автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование термовакуумного метода измерения влагосодержания сыпучих материалов и приборов на его основе

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) имени Г.В. Плеханова

На правах рукописи

Семенова Ольга Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОВАКУУМНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИБОРОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

Специальность: 05.11.13 - "Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий ".

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Р.М. Проскуряков

Санкт-Петербург 1998

-2-

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ВЛАГОМЕТРИИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................7

1.1. Актуальность определения влагосодержания

сыпучих материалов в процессе производства......................7

1.2. Обзор методов влагометрии сыпучих

материалов.................................................................8

1.3. Динамический и экстраполяционный методы термовакуумной влагометрии сыпучих материалов..............21

1.4. Методы определения энергии связи влаги.........................24

1.5. Выводы и постановка задачи исследования........................28

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ДИНАМИЧЕСКОГО И ЭКСТРАПОЛЯЦИОННОГО МЕТОДОВ ТЕРМОВАКУУМНОЙ ВЛАГОМЕТРИИ............30

2.1. Модель процесса десорбции влаги из

вакуумируемой пробы сыпучего материала........................30

2.1.1. Вывод уравнения скорости десорбции влаги...............30

2.1.2. Исследование влияния энергии связи влаги

с твердым скелетом материала на скорость десорбции...........................................................36

2.2. Обоснование возможности определения динамическим термовакуумным методом

энергии связи влаги с сыпучими материалами....................42

2.3. Анализ погрешностей динамического и

экстраполяционного методов термовакуумной влагометрии...47

2.3.1. Определение информативных параметров динамического и экстраполяционного методов термовакуумной влагометрии по температурной кривой вакуумируемой пробы сыпучего материала.......47

2.3.2. Составляющая методической погрешности

от различия исследуемых проб по массе....................51

2.3.3. Составляющая методической погрешности

от различия исследуемых проб по температуре..........57

2.3.4. Составляющая методической погрешности от теплообмена пробы со стенками

вакуумной камеры................................................63

2.3.5. Учет времени задержки процесса десорбции влаги при определении информативного параметра экстраполяционного термовакуумного метода............67

23.в. Другие составляющие методической погрешности.....68

23.1 .Сравнительный анализ динамического и экстраполяционного методов

термовакуумной влагометрии....................................69

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.......................................................74

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ТЕРМОВАКУУМНОГО ВЛАГОМЕРА НА

БАЗЕМИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ.....................75

3.1. Структурная схема влагомера..........................................75

3.2. Датчик влагомера.........................................................77

3.3. Вакуумная система влагомера..........................................80

3.4. Алгоритм измерения......................................................84

3.5. Определение времени опроса датчика влагомера..................88

3.6. Анализ инструментальной погрешности влагомера..............105

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.....................................................108

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ДИНАМИЧЕСКОГО И ЭКСТРАПОЛЯЦИОННОГО МЕТОДОВ ТЕРМОВАКУУМНОЙ ВЛАГОМЕТРИИ..........109

4.1. Подтверждение адекватности теоретической модели...........109

4.2. Оценка метрологических характеристик синтезированного термовакуумного влагомера................120

4.3. Исследование проб сыпучих материалов

с низким влагосодержанием..........................................128

4.4. Исследование проб сыпучих материалов

с высоким влагосодержанием........................................130

4.5. Поверка и тестирование влагомера..................................133

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.....................................................134

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................136

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................149

-5-

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества готовой продукции горно-химического и горнообогатительного производств требует совершенствования методов аналитического контроля, в том числе методов и приборов для измерения влагосодержания.

Влагосодержание является одним из основных показателей качества продукции и регламентируется Государственными стандартами более чем для 1500 твердых веществ и материалов. Соблюдение регламентированного значения влагосодержания позволяет избежать дополнительных материальных затрат при транспортировке, разгрузке и купле-продаже продукции, улучшить экологическую ситуацию на территории производства и в прилегающих районах.

Известно множество методов измерения влагосодержания сыпучих материалов, основанных на использовании химических реакций или разнообразных физических явлений, различающихся по метрологическим характеристикам и областям применения. Однако до сих пор не существует метода, пригодного для большого числа сыпучих материалов, влагосодержание которых необходимо измерять в широком диапазоне с высокой точностью и экспрессностью, хотя потребность в таком методе и приборах, его реализующих, очень высока.

Динамический (ДТВ) и экстраполяционный (ЭТВ) методы термовакуумной влагометрии, по оценкам многих исследователей, отличает ряд достоинств, среди которых: высокая точность и экспрессность измерений; отсутствие влияния на результат определения влагосодержания изменения химического состава материала, что позволяет использовать названные методы для продукции горно-химического и горно-обогатительного производств. Поэтому исследование ДТВ и ЭТВ методов, направленное на их совершенствование, и разработка новых приборов на их основе является актуальной задачей влагометрии сыпучих материалов.

