СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к области определения и исследования дисперсного состава порошковых материалов выделением дисперсной фазы из газовою потока в поле центробежных сил и может быть использовано как в промышленности (преимущественно для контроля дисперсного состава пылевых выбросов и для определения фракционного состава порошковых материалов), так и в научных целях.

Известен способ определения дисперсного состава порошковых материалов, основанный на инерционном осаждении взвешенных в газе частиц на плоскую поверхность в результате резкого изменения направления движения пылегазового потока. Он основан на принципе действия струйных сепараторов. Эти аппараты называют также импакторами (П.А.Коузов. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М.: Химия. 1974. - С.206-208).

Пылегазовый поток пропускают через расположенные в корпусе сепаратора несколько последовательно включенных сопел с расположенными против них, перпендикулярно потоку, экранами (ловушками), покрытыми жидкой смазкой. Диаметры сопел по ходу газового потока уменьшаются, соответственно скорости выхода пылегазового потока из них увеличиваются. В каждой последующей ловушке улавливаются все более мелкие частицы пыли. В качестве ловушек могут быть использованы плоские тарелки или кассеты, наполненные стекловатой. Пыль, не уловленная последней ловушкой, задерживается "абсолютным" фильтром, помещенным в кассете.

После этого определяют условный граничный размер зерен, улавливаемых каждой ловушкой, и по массе уловленной в них пыли строят кривую зернового распределения исследуемой пыли.

Недостатком данного метода является то, что тарелки покрываются слоем двухкомпонентной жидкой смазки, состоящей из твердой и жидкой фаз, что не позволяет получить пыль в сухом виде и точно определить ее дисперсный состав.

Известен метод последовательно включенных противоточных циклончиков (П.А.Коузов. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М.: Химия, 1974. - С.200-203). Согласно этому методу через три противоточных циклончика пропускают исследуемый пылегазовый поток. Пылегазовый поток входит в наконечник, присоединенный к входному патрубку большего циклончика. Внутри каждого циклончика вставлен стакан из тефлона для удобства разгрузки пыли, которая не только собирается в поддоне, но и налипает на стенки стакана. Из большого циклончика газ с уменьшенным пылесодержанием поступает через выхлопную трубу во входной патрубок среднего циклончика. Каждый циклончик имеет герметичное донышко с прокладкой и гайкой. Из среднего циклончика воздух идет во входной патрубок самого малого циклончика, откуда через выхлопную трубу поступает с некоторым остаточным пылесодержанием в фильтр. После чего определяют массу пыли исследуемого материала, уловленного каждым циклончиком и фильтром.

Фракционные степени выноса пыли из каждого циклончика определены авторами представленного метода экспериментально в лаборатории на порошках молотого корунда. В номограммах, служащих для обработки полученных результатов, дисперсный состав исследуемой пыли характеризуется двумя величинами: медианным диаметром частиц δ₅₀ и процентной массой D всех частиц, имеющих диаметр меньше 2·δ₅₀. При этом следует иметь в виду, что все кривые построены для материала частиц плотностью ρ_m=1 г/см³. Кроме того, эффективное пылеулавливание в противоточных циклончиках происходит при фиксированной скорости.

Долю пыли, вынесенной из большего, среднего и малого циклончиков, определяют исходя из массы уловленного порошкового материала в большем, среднем и малом циклончиках, а также массы порошкового материала, осевшей на фильтре. Затем, по этим данным, накладывая кальку последовательно на номограммы, полученные при градуировке противоточных циклончиков при плотности порошкового материала ρ_m=1 г/см³, чертят кривые, соответствующие общим эффективностям циклончиков. Центру треугольника, образуемого пересечением этих трех кривых, соответствуют значения D(2·δ₅₀), %, и δ₅₀, мкм. По найденным координатам этих двух точек (δ₅₀, мкм, D(δ₅₀), %, и 2·δ_50, мкм, D(2·δ₅₀), %) строят на логарифмически вероятностной координатной сетке прямую линию, отвечающую дисперсному составу исследуемого порошкового материала при плотности ρ_m=1 г/см³. Для нахождения прямой линии, выражающей дисперсный состав порошкового материала при иной плотности, необходимо провести пересчет и построить новую линию для исследуемого порошкового материала.

