CC BY
61
УДК 539.215
КУЦ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, kutsvp@gmail.com
СЛОБОДЯН СТЕПАН МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, sms_46@ngs.ru
Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОСТИ ПЫЛИ И ПОРОШКОВ
Рассматриваются пути решения проблемы экологии, в том числе возможные варианты оценки состояния загрязнения водной и воздушной среды городов выбросами промышленных предприятий и транспорта. Предложена и описана новая методика, конструкция и принцип действия новых авторских устройств для анализа дисперсного состава порошков и пылевидных материалов. Применение предложенных устройств позволяет значительно сократить продолжительность времени анализа по сравнению с известными методами, изложенными в научной литературе. В одном устройстве разделение частиц по размерам производится методом седиментометрии, в другом - по скорости движения частиц в воздушной среде.
Ключевые слова: дисперсный состав; седиментометр; фракция; скорость оседания.
VIKTOR P. KUTS, PhD, A/Professor, kutsvp@gmail.com
STEPAN M. SLOBODYAN, DSc, Professor,
sms_46@ngs.ru
Tomsk Polytechnic University,
30, Lenin Ave., 634050, Tomsk, Russia
ANALYSIS TECHNIQUE
FOR PARTICLE-SIZE DISTRIBUTION
OF DUST AND POWDER
The article considers ecological problems including different analysis techniques for estimation of environmental pollution conditions in cities produced by industrial enterprises and transport emissions. The new technique, design, and mode of operation are described for the proprietary devices intended for the analysis of particle size distribution of powders and flours. Application of the suggested devices allow a significant reduction of the analysis duration in comparison to the known methods. Two devices described in this paper differ in their methods of separating particles: by a sedimentometer and settling velocity of dust particles in air.
Key words: particle-size distribution; sedimentometer; fraction; sedimentation rate.
Введение
Проблема экологии, в том числе оценка состояния загрязнения водной и воздушной среды городов выбросами промышленных предприятий и транспорта, как в России, так и за рубежом является актуальной [1-5]. Наиболее
© В .П. Куц, С.М. Слободян, 2014
сильными загрязнителями воздуха являются агрегаты тепловых сетей, а также топки жилых домов, работающих на жидком и твердом топливе.
Кроме того, во многих отраслях промышленности определение дисперсного состава измельченных материалов является обязательной операцией многих технологических процессов, в том числе и в пищевой промышленности. При этом определять во многих случаях необходимо дисперсный состав как исходного сырья, так и готовой продукции. В производимых операциях контроля и оценки дисперсного состава сырья и продукции [1-5], как и при оценке аэрозольной среды, одним из наиболее важных параметров является элементный состав.
Подобные исследования представляют значительный интерес и актуальны с позиций теории физики динамического взаимодействия природных сред и для решения проблем оценки загрязнения атмосферы газами и твердыми частицами, которая, как показывает заметный рост публикаций по данной теме, наиболее актуальна в городах и промышленных центрах [1-3]. Причём для объективной оценки степени загрязнения воздуха твердыми частицами важно знание микрофизических параметров (концентрация, фазовый состав, форма частиц) и элементного состава аэрозольного загрязнения воздуха [1-5].
На предприятиях с большими объемами производства, имеющих специализированные лаборатории, такие анализы проводят на современном, зачастую импортном оборудовании, которое обеспечивает необходимые показатели с точки зрения достоверности полученных результатов, длительности их проведения и удобства оформления. При отсутствии таких возможностей используются известные методы и оборудование, также обеспечивающие необходимую точность, однако требующие большего времени для проведения анализов и оформления полученных результатов. Речь идет, в основном, о небольших предприятиях различных форм собственности, научных сотрудниках вузов, НИИ и т. п.
Традиционное оборудование позволяет определить элементный состав вещества с установленной точностью, но представляет собой дорогостоящие, сложные в обслуживании и настройке комплексы, применение которых требует значительных временных и финансовых затрат. Поэтому использование таких комплексов неэффективно при проведении анализа большого числа проб, что подтверждает мониторинг сред [1-3].
Основные положения
Многолетний опыт в области разработки и исследований пылеулавливающего оборудования с обязательным определением дисперсного состава начальной и уловленной пыли позволил авторам усовершенствовать оборудование для проведения дисперсного анализа пыли и порошков в первую очередь с целью сокращения продолжительности отбора проб. Ниже в настоящей статье кратко изложены результаты этого опыта.
Выбор метода определения дисперсного состава в решающей степени основывался на характеристике степени дисперсности исследуемого материала в результате его анализа. При исследованиях на основе сравнительной
оценки пылеулавливающего оборудования для определения дисперсного состава пыли в подситовой области, приведенной в [4], сделан вывод, что наиболее достоверные результаты получаются на пипеточным приборе. То есть методом седиментометрического анализа путем отбора весовых проб.
