CC BY
26
УДК 621.922; 621.921.34
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА В ПРОИЗВОДСТВЕ СЫПУЧИХ СМЕСЕЙ
М.С. Парамонова
Рассмотрен общий подход в оценке качества смесей сыпучих материалов, приведены наиболее часто используемые критерии качественных показателей, обоснован выбор числа необходимых проб для такой оценки и методы их анализа.
Ключевые слова: смеси, критерий оценки качества, отбор проб, анализ
проб.
В результате процесса перемешивания в смесителе происходит взаимное перемещение частиц разных компонентов, находящихся до перемешивания отдельно или в неоднородно внедренном состоянии [2-4]. В идеализированном процессе можно получить такую смесь, когда в любой ее точке, к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы других компонентов в количествах, определяемых заданным соотношением компонентов. Так, если смешиваются три компонента, массы которых относятся как целые числа р: q: т, то в любом малом объеме, взятом в произвольной точке, массы после идеального смешения тоже должны относится как р: q: т .
Такое идеализированное расположение частиц в действительности не наблюдается, т.к. очень велико число факторов, влияющих на взаимные перемещения частиц, от которых в результате зависит степень смешения. Их обычно делят на три группы.
1. Методы смешения (пересыпание, распыление и т.п.)
2. Особенности смесителей (характер циркуляции, степень заполнения).
3. Свойства смеси (соотношения, коэффициенты внутреннего трения).
Представляется целесообразным детальное рассмотрение вопросов оценки качества смешения сыпучих материалов [1], а также обоснование выбора необходимого числа проб и методов их анализа для оценки качества смеси.
В перемешиваемой смеси, в ее микрообъемах возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц компонентов. В этих условиях соотношение компонентов в произвольных точках смеси - величина случайная, поэтому большинство современных методов оценки качества смеси (степени смешения) основаны на методах статистического анализа.
Из математической статистики известно, что наиболее просто статистический материал анализируется по одной случайной величине (законы для систем нескольких случайных величин значительно сложнее, и на практике к ним прибегают только в случае крайней необходимости). Чтобы оценивать качество смешения одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Для этого выделяют из смеси один какой-то компонент, называемый ключевым, а все остальные компоненты объединяют во второй условный компонент. По степени распределения ключевого компонента в массе второго условного компонента и судят о качестве смеси. Таким образом, в двухкомпонентной смеси случайной величиной X является содержание ключевого компонента в ее микрообъемах.
Случайная дискретная величина X может быть полностью охарактеризована, если известны: закон ее распределения, математическое ожидание М , дисперсия Б или среднее квадратическое отклонение £.
Большинство исследователей [3] в качестве основы критерия оценки качества смеси принимают среднее квадратическое отклонение содержания ключевого компонента в пробах, взятых из смеси. Величина среднего квадратического отклонения - по данным опытов подсчитывают по формуле
где х/ -значение случайной величины X в / -м опыте, в данном случае -
содержание ключевого компонента в / -й пробе; т - среднее арифметическое наблюденных значений величины X, в нашем случае - среднее арифметическое содержание ключевого компонента во всех пробах; п - общее число отобранных проб.
При большом числе проб величина т сходится по вероятности с математическим ожиданием М случайной величины X . Среднее квадратическое отклонение £ зависит от величины т и имеет её размерность. Это не позволяет использовать величину £ в чистом виде для сравнительной оценки качества смесей с различным содержанием в них ключевого компонента. Поэтому величину £ берут в относительной форме, деля её на некоторую величину £0, в которую многие авторы вкладывают разный смысл. В РФ наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества смешения получил коэффициент неоднородности (вариации) Ус
[2,3], у которого £о = т :
Обычно при анализах смеси определяют не число частиц ключево-гокомпонента в пробах, а его концентрацию сг в них, что практическизна-чительно проще. С учетом этого зависимости для £ и Ус примут вид
5 =
1 "\2 5-100 100 1 ~\2 о/ --X(С -с) Л = -~ЛХ(С -с) , 0%
п-1 ¡=1У ' с с \ п-1 ^ '
где с - среднее арифметическое значение концентрации ключевого компонента в пробах в %, сI - значение концентрации ключевого компонента в I -й пробе, п - число проанализированных проб.
Всю смесь сыпучих материалов, находящуюся в смесителе, условно разбивают на А элементарных объёмов и считают последовательность случайных значений концентрации ключевого компонента в каждом из А элементарных объёмов генеральной совокупностью. Тогда
1 п с = - X с.
