Что такое вязкость пены

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Вязкость пены почти прямо пропорциональна диаметру порового канала. [1]

Вязкость пены характеризует способность пены к растеканию по поверхности. [2]

Вязкость пены изменяется при введении в нее твердой фазы и с изменением ее дисперсности. Тогда двухфазная пена превращается в трехфазную. При течении такой системы силы внутреннего трения слагаются из трения между находящимися в пене гидра-тированными пузырьками воздуха, между пузырьками и водой и между молекулами несвязанной воды. Последняя составляющая силы имеет наименьшую величину. [6]

Оценку вязкости пены можно получить, используя данные о напряжении сдвига при различных скоростях деформации, получен ные в вискозиметрах. Разумеется, такая оценка правомерна лишь при определении порядка величины; для более строгой и точной количественной характеристики вязкости необходим учет свойств конкретного пенообразователя. [8]

Митчелла, вязкость пен при бурении в основном определяется вязкостью газа во внутренней фазе, вязкостью жидкости во внешней фазе и объемным отношением газа и жидкости. [9]

Опытами установлено, что вязкость пены почти прямо пропорциональна диаметру норового канала. Объясняется это тем, что отдельные пузырьки пены занимают почти все поперечное сечение порового канала и движутся как пластичное твердое тело. [14]

Поэтому следует ожидать повышения вязкости пены при снижении давления. Дальнейшее снижение давления, очевидно, должно привести к настолько преобладающему влиянию газовой фазы в пене, что ее вязкость начнет снижаться и стремиться к вязкости газа. [15]

Источник

Пена, свойства, получение и разрушение, применение

Пена, свойства, получение и разрушение, применение

Пена – это дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.

Пена представляет собой одну из разновидностей грубодисперсных систем. Ее особенностью считается состав: в качестве дисперсной фазы выступают пузырьки воздуха или пара, а дисперсной средой могут выступать как жидкости (чаще всего вода), так и твердые вещества.

По своей природе пены больше относятся к концентрированным дисперсным системам. Рассматривая подробно их структуру легко определить, что важную роль играет не только состав раствора, но и соотношение объемов фазы и среды. Этот фактор оказывает непосредственное влияние на соотношение ячеек пены и их форму: ячейки бывают в форме сфер и в форме многогранников (полиэдрическая форма). Также существует переходная форма – стадия, когда сферические ячейки превращаются в многогранные, такая форма имеет название « ячеистой », которое дано ей в связи со схожестью с пчелиными сотами.

Известно, что, чем меньше отношение объемов фазы и среды, тем выше толщина пленки, но такая плотность не может сохраняться неограниченный период времени. Так, пузыри подвергаются процессам старения и наступает момент, когда вследствие истончения покрывающих пузыри пленок форма сферы превращается в полиэдрическую. Продолжительность жизни многогранных ячеек довольно велика, т.к. в такой ситуации состояние пены практически равновесно, а сама она довольно устойчива.

Свойства и характеристики пены:

Характеристики пены обусловлены целым комплексом свойств, описывающих их основные стороны. Эти свойства, в большинстве случаев, определяются такими факторами, как условия получения пен или их разрушения, и могут быть:

Структурно-механические свойства пены:

К основным из них относят:

– пенообразующую способность растворов;

– предельное напряжение сдвига;

Пенообразующая способность пены:

Этим термином определяют итоговое количество пены, получаемое из определенного заранее объема пенообразующей дисперсной системы в обозначенных стандартных пенообразующих условиях за оговоренный временной промежуток. Чаще всего измеряется этот параметр как:

– соотношение объема пены (в сантиметрах кубических) или высоты столба пены (в метрах) к времени ее полного разрушения;

– изменение высоты столба или объема во временном промежутке, представленным в графическом виде.

Существуют и иные типы критериев, но единого универсального стандарта, оценивающего все виды пенообразных дисперсных систем, нет.

По-разному действует на растворы глина: при добавлении ее к анионактивным веществам пенообразующая способность увеличивается, к неионогенным – уменьшается. При увеличении температуры смеси параметр тоже увеличивается, но это не касается неионогенных составов: после критической точки в 100 градусов способность такой дисперсной системы образовывать пены полностью исчезает и возвращается по мере остывания.

Зависит пенообразующая способность и от конструктивных особенностей прибора, при помощи которого будет получена пена (аэрирующее устройство), режима его работы – соотношения воздуха и дисперсной системы.