Сущность метода заключается в последовательном отборе проб на известной глубине суспензии в фиксированные моменты времени и определении массы твердой фазы в отобранной пробе после выпаривания. Этот метод позволяет определять фракции частиц от 1 до 63 мкм при плотности порошкообразных материалов 2000-3000 кг/м3.
Определяющей при расчетах является формула Стокса:
v = [(рч -Рс)g 82]/18ц, (1)
где v - скорость оседания частицы, м/с; рч - плотность пылевых частиц, кг/ м3; рс - плотность среды, в которой они оседают, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; 5 - диаметр пылевых частиц, м; ц - коэффициент динамической вязкости среды, Пас.
Поскольку V можно выразить как
v = и/ *, (2)
где И - глубина, на которую осела частица в среде, м; т - время оседания частицы, с, то время оседания частицы т определяется как
т = 18ци/[(рч-Рс^52] . (3)
Вариантов аппаратурной реализации этого метода несколько. Они подробно описаны в исследовании [6]. Причем каждый из вариантов реализаций аппаратуры, приведенных в [5], в определенной мере устраняет недостатки предшествующих; усовершенствования ведутся и в настоящее время.
Экспериментальная апробация и исследования
Разработанная нами реализация метода в седиментометре [6] позволяет в значительной степени устранить недостатки большинства известных устройств, указанных в [5].
Сущность метода заключается в том, что вертикальный сосуд заполняют дисперсионной средой и на ее поверхность тонким слоем вносят концентрированную суспензию, частицы которой в процессе оседания распределяются по высоте столба жидкости. По окончании расчетного времени проводят фракционирование полученной суспензии, которое заключается в одновременном рассечении седиментационного объема по высоте на ряд отдельных изолированных объемов суспензии, которые затем сливают поочередно сверху вниз и анализируют.
Конструктивное оформление седиментометра - это вертикальный сосуд (цилиндр) из органического стекла высотой 500 мм, внутренним диаметром 55 мм и объемом 1 л. Вертикальной перегородкой сосуд разделен на рабочую и нерабочую части. По центру цилиндра установлена ось с закрепленными на ней шиберами, которые могут двигаться при повороте оси через щели в перегородке с нерабочей части в рабочую, рассекая рабочий объем седиментомет-ра на отдельные объемы, соответствующие определенным фракциям. В стенке
рабочей части седиментометра имеются отверстия, в которые вставлены патрубки с запорными устройствами, предназначенными для отбора полученных фракций для анализа.
Основным преимуществом такого устройства по сравнению с известными является значительное сокращение процесса отбора проб. Чистое время отбора проб (без учета времени приготовления суспензии и времени взвешивания) на практике составляет всего 0,4 ч.
Основным недостатком седиментометра является то, что при определении дисперсного состава различных по плотности материалов будут меняться диапазоны размеров частиц во фракциях, которые отсекаются в объемах, ведь частицы с разной плотностью оседают с разной скоростью.
С целью получения фракций с одинаковыми размерами частиц для различных материалов конструкция и методика применения такого седиментометра постоянно совершенствовались, что позволило получить фракции с одинаковыми размерами частиц сначала для двух различных материалов, а впоследствии - для четырех. На глубине, на которую за одно и то же время оседают частицы одинаковых размеров различной плотности, предусмотрены отверстия с четырех сторон цилиндра для слива полученных фракций. На рассчитанных высотах установлены четыре перегородки со щелями, а шиберы могут перемещаться и фиксироваться по оси прибора. Это позволяет получить фракции с одинаковыми размерами для четырех различных материалов, лишь проводя замену перегородок и установку на рассчитанных глубинах шиберов на оси прибора.
Такие решения усложняют конструкцию седиментометра и условия его использования, особенно это касается значительного числа патрубков, введённых для слива фракций на его боковой поверхности.
Этот недостаток устраняется установлением в продольный паз по высоте цилиндра пластин со сливными патрубками на рассчитанных для каждого материала тех же глубинах, на которых прорезаны отверстия в перегородках, и вводом шиберов на оси прибора [7]. Конструкция такого типа седиментометра представлена на рисунке.
В этом седиментометре предусмотрен отбор фракций с частицами > 40 мкм; 25-40 мкм; 16-25 мкм; 10-16 мкм; 6,3-10 мкм; 4-6,3 мкм; 1-4 мкм. Для этого на оси прибора устанавливают 6 шиберов, которые рассекают объем образованной суспензии на 7 фракций с указанными диапазонами размеров частиц. Необходимо отметить, что для каждого вида пылевых частиц используются различные дисперсионные среды и стабилизаторы, приведенные в справочниках [8]. Следовательно, при расчетах необходимо учитывать изменение плотности не только пылевых частиц, но и среды, в которой они оседают, а также содержание в ней различных по свойствам стабилизаторов.
