СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОРИСТОСТИ ЧАСТИЦ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к области испытания и определения свойств материалов и может быть использовано при производстве гранулированных катализаторов, сорбентов, а также для определения свойств сыпучих материалов различного назначения.

Известен способ измерения пористости, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, определение пористости материала по отношению измеренного объема жидкости к первоначальному объему материала (Патент РФ №2172942 МПК G01N 15/08. - Опубл. 27.08.2001 г.).

Ограничением этого метода является невозможность контроля сыпучих материалов (СМ) вследствие сложности определения первоначального объема их частиц, необходимость выбора жидкости для обеспечения ее наилучшего проникновения в поровое пространство материала, при расчете пористости не учитывается объем закрытых пор, недоступных для жидкостного заполнения. Кроме того, данный способ относится к группе разрушающих, так как после измерения проба материала теряет свои первоначальные качества.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения пористости (Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. - Л.: Химия, 1988. - С.155 - 160), заключающийся в фильтрации газа и измерении его количества, прошедшего сквозь пористый материал за единицу времени при постоянном перепаде давления, по которому судят о пористости.

Недостатком способа измерения пористости, принятого за прототип, является невозможность его использования для измерения пористости частиц СМ.

Такой признак прототипа, как фильтрация газа сквозь пористый материал, совпадает с существенным признаком заявляемого способа.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности измерения пористости частиц СМ.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет измерения истинной плотности и перепадов давления на слое сыпучего материала в режимах фильтрации газа и псевдоожижения, формируемых путем изменения расхода газа, по которым судят о пористости его частиц.

Способ осуществляется следующим образом.

Сыпучий материал с известной либо измеренной по любой методике описанной в нормативной документации истинной плотностью частиц ρ_и, помещают в измерительную емкость, представляющую собой проточную камеру (например, трубку, верхний конец которой открыт, а снизу подводится газ) и подают газ.

Фильтрационный перенос газа или жидкости в пористой среде при ламинарном режиме движения описывается уравнением Дарси:

$$Q=\frac{\Delta P_{1}S}{h_0\mu }K,\left(1\right)$$

где Q - объемный расход газа, м³/с; ΔP₁ - перепад давления на неподвижном слое сыпучего материала, Па; µ - динамическая вязкость газа, Па·с; S - площадь поперечного сечения емкости с сыпучим материалом, м²; К - проницаемость, м².

Для учета свойств среды при оценке проницаемости используется гипотеза Козени-Кармана, в соответствии с которой для подчиняющегося закону Дарси потока газа проницаемость пористой среды характеризуется соотношением [2]:

$$K=\frac{{\epsilon }_0^3}{{(1-{\epsilon }_0)}^2}\cdot \frac{d_{ч}^2}{120},\left(2\right)$$

где ε₀ - концентрация газовой фазы в слое СМ (порозность); d_ч - средний диаметр частиц сыпучего материала, м.

Из (1) и (2) получаем

$$Q=\frac{\Delta P_{1}S}{h_0\mu }\cdot \frac{{\epsilon }_0^3}{{(1-{\epsilon }_0)}^2}\cdot \frac{d_{ч}^2}{120},$$

откуда

$$\frac{{\epsilon }_0^3}{{(1-{\epsilon }_0)}^2}=\frac{Q}{\Delta P_1}\cdot \frac{h_0\mu }{S}\cdot \frac{120}{d_{ч}^2}.\left(3\right)$$

Введем в выражении (3) замену y=1-ε₀ и $$x=\frac{120}{d_{ч}^2}\frac{Q}{\Delta P_1}\frac{h_0\mu }{S}$$ . Получим уравнение

$$\frac{{(1-y)}^3}{y^2}=x,$$

аппроксимация которого функцией вида у=(а+сх)/(1+bx) при условии изменения порозности от 0,3 до 0,8 дает выражение

у=(0,741+0,423х)/(1+1,737х)

