CC BY
90
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 004.9: 303.732.4: 625.768.6
А Н. Глушко, А. М. Бессарабов, Г. А. Заремба, А. А. Гладкая, О. В. Стоянов
СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАВЯЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ
Ключевые слова: системный анализ, плавящая способность, противогололедные реагенты, CALS-технологии, компьютерный
менеджмент качества.
На основе концепции CALS разработана новая методика более точного определения плавящей способности противогололедных реагентов. По этой методике проведены комплексные исследования, получены и математически обработаны экспериментальные данные по плавящей способности при температурах ниже -20 0С для основных марок исследованных противогололедных реагентов.
Keywords: system analysis, melting ability, deicing reagents, CALS-technologies, computer quality management.
Based on the CALS-concept there was developed the new method of more precise determination of melting ability of deicing reagent. According to this method there were carried out comprehensive studies and there were also obtained and mathematically processed the experimental data of melting ability at temperatures below -20 0C for the major brands of deicing reagents investigated
Постоянный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Одной из задач, стоящих на пути решения данной проблемы является борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР). Для практической реализации этой и других задач необходимо разработать соответствующие системы компьютерного менеджмента качества (КМК-системы), позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии [1, 2]. В разработанную нами КМК-систему были занесены все группы показателей качества различных исследуемых ПГР, а также основные методы оценки и применяемое оборудование. Разработка КМК-системы проводилась на базе современных информационных CALS-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта) и стандарта ISO 10303 STEP [3].
Одним из важнейших показателей качества противогололедных реагентов наряду с гигроскопичностью и слеживаемостью является и плавящая способность. Под «плавящей способностью» понимают количество льда в граммах, которое может расплавить один грамм реагента на единицу обрабатываемой поверхности при известных температуре, толщине снежного покрова и плотности снега. Таким образом, именно плавящая способность определяет основной показатель противогололедного вещества -способность эффективно плавить лед нормы его расхода. Неточности в определении норм расхода различных ПГР приводят к их неэкономичному использованию, а также к загрязнению окружающей среды при избыточном применении хлористых солей. По-
этому определение достоверного значения плавящей способности является принципиально важной задачей при оценке свойств того или иного состава ПГР.
До настоящего времени значение плавящей способности определяется по опубликованной ранее Методике испытания противогололедных реагентов. Плавящую способность в соответствии с этой методикой определяют по изменению массы льда в кювете (чаше) до и после обработки противогололедными реагентами за определенный промежуток времени при заданной температуре. А именно, плавящую способность ПГР устанавливают при трех температурных режимах: при [0-(-4)]°С, [-8-(-12)]°С, [-16-(-20)]°С, количество расплавленного льда получают при продолжительности испытания в течение двух часов.
Основными недостатками известной Методики [4], а именно применения её для определения норм расхода ПГР при обработке дорожных и тротуарных покрытий являются:
• большая погрешность определения плавящей способности из-за допускаемого по Методике отклонения от фактического значения температуры испытания на ±1°С;
• занижение плавящей способности ПГР, так как измерение проводится за ограниченный (2 часа) промежуток времени действия ПГР, то есть без учета кинетики плавления льда (снега) тем или иным реагентом и необходимости достижения термодинамического равновесия в системе реагент-лед, которое, например, для хлористого натрия наступает не ранее 6-ти часов;
• сложность применения на практике установления норм расхода различных ПГР для температур вне указанных интервалов, т.е. от -3°С до -9°С, от -11°С до -17°С, то есть несоответствие критерию «промышленная применимость» в связи с
тем, что для расчета норм расхода требуется дополнительно использовать приемы интерполяции со свойственным им дополнительными погрешностями.
Для устранения перечисленных недостатков, а именно возможности определения расходной нормы противогололедного реагента при его применении в заданных температурных условиях по значению его установленной равновесной плавящей способности для любой температурной точки в температурном интервале от -1 до -20°С, с применением СЛЬ8-технологий была разработана новая методика определения равновесной плавящей способности ПГР [5]. Данная методика основана на построении кривых замерзания в координатах: массовая доля ПГР - температура начала кристаллизации (1-25)%-ных водных растворов ПГР, построенных для любой конкретной температуры в интервале от -1 до -20°С,
и при этом кривые замерзания снимаются в автоматическом режиме с использованием автоматизированной установки для определения начала кристаллизации разбавленных растворов при атмосферном давлении (84,0-106,7) кПа и температуре (20-30)°С.
Способ установления плавящей способности осуществляют на автоматизированной установке, включающей криотермостат с управляющим электронным блоком, ячейку для измерений с термометром сопротивления высокого класса точности и металлическую мешалку, измеритель-регулятор температуры, компьютер с дисплеем для визуализации процесса изменения температуры в ячейке для измерений (рис. 1).
