СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ СВЯЗАННОЙ ЖИДКОСТИ КОЛЛОИДНЫХ И КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ТЕЛ Российский патент 2010 года по МПК G01N9/36 

Изобретение относится к области определения и управления качеством продукции, получаемой на основе сорбционно-фильтрационного процесса, происходящего при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел.

В настоящее время отсутствуют методы измерения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел из-за сложности учета особенностей взаимодействия дискретных молекул с твердой фазой влажных твердых тел. Кроме того, сорбированная жидкость образует единый комплекс с твердой фазой с измененной физической структурой и повышенной энергией связи от 40-400 кДж/моль (химически связанная вода) до 1,0 кДж/моль (вода механического удерживания), которая растет с понижением влагосодержания тел (Антонов В.Я. Технология полевой сушки торфа. / В.Я.Антонов, Л.Малков, Н.И.Гамаюнов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1981, с.38-39]. В свою очередь, среднюю плотность связанной жидкости ρ_ж необходимо знать для повышения точности оценки физико-технических характеристик коллоидных и капиллярно-пористых тел, где обычно используют плотность ρ_о свободной воды.

В основу настоящего изобретения положена задача получения и обработки экспериментальных данных, описывающих процесс изменения прочности коллоидных и капиллярно-пористых тел от влагосодержания.

Техническим результатом изобретения является возможность определения плотности жидкости в коллоидных и капиллярно-пористых телах с учетом изменения температуры влажных материалов для различных условий структурообразования при их сушке.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел, согласно изобретению влажный торф многократно перерабатывают в шнековом устройстве с последующим доведением его до начального влагосодержания W_н=(4,6÷5,3) кг/кг, после чего формуют образцы, определяют объем каждого образца и сушат их при температурах не выше 343-348К до равновесного влагосодержания, при этом в процессе сушки, определяют прочность на сжатие средней части образцов через интервал влагосодержания от 0,2 до 0,5 кг/кг, далее рассчитывают плотность сухого вещества по формуле ,

где V - объем образца,

m_c - масса сухого вещества, после чего строят графические зависимости логарифма прочности R_i в функции обратной плотности сухого вещества торфа и логарифм прочности R_i в функции влагосодержания W с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков графической зависимости периодов структурообразования λ_ci и λ_i (i=1,2), где

λ_ci - угловой коэффициент зависимости соответствующего участка прямой (i=1,2),

λ_i - угловой коэффициент зависимости соответствующего участка прямой (i=1,2).

По результатам графических зависимостей определяют значение средней плотности связанной жидкости, которое равно отношению коэффициентов .

При этом образцы формуют преимущественно цилиндрической формы с начальным диаметром 40÷60 мм и длиной 1,5÷2,0 от начального диаметра. В процессе сушки прочность на сжатие образцов целесообразно определять 6÷8 раз. Прочность на сжатие средней части образцов определяют путем деления разрушающей нагрузки на площадь сечения образца через интервал влагосодержания, равный 0,2÷0,5 кг/кг.

Значение начального влагосодержания определяют условиями формования. При W_i<W_н торф не формуется из-за отсутствия связности между частицами, а при W_i>W_н торфяной кусок не сохраняет форму, растекается. Значение W_н можно уменьшить, если увеличить дисперсность или повысить температуру формования (Афанасьев А.Е. Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке: МОНОГРАФИЯ / А.Е.Афанасьев. Тверь: ТГТУ, 2003. С.120 (рис.8.11), С.123 (рис.8.12); Лиштван И.И. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И.Лиштван, А.А.Терентьев, Е.Т.Базин, А.А.Головач. Мн.: Наука и техника, 1983, с.193-200, рис.7.23, 7.25, 7.26, 7.27).

Количество образцов выбирают таким образом, чтобы в каждом периоде структурообразования (i=1,2) было не менее 3-4, а всего 6-8 точек (значений характеристик), которые позволяют с допустимой погрешностью ~10% получить значения угловых коэффициентов λ_ci, λ_I при коэффициентах корреляции R²=0,68-0,98 для зависимости (фиг.1) и R²=0.59-0.97 для зависимости (фиг.2). Это обстоятельство и определяет интервал влагосодержания .

