Способ стабилизации магнитной жидкости

Изобретение относится к технологии приготовления магнитных жидкостей со стабильными свойствами при воздействии на них неоднородного магнитного поля, которые используются в уплотнительных устройствах, в дефектоскопии, в приборах контроля, при разделении немагнитных материалов по плотности и т.д. На магнитную жидкость воздействуют градиентным магнитным полем и выдерживают в зоне его воздействия до достижения равновесной концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости в каждой точке зоны воздействия, после чего отсекают часть магнитной жидкости, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля, а остальную часть магнитной жидкости, находящуюся вне области с максимальной магнитной индукцией, выводят из зоны воздействия градиентного магнитного поля. Способ обеспечивает приготовление магнитной жидкости, устойчивой в градиентном магнитном поле. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии приготовления магнитных жидкостей (МЖ) со стабильными свойствами при воздействии на них неоднородным магнитным полем, которое всегда присутствует, когда МЖ используются в уплотнительных устройствах: в дефектоскопии, в приборах контроля, при разделении немагнитных материалов по плотности и т.д.

Например, неоднородность магнитного поля в зоне герметизации уплотнительного устройства может достигать 10⁹ А/м², а магнитная сила, действующая на каждую частицу диаметром 10,0 нм, приблизительно равна 3×10^-16 Н (В.Е.Фертман. «Магнитные жидкости». Минск, «Вышэйшая школа», 1988, с.34.). Магнитные жидкости, предназначенные для эксплуатации в полях с указанной выше неоднородностью, должны приготавливаться особенно тщательно. Существует номинальный диаметр твердых частиц, при котором скорость магнитофореза в неоднородном магнитном поле равна скорости броуновского движения (d_н). Частицы, у которых d>d_н, будут «оседать» в область с максимальной индукцией магнитного поля. Для магнитных жидкостей с частицами магнетита в качестве дисперсной фазы эта величина d_н составляет 16 нм (там же, с.112-113).

Не менее жесткие требования предъявляются к жидкостям, используемым в процессах разделения немагнитных материалов по плотности. Принцип работы феррогидростатических (ФГС) и магнитогравитационных (МГ) сепараторов основан на том, что на немагнитное тело, погруженное в магнитную жидкость, к которой приложено неоднородное магнитное поле, будет действовать сила, выталкивающая это тело в область с минимальной индукцией магнитного поля, т.е. в область, где полюса магнита максимально удалены друг от друга. Создавая соответствующую неоднородность по вертикали, можно добиться всплывания в ней предметов, плотность которых во много раз выше плотности магнитной жидкости. Величина выталкивающей силы зависит от величины приложенного магнитного поля и намагниченности МЖ. Постоянство выталкивающей силы достигается конструкцией сепаратора и постоянством свойств магнитной жидкости или постоянством концентрации магнитных частиц по всему объему рабочей зоны сепаратора.

Магнитная жидкость, полученная любым известным способом и предназначенная для использования в процессах разделения немагнитных материалов по плотности, может содержать определенное количество «крупных» частиц, наличие которых в образце МЖ связано с недостатком известного способа получения МЖ, с нарушением режимов получения МЖ или с использованием некачественного сырья. Для того чтобы образцы МЖ были устойчивы в градиентном магнитном поле, магнитная жидкость должна пройти стадию стабилизации, под которой подразумевают удаление из нее «крупных» частиц.

Известен способ стабилизации конечного продукта в магнитном отстойнике с целью получения устойчивой во времени однородной магнитной жидкости (В.Ф.Медведев, Л.В.Сулоева и др. «Опытно-промышленная установка для производства магнитных жидкостей на основе нефтяных и синтетических масел. Тез. докл. 7-й Международн. Плесской конферен. по магнитным жидкостям. Сентябрь 10-12, 1996 г., Плес, Россия, Изд-во ИГЭУ, 1996 г. С.15).

Общими признаками известного и заявляемого способов являются воздействие на магнитную жидкость неоднородным магнитным полем и выделение «крупных» частиц.