Результаты определения дисперсного состава некоторых пылевидных материалов (песка, цемента, угля), полученные с помощью этого усовершенствованного устройства, сравнивались с результатами анализов этих же материалов, полученных с использованием прибора с подъемной пипеткой конструкции ЛИОТ. Незначительные различия (не более 3 %) свидетельствуют о пригодности этого метода и устройства для определения дисперсного соста-
ва пылевидных материалов. Однако этот процесс осуществляется по разработанной авторами методике в предложенном устройстве значительно быстрее.
Рис. 1. Седиментометр: в нерабочем (а) и в рабочем положении (б):
1 - цилиндр; 2 - перегородка; 3 - ось; 4 - шиберы; 5 - вставная пластина со сливными патрубками; 6 - крышка; 7 - ручка
Другие - динамические - методы определения дисперсного состава порошкообразных материалов основаны на разделении дисперсной фазы на фракции в потоке газов, движущихся вверх. По сравнению с методами седи-ментометрии их преимуществом является отсутствие необходимости соблюдения таких сложных условий, как «абсолютно спокойная среда», а также равномерное распределение частиц всех фракций по высоте.
Практическая реализация этих методов в большинстве случаев происходит в нескольких цилиндрических сосудах разного диаметра, последовательно соединенных трубками. Крупные частицы остаются в первом сосуде, фракции с меньшими по размерам частицами распределяются в следующих сосудах, а мельчайшие частицы на выходе из последнего сосуда оседают в установленном там фильтре. Материал, который остается в сосудах и задерживается фильтром после окончания продувки, взвешивается и по полученным данным в пробе определяется содержание частиц соответствующих размеров.
К недостаткам таких устройств следует отнести: невозможность четкого определения длительности продувки различных по природе материалов и степени их дисперсности; наложение фракций, т. е. присутствие в одной фракции частиц других фракций; налипание частиц на внутренних поверхностях сосудов.
В авторском устройстве [9] эти недостатки в значительной степени устранены. Его принципиальным отличием по сравнению с описанными выше
а
б
устройствами является то, что сосуды для выделения отдельных фракций размещаются не последовательно, один за другим в горизонтальной плоскости, а устанавливаются вертикально, на одной оси, частично входя друг в друга. Причем снизу находится сосуд наименьшего диаметра. К его нижнему концу подсоединяют стеклянную насадку, в которую перед измерением засыпают ~10 см3 порошка, дисперсный состав которого определяют. Через трубку от вентилятора в насадку вдувают воздух, который перемешивает порошок и выносит его частицы в трубу наименьшего диаметра. На входе в трубы больших диаметров в устройстве отбора оседают частицы определенных размеров. Частицы наименьших размеров оседают в фильтре, устанавливаемом на выходе из трубы наибольшего диаметра. После взвешивания масс порошка, оставшегося в насадке, осевшего в двух кольцевых устройствах и в фильтре, устанавливают содержание частиц определенных размеров в пробе.
Разработанный способ и устройство значительно упрощают процедуру анализа, сокращают время и затраты на его реализацию по сравнению с устройством из трех последовательно соединенных трубками горизонтально расположенных сосудов. Однако устройство имеет свой недостаток - малое число образующихся проб фракций: одна - остаток в насадке, две - в отводящих устройствах двух последующих труб и одна - в фильтре на выходе из наибольшей трубы.
На основе анализа значений скоростей движения частиц различной природы и размеров [6, 9] устройство было усовершенствовано путем установки двух дополнительных сосудов (труб с отводящими устройствами).
Такое решение позволяет получить шесть проб фракций вместо четырех, как в предыдущем варианте. В этом варианте, в отличие от предложенного в [7] седиментометра, получить фракции с одинаковыми размерами частиц для различных материалов затруднительно. Однако предельные размеры частиц, что разделяются, те же: 1-63 мкм. Усовершенствованное устройство для отвода образующихся в трубах фракций было использовано в опытной эксплуатации на пищевом производстве.
Заключение
Теоретически и экспериментально показана возможность применения разработанного способа определения дисперсного состава порошков и пылеобразного материала и устройств для определения дисперсного состава измельченных материалов, разработанных авторами. Исследован процесс разделения и апробирована методика достаточной точности (~3 %) определения дисперсного состава порошков, промышленной пыли, аэрозолей и измельченных материалов. Относительная простота способа и конструкции устройства с возможностью изготовления без применения специального оборудования, удобство метода с сокращенным временем отбора проб, достаточная точность полученных результатов дают основания надеяться, что предложенный способ и устройства найдут применение на предприятиях различных форм собственности и в среде научных сотрудников, аспирантов при решении различных научных задач.
Библиографический список
1. Фурсов, В.В. Исследование свойств золошлаковых отходов тепловых электростанций для целей строительства / В.В. Фурсов, М.В. Балюра // Труды Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство». - № 4. -СПб., 2008. - С. 673-677.
2. Пушнин, В.П. Изменение дисперсности дизельной сажи при замене сорта топлива и введении присадок / В.П. Пушнин, Д.О. Заонегин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 2. - С. 187-189.
3. Бортников, ВЮ. Микрофизические параметры и элементный состав атмосферного аэрозоля в г. Барнауле в 2006-2008 гг. / В.Ю. Бортников, В.И. Букатый, И.В. Рябинин, Г.А. Семенов // Известия Алтайского государственного университета. - 2009. - № 1. - С. 106-110.
4. Eberhart, R.C. A modified particle swarm optimizer / R.C. Eberhardt, Y. Shi // Proceedings of IEEE International Conference on Evolutionary Computation. - 1998. - Р. 69-73.
5. Фигуровский, Н.А. Седиментометрический анализ / Н.А. Фигуровский. - М. : Изд-во АН СССР, 1948. - 332 с.
6. Коузов, П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П. А. Коузов. - Л. : Химия, 1971. - 280 с.
7. Способ определения дисперсного состава порошкообразного материала : пат. 59094А Украина, МПК7 G01N15/04 / Куц В.П., Каспрук В.Б., Ярош Я.Д., Марцияш О.М. заявл. 15.01.03 ; опубл. 15.08.03 , Бюл. № 8. - 2 с.
8. Справочник по пыле- и золоулавливанию / под общ. ред. А.А. Русанова. - М. : Энергия, 1975. - 296 с.
9. Устройство для определения дисперсного состава измельченных материалов : пат. на полезную модель № 35761 Украина, МПК7 G01N 15/04 / Куц В.П. - № 4 2008 02738 ; заявл. 03.03.2008 ; опубл.10.10.2008, Бюл. № 19. - 2 с.
References
1. Fursov V. V., Balyura M. V. Issledovanie svoistv zoloshlakovykh otkhodov teplovykh elektrostantsii dlya tselei stroitel'stva [Study of ash and slag waste properties generated by heat power stations for construction purposes]. Proc. Int. Sci. Conf. on geotechnical engineering 'Urban Development and GeotechnicalEngineering'. St.-Petersburg, 2008. No. 4. Pp. 673-677. (rus)
2. Pushnin V.P., Zaonegin D.O. Izmenenie dispersnosti dizel'noi sazhi pri zamene sorta topliva i vvedenii prisadok [Diesel soot dispersion change at fuel grade replacement and additions] // Nauchnue problemu transporta Sibiri i Dalnego Vostoka. 2013. No. 2. Pp. 187-189. (rus)
3. Bortnikov V.Yu., Bukatyi V.I., Ryabinin I.V., Semenov G.A. Mikrofizicheskie parametry i ele-mentnyi sostav atmosfernogo aerozolya v g. Barnaule v 2006-2008 gg [Microphysical parameters and atmospheric aerosol composition in Barnaul in 2006-2008]. The News of Altai State University. 2009. No. 1. Рр. 106-110. (rus)
4. Eberhart R.C., Shi Y. A modified particle swarm optimizer // Proceedings of IEEE International Conference on Evolutionary Computation. 1998. Pр. 69-73.
5. Figurovskii N.A. Sedimentometricheskii analiz [Sedimentation analysis]. Мoscow : USSR Academy of Sciences Publisher, 1948. 332 p. (rus)
6. Kouzov P.A. Osnovy analiza dispersnogo sostava promyshlennykh pylei i izmel'chennykh mate-rialov [Basics of particle-size distribution analysis]. Leningrad : Khimiya, 1971. 280 p. (rus)
7. Kuts V.P., Kaspruk V.B., Yarosh Ya.D., Martsiyash O.M. Sposob opredeleniya dispersnogo sostava poroshkoobraznogo materiala [Method of estimation of particle size distribution]: Pat. Ukr. N 59094А, IPC G01N 15/04; appl. 15.01.03; publ. 15.08.03; Bul. No. 8.
8. Spravochnik po pyle- i zoloulavlivaniyu [Handbook on dust and ash collection]. Ed. A.A. Rusanov. Moscow : Energy, 1975. 504 p. (rus)
9. Kuts V.P. Ustroystvo opredeleniya dispersnogo sostava izmelchennih materialov [Apparatus estimation of powders disperses composition]. UMP Ukr. N 35761, IPC G01N 15/04; N 4 008 02738; appl. 03.03.08; publ. 10.10.08; Bul. No. 19.