Графики строят для уточнения периодов структурообразования, т.е. определения их границ (точка W_c, фиг.1 и , фиг.2.2), что соответствует требованиям С.С.Корчунова, впервые установившего периоды структурообразования (Корчунов С.С Исследование физико-механических свойств торфа / С.С.Корчунов: сб. статей. М.-Л.: ГЭИ. Труды, ВНИИТП, вып.12, 1953, с.65. рис.16, 17; С.68, рис.23), и подтвержденных в широком интервале температур, в работе (Афанасьев А.Е. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства / А.Е.Афанасьев, Н.В.Чураев. М.: Недра, 1992, С.98, рис.3.1, С.134, рис.4.3; С. 288, рис.5.9).

Обработка экспериментальных данных, представленных на чертежах позволила получить уравнения, описывающие процесс изменения прочности от влагосодержания с угловыми коэффициентами λ_I и обратной плотностью сухого вещества торфа с угловыми коэффициентами λ_ci(i=1,2). Отношение этих коэффициентов и дает значение плотности жидкости в коллоидных и капиллярно-пористых телах, подверженных процессам структурообразования при различной температуре, дисперсности и пористости материала, из которого получена продукция. Поэтому учесть влияние изменяющейся структуры тел на плотность сорбированной влаги пористых тел другим путем в настоящее время не представляется возможным.

Выбор образцов цилиндрической формы обусловлен наименьшим контактом их с подстилающей влажной торфяной залежью, на которой производится сушка торфа, по сравнению с омегообразной и призматической формой и надежностью в определении прочности кусков на сжатие. Прочность на сжатие определяется 6÷8 раз, по 3÷4 раза в каждом из периодов структурообразования, что обеспечивает достаточную точность расчета угловых коэффициентов λ_ci и λ_i, при соответствующем представительном интервале влагосодержания образца.

Таким образом, за счет оценки операций структурообразования в трехфазном материале акцентируется жидкая фаза, взаимодействующая с твердой дисперсной фазой (подложкой) и газом, изменяющих сорбционные и фильтрационные свойства при различной температуре материала, обеспечивающих определение плотности жидкости.

Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел поясняется следующими иллюстрациями, где:

на фиг.1 представлена зависимость изменения логарифма прочности R_i в зависимости от влагосодержания при различной температуре Т(К) сушки (1 - при Т=293К, 2 - при Т=303К, 3 - при Т=323К, 4 - при Т=343К в первом (i=1) и в 2-м (i=2) периодах структурообразования;

на фиг.2 - то же, что и на фиг.1, но в зависимости от обратной плотности сухого вещества торфа;

- на фиг.3 - зависимость плотности жидкости ρ_ж от температуры Т (для тех же образцов торфа и той же температуры (фиг.1 и 2) для первого (графики 3.3) и второго (график 4) периодов структурообразования в сравнении с плотностью ρ_о свободной воды.

Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел осуществляется следующим образом.

Берут любой влажный торф, стандартным методом доводят до первоначального влагосодержания, формуют образцы цилиндрической формы. Далее торф взвешивают, определяют объем V_i каждого из образцов и сушат, при различной температуре не выше 343-348°К до равновесного влагосодержания. В процессе сушки многократно определяют прочность R_i на сжатие средней части образцов делением разрушающей нагрузки F на сечение S образца через определенный интервал влагосодержания и рассчитывают плотность сухого вещества. Затем строят графические зависимости логарифма прочности R_i в функции обратной плотности сухого вещества торфа и логарифм прочности в функции влагосодержания с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков периодов структурообразования: λ_ci и λ_i (i=1,2). Отношение коэффициентов дает среднее значение плотности ρ_ж связанной жидкости при определенной температуре. Строят зависимость плотности жидкости от температуры материала и определяют среднюю плотность связанной жидкости.