Стабильность (устойчивость) пены:

Стабильность (устойчивость) пены – это ее способность к сохранению полученного количества, дисперсности и способность предотвращать потерю жидкости (синерезису). Чаще всего в качестве объекта измерения выступает отдельно взятый пузырь или небольшой объем полученной пены.

Зависит параметр от нескольких условий – наличие и тип давления, включение в состав поверхностно-активных веществ. Так, пены, полученные из неионогенных растворов, менее стабильны, как и те, что образовались в результате воздействия природного атмосферного давления. Полученная же под давление пена, а также та, что имеет в составе смеси анионактивные поверхностно-активные вещества, удерживают свое состояние намного дольше.

Кратность пены:

Кратность пены – это соотношение полученного объема пены к количеству дисперсного раствора, затраченного на ее получение.

В зависимости от этого пены разделяют на растворы:

– с низкой кратностью – до 20;

– со средней кратностью – от 20 до 200;

– с высокой кратностью – от 200.

Дисперсность пены:

Этот параметр характеризуется различными критериями:

– средним размером пузырьков;

– распределением пузырьков по размерам;

– поверхностью раздела «раствор- газ » в единице объема пены.

Предельное натяжение сдвига:

Вязкость пены:

Этот параметр позволяет рассчитать данные:

– о растекаемости пенной массы по поверхности;

– о наличии условий для перетекания пены по трубам ;

– о способности вытекания пены из отверстий и пр.

Рассчитывается вязкость исходя из кратности, предельного натяжения сдвига и дисперсности состава.

Электрическая проводимость пены:

Оптические свойства:

При прохождение световых лучей через слой сферической пены происходит их поглощение раствором и рассеивание. Что касается полиэдрических растворов, что здесь возникает преимущественно рассеивание, т.к. доля жидкости в таких дисперсных системах очень мала.

Типы и виды пен:

Известны два основных типа пен – химическая и воздушно-механическая.

Воздушно-механическая пена – это раствор воды и пенообразователя, пузырьки которого наполнены воздухом. В качестве пенообразователей выступают концентрированные растворы поверхностно-активных веществ, которые могут быть:

Способы и методы получения пен:

Благодаря устойчивости и прочности пленок, которую обеспечивают поверхностно-активные вещества, возникает сближение образованных в верхнем слое пузырьков. Их форма терпит изменения, превращаясь из сферической в многогранную, толщина пленок снижается, возникают жидкие пленки. Как результат – добавление к одному слою пузырей последующих и превращение всей жидкости в объемную пену.

Получить пену, как и прочие дисперсные системы, можно двумя способами:

– диспергацонными методами из грубодисперсных систем;

– конденсационными методами из истинных растворов.

Диспергационные способы и методы получения пены:

Их основа – измельчение пузырей газа при помощи подачи его в раствор стабилизатора. Газ поступает в растворы малыми порциями, обычно через трубку, помещенную в жидкость. Как результат – получение более мелких пузырьков.

Сегодня используют такие методы:

1. прохождение струи газа через жидкость в:

2. движение движущихся устройств на дисперсную систему или движущейся жидкости на преграду. Чаще всего это:

3. эжектирование (выбрасывание) воздуха движущейся струей жидкости в парогенераторах.

Диспергационные методы – самые популярные в промышленности, но эффективность их невелика, поэтому ученые продолжают разрабатывать новые виды оборудования для этих целей.

Конденсационные способы и методы получения пены:

Это методы, при которых будущие пузырьки изначально представлены в виде отдельных молекул. Получение пены при этом возможно:

1. изменением параметров физического состояния дисперсной системы:

Вспенивание в таком случае возникает практически мгновенно;

2. проведением химических реакций, при которых происходит выделение газа ;

4. применением электрохимических процессов.

Данные методы нашли широкое применение в пищевой и строительной отраслях промышленности, используют их в бытовых огнетушителях.

Методы и способы разрушения пен:

Разрушение пены – такой же важный процесс в производстве, как и ее создание. Возможен этот процесс такими методами:

– разрушением уже образованной пены.

Предупреждение пенообразования:

Первый способ основан на применении химических веществ, которые предотвращают превращение газовой дисперсной фазы в пену. Недостатком данного способа считается тот факт, что большая часть подобных химикатов (спирты, кремнийорганические соединения) загрязняют как продукты производства, так и окружающую среду. Также возможно смешивание двух видов поверхностно-активных веществ, один из которых частично нейтрализует действие другого, уменьшая итоговое количество пены.