Рис. 1 - Разработка аналитической методики определения плавящей способности ПГР
Данная методика обладает следующими преимуществами:
• существенно более высокая точность установления норм расхода ПГР, благодаря более точному определению величины плавящей способности по предлагаемой методике: погрешность составляет не более ±12% во всем температурном диапазоне [(-1)-(-20)]°С;
• возможность определения обоснованных норм расхода ПГР при их применении для предотвращения зимней скользкости, так как плавящую способность ПГР по разработанной методике устанавливают для всего периода действия ПГР, а не для 2-х часов, как в известной методике;
• возможность установления норм расхода ПГР для любого значения температуры в интервале от -1°С до -20°С без дополнительных погрешностей интерполяции, как в действующей Методике;
• возможность снижения негативной экологической нагрузки на почву придорожных полос и водные стоки ливневой канализации за счет предотвращения избыточного внесения хлористых солей, необходимое количество которых завышается существующей методикой из-за занижения их плавящей способности вследствие ограничения по Методике периода действия ПГР 2-мя часами
В новой методике вместо величины плавящей способности ПГР (как в прототипе) используется равновесная плавящая способность, под которой рассматривается максимально возможное количество льда (снега), которое способен расплавить 1 г ПГР в определенных температурных условиях до достижения термодинамически равновесного состояния системы «раствор - лед (снег)». Для определения величины равновесной плавящей способности используют зависимость температуры замерзания раствора ПГР от суммарной концентра-
ции (массовой доли) компонентов ПГР в этом растворе. Эта зависимость в виде кривой замерзания устанавливается экспериментально по нескольким точкам для концентрации (массовой доли) от 1 до 25%.
Значительная часть территории РФ, на которой расположена сеть автодорог находится в климатической зоне с неоднократным за осенне-зимней период температурным режимом в диапазоне от -20 до -30°С, в том числе в г. Москве, следовательно, требуется исследование свойств ПГР для данных
условий. Так как разработанная методика на определение равновесной плавящей способности действует в температурном интервале от -1°С до -20°С, то было решено провести исследования при температурах ниже -20°С.
В КМК-систему (рис. 2) занесены результаты измерений, являющиеся средними значениями двух параллельных определений, по значениям температуры через каждые 0,1°С в интервале от -0,1°С до -10°С, и через каждые 0,5°С в интервале от -10°С до -20°С.
ф Исследование плавящей способности - PSM
Файл ¡Правка Вид Настроики ?
Навигатор
- ^ Категории - Щ] 1, МРтв
- 1.1. Исследование плавящей способност
- 1.1.1. Экспериментальные исследов + ^ 1.0 градусов + ^ 2, -2,5 градусов + ^ 3, -5 градусов
+ ^ 8, -17,5 градусов + ^ 9. -20 градусов
- а
1.1.2. Математическая обработка И- !&»)] Коэффициенты модели Ё--[¿¡] 1.2. Исследование плавящей способност В ы 1.2.1. Экспериментальные исследов 1- -20 градусов Щ--13 2. -20,5 градусов
И--И 6. -22j5 градусов Ё [§®j] 7, -23 градусов В [¿J] 1.2.2. Математическая обработка Коэффициенты модели Й--Щ] 2. МРКтв Й-- Б 3. КР2тв Й--Е КРЗтв
^кривая МРтв - Microsoft Word
т—iiwiEal
вта
¡равка Вид Вставка Формат Сервис Таблица Окно
Введите вопрос
Массовая доля реагента, %
м
= 13 :г ф [< 1 Стр. 1 Разд 1
1/1
Ст 1 Кол 1
[>]
ЗАП ИСПР ВДЛ ЗАМ русский (Po ЩГ
и тлймкцд ппДОнцм) и та МкпваП Wuril
"ИЕИГ
ÏW4 FL а !■ ^г, ■ Si^Qir " '. * и. > Стли . v" - Atkfen №F üm«iqH<iK
jasl способность в интервале irvi:;"рл : ур ОТ i) ДО - 20 °С
Тип противого жшцрюго реагента Коэффициенты дли урлппрпия пида у И • а, X1 О- X '' Ж л •
au "1 *î Я; "4
МРтв 0,000000 -0,01S422 -0,000221 0,000038 0.000002
МРКтв 0,000000 -1.6157% 0,03 IS 70 0,00Î33S 0,000122
КР2тв 0,022779 -2,262611 -0,0135-16 0,002390 0.000067
КРЗтв 0,000000 -0,025416 0,000061 0,0000-1 S 0.000002
I i <6 (
Pux L
Рис. 2 - СЛЬ8-проект КМК-системы для анализа плавящей способности хлоридных ПГР: а - кривая замерзания водного раствора МРтв; б - коэффициенты модели
а
б
Для использования ПГР при пониженных температурах были проведены комплексные исследования и получены экспериментальные данные по плавящей способности в температурном диапазоне ниже -20°С для нескольких марок исследованных противогололедных реагентов: МРтв (рис. 2-а), МРКтв, КР2тв, КРЗтв.