Настоящая диссертационная работа представляет собой попытку решения этой актуальной задачи.

В теоретической части работы рассмотрен процесс десорбции влаги из вакуумируемой пробы сыпучего материала. Предложена новая модель данного физического процесса, анализ которой позволил установить факторы, влияющие на точность и длительность определения влагосодержания ДТВ и ЭТВ методами; дать рекомендации по изменению методики проведения термовакуумных измерений и совершенствованию конструкции термовакуумных влагомеров.

Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в диссертационной работе, подтверждают адекватность разработанной теоретической модели, справедливость выводов и практических рекомендаций, сделанных на ее основании.

Основным результатом проведенных исследований является синтезированный на базе микропроцессорной техники влагомер, реализующий ДТВ и ЭТВ методы, адаптируемый к работе с различными сыпучими материалами и диапазонами влагосодержания. В работе представлены алгоритм функционирования микропроцессорного устройства влагомера и методика, позволяющая адаптировать влагомер к работе с конкретным сыпучим материалом, чтобы он обеспечивал максимально возможные точность и экспрессность измерений. Даны рекомендации по проведению тестирования и поверки синтезированного влагомера. Рассмотрены перспективы дальнейшего совершенствования термовакуумных методов измерения влагосодержания и приборов, их реализующих.

ГЛАВА I. ОБЗОР МЕТОДОВ ВЛАГОМЕТРИИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Актуальность определения влагосодержания сыпучих материалов в

процессе производства

Во многих сыпучих материалах, добываемых, перерабатываемых или синтезируемых самыми различными отраслями промышленности, строительства и сельского хозяйства, необходимо измерение влагосодержания.

Важные причины, обусловливающие необходимость количественного учета влаги, могут быть включены в следующие аспекты:

• наличие технологических процессов, разработка эффективных систем автоматического управления которыми невозможна без контроля влагосодержания продукта (технологические процессы горно-обогатительного производства: фильтрование, сушка, окомкование, обжиг [97]; производство минеральных удобрений [56, 88]);

• обеспечение качества готовой продукции (влагосодержание определяет [73, 107]: качество пищевых продуктов и кормов; расход цемента при изготовлении бетона; слеживаемость минеральных удобрений);

• экономия энергии при сушке материалов (в зависимости от материала может достигать от 5 до 20% энергии, использованной в процессе сушки [55, 83, 107]);

• гарантия хранения пищевых и сельскохозяйственных продуктов без их порчи [84, 112];

• установление истинной коммерческой массы или определение предельного значения влагосодержания при торговле гигроскопическими материалами [112];

• необходимость дополнительных затрат при транспортировке материалов с повышенным влагосодержанием [73, 97];

• необходимость дополнительных затрат при разгрузке сырья и материалов с повышенным влагосодержанием в зимние периоды, поскольку за время перевозки происходит их смерзание [73, 97];

• повышение экологической чистоты производства (например, на таком предприятии горно-химической промышленности, как АО "Фосфорит", из-за отсутствия влагомеров в системе автоматизации процесса сушки фосфоритная мука выпускается с влагосодержанием в 2 ч- 5 раз ниже паспортного значения, что приводит к ежегодному дополнительному выбросу в атмосферу сотен тонн пересушенной фосфоритной муки в виде пыли [73, 88]), в настоящее время этому аспекту уделяется особое внимание.

Следует также отметить актуальность трех последних из вышеперечисленных аспектов для предприятий горной промышленности.

Приведенный перечень аспектов является далеко не полным. Однако он дает возможность понять, что контроль влагосодержания сыпучих материалов действительно необходим, как необходимы и технические средства, позволяющие его реализовать с достаточной для технологии точностью.

Экономический эффект, который может получить народное хозяйство от достаточно точного контроля влагосодержания сыпучих материалов, велик, но оценить его в денежном отношении не всегда возможно, так как в большинстве случаев экономия достигается в результате не самого получения информации о влагосодержании, а целенаправленного ее использования.

1.2. Обзор методов влагометрии сыпучих материалов

Известно множество различных методов измерения влагосодержания сыпучих материалов, в основе которых лежат разнообразные физические явления. Методы измерения влагосодержания принято делить на прямые и косвенные [2, 3, 112]. В прямых производится непосредственное разделение

материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, функционально связанная с влагосодержанием материала [2].

Среди прямых методов влагометрии следует выделить термогравиметрические и химические, которые в настоящее время широко используются в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства [73, 84,97, 112].

Термогравиметрические методы основаны на потере массы пробы влажного материала при ее высушивании. Сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемой пробы дают одинаковые или весьма близкие результаты [2, 62].