В качестве коллоидного капиллярно-пористого тела брали пушициево-сфагновый торф со степенью разложения R_T=20…25%, переработанный один раз в шнековом устройстве. Формовали методом экструзии цилиндрические куски с начальным диаметром d_н=40 мм и длиной l=50 мм, взвешивали на лабораторных весах с погрешностью до 0,1 г, определяли объем V каждого из кусков и сушили по 8 образцов. Сушка велась в сушильном термостате от начального до равновесного влагосодержания при температуре 1-Т=243К 42-Т=303,3-Т=333,4-Т=343К кг при относительной влажности воздуха φ=(50…60)%. В процессе сушки на лабораторном прессе определяли прочность на сжатие средней части образцов длиной l=(1.0…1.5)·d_i, (i - означает текущее значение параметра) делением разрушающей нагрузки F=f·k на сечение S образца через интервал влагосодержания по формуле

где - постоянная прибора (соответствует жесткости пружины тензопресса),

k - показания часового индикатора тензопресса, дел,

S - площадь поперечного сечения, м².

Далее рассчитывают плотность γ_c вещества, ;

где m_c - масса сухого вещества во влажном торфе, определяют по формуле

где m_н, W_н - соответственно начальные значения массы и влагосодержания образца,

V_i - текущее значение объема образца, м³.

Находили обратные значения плотности сухого вещества и строили графические зависимости логарифма прочности R_i в функции обратной плотности сухого вещества торфа,

и логарифм прочности R_i в функции влагосодержания W, (фиг.1 и 2). Получали ломаную прямую с точкой перегиба линейных участков и W_c, разделяющих процесс структурообразования (сушки) на два периода (i=1,2):i=1 - первый период: от начального влагосодержания i=2 - второй период: от до равновесного влагосодержания

Далее определяли угловые коэффициенты линейных участков первого (i=1)

и второго (i=2)

периодов структурообразования, где

ΔlnR₁, ΔlnR₂ - перепады логарифма прочности соответственно, в первом и втором периодах структурообразования,

ΔW_i - перепады обратной плотности сухого вещества и влагосодержания в первом (i=1) и втором (i=2) периодах структурообразования.

Находили отношение этих коэффициентов, определяющих соответственно среднюю плотность ρ_жi связанной жидкости в первом (i=1)

и, втором (i=2)

периодах структурообразования при соответствующей температуре Т сушки торфа. Для других значений Т опыт повторяли аналогично.

Строили графики зависимости плотности жидкости ρ_жi от температуры Т для каждого из периодов структурообразования (фиг.3).

1. Оказалось, что средняя плотность жидкости имеет максимум, причем в первом периоде (i=1) ρ_ж1=1.16·10³, а во втором (i=2) ρ_ж2=1.32·10³ , при T_м=308-313K, которые отличаются от максимальной плотности свободной воды при T_c=277.14К (Горная энциклопедия/Гл. ред. Е.А.Козловский. М.: Сов. Энциклопедия. T.1, 1984. С.396-399). Причем, при T≥343…348К, обе зависимости ρ_м=f(T) (фиг.3, графики 3, 4) сливаются в один (график 3′), из-за исключения водородных H связей в процессе структурообразования.

2. Для других материалов, например, глин значения ρ_ж колеблются от 0.9·10³ до Причем для прочносвязанной воды , что соответствует данным для торфяных систем при i=2 с физико-химической прочносвязанной формой связи влаги (Российская угольная энциклопедия. В.3 т. T.1 (А-И). М.-СПб.: Изд-во СПб картографической фабрики ВСЕГЕИ, 2004. С.249-250).

Процессы структурообразования при сушке коллоидных каппилярно-пористых тел, являются единой термодинамической системой и находятся во взаимодействии на различных стадиях процесса сушки. Поэтому оценка прочности R_i тел в зависимости от влагосодержания W и позволила разработать способ и установить изменение средней плотности жидкости ρ_ж=(T), которая ранее была неизвестна для торфяных и других материалов с подобной структурой.

Способ может быть использован в технологических процессах управления качеством продукции при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел с позиции изменения их сорбционно-фильтрационных свойств.

Пример 1.

В качестве коллоидного капиллярно-пористого тела брали пушицево-сфагновый торф, степенью разложения R_T=20…25%, один раз перерабатывали его в шнековом устройстве, затем формовали образцы цилиндрической формы.