Второй способ – удалить из готовой дисперсной системы стабилизатор, отвечающий за ее устойчивость, что приведет к ее самостоятельному разрушению.

Последний способ – изменение параметров производственного процесса: давления, температуры, диаметра сосудов и прочее.

Разрушение образовавшейся пены:

Для этого применяются химические и нехимические способы.

Химические подразумевают использование антивспенивателей – специальных веществ, способных гасить пену, отвечающих таким критериям:

– имеющих возможность разрушать пену даже при небольшом своем количестве и длительный промежуток времени препятствовать ее повторному появлению;

– не вступать в реакцию с веществами, которыми образован исходный раствор, и, соответственно, не изменять его основные производственные показатели, не влиять на технологический процесс, не изменять параметры работы оборудования;

– для некоторых отраслей промышленности важно соответствие таким требованиям, как стерильность, нетоксичность и пр.

Следует учесть, что пеногасители следует подбирать с учетом специфики производства, т.к. не все они эффективны для различных грубодисперсных составов.

Нехимические способы разделяют на физические и механические.

К физическим способам относят:

– повышение температуры смеси, при котором жидкость из раствора испаряется, и пленка пузырьков разрушается;

– воздействие ультразвуком – возможен акустический метод, который не всегда надежен и не подходит для быстро образующихся смесей, но считается наиболее распространенным на малых производствах; также возможно использование звуковых сирен;

– воздействие электротоком – на данный момент является экспериментальным способом, т.к. позволяет практически мгновенно осадить пену, но при этом требует высоких мер безопасности.

Механические способы делятся на:

– центробежные – при движении пена сталкивается с неподвижной поверхностью;

– аэродинамические – разрушение пены выбрасываемой под давлением струей газа;

– гидродинамические – аналог предыдущей, но с применением струи жидкости;

– барометрические – изменение давление в специальных аппаратах.

Применяются на производстве не часто, т.к. для них обычно требуется сложное, громоздкое оборудование, серьезные затраты электроэнергии. Также подобные способы почти не эффективны для высокоустойчивых дисперсных систем с низкой кратностью, а все прочие не разрушают пену полностью, а только уменьшают ее количество.

Применение пены:

Пены применяются практически во всех отраслях современной жизни. В первую очередь, это пищевая промышленность – хлебопекарные, кондитерские изделия, мороженое и многое другое. Пеносушка – еще один вид производства, используемый для производства продуктов и ингредиентов для них. Так, сушка некоторых продуктов с предварительным вспениванием позволяет получить подобные им составляющие, но с очень тонкой структурой – так производят сухое картофельное пюре, соки и кофе, кормовые дрожжи и прочее.

Невозможно без этой дисперсной системы представить современную ванную комнату: шампуни, гели для душа, средства бытовой химии – все это разновидность пен.

Строители давно оценили такие легкие и прочные материалы, как пенобетон, пенопласт, монтажная пена.

они и в фармацевтике – некоторые лекарственные препараты рекомендовано принимать непосредственно в виде пен.

Однако самое широкое применение пена получила в пожаротушении – именно эта дисперсная система позволяет быстро и эффективно бороться с пожарами даже с самыми высокими уровнями сложности.

Источник

Теоретическая часть

Пена, как огнетушащее средство широко используется при тушении пожаров на объектах химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также используется для тушения твёрдых и жидких веществ, не вступающих во взаимодействие с водой. По своей структуре пена представляет собой дисперсную двухфазную систему, состоящую из пузырьков газа, окружённых плёнками жидкости [5].

К основным свойствам пен, определяющим их огнетушащую способность, относятся: кратность, объемный вес, стойкость, дисперсность, вязкость, охлаждающая и изолиру­ющая способности.

Стойкость пены зависит от кратности, дисперсности, держания ПАВ в растворе, а также температуры и состояния окружающей среды, вида горящего вещества и других факторов. Стойкость есть обратная величина интенсивности разрушения пены.

