Введение к работе
Актуальность работы. Процесс седиментации является одним из распространенных явлений, встречающихся в природе, и широко применяется в различных отраслях промышленности. В качестве примера можно привести процессы разделения порошков; выделения различных продуктов химической технологии; обогащения полезных ископаