Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Ñ.Â. ÏÅÐØÈÍÀ, À.Â. ÊÀÒÀËÛÌÎÂ, Â.Ã. ÎÄÍÎËÜÊÎ, Â.Ô. ÏÅÐØÈÍ ÂÅÑÎÂÎÅ ÄÎÇÈÐÎÂÀÍÈÅ ÇÅÐÍÈÑÒÛÕ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ Москва "Машиностроение" 2009 ∆T ∆P ВЕСО ВО Е ДОЗИРОВАНИЕ ЗЕ РН ИС Т Ы Х МА ТЕ РИ АЛО В УДК 678.025.1:66.067.122.2 ББК Л116.3-5 П279 Рецензенты: Доктор технических наук, профессор Московского государственного университета инженерной экологии В.С.-Х. Ким Доктор технических наук, профессор Тамбовского государственного технического университета П.С. Беляев П279 Весовое дозирование зернистых материалов / С.В. Першина, А.В. Каталымов, В.Г. Однолько, В.Ф. Першин. – М.: Машиностроение, 2009. – 260 с. – 400 экз. ISBN 978-5-94275-484-6 Дана методика расчета теоретически возможной максимальной точности весового дозирования, что поможет объективно оценить рекламируемые характеристики серийно выпускаемых весовых дозаторов непрерывного действия. Особое внимание уделено технологии двухстадийного непрерывного дозирования, которая была предложена и реализована при непосредственном участии авторского коллектива. Для инженерно-технических работников, занимающихся переработкой сыпучих материалов, преподавателей, аспирантов и студентов машиностроительных и технологических специальностей. УДК 678.025.1:66.067.122.2 ББК Л116.3-5 ISBN 978-5-94275-484-6 С.В. Першина, А.В. Каталымов, В.Г. Однолько, В.Ф. Першин, 2009 С.В. ПЕРШИНА, А.В. КАТАЛЫМОВ, В.Г. ОДНОЛЬКО, В.Ф. ПЕРШИН ВЕСОВОЕ ДОЗИРОВАНИЕ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Москва "Машиностроение" 2009 Научное издание ПЕРШИНА Снежана Владимировна, КАТАЛЫМОВ Анатолий Васильевич, ОДНОЛЬКО Валерий Григорьевич, ПЕРШИН Владимир Федорович ВЕСОВОЕ ДОЗИРОВАНИЕ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Рыжкова Сдано в набор 14.05.2009 г. Подписано в печать 18.08.2009 г. Формат 60 × 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Усл. печ. л. 15,1. Уч.-изд. л. 15,0. Тираж 400 экз. Заказ 289 ООО "Издательство Машиностроение", 107076, Москва, Стромынский пер., 4 Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 По вопросам приобретения книги обращаться по телефону 8(4752)638108 E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.ru ÂÂÅÄÅÍÈÅ Согласно классификации основных процессов химической технологии, дозирование относится к механическим процессам, т.е. к процессам, скорость которых определяется, в основном, законами физики твердого тела. В русском языке обычно под сыпучим материалом (или сыпучим телом) подразумевают дисперсную систему, состоящую из твердых частиц произвольной формы, находящихся в контакте. Дисперсная система – это образование из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Термин "сыпучий материал" далеко не всегда дает полное представление о состоянии системы, поскольку дисперсные системы часто являются не свободно текучими, а связными, т.е. обладают слабой подвижностью частиц относительно друг друга. Термин "дисперсная среда" также не дает однозначного определения системы, поскольку дисперсными называют системы газ–жидкость (капли), жидкость–твердое (частицы) и т.д. В англоязычной транскрипции существует более точный термин "PARTICULATE SOLIDS". Данный термин достаточно точно определяет систему – твердый материал в зернистом состоянии. Учитывая вышесказанное, в дальнейшем для определения системы, состоящей из большого количества твердых частиц, контактирующих друг с другом, будем использовать термин "зернистые" материалы. Следует отметить, что этот термин ранее использовался в научной и технической литературе. Под термином "сыпучие" материалы будем понимать свободно текучие зернистые материалы. Совершенно очевидно, что термин "сыпучий" материал не является достаточно точным, поскольку до настоящего времени отсутствуют общепринятые критерии разделения зернистых материалов на связные и несвязные (свободно текущие). В то же время на практике существует достаточно точное и понятное разделение. Если при движении зернистого материала образуется поток из отдельных частиц, контактирующих друг с другом, и при этом скорость и траектория каждой частицы могут изменяться в достаточно широких пределах, то обычно считают, что это сыпучий материал. Если при движении образуются заметные области, в которых большое количество частиц имеет одинаковые траектории и скорости движения, то материал считается плохо сыпучим или связанным. Согласно общепринятому определению БСЭ, агрегатные состояния вещества – это состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. Традиционно выделяют три агрегатных состояния вещества: газ, жидкость, твердое тело. К трем указанным агрегатным состояниям вещества часто причисляют еще и плазму. Существование нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в характере теплового движения молекул (атомов) вещества и в их взаимодействии. С этих позиций зернистые материалы, несомненно, относятся к твердым телам. С другой стороны, основные закономерности физики твердого тела строго выполняются только в пределах отдельной частицы. Применительно к большому числу контактирующих частиц эти закономерности строго не выполняются, прежде всего, потому, что функции напряжений и деформаций имеют разрывы на границе каждой частицы. Кроме этого, есть достаточные основания полагать, что зернистым материалам присущи особые закономерности, которые не свойственны газам, жидкостям и твердым телам. Таким образом, зернистые материалы, по крайней мере с точки зрения их переработки, следует рассматривать как самостоятельную субстанцию, которой присущи характерные физико- механический свойства. Глава 5 написана С.В. Першиной, остальные главы – совместно. Ã ë à â à 1 ÇÅÐÍÈÑÒÛÉ ÌÀÒÅÐÈÀË ÊÀÊ ÎÁÚÅÊÒ ÄÎÇÈÐÎÂÀÍÈß 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Зернистые (сыпучие, гранулированные, порошкообразные) материалы, вроде песка или сахара, окружают человека и в повседневной жизни, и в природе (геологические и тектонические процессы). Они широко применяются в различных технологических процессах. Относительно недавно появился новый термин – порошковые технологии. Зернистые материалы имеют некоторые свойства как твердых тел, так и жидкостей и газов, а в некоторых условиях ведут себя совершенно особым образом. Необычные свойства сыпучих материалов как твердых тел проявляются уже в состоянии покоя. Если на достаточно толстый слой материала (песка на пляже) положить груз, то он, конечно, вызовет напряжения и дополнительное давление в толще песка. Однако, как показали эксперименты нескольких групп, проведенные в 1995 году, величина этих напряжений очень быстро уменьшается с глубиной – по экспоненциальному закону. Кроме того, экспериментаторы четко видели, что области наибольших напряжений имеют ветвистую структуру. Другими словами, вес груза удерживается не всей площадью, а редкими узкими "столбами" напряжений. Другое похожее явление было отмечено более 100 лет назад Янссеном: давление столба песка в высокой вертикальной трубе сначала растет с глубиной, а начиная с некоторого значения перестает от нее зависеть – все лишнее давление передается на стенки сосуда. На самом деле, именно благодаря этому явлению скорость хода песочных часов практически не зависит от того, сколько песка еще осталось. Гранулированные вещества ведут себя при определенных условиях и как жидкости. Всем известно, что если угол наклона песчаной горы станет достаточно крутым – образуется лавина, песок начинает стекать. То, что скорость течения зависит от угла наклона – неудивительно, это справедливо и для жидкости. Однако обнаружено, что течет всего лишь тонкий слой песка, толщиной 3-4 диаметра песчинки. На больших глубинах никакого движения не происходит вообще. Если сосуд с песком начать мелко трясти, то тем самым можно заставить песчинки двигаться, сталкиваться. Движение всего песка начинает походить при этом на движение жидкости. Такие эксперименты проводил еще Фарадей в 1831 году. Им были отмечены необычные локальные образования, иногда достаточно стабильные, которые появлялись на поверхности зернистых материалов. Эти образования были изучены только в последние годы. Были обнаружены локализованные колебания – осциллоны – единичные всплески толщиной в 10 – 30 диаметров песчинок. Будучи необычайно стабильными, они не только не диссипируют и не разрушаются, а могут даже мигрировать вдоль поверхности, взаимодействуя друг с другом, образуя своего рода связанные состояния и даже кристаллы! Кроме таких хитрых поверхностных явлений, много занимательного происходит и в самой толще гранулированного материала, а именно – конвекция. В цилиндрическом сосуде она происходит вполне определенным образом: в центре сосуда идет поток вверх, а по краям, вдоль стенок, в тонком слое – вниз. Интересно, что при такой конвекции уже не важна масса частиц в смеси разнородных зернистых материалов, важен только размер частиц. Именно благодаря этому частицы гораздо большего размера всплывают на поверхность и больше не опускаются: они просто не могут последовать за тонким конвективным потоком вдоль стенок. Надо отметить, что характер конвективного движения сильно зависит от формы сосуда – в коническом сосуде, к примеру, конвективное движение будет как раз противоположным. В последнее время обнаружилось много общего между поведением вибрирующей массы гранулированного материала и суспензий – взвесей мелких твердых частиц в жидкости. Хотя на уровне отдельных частиц эти две системы ведут себя совершенно по-разному, их поведение в целом оказалось похожим. В частности, наблюдались такие же осциллоны с очень похожим поведением. Возможно, это говорит о том, что нелинейная динамика, т.е. характер математических законов, управляющих движением обеих систем, одинаков. Наконец, при отсутствии силы тяжести зернистые материалы ведут себя подобно газу. Однако, в отличие от атомных столкновений, соударения песчинок без внешнего источника энергии прекратятся. Это приводит к еще одному неожиданному явлению – так называемому "неупругому коллапсу". Если в таком "песчаном газе" при каждом соударении теряется малая доля энергии, то весь газ остывает практически равномерно и остается почти однородным. Если же столкновения становятся сильно неупругими – то образуются "кластеры", области абсолютно застывших частиц, не двигающихся друг относительно друга. Интересно, что эти кластеры выглядят как тонкие длинные нити, вдоль которых и собираются все песчинки после большого числа столкновений. Наконец, при большой концентрации песчинок эти кластеры могут образовывать упорядоченные структуры, наподобие кристалла. Так что здесь мы видим нечто, похожее на самый настоящий фазовый переход. Теоретики пока бессильны описать все открытые явления. Даже динамика таких простых объектов, как зернистые материалы, становится очень сложной, когда речь идет о большом числе частиц. Еще предстоит большая работа для того, чтобы понять и научиться использовать все процессы, происходящие с обыкновенным песком. Тем не менее, накоплен значительный опыт выявления и определения характеристик зернистых материалов, необходимых для расчета параметров различных технологических процессов. В зависимости от размера частиц, зернистый материал может быть в следующих состояниях: пылевидном (d < 0,05 мм); порошкообразном (0,05 < d < 0,5 мм); мелкозернистом (0,5 < d < 2 мм); крупнозернистом (2 < d < 10 мм); кусковом (d > 10 мм) [1]. Физико- механические свойства или характеристики зернистых материалов обычно разделяют на первичные и вторичные. К первичным относятся свойства, присущие отдельной частице и материалу, из которого она состоит. Вторичные характеристики присущи совокупности большого числа частиц, контактирующих друг с другом, т.е. они характеризуют зернистый материал в целом. 1.2. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ К первичным характеристикам, прежде всего, относятся размер и форма частицы. Размеры частиц могут изменяться в очень широких пределах, от тысячных долей миллиметра (ультрадисперсные порошки) до метров (крупнокусковой материал). Форма частиц также может изменяться в широком диапазоне, от шарообразной до игольчатой. Разнообразие форм затрудняет количественную оценку размера даже одиночной частицы. Для устранения данного препятствия введено понятие о среднем или эквивалентном диаметре частицы. Так, например, при эквивалентности по объему V эквивалентный диаметр d V рассчитывают по следующей формуле: ( ) 3 1 / 6 π = V d V , (1.1) а при эквивалентности по удельной поверхности: S d S / 6 = , (1.2) где V S S пол = – удельная поверхность частицы, S пол – ее полная поверхность. Величину S определяют специальным прибором, принцип действия которого основан на измерении сопротивления слоя определенной порции зернистого материала потоку прокачиваемого через него газа. Если все частицы рассматриваемого зернистого материала имеют одинаковый размер, то материал является монодисперсным. На практике чаще приходится иметь дело с полидисперсным зернистым материалом. Полидисперсность материала характеризуется гранулометрическим составом, который показывает, какую долю или процент по массе, объему или числу частиц составляют определенные частицы или группы частиц во всей анализируемой пробе. Наиболее часто для аналитического описания функции распределения частиц зернистого материала по тому или иному признаку используют законы Розина-Рамлера и нормально-логарифмический [2]. В настоящее время для определения гранулометрического состава зернистых материалов с размерами частиц более 0,5 мкм наиболее широко используют ситовый рассев, микроскопия, лазерная гранулометрия, седиментация. Ситовый анализ применяют для зернистых материалов с размером частиц от 40 мкм до нескольких миллиметров. Принцип анализа заключается в том, что определенную навеску исследуемого продукта пропускают через набор сит. Навеска исследуемого материала помещается на верхнее сито. Собранную стопку сит с материалом закрепляют на столе вибропривода и включают вибропривод на определенное время. После просеивания взвешивают остатки материала на каждом из сит, а также частицы, прошедшие через самое тонкое сито в поддон. По результатам ситового анализа строят кривую распределения массы частиц по их размерам. Для этого в прямоугольной системе координат по вертикальной оси откладывают массовую долю всех фракций, прошедших через данное сито, а по горизонтальной оси – размер ячейки этого сита (т.е. верхний размер фракции частиц). Средний размер частиц x полидисперсного материала определяется из результатов гранулометрического состава, используя следующую формулу [3]: 100 1 3 2 1 3 3 2 2 1 1 ∑ = = + + + + + + = i i i a x a a a a x a x a x x , (1.3) где x – средний размер частиц; х 1 , x 2 , х 3 – средние размеры зерен отдельных фракций ситового анализа, определяемые как полусумма размеров отверстий двух сит – ближайшего верхнего, через которое прошли все зерна фракции, и сита, на котором зерна этой фракции задержались, не просеявшись; а 1 , а 2 , а 3 – массовые доли каждой фракции (остатки на ситах), % 100 1 = ∑ n а Степень неравномерности гранулометрического состава в объеме сыпучего материала оценивают параметром вариации или неоднородности V(d) [3]: ( ) ср d s d V = , (1.4) где ( ) 1 1 2 ср − − = ∑ = n d d s n i i , ∑ = = n i i d d 1 ср – соответственно среднеквадратичное отклонение и статистический средний размер частиц в объеме сыпучего материала; d i – статистический среднемассовый диаметр частиц в i-й пробе; n – число проб. Значение V(d) находится в интервале от нуля до единицы. Чем меньше значение V(d), тем степень неоднородности гранулометрического состава по объему материала становится меньше. На рисунке 1.1 показаны примеры гистограмм распределения частиц по размерам и кривые гранулометрического состава. Дифференциальная кривая (рис. 1.1, а) показывает содержание (в долях или процентах) определенной фракции частиц, а интегральная (рис. 1.1, б) – накопленную долю частиц в диапазоне от минимального диаметра до текущего. Анализаторы ситовые А-12, А-20, А-30 [4] предназначены для сухого рассева в периодическом режиме сыпучих материалов на ряд фракций по крупности частиц. Анализаторы относятся к оборудованию лабораторного класса и применяются в различных отраслях промышленности, таких как: горнодобывающая, металлургическая, строительная, химическая, пищевая, фармацевтическая, производство строительных материалов, производство химических удобрений, парфюмерная и многих других. Данные анализаторы позволяют определять гранулометрический состав в диапазоне 0,04…2,8 мм. Рис. 1.1. Гистограммы распределения дискретных частиц по размерам: а – дифференциальная кривая распределения; б – интегральная кривая распределения Электронный измеритель ЭИП-11т [5] предназначен для определения дисперсного состава тонкоизмельченных порошкообразных материалов (тальк, каолин, кальцит, мел, известняк, цеолит, карбид кремния, цемент, слюда, графит, пигменты и др.). В данном устройстве используется электроприципитационный способ анализа, что позволяет определять размер частиц в диапазоне 0,5…63 мкм. Принцип действия счетчиков Коултера заключается в измерении импульсов электрического тока, протекающего между электродами, помещенными в сосуды с электролитом, которые соединены капилляром [6]. Амплитуда импульса тока пропорциональна объему частицы, проходящей по этому капилляру при перекачке суспензии из одного сосуда в другой. Получающиеся импульсы с помощью электронного устройства анализируются ЭВМ, которая в темпе эксперимента производит подсчет количества и относительного содержания частиц каждого размера. Результаты выводятся на дисплей, самописец или выдаются в цифровой форме. Счетчики Коултера, выпускаемые фирмами Франции, Англии, Японии, являются высокоавтоматизированными современными приборами, нашедшими широкое применение для научных исследований. Имеется несколько модификаций счетчиков. Счетчик Коултера – Multisizer [7] позволяет определять размеры частиц в диапазоне от 0,4 до 1200 мкм. Существенным недостатком счетчиков Коултера является необходимость калибровать прибор для каждого материала и для каждого электролита. Довольно сложным является подбор электролита и ПАВ для конкретного вещества для исключения коагуляции частиц и отбор представительной пробы, поскольку масса исследуемой пробы порядка 0,001 г. Сложность прибора, его высокая стоимость и недостаточная представительность пробы не позволяют использовать эти приборы для серийных анализов в производственных условиях. Особенностью седиментационных методов является то, что определяемый с их помощью размер характеризует не только геометрические параметры частиц, но и учитывает их взаимодействие с d d min ϕ(d) 0 d max d ″ d ′ а) б) 0 d min d max d d ′ d ″ d ( ) ∫ ∂ ϕ d d d 0 х 1 ∆х х дисперсионной средой через коэффициент сопротивления, что важно для многих процессов, связанных с получением и переработкой различных материалов в порошкообразном виде. Следует отметить, что седиментация используется в нанотехнологиях, так, например, одной из важнейших стадий формирования фотонного кристалла на основе синтетических опалов является седиментация наночастиц SiO 2 [8]. Особый интерес представляют работы [9 – 13], в которых рассмотрен оригинальный метод седиментации частиц из так называемого стартового слоя. Создание на зеркале дисперсионной жидкости стартового слоя частиц обеспечивается сочетанием физических свойств двух жидкостей и их химическим взаимодействием. Причем, одной из жидкостей является седиментационная среда, а другая жидкость используется для ввода анализируемых частиц в эту среду. Основными измеряемыми величинами при гранулометрическом анализе являются размер частиц и их количество (число или масса частиц каждого измеряемого размера). Размер частиц при их осаждении в вязкой среде определяется с применением упрощенного уравнения движения Навье-Стокса при допущении существенного превалирования вязких сил над инерционными, когда значения числа Рейнольдса Re < 1: f m w g d dw 2 1 2 тв ζρ − ρ ρ − = τ . (1.5) Если скорость осаждения частицы постоянна ( ) 0 = τ d dw , тогда при введении шарообразной частицы массой ( ) тв 3 6 ρ πδ = m и площадью поперечного сечения частиц 4 2 πδ = f из равенства сил, действующих на частицу, можно получить выражение для скорости ее осаждения: ( ) ρζ δ ρ − ρ = g W тв ос 3 4 , (1.6) где ρ тв , ρ – плотность частиц и седиментационной жидкости; ζ – коэффициент сопротивления. Принцип действия весового седиментометра основан на непрерывном измерении во времени веса накопившегося осадка. Считая, что W = const = H/t (Н – высота осаждения), из (1.6) можно получить выражение для расчета в каждый момент времени t размера осевших частиц: ( ) 2 тв 4 3 ζ ρ − ρ ρ = δ t H g . (1.7) Из (1.7) видно, что при всех заданных величинах размер осевших частиц будет в первую очередь определяться коэффициентом сопротивления ζ, учитывающим гидродинамические характеристики движения твердой частицы в вязкой среде. Обычно при седиментационном анализе в качестве коэффициента сопротивления используется известный закон Стокса. Однако действие закона Стокса распространяется на движение частиц только очень малых размеров. Для расширения диапазонов размеров анализируемых частиц в разработанном программно-измерительном комплексе [14] используются другие, нелинейные законы сопротивления. Важной частью математического аппарата гранулометрического анализа при седиментации является теоретическое описание кривых накопления аналитическими зависимостями, которых в настоящее время существует достаточно много. Обилие же существующих дисперсных материалов, разнообразие методов их получения и переработки, а также весьма широкий спектр их физико-механических свойств не позволяют создать универсальную зависимость, пригодную в равной степени для всех существующих материалов и процессов. Наиболее известными из аналитических зависимостей считаются логарифмически-нормальный закон и обобщенный степенной, частным случаем которого является уравнение Розина-Раммлера, которое можно записать в виде ( ) ( ) 2 1 exp δ − δ = δ − b baA f a , (1.8) где А – постоянная нормировки; a и b – параметры распределения. Дифференциальная функция распределения частиц по размерам в данном случае будет выглядеть следующим образом: ( ) ( ) σ δ − δ − πδσ = δ ∑ = 2 2 , 0 1 2 ln ln exp 2 i i n i i i A f , (1.9) где А i – весовые множители; δ 0, i – медиана распределения; 2 i σ – стандартное (среднеквадратическое) отклонение ln δ от их среднего значения. Для определения неизвестных параметров ряда (А i , δ 0, i , 2 i σ ) используется алгоритм оптимизации функции симплекс-методом. В любом методе измерений при гранулометрическом анализе обязательным является статистическая обработка опытных данных. Оценка точности измерений осуществляется на основе анализа статистической обработки каждого j-го вариационного ряда массовых содержаний по опытам. Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных на приборе ВС-4, предусматривает вычисление ряда статистических параметров распределений и критериев, на основании которых оценивается точность и достоверность результатов измерений. Измерительная система регистрации веса осадка, схема которой показана на рис. 1.2, состоит из цилиндрического осадительного сосуда (кюветы), чувствительного элемента и датчика микроперемещений. Чувствительный элемент содержит приемную чашечку с поплавком и пружинным элементом. Чашечка сбора осадка чувствительного элемента является одновременно сердечником трансформаторного датчика микроперемещений. Перемещение катушки датчика относительно осадительного цилиндра осуществляется винтовыми штангами. Блок сопряжения седиментометра ВС-4 предназначен для преобразования перемещения приемной чашечки в аналоговый электрический сигнал, дискретизации его 12-разрядным цифровым кодом, индикации уровня сигнала 3-уровневым светодиодным табло, передачи полученного кода внешнему устройству (компьютеру). Разработка новой модели седиментометра ВС-4 с применением современной элементной базы позволила на порядок увеличить диапазон измерения веса пробы до 250 мг и расширить диапазон измеряемых размеров частиц от 1 до 300 мкм. Для получения информации о гранулометрическом составе пробы и для дальнейшей статистической обработки данных полученная кумулятивная кривая описывается известными аппроксимационными формулами и законами с помощью функции модуля обработки данных. Для последующей работы с данными и вывода на печать в каждом из методов реализована функция автоматизированного экспорта результатов расчетов и графиков распределений в электронные таблицы MS Excel или в документ MS Word. |