Дисперсность пены— свойство, характеризующее степень измельченности пузырьков. Показателем дисперсности пены является усредненный размер пузырьков одного литра пены. Высокодисперсными пенами могут считаться те, у которых средний диаметр пузырьков менее 3 мм. С увеличением крат­ности при постоянной толщине стенок пузырьков дис­персность уменьшается. Она зависит от состава пенообразующего раствора, механизма и параметров смешения его с воз­духом. Дисперсность изменяется в зависимости от слияния пузырьков. Диаметр пузырьков в совокупности с кратностью и толщиной стенок жидкостной оболочки пузырьков представляет струк­туру пены.

Увеличение вязкости за счет увеличения кратности примерно до 100 увеличивает стойкость пены. Дальнейшее увеличение кратности снижает стойкость пены.

Степень проявления и влияния свойств пен зависит от условий. Например, если пена используется в качестве сред­ства защиты от лучистого теплового потока, то наибольшее значение имеют стойкость и электромагнитнаяпроницаемость.Изолирующее действие пены при атом оценивается количеством энергии, проходящей через слой равный 1 см за 1 с на 1 м 2 поверхности.

Стойкость пены в условиях пожара зависит от вида пенообразователя и параметров пены.

Синтетические углеводородные пенообразователи обладают высокой пенообразующей способностью и обеспечивают получение среднекратных и высокократных пен. Такие пенообразователи применяются в основном для тушения пожаров пеной в помещениях, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. В результате разрушения пены выделяется раствор пенообразователя в виде капель, называемый отсеком. Отсек охлаждает поверхность горючей жидкости, что снижает скорость химической реакции в зоне горения, и как следствие уменьшает температуру пламени. Но в целом разрушение пены на основе углеводородного пенообразователя является отрицательным фактором, так как замедляет создание изолирующего слоя пены. Кроме того, при тушении высококипящих жидкостей, образующих гомотермический слой, капли отсека могут вызвать вскипание и выброс. Углеводородные пенообразователи не пригодны для тушения водорастворимых, полярных жидкостей, так как интенсивность разрушения пен в этих случаях намного больше реально достижимой интенсивности подачи.

При тушении пенами на основе фторированных пенообразователей из отсека на поверхности горючей жидкости образуется плёнка раствора. Она хорошо растекается по поверхности и защищает пену от разрушающего действия жидкости. Образующаяся плёнка водного раствора при контакте с нагретой жидкостью частично разрушается за счёт испарения, выпадения капель воды и углеродной части на дно резервуара. Тем самым она охлаждает поверхностный слой жидкости и уменьшает интенсивность разрушения пены.

Из одного и того же пенообразователя можно получить пену, обладающую различной огнетушащей эффективностью. Это зависит главным образом от её параметров, таких как кратность, дисперсность, вязкость и др.

Кратностью пены К_п называется отношение объёма пены V_п к объёму раствора пенообразователя, из которого она образована V_раст. _ПО

Дисперсность пены D_п обратно пропорциональна среднему диаметру пузырьков d_ср:

Дисперсности пены во многом зависит от условий её получения, в том числе и от характеристики аппаратуры. Пены с высокодисперсной структурой обладают лучшей изолирующей способностью и большой стойкостью.

Вязкость характеризует способность пены к растеканию, и оценивается коэффициентом динамической вязкости. Вязкость пены зависит от таких факторов и параметров как от вида пенообразователя, кратности, дисперсности. С повышением вязкости пены стойкость её возрастает, но ухудшается растекаемость по горящей поверхности. При необходимости изолировать зону горения от горя­щей поверхности пену подают слоем на границу их раздела. Такое тушение называют «поверхностным» или тушением по поверхности. При заполнении пеной большей части или всего объема зоны горения тушение называется объемным.

Низкократными пенами тушат в основном по поверхности. Для тушения жидкостей используют пены кратностью до 70, объемная масса которых в 5-50 раз меньше объемной массы этих жидкостей. Такие пены хорошо удерживаются и растека­ются до поверхности, эффективно противостоят прорыву через них горючих паров, обладают значительным охлаждающим дей­ствием. Для тушения крупных пожаров на складах древесины ис­пользуют тяжелые низкократные пены, так как они позволяют получать струй значительной длины, хорошо проникают в не­плотности и удерживаются на поверхности, обладая высокими теплоизолирующим и охлаждающим действиями. Защитное действие проявляется даже после разрушения тяжелой пены и испарения воды, так как на поверхности остается слой утя­желителя, который предохраняет поверхность древесины от возгорания.

Высокократную пену применяют главным образом для объемного тушения, вытеснения дыма, изоляции отдельных объектов от действия тепла и газовых потоков.

