeht. Weitere wichtige Nachteile, der bisher für die vorgesehene Aufgabenstellung existierenden Vorrichtungen, bestehen einerseits darin, daß zentrale Stöße in Normalenrichtung auf die Grenzfläche lediglich rein zufällig reproduziert werden können, weil die Partikel im Schwarm frei auf Blasen fallen, und andererseits darin, daß die Bewegung der Grenzfläche einer Blase im interessierenden Bereich des stoßenden Partikels nicht sichtbar ist.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen der Stoßzeit und Stoßtiefe als Funktion der Geschwindigkeit von Partikeln (Feststoffteilchen, Flüsigkeitstropfen, Gasblase) beim Stoß auf eine Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche zu entwickeln, die eine routinemäßige Bestimmung der genannten Parameter bei wesentlich gesteigerter Arbeitsproduktivität durch Automatisierung de: bisher manuell auszuführenden Arbeiten bis zur Darstellung der Amplituden-Zeit-Funktion und durch Vermeidung von Fehlversuchen bei gleichzeitig verbesserter Meßgenauigkeit für alle Stoßparameter ermöglicht.