Данный метод не предполагает проводить пылеулавливание при скорости, отличной от фиксированной скорости пылеулавливания для представленных противоточных циклончиков, в связи с тем, что градуировка циклончиков и построение номограмм произведены для этой одной скорости пылеулавливания и плотности материала ρ_m=1 г/см³. При пылеулавливании на других скоростях и при другой плотности материала необходима дополнительная градуировка циклончиков и пересчет результатов опыта на действительную плотность. Это приводит, в свою очередь, к неточности определения дисперсного состава порошка и требует дополнительного времени для получения результатов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы точно и быстро определить дисперсный состав исследуемого порошкового материала различной плотности, независимо от скорости пылеулавливания и без использования номограмм.

Задача решена следующим образом: аналогично известному способу, через каскад из трех последовательно соединенных циклончиков и фильтр пропускают пылегазовый поток исследуемого порошкового материала. Определяют массу уловленного порошкового материала каждым циклончиком и фильтром. Но в отличие от прототипа и согласно изобретению предварительно определяют плотность порошкового материала. Затем пылегазовый поток пропускают через каскад прямоточных циклончиков, где его подвергают закручиванию, например, с помощью импеллеров, установленных в каждом циклончике. Затем вычисляют значения интегральных эффективностей пылеулавливания каждым циклончиком в каскаде по формулам

где - интегральная эффективность пылеулавливания первым циклончиком:

- интегральная эффективность пылеулавливания вторым циклончиком:

- интегральная эффективность пылеулавливания третьим циклончиком:

m₁ - масса порошкового материала, уловленного 1-м циклончиком, г;

m₂ - масса порошкового материала, уловленного 2-м циклончиком, г;

m₃ - масса порошкового материала, уловленного 3-м циклончиком, г;

m_ф - масса порошкового материала, уловленного фильтром, г.

Данные о расходной скорости пылегазового потока, плотности порошкового материала, динамической вязкости газа, диаметре прямоточных циклончиков и интегральных эффективностях пылеулавливания прямоточными циклончиками вводят в компьютер, при этом дисперсный состав порошкового материала определяют решением обратной задачи численным методом с помощью компьютера, устремляя невязку J к нулю:

где - расчетное значение эффективности пылеулавливания, определяемое по формуле

где g(δ) - весовая дифференциальная функция распределения частиц по размерам, вычисляемая по формуле

где δ - текущий размер частиц порошкового материала, мкм;

δ₅₀ - масс-медианный размер частиц, мкм;

σ - дисперсия;

- фракционный коэффициент проскока j-го циклончика в каскаде, определяемый по формуле

где α_j и n_{j -} индивидуальные опытные константы циклончиков, полученные при градуировке установки;

Stk=τV_ц/d_ц - инерционное число Стокса;

τ=(ρ_m·δ²)/(18·μ) - время динамической релаксации частиц размером δ, с;

V_ц - расходная скорость пылегазового потока в плане циклончика, м/с;

d_ц - диаметр циклончиков, м;

ρ_m - плотность материала, кг/м³;

δ - текущий размер частиц порошковго материала, мкм;

μ - динамическая вязкость газа, Па·с.

Отличия от прототипа говорят о новизне заявляемого способа. В прототипе использованы противоточные циклончики, градуировка и построение номограмм для которых произведены для одной фиксированной скорости газа и плотности частиц ρ_m=1 г/м³. В заявляемом способе используются прямоточные циклончики, через которые пропускают пылегазовый поток, закручивающийся с помощью импеллеров, установленных в каждом циклончике. Вследствие закрутки пылегазового потока, крупные частицы под действием центробежных сил вытесняются к периферии и осаждаются в пылеприемном бункере, а более мелкие, пролетая через первый циклончик, осаждаются во втором и третьем циклончиках и фильтре. Формула (5) получена авторами теоретическим путем, исходя из решения уравнения конвективной диффузии. Индивидуальные опытные константы α_j и n_j в формуле (5) для циклончиков определяются при градуировке установки. Эта формула при любой скорости газа в циклончиках и плотности порошкового материала позволяет определить его дисперсный состав.