При определении зависимости температуры начала кристаллизации от концентрации ПГР при температурах ниже -20°С для составов испытуемых ПГР выявлены так называемые эвтектическая температура и эвтектическая концентрация, когда кристаллизуются и вода в виде льда, и растворенные соли в виде осадка в общем монолите. Для испытанных составов ПГР это наблюдается до достижения температуры -30°С, поэтому в интервале от точки эвтектической температуры до -30°С эти составы плавящей способностью не обладают, в связи с чем равновесная плавящая способность была рассчитана до точки, лежащей чуть выше эвтектической температуры.
Эксперимент показал, что данные марки ПГР (при соотношении массовых долей основных действующих химических веществ в эталонном образце) не плавят лед и снег при температуре ниже -23°С, так как указанная температура близка к эвтектической для смеси солей с преобладанием хлористого натрия. Также показано, что при температуре от -20°С до -23°С нормы применения ПГР увеличиваются с понижением температуры в зависимости от плавящей способности: примерно от 5 раз (по сравнению со стандартом) при -20°С и примерно до 7 раз при -23°С. Нами были даны рекомендации о том, что в температурном интервале от -23°С до -30°С необходимо применять новый ПГР, содержащий в своем составе не менее 80% хлористого кальция (90%-ного) по ГОСТ 450, так как эвтектическая температура для такого состава будет ниже -30°С.
Разработка КМК-системы проводилась нами на основе наиболее современного программного комплекса PDM STEP Suite, отвечающего всем требованиям информационного стандарта ISO 10303 STEP. Используемая в данной работе концепция
CALS позволяет эффективно и своевременно проводить все необходимые комплексы работ и отслеживать получаемые результаты [3]. Концепция CALS определяет набор правил, регламентов, стандартов, в соответствии с которыми строится информационное («электронное») взаимодействие участников процессов проектирования, производства и других стадий жизненного цикла изделия. Применение концепции CALS позволяет существенно сократить время и повысить качество выполняемых работ.
Литература
1. А.Н. Глушко, А.М. Бессарабов, Т.И. Степанова, Наукоемкие технологии, 14, 3, 74-80 (2013)
2. Бессарабов А.М., Глушко А.Н., Степанова Т.И., Лоба-
нова А.В., Заиков Г.Е., Стоянов О.В., Вестник Казанского технологического университета, 15, 10, 293-299 (2012)
3. А.М. Бессарабов, А.Н. Глушко, Т.И. Степанова, Е.Л. Гордеева, Известия МГТУ «МАМИ», 4, 2(14), 121-125 (2012)
4. Методика испытаний противогололедных материалов, Министерство транспорта Российской Федерации, Гос. служба дорожного хозяйства (Росавтодор), М., 2003, 23 с.
5. К.К. Булатицкий, Ю.Н. Орлов, А.Л. Разинов, Д.С. Ха-чатрян, Р.А. Санду, А.Н. Глушко, А.Г. Вендило, Способ предотвращения скользкости на дорожных покрытиях и тротуарах, Патент на изобретение № 2494187 от 16.03.2012, опубликован 27.09.2013, Бюл. № 27, 10 с.
А. Н. Глушко - к.т.н., первый зам. директора ФГУП «ИРЕА»; А. М. Бессарабов - д-р тех. наук, проф., заместитель директора по науке, Научный центр «Малотоннажная химия» (НЦ «МТХ»), bessarabov@nc-mtc.ru; Г. А. Заремба - аспирант, Научный центр «Малотоннажная химия» (НЦ «МТХ»), bessarabov@nc-mtc.ru; А. А. Гладкая - научный сотрудник ФГУП «ИРЕА»; О. В. Стоянов - д-р тех. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.
A. N. Glushko - PhD in Engineering, first deputy director FGUP «IREA»; A. M. Bessarabov - PhD in Engineering, professor, deputy scientific director, R&D Centre «Fine Chemicals» (RDC FC), bessarabov@nc-mtc.ru; G. A. Zaremba - PhD student, R&D Centre «Fine Chemicals» (RDC FC), bessarabov@nc-mtc.ru; A. A. Gladkaja - scientific employee FGUP «IREA»; O. V. Stoyanov - PhD in Engineering, professor, head of department, Kazan National Research Technological University, ov_stoyanov@mail.ru.