Замеряли начальный диаметр в 3^x направлениях: d₁=40.1; d₂=40.0; d₃=40.1 мм. После чего находили средний диаметр:

Далее замеряли длину образца по 2-м направлениям:

l₁=50.5, l₂=49.7 мм и определяли среднюю длину: с погрешностью ±0.1 мм. Находили объем V образца:

Взвешивали образец (с погрешностью 0,1 г), m_H=67.0 г=67·10^-3кг.

Определяли влагосодержание W_H образца стандартным методом (сушкой торфа в сушильном шкафу при температуре 105÷110°С) и рассчитывали по формуле , где

Δm_в=m₁-m₂ - масса образца до (m₁) и после (m₂) сушки, кг (в);

m_c - масса сухого вещества торфа, кг (сух.);

.

Находили массу сухого вещества по формуле (3)

.

Рассчитывали плотность сухого вещества по формуле (2)

.

Данные операции повторяли для других 7 образцов.

По мере высушивания образцов определяли их текущее влагосодержание по формуле , где m_i - текущее значение массы i-го образца, например,

m_i=40·10^-3 кг, m_ci - масса сухой части каждого образца, измеряется один раз до сушки по формуле (3).

Определяли прочность на сжатие R_i каждого из 8-ми образцов по мере их подсыхания по формуле (1). Так при , , показания индикатора часового типа k составили k=28 делений, тогда

Находили логарифм прочности образца от ,

lnR_i=5.4.

Те же операции проводили и с другими образцами при различном влагосодержании. После чего строили график зависимости lnR_i=f(W_i) при Т=293К (фиг.1, график 1). Затем проводили сушку образцов при других температурах: 303, 333, 343К (фиг.1, графики 2, 3, 4). Выделяли периоды структурообразования на графиках: 1, 2, 3, т.е. находили точку перегиба W_c. К первому периоду относится процесс структурообразования при изменении влагосодержания от W_н до W_c (i=1), ко второму - при изменении влагосодержания от W_c до равновесного W_равн (i=2).

T≥343K образуется один период структурообразования (i=1, график 4) в связи с исчезновением водородных связей при Т=343К.

Находили угловые коэффициенты λ_i линейных участков для Т=293К (фиг.1, график 1) для первого структурообразования, которые получаются как коэффициенты, стоящие перед параметром x (компьютерная обработка данных по программе Microsoft Excel) в уравнениях: y₁=-0.9546х+7.449, y₂=-2.7304х+8.8434, при коэффициентах корреляции , соответственно, угловые коэффициенты составили: λ₁=0.95, знак «минус» опускается.

Данные операции определения λ_i повторяли для других Т=303, 323, 343К. Данные заносили в таблицу 1, N п/п 1, 2.

Для определения коэффициентов λ_c1 λ_c2 в формулах (6) и (7) строили зависимость логарифма прочности ln R_i от обратной плотности сухого вещества. при Т=293К.

Пример 2.

Использовали тот же пушицево-сфагновый торф с теми же характеристиками образцов.

Находили объем образца влагосодержанием :

Определяли плотность образца при m_i=40·10^-3 кг;

Находили плотность γ_c сухой части образца, по формуле

и его обратную плотность, составляющую:

Принимали значение логарифма прочности из приведенного выше значения

lnR_i=5.4; рассчитывали остальные значения и брали с фиг.1 соответствующие величины lnR_i.

Строили график зависимости при Т=293К (фиг.2, график 1).

Данные операции повторяли для других температур: 303, 333, 343К. Выделяли периоды структурообразования (находили точку перегиба ), от нач до с (i=1) и от с до равн. (i=2).

При Т=343К образуется один период структурообразования (i=1, график 4, фиг.2).

Находили угловые коэффициенты λ_ci линейных участков для Т=293К (фиг.2, график 1) для первого и второго периодов структурообразования, которые получаются как коэффициенты, стоящие перед параметром x (компьютерная обработка данных по программе Excel) в уравнениях:

y₁=(-1.0254x+8.5236)·10³, y₂=(-3.17002х+12.31)·10³ при коэффициентах корреляции и соответственно угловые коэффициенты составили:

Повторяли эти операции для других значений температуры. Коэффициенты корреляции уравнений возрастают до R²=0.98.