Для описания исследуемого порошка зависимостью (4) необходимо определить две константы δ₅₀ и σ. Значение этих величин следует подбирать, устремляя невязку (2) к нулю. Это программно осуществляется симплексным методом при решении обратной задачи численно. Причем для решения задачи, т.е. определения двух констант в логарифмически нормальном законе распределения частиц исследуемого материала по размерам, достаточно использовать два прямоточных циклончика. Использование третьего прямоточного циклончика в каскаде повышает точность получаемого результата.

Для определения дисперсного состава порошка заявителями (авторами) предложен новый путь решения задачи. Хотя в предлагаемом способе использована математическая формула, которая получена заявителями теоретически исходя из решения уравнения конвективной диффузии, но она учитывает такие технические параметры, как диаметр циклончиков, динамическую вязкость и расходную скорость газа и плотность частиц, определение которых осуществляется материальными средствами, пылегазовый поток также является материальным объектом. Кроме этого, заявляемый способ включает такие действия над материальным объектом, как пропускание пылегазового потока через циклончики, определение плотности порошкового материала и массы уловленного порошкового материала циклончиками, по которым определяют интегральные эффективности пылеулавливания циклончиками. Это в свою очередь позволяет более точно определить дисперсный состав порошкового материала, что подтверждено экспериментально.

Подобный подход к решению поставленной задачи заявителем не выявлен, что явным образом из уровня техники не следует и говорит о соответствии заявляемого способа признаку изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1 показано движение симплекса в области поиска минимума невязки по формуле (2), где по оси абсцисс отложена дисперсия σ, по оси ординат - масс-медианный размер δ₅₀. Здесь δ_н и σ_н - начальное приближение, δ_к, σ_к - конечная точка поиска минимума функционала. На фиг.2 представлены графики дисперсного состава угольной пыли на логарифмически нормальной координатной сетке, полученные заявляемым способом, при расходных скоростях пылегазового потока (V_ц), равных 5 м/с (сплошная линия), 6 м/с (штриховая линия), 7 м/с (пунктирная линия), 8 м/с (штрихпунктирная линия). На фиг.3 представлены графики дисперсного состава модельного порошка (молотый кварцевый песок) на логарифмически нормальной координатой сетке, полученные заявляемым способом, при расходных скоростях пылегазового потока (V_ц), равных 5,6 м/с (сплошная линия), 8 м/с (штриховая линия), 10,6 м/с (пунктирная линия), 12 м/с (штрихпунктирная линия). D(δ) по оси ординат - это интегральная функция логарифмически нормального закона распределения частиц по размерам δ.

Реализация способа показана на примере анализа дисперсного состава измельченных материалов.

1. Навеска пыли (примерно 150 г), используемая для проведения опыта, насыпается в бункер питателя для подачи ее в каскад циклончиков.

2. Взвешиваются емкости пылеприемников циклончиков и матерчатый фильтр на аналитических весах.

3. После взвешивания емкости пылеприемников циклончиков и матерчатый фильтр устанавливаются в рабочее положение, прочно и герметично закрепляются.

4. Включается вентилятор и устанавливается необходимый расход порошкового материала и, соответственно, расходная скорость движения воздуха через каскад циклончиков.

5. Включается дозатор и устанавливается расход порошка из расчета массовой концентрации пыли в потоке 20 г/м³. Процесс пылеулавливания контролируется визуально через прозрачные стенки пылеприемников.

6. По окончании опыта емкости бункеров и матерчатый фильтр взвешиваются повторно с уловленной пылью. По разности веса пылеприемных бункеров и фильтра до и после опыта определяют массу уловленного материала каждым циклончиком и фильтром соответственно.

7. Вычисляются интегральные эффективности пылеулавливания каждым циклончиком.

8. В компьютер заносятся следующие данные: d_ц - диаметр циклончика, мм: V_ц - скорость пылегазового потока в плане циклончика, м/с; ρ_m - плотность исследуемого материала, кг/м³; интегральные эффективности пылеулавливания каждым циклончиком.

9. Численным методом с помощью компьютера решается коэффициентная обратная задача согласно формуле (2) и определяется дисперсный состав порошка. Результаты в графическом виде выводятся на экран компьютера.