пг=1
Численность выборки (число отбираемых проб) должна быть такой, чтобы значения с и 5 были близкими по величине соответственно к с г и 5 Г, так как только в этом случае смесь будет достаточно точно охарактеризована. При п сг = с, 5г = 5, но это требует значительных затрат и практически трудно осуществимо.
Необходимая и достаточная численность проб может быть найдена с помощью теоремы Ляпунова [3], согласно которой вероятность неравенства
с - <*.
5^п
После преобразований
г2 - V 2 п >х , с
е2
2
где ta - нормативное (частное) значение погрешности; Лс - коэффициент неоднородности (вариации) смеси, в % (если Лс неизвестно, то его принимают равным 20 %); е - относительная предельная погрешность определения сг по с в %.
Отбираемые на анализ пробы, по которым производится статистическая оценка качества смеси, должны быть представительными, т.е. иметь такой вес, чтобы случайные отклонения в них соотношения компонентов не затушевывали общую картину распределения вещества по объёму контролируемой смеси.
Чем меньше вес проб, тем точнее может быть охарактеризовано качество смеси. Однако уменьшать вес пробы беспредельно нельзя, даже если мы и будем располагать совершенными методами ее анализа, так как
может наступить такой момент, когда избыток или недостаток в пробе одного из компонентов, исчисляемой одной или несколькими его частицами, существенно сказывается на величине с/, а в конечном счете и на величине Ус. Поэтому минимально допустимый вес пробы обычно определяют
по формулам:
- для смеси неизвестного качества без комочков
_о
^ 1,26-104 • й р °М »-р-, г,
- для комкующихся компонентов
^ 1,26• 104 • -рН
иМ »-р-, г,
С0
где С0 - теоретическое число частиц ключевого компонента в пробах.
Для оценки качества смеси, получаемой в смесительных аппаратах периодического действия, используют в основном два метода отбора проб.
При первом методе, часто называемом методом квартования, всю приготовленную в смесителе композицию выгружают на противень, распределяют на нем ровным слоем небольшой высоты, затем всю площадь исследуемой массы делят полосками на 20 - 50 квадратов, из которых и отбирают пробы. Этот метод не позволяет выявить мертвые зоны в смесителе, требует после каждого исследуемого режима работы выгрузки мате-риала.Второй метод, так называемый метод точечного отбора, широко используют для изучения кинетики процесса смешения в смесителях. Он заключается в следующем. В корпусе исследуемого смесителя рассверливают отверстия, прикрываемые во время работы смесителя пробками. После останова смесителя через эти отверстия внутрь смесителя вводят специальный пробоотборник. Число отверстий в корпусе смесителя должно быть таким, чтобы можно было взять пробы практически из любой зоны внутреннего объёма смеси.
Все существующие методы количественного анализа проб смеси сыпучих материалов на содержание в них ключевого компонента можно условно разбить на две группы. Методы первой группы разработаны для непосредственного количественного анализа компонентов пробы смеси без предварительного ее растворения. К ним относятся в основном гравиметрические методы. Другие методы этой группы (радиометрические, фотографические, кондуктометрические и пр.) используются редко, так как дают большие погрешности. Во вторую группу объединены методы, которые требуют предварительного растворения пробы смеси в соответствующей жидкости. К этой группе относятся химические, оптические, гравиметрические и некоторые другие методы анализа растворов. Методы первой группы исследователями используются сравнительно редко, так как они применимы к сугубо специфичным смесям.
Список литературы
1. Евсеев А.В., Парамонова М.С. Нонмиксинговые технологии и оборудование для получения многокомпонентных смесей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч.2. С.188-194.
2. Евсеев А.В. Новый критерий оценки качества смесей сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч.1. C. 139 - 147.
3. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 216с.
4. Лукаш А.Н. Эволюция смесительной техники// Сб. кратких докладов межд. семинара АПИР-6. Тула, 2002.С.45-47.
Парамонова Маргарита Сергеевна, аспирант, rita.paramonova.92@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHODOLOGY OF QUALITY ASSESSMENT IN PRODUCTION LOOSE MIXTURES
M.S. Paramonova
The paper considers a general approach to assessing the quality of mixtures of bulk materials, presents the most frequently used criteria for qualitative indicators, substantiates the choice of the number of necessary samples for such an assessment and the methods for their analysis.
Key words: mixtures, quality assessment criterion, sampling, sample analysis.
Paramonova Margarita Sergeevna, postgraduate, rita.paramonova.92@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