Данные заносили в таблицу 1, № п/п 3, 4.

Определяли плотность жидкости по формулам (6) и (7) при различных температурах: Т=293К, затем получали плотность жидкости при других температурах. Полученные значения заносили в таблицу 1, № п/п 5, 6.

Для других материалов с подобной структурой, например, глин расчет средней плотности жидкости проводили по обозначенной схеме.

Следовательно, для коллоидных капиллярно-пористых тел максимальная плотность жидкости для торфа меняется от 1.16·10³ (i=1) до 1.32·10³ (i=2), а для глин от 1.2·10³ до . Причем для первого (i=1) периода структурообразования эти значения ниже, чем для второго, которые отличаются от максимальной плотности свободной воды при Т_c=277.14К.

В настоящее время способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.

Таблица 1 Способ определения средней плотности жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел № п/п Период i Коэффициенты Температура, К 293 303 323 343 1 1 0.95 1.22 1,09* 1.63 2 2 2.73 1.78 1.60 1.63 3 1 1.02 1.41 1,23* 1.75 4 2 3.17 2.35 2.06 1.75 5 1 1.08 1.16 1,13* 1.07 6 2 1.16 1.32 1.29 1.07 * Получено экстраполяцией.

Изобретение относится к области управления качеством продукции, получаемой при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел. Согласно изобретению влажный торф многократно перерабатывают в шнековом устройстве с последующим доведением его до начального влагосодержания W_H=(4,6÷5,3) кг/кг. После чего формуют образцы, определяют объем каждого образца и сушат их при температурах не выше 343-348К до равновесного влагосодержания. При этом в процессе сушки определяют прочность на сжатие средней части образцов через интервал влагосодержания от 0,2 до 0,5 кг/кг. Далее рассчитывают плотность сухого вещества по формуле где V - объем образца; m_с - масса сухого вещества. Затем строят графические зависимости логарифма прочности R_i; в функции обратной плотности сухого вещества торфа и логарифма прочности R_i в функции влагосодержания W с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков графической зависимости периодов структурообразования λ_ci и λ_i (i=1,2), где λ_ci - угловой коэффициент зависимости соответствующего участка прямой (i=1,2), где λ_i - угловой коэффициент зависимости lnR_i=f(W) соответствующего участка прямой (i=1,2). По результатам графических зависимостей определяют значение средней плотности связанной жидкости, которое равно отношению коэффициентов Техническим результатом изобретения является возможность определения плотности жидкости в коллоидных и капиллярно-пористых телах с учетом изменения температуры влажных материалов для различных условий структурообразования при их сушке. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел, характеризующийся тем, что влажный торф перерабатывают в шнековом устройстве с последующим доведением его до начального влагосодержания W_H=(4,6÷5,3)кг/кг, после чего формуют образцы из торфа, определяют объем каждого образца и сушат их при температуре не выше 343-348К до равновесного влагосодержания, при этом в процессе сушки определяют прочность на сжатие средней части образцов через интервал влагосодержания от 0,2 до 0,5 кг/кг, далее рассчитывают массу сухого вещества по формуле
,
где m_c - масса сухого вещества,
m_H - начальное значение массы торфа,
W_H - начальные значения влагосодержания торфа
и плотность сухого вещества, после чего строят графические зависимости логарифма прочности R_i в функции обратной плотности сухого вещества торфа и логарифм прочности R_i в функции влагосодержания W с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков графической зависимости периодов структурообразования λ_ci и λ_i (i=1,2), где λ_ci - угловой коэффициент зависимости соответствующего участка прямой (i=1,2),
λ_i - угловой коэффициент зависимости InR_i=f(W) соответствующего участка прямой (i=1,2), по результатам графических зависимостей определяют значение средней плотности связанной жидкости, которое равно отношению коэффициентов .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образцы формуют цилиндрической формы с начальным диаметром 40÷60 мм и длиной 1,5÷2,0 начальных диаметра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе сушки прочность на сжатие образцов определяют 6÷8 раз.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прочность на сжатие средней части образцов определяют путем деления разрушающей нагрузки на площадь сечения образца через интервал влагосодержания, равный 0,2÷0,5 кг/кг.