Были определены дисперсные составы следующих порошков: кварцевый песок; угольная пыль. Полученные данные сведены в таблицу.

Таблица
Дисперсный состав исследуемых порошковИсследуемый порошокУгольная пыльРасходная скорость V_ц, м/сМедианный размер частиц δ₅₀, мкмДисперсия σ532,0732,42632,2162,431732,1722,426832,0682,419Модельный порошок (кварцевый песок)Расходная скорость V_ц, м/сМедианный размер частиц δ₅₀, мкмДисперсия σ5,310,7781,9436,510,2761,4918,09,8871,6679,511,1451,844

По продолжительности, от начала эксперимента до получения функции распределения частиц по размерам в исследуемом порошковом материале, проходит 10-15 минут. Определение дисперсного состава порошковых материалов проводится с достаточной точностью, что видно из таблицы и графиков, представленных на фиг.2 и 3, построенных при различных скоростях пылегазового потока. Дисперсный состав порошкового материала независимо от скорости пылегазового потока имеет одну и ту же картину.

Использование: для контроля дисперсного состава пылевидных выбросов и для определения фракционного состава порошковых материалов. Сущность: пылегазовый поток пропускают через каскад из трех последовательно установленных прямоточных циклончиков, где подвергают его закручиванию с помощью импеллеров. Определяют плотность порошкового материала, массу уловленной пыли каждым прямоточным циклончиком, рассчитывают интегральные эффективности пылеулавливания циклончиками. Эти данные, а также данные о диаметре циклончиков и расходной скорости прохождения пылегазового потока через каскад прямоточных циклончиков вводят в компьютер. Дисперсный состав порошкового материала, исходя из этих данных, определяют решением обратной задачи численным методом. Технический результат - точность и быстрота определения дисперсного состава порошкового материала. 3 ил., 1 табл.

Способ определения дисперсного состава порошковых материалов, согласно которому через каскад из трех последовательно соединенных циклончиков и фильтр пропускают пылегазовый поток, содержащий исследуемый порошковый материал, определяют массу уловленного порошкового материала каждым циклончиком и фильтром, отличающийся тем, что предварительно определяют плотность порошкового материала, после чего пылегазовый поток пропускают через каскад прямоточных циклончиков, подвергают его закручиванию, например, с помощью импеллера и определяют значения интегральных эффективностей пылеулавливания каждым циклончиком в каскаде по формулам

где - интегральная эффективность пылеулавливания первым циклончиком;

- интегральная эффективность пылеулавливания вторым циклончиком;

- интегральная эффективность пылеулавливания третьим циклончиком;

m₁ - масса порошкового материала, уловленного 1-м циклончиком, г;

m₂ - масса порошкового материала, уловленного 2-м циклончиком, г;

m₃ - масса порошкового материала, уловленного 3-м циклончиком, г;

m_ф - масса порошкового материала, уловленного фильтром, г,

данные о расходной скорости пылегазового потока, плотности порошкового материала, динамической вязкости газа, диаметре циклончиков и интегральных эффективностях пылеулавливания циклончиками вводят в компьютер, при этом дисперсный состав порошкового материала определяют решением обратной задачи численным методом с помощью компьютера, устремляя невязку J к нулю

где - расчетное значение интегральной эффективности пылеулавливания j-м циклончиком, определяемое по формуле

где g(δ) - весовая дифференциальная функция распределения частиц по размерам, вычисляемая по формуле

где σ - дисперсия;

δ - текущий размер частиц, мкм;

δ₅₀ - масс-медианный размер частиц, мкм;

σ - дисперсия;

- фракционный коэффициент проскока j-го циклончика в каскаде, определяемый по формуле

где a_j и n_j индивидуальные опытные константы циклончиков, полученные при градуировке установки;

Stk=τV_ц/d_ц - инерционное число Стокса;

τ=(ρ_m·δ²)(18·μ) - время динамической релаксации частиц размером δ, с;

V_ц - расходная скорость пылегазового потока в плане циклончика, м/с;

d_ц - диаметр циклончика, м;

ρ_m - плотность материала, кг/м³;

δ - текущий размер частиц порошкового материала, мкм;

μ - динамическая вязкость газа, Па·с.