Недостатком известного способа является последовательное извлечение из магнитной жидкости фракций различной крупности, которые требуют для своего извлечения различных технологических процессов, реализуемых в отстойнике, а возможно и различных по конструкции отстойников. Следовательно, такой способ стабилизации характеризуется длительностью процесса и значительными затратами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ сепарации магнитной жидкости, реализуемый в магнитной системе ФГС-сепаратора с градиентным магнитным полем между полюсами магнитной системы (авт. свид. СССР №908404, МПК⁵ В03С 1/30, опубл. 28.02.1982).

Общим признаком известного способа с заявляемым является воздействие на магнитную жидкость градиентным по высоте магнитным полем.

Недостатком известного способа является недостаточно полное использование рабочего объема магнитного поля сепаратора между полюсами магнитной системы. Кроме этого, в известном способе не предусмотрен вывод части магнитной жидкости с осевшими в ней «крупными» частицами, что может привести к нанарушению процесса разделения немагнитных материалов по плотности и снижению качества приготовленной МЖ, что подтверждается способом определения устойчивости МЖ (см. пат. РФ №2079375, МПК⁶ В03С 1/32, опубл. 20.05.1997).

Техническая задача заключается в создании способа стабилизации магнитной жидкости, обеспечивающего приготовление магнитной жидкости, устойчивой в градиентном магнитном поле и пригодной для использования в процессах разделения немагнитных материалов по плотности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе стабилизации магнитной жидкости, включающем воздействие на магнитную жидкость градиентным магнитным полем, полученную любым известным способом магнитную жидкость выдерживают в зоне воздействия градиентного магнитного поля в течение времени, достаточного для достижения равновесной концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости в каждой точке зоны воздействия магнитного поля, после чего отсекают часть магнитной жидкости, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля, а остальную часть магнитной жидкости, находящуюся вне области с максимальной магнитной индукцией, выводят из зоны воздействия градиентного магнитного поля.

При этом магнитную жидкость выдерживают в градиентном магнитном поле в течение 0,3-2,0 ч.

Кроме того, часть отсекаемой магнитной жидкости, находящейся в области с максимальной индукцией магнитного поля, составляет 0,05-0,2 от общего объема магнитной жидкости, помещенной в градиентное магнитное поле.

Кроме этого, в качестве магнитной жидкости используют жидкость на углеводородной или водной основе с плотностью не выше 1,3 г/см³.

Кроме этого, часть магнитной жидкости, выведенную из зоны с максимальной индукцией магнитного поля, после разбавления ее до исходной концентрации подвергают дополнительной стабилизации.

Заявляемая совокупность признаков позволяет получать магнитные жидкости, устойчивые в градиентном магнитном поле, независимо от того, каким способом они были синтезированы. Это позволит значительно расширить рынок магнитных жидкостей, пригодных для процессов разделения немагнитных материалов по плотности. Выдерживание образца МЖ в градиентном магнитном поле определенное время позволяет обеспечить удаление «крупных» частиц, наличие которых в образце может быть связано с нарушением режимов получения магнитной жидкости или с использованием некачественного сырья.