К термогравиметрическим методам влагометрии относится воздушно-тепловая сушка до постоянной массы. Длительность определения влагосодержания анализируемой пробы этим методом составляет от нескольких часов до суток и более. Поэтому на практике, как правило, применяют ускоренные методы сушки, которые позволяют уменьшить длительность измерения благодаря использованию ИК- и СВЧ-излучения [112].

В настоящее время наблюдается тенденция роста термогравиметрических влагомеров на основе применения ИК-излучения, чему способствовали универсальность, высокая точность и возросшее конструктивное совершенство. Последние исследования и разработки в области ИК-сушки направлены на ускорение процесса определения влагосодержания, что достигается за счет регулирования мощности ИК-излучения [84].

Наиболее крупными производителями инфракрасных

термогравиметрических влагомеров, предназначенных для измерения влагосодержания в лабораторных условиях с повышенной точностью, на данный момент являются фирмы Moisture Register Со (США), Gronert (Германия), Sartorius (Германия), Kett (Япония) [84, 112]. Системы управления, выпускаемых этими фирмами влагомеров, выполнены на базе

микропроцессорной техники, что позволяет полностью автоматизировать измерения. Функции оператора в них сведены лишь к загрузке анализируемой пробы, причем правильность выполнения данной операции автоматически контролируется. Следствием применения микропроцессоров в указанных влагомерах является получение промежуточных результатов измерений влагосодержания, высвечиваемых на табло с интервалом в 1 мин, что может использоваться в научных целях [84].

Прослеживается два направления в создании приборов на основе ИК-сушки [84]. В первом направлении электронное устройство для взвешивания массы пробы и камера сушки представляют единую конструкцию (например, влагомер Moistu-Trac фирмы Moisture Register Со), во втором -используются стандартные электронные весы, легко встраиваемые в камеру сушки (влагомеры фирмы Sartorius). Второе направление предпочтительнее, так как экономичнее и проще в реализации, весы при необходимости могут быть использованы по своему прямому назначению [84, 112].

Разработки в области СВЧ-нагрева направлены на уменьшение времени сушки, снижение температурной нагрузки анализируемых проб, а также повышение эффективности высушивания [107, 112]. Из фирм-изготовителей термогравиметрических влагомеров с СВЧ-нагревом можно отметить фирму Berthold (Германия) [112].

Представленный метод воздушно-тепловой сушки является одним из самых точных методов влагометрии и для многих материалов рекомендуется в качестве образцового. Однако метод обладает рядом существенных недостатков [2,62,92,107]:

• потеря летучих компонентов наряду с потерей влаги, что приводит к получению завышенных результатов;

• возникновение реакций гидролиза, конденсации и окисления в некоторых материалах при повышенной температуре;

• возможность термического разложения пробы;

• прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а установлению равновесия между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе;

• в некоторых материалах (например, минеральных удобрениях) в ходе сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая дальнейшему удалению влаги;

• вследствие высокой трудоемкости и продолжительности измерений (даже при использовании ускоренной сушки) метод применим только в лабораторных условиях.

Некоторые из указанных недостатков можно избежать, используя сушку в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа [2, 91], но это приводит к необходимости более сложной и громоздкой аппаратуры [91].

К термогравиметрическим методам влагометрии можно отнести метод Гильбо, который заключается в сушке пробы исследуемого материала в

вакуумном эксикаторе над Р2О5 при комнатной температуре [62, 79]. Р2О5

является обезвоживающим агентом, который непрерывно поглощает влагу из воздуха, окружающего пробу. Вода диффундирует из пробы до установления равновесия. Проба считается безводной, если ее последовательные взвешивания дают одинаковые результаты, то есть по достижению постоянной массы.

Данный метод является очень точным, позволяет избежать погрешностей метода воздушно-тепловой сушки, связанных с необходимостью нагревания анализируемой пробы и наличием воздушной среды. Основным недостатком метода Гильбо является высокая длительность определения влагосодержания исследуемого материала (при комнатных температурах она может достигать суток и более) [73, 79].

Из химических методов влагометрии наибольшее распространение получил метод К. Фишера [2, 73, 112].

Метод К. Фишера основан на окислении двуокиси серы в содержащем метанол щелочном растворе йода в присутствии воды. Содержание воды в анализируемой пробе рассчитывается по использованному количеству йода. Метод К. Фишера чрезвычайно чувствителен и позволяет определять наличие очень малого количества воды (вплоть до микрограмм) [73, 112].

Точность метода обусловлена погрешностью в установлении конца титрования и устойчивостью реактива во времени [73]. Классический реактив Фишера представляет собой раствор йода, диоксида серы и пиридина в метаноле, в таком виде реактив обладает малой устойчивостью, а его компонент метанол является высокотоксичным веществом. Указанные обстоятельства стимулировали поиск новых модификаций классического реактива Фишера. Перспективным вариантом явля