или

$$1-{\epsilon }_0=\left(\mathrm{0,741}+\frac{\mathrm{50,76}}{d_{ч}^2}\frac{Q}{\Delta P_1}\frac{h_0\mu }{S}\right)/\left(1+\frac{\mathrm{208,44}}{d_{ч}^2}\frac{Q}{\Delta P_1}\frac{h_0\mu }{S}\right),\mathrm{0,3}\le {\epsilon }_0\le \mathrm{0,8.}\left(4\right)$$

Объем частиц СМ, включающий объем их закрытых и открытых пор, определяется как

$$V_V=V_{общ}-V_{г},\left(5\right)$$

где V_общ=Sh - объем слоя СМ; V_г - объем газовой фазы в слое СМ.

С учетом концентрации газовой фазы в слое СМ ε₀ выражение (5) примет вид

$$V_V=\left(1-{\epsilon }_0\right)S{h}_0.\left(6\right)$$

В момент начала псевдоожижения масса СМ, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения измерительной емкости, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

$$\Delta P_2=\frac{m_{сл}g}{S},\left(7\right)$$

где ΔP₂ - перепад давления на псевдоожиженном слое сыпучего материала, Па; m_сл - масса слоя сыпучего материала, кг; g - ускорение свободного падения, м/с².

Истинный объем частиц СМ (объем твердой фазы) определим из соотношения

$$V_{тв}=\frac{m_{сл}}{{\rho }_{и}},$$

откуда с учетом (7)

$$V_{тв}=\frac{\Delta P_{2}S}{g{\rho }_{и}}.\left(8\right)$$

По определению пористость материала есть отношение объема пор к объему, задираемому этим материалом, т.е.

$$П=\frac{V_{пор}}{V_V}\cdot 100\%$$

или

$$П=\left(1-\frac{V_{тв}}{V_V}\right)\cdot 100\%.\left(9\right)$$

Подстановка (6) и (8) в (9) с учетом (4) дает выражение

$$П=\left[1-\Delta P_2\left(1+\frac{\mathrm{208,44}}{d_{ч}^2}\frac{Q}{\Delta P_1}\frac{h_0\mu }{S}\right)/{\rho }_{и}g{h}_0\left(\mathrm{0,741}+\frac{\mathrm{50,76}}{d_{ч}^2}\frac{Q}{\Delta P_1}\frac{h_0\mu }{S}\right)\right]\cdot 100\%.$$

Таким образом, пористость частиц СМ определяется путем измерения перепадов давления ΔР₁ и ΔР₂ в режиме фильтрации и в момент псевдоожижения.

Разработанный метод отличается простотой реализации, обеспечивает измерение пористости частиц сыпучих материалов и может быть использован для экспресс-измерений пористости материалов с ярко выраженными сорбционными свойствами и развитой поверхностью.

Изобретение относится к области испытания и определения свойств материалов. Способ измерения пористости частиц сыпучих материалов целесообразно применять при производстве гранулированных катализаторов, сорбентов, а также для определения свойств пористых материалов различного назначения. Способ измерения пористости частиц сыпучих материалов включает измерение истинной плотности частиц сыпучего материала и перепада давления на слое материала в режимах фильтрации газа и псевдоожижения, формируемых путем изменения расхода газа, по которым судят о пористости его частиц. Техническим результатом является простота реализации, отсутствие использования токсичных веществ, дефицитных материалов, а также обеспечение возможности экспресс-измерений свойств гидрофобных сыпучих материалов с ярко выраженными сорбционными свойствами и развитой поверхностью.

Способ измерения пористости частиц сыпучих материалов, включающий фильтрацию газа сквозь пористый материал под действием перепада давления, отличающийся тем, что измеряют истинную плотность частиц сыпучего материала, изменяя расход газа, приводят слой в псевдоожиженное состояние, измеряют перепады давления на слое сыпучего материала в режимах фильтрации газа сквозь сыпучий материал и псевдоожижения, по которым судят о пористости его частиц.