Время выдержки МЖ в рабочей зоне ФГС- или МГ-сепаратора не должно быть меньше времени пребывания МЖ в рабочей зоне сепаратора при разделении немагнитных материалов по плотности. Время выдержки также определяется объемом рабочей зоны воздействия магнитного поля и скоростью выноса МЖ с продуктами разделения. Кроме того, плотность приготовленной МЖ (на углеводородной или водной основе) не должна превышать 1,3 г/см³, т.к. на скорость перемещения «крупных» частиц в область с максимальной индукцией магнитного поля начинает заметно влиять взаимодействие между частицами дисперсной фазы, что приводит к увеличению времени стабилизации. На практике, с учетом этих условий, время выдержки МЖ в градиентном магнитном поле составляет 0,3-2,0 ч. Так как содержание «крупных» частиц в МЖ, полученных по различным технологиям, может сильно различаться, то объем, занимаемый ими, будет тоже разный. Поэтому для отсечения устойчивой в градиентном магнитном поле МЖ используют набор разделительных вставок, отсекающих различный объем рабочей зоны сепаратора. Опытным путем определено, что часть отсекаемой магнитной жидкости, находящейся в области с максимальной индукцией магнитного поля, составляет 0,05-0,2 от общего объема магнитной жидкости, помещенной в градиентное магнитное поле. При этом ориентируются на изменение плотности исходного образца МЖ и части МЖ, находившейся в области с минимальной индукцией магнитного поля, т.е. в области, где полюса магнита максимально удалены друг от друга. Чем больше разница между исходной плотностью МЖ и стабилизированной МЖ, тем больший объем занимают «крупные» частицы, осевшие в рабочей зоне с максимальной индукцией магнитного поля, т.е. в области, где полюса магнита максимально сближены. Отсутствие разницы между исходной плотностью образца МЖ и отобранной после воздействия градиентного магнитного поля ФГС- или МГ-сепаратора, т.е. достижение равновесной концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости в каждой точке зоны воздействия магнитного поля, свидетельствует об отсутствии «крупных» частиц в образце и о его высокой устойчивости в градиентном магнитном поле.

Целесообразно для проведения процесса стабилизации использовать градиентное магнитное поле, максимальная индукция которого была бы на 10-20% выше максимальной индукции в рабочем зазоре промышленного ФГС- или МГ-сепаратора, поэтому в предлагаемом способе предпочтительнее использовать поле более компактного магнитогравитационного сепаратора (МГ-сепаратора).

Проведение дополнительной стабилизации части исходной магнитной жидкости, выделенной в процессе стабилизации из зоны с максимальной индукцией магнитного поля и содержащей «крупные» частицы, после разбавления до исходной плотности позволяет до минимума снизить потери качественной МЖ при проведении процесса стабилизации.

Предлагаемый способ может быть использован при разработке новых методов получения МЖ, т.к. позволяет оценивать количество «крупных» частиц в жидкости, приготовленной по известному способу и заявляемому.

Предлагаемый способ не требует для своего осуществления дополнительного оборудования и значительных затрат, а также не требует сложного или дорогостоящего импортного оборудования и реагентов для обеспечения высокого качества приготовленной МЖ.

Предлагаемый способ стабилизации осуществляют следующим образом.

Полученный любым известным способом образец МЖ после измерения ее плотности помещают в рабочую зону ФГС- или МГ-сепаратора и выдерживают в градиентном магнитном поле в течение 0,3-2,0 ч. После чего отсекают часть образца МЖ, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля вместе с осевшими там «крупными» частицами, путем введения разделительной вставки, изготовленной из немагнитного материала, причем боковые стенки вставки четко повторяют профиль полюсных наконечников, а длина вставки несколько превышает длину рабочей зоны ФГС- или МГ-сепаратора. После введения вставки часть МЖ, освобожденной от «крупных» частиц, выводят из зоны воздействия градиентного магнитного поля. Эта часть МЖ отличается высокой стабильностью свойств и устойчивостью в градиентном магнитном поле. Затем из сепаратора удаляют часть образца МЖ, находившейся в области с максимальными значениями индукции магнитного поля вместе с осевшими там «крупными» частицами. После сбора достаточного количества такой жидкости ее разбавляют до первоначальной концентрации и вновь стабилизируют. Таким образом, потери качественной МЖ при стабилизации минимальны.

Пример 1.

Образец МЖ объемом 500 мл и плотностью 1,240 г/см³ заливают в МГ-сепаратор и выдерживают там в течение 0,5 ч.

После чего отсекают часть образца МЖ, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля вместе с осевшими там «крупными» частицами, путем введения разделительной вставки, изготовленной из немагнитного материала. Разделительная вставка отделила 0,05 от общего объема МЖ, залитой в сепаратор. После введения вставки часть МЖ, освобожденной от «крупных» частиц, выводят из зоны воздействия градиентного магнитного поля. Эта часть МЖ отличается высокой стабильностью свойств и устойчивостью в градиентном магнитном поле, что подтверждается способом определения устойчивости МЖ. Плотность стабилизированной жидкости составила 1,22 г/см³. Затем из сепаратора удаляют часть образца МЖ, находившейся в области с максимальными значениями индукции магнитного поля вместе с осевшими там «крупными» частицами. После сбора достаточного количества такой жидкости ее разбавляют до первоначальной концентрации 1,24 г/см³ и вновь стабилизируют.