Химическая пена применяется редкои, главным образом, для тушения низкокипящих жидкостей. Использование пены ограничивается в связи о громоздкостью пеннойаппаратуры,сложностью транспортировкии хранения пенопорошка,высокой стоимостью и сложностью организации тушенияпожаров. Пены являются достаточно универсальным средством поэтому используются для тушения жидких и твердых веществ. Исключение составляют вещества, взаимодействующие сводой.

Воздушно-механическая (ВМ) пена может применятьсяв сочетании о огнетушащими порошковыми составами (ОПС) не­растворимыми в воде (типа ПСБ). ОПС обладают высокойэф­фективностью при ликвидации пламенного горения, но почти не охлаждают горящую поверхность. Пена же компенсирует этот недостаток и дополнительно изолирует поверхность. Эффек­тивно применение пены ВМ в сочетании с водой при одновре­менном горении жидкостей иди плавящихся веществ и твердых материалов, рассредоточенных по объему зоны горения. К такому сочетанию прибегают в тех случаях, когда невозмож­но использовать объемное тушение. При осуществлении его избегают действия водяных струй на пену, так как пенаподдействием их сильно разрушается.

Пена ВМ менее электропроводна, чем химическая,одна­коболее электропроводна, чем вода, входящая в составпе­ны.

Тушение пеной ВМ высоковольтных электроустановок производится после их обесточивания. Как исключение допускается объемное тушение передвижными средствами электро­установок при напряжении 10 кВ и условии заземления, за­крепления пеногенератора и заземления автонасоса.

Под эффективностью использования пены понимают сте­пень полезного использования подаваемого на тушение пено­образующего раствора.

Контрольные вопросы

1. Основные свойства пены.

2. Что из себя представляет пена? Какова её структура?

3. Назовите основные причины (виды) разрушения пены.

4. Как классифицируются основные пенообразователи?

5. Что такое кратность и дисперсность пены, и как они влияют на интенсивность её разрушения?

6. Какие факторы внешней среды влияют на интенсивность разрушения пены?

7. Показатель дисперсности пены.

8. Виды пены по кратности.

9. От чего зависит вязкость пены.

10. В чем заключается изолирующее свойство пены.

11. Особенности тушения низкократными пенами.

12. Особенности тушения химическими пенами.

Источник

СВОЙСТВА ПЕНЫ

К наиболее важным реологическим характеристикам пены относятся предельное напряжение сдвига и вязкость, поскольку течение пены – составная часть многих про­цессов при получении и применении пен (подземное пожаротушение, получение вспененных полимерных мате­риалов и замороженной пены, пылеулавливание и т. д.).

Вязкость пены. Вязкость – это реологическая харак­теристика, знание которой позволяет определять условия перекачивания пены по трубам., растекаемость пенной массы по поверхности (например, при тушении пожара), способность к свободному истечению из отверстий. Зна­чения структурной (эффективной) вязкости, получаемые разными исследователями, изменяются в широком ин­тервале в зависимости от кратности и дисперсности пен и от напряжения сдвига (скоростей течения). По данным Венцеля, вязкость пен кратностью 100–400 изменялась от 0,7 до 2,0 Пас при малых напряжениях сдвига и от 0,07 до 0,2 Па–с при больших напряжениях сдвига.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПЕНЫ

Электропроводной в пене является только жидкая фаза, поэтому удельная электропроводность пены _F за­висит от содержания жидкой фазы и ее удельной элект­ропроводности _L .

_F =

где п – кратность пены, В – коэффициент формы, зави­сящий от кратности пены и распределения жидкой фазы между каналами и пленками в пене. Экспериментально установлено, что он монотонно увеличивается от 1,5 до 3,0 при возрастании кратности пены.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕН

Ослабление светового потока, проходящего через слой пены, происходит в результате рассеяния света и погло­щения его раствором. Однако в полиэдрической пене доля жидкости в общем объеме весьма мала, поэтому интенсивность светового потока уменьшается практически лишь в результате рассеяния. В такой пене поверхности разде­ла фаз относятся к трем четко выраженным и различаю­щимся по оптическим свойствам структурным элемен­там: пленкам, каналам Плато и узлам. Ослабление светового потока определяется отношением где I₀ –интенсивность падающего света, I – интенсивность све­та, прошедшего через пену.

Источник