Основная часть МЖ, выделенная в процессе стабилизации, отличается высокой стабильностью свойств и устойчивостью в градиентном магнитном поле, что подтверждается известным способом определения устойчивости МЖ. Проведенная проверка устойчивости этой части исходного образца МЖ показала высокую устойчивость в градиентном магнитном поле. Его плотность (1,224 г/см³) не изменилась даже после 2-часовой выдержки в МГ-сепараторе.

Пример 2.

В процессе стабилизации использовали два МГ-сепаратора. Один был предназначен для проведения процесса сепарации и оценки устойчивости образцов МЖ, а второй - для проведения процесса стабилизации. Максимальная индукция магнитного поля была примерно на 20% выше аналогичного показателя первого сепаратора.

3 образца одной МЖ объемом 500 мл каждый и плотностью 1,318 г/см³ заливали последовательно в сепаратор и выдерживали там в течение 1,0; 1,5; 2,0 часов. Увеличение продолжительности выдержки образцов в градиентном магнитном поле связано с тем, что уже предварительный осмотр тонкой пленки этой жидкости под микроскопом (лабораторным) показал наличие «крупных» частиц, образующих под воздействием неоднородного магнитного постоянного магнита из феррита бария цепочки, которые хорошо отслеживают перемещение магнита.

После воздействия градиентным магнитным полем отсекали каждый раз часть образца МЖ, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля, причем разделительная вставка отсекала 20% от общего объема жидкости, залитой в сепаратор. Другую часть МЖ, освобожденную от «крупных» частиц, удаляли из сепаратора и замеряли плотность, которая во всех трех случаях составила 1,232 г/см³. Проверка устойчивости выделенной МЖ по известной методике после смешения подтвердила высокую стабильность жидкости. Ее плотность не изменилась после 1,5-часовой выдержки в МГ-сепараторе, предназначенном для этой цели.

После смешения частей МЖ, находившихся при стабилизации в зоне с максимальной индукцией магнитного поля, и доведения смеси по плотности до исходной ее вновь подвергали стабилизации. Получено дополнительно 250 мл стабильной в градиентном магнитном поле жидкости плотностью 1,146 г/см³.

Таким образом, предлагаемый способ стабилизации МЖ позволяет получать устойчивые в градиентном магнитном поле образцы, а следовательно, пригодные для использования в процессах разделения немагнитных материалов по плотности из магнитных жидкостей, синтезированных по различным технологиям.

1. Способ стабилизации магнитной жидкости, включающий воздействие на магнитную жидкость градиентным магнитным полем, отличающийся тем, что магнитную жидкость выдерживают в зоне воздействия градиентного магнитного поля в течение времени, достаточном для достижения равновесной концентрации дисперсной фазы магнитной жидкости в каждой точке зоны воздействия, после чего отсекают часть магнитной жидкости, находящуюся в области с максимальной индукцией магнитного поля, а остальную часть магнитной жидкости, находящуюся вне области с максимальной магнитной индукцией, выводят из зоны воздействия градиентного магнитного поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитную жидкость выдерживают в градиентном магнитном поле в течение 0,3-2,0 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть отсекаемой магнитной жидкости, находящейся в области с максимальной индукцией магнитного поля, составляет 0,05-0,2 от общего объема магнитной жидкости, помещенной в градиентное магнитное поле.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитной жидкости используют жидкость на углеводородной или водной основе с плотностью не выше 1,3 г/см³.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть магнитной жидкости, выведенную из зоны с максимальной индукцией магнитного поля, после разбавления до исходной концентрации подвергают дополнительной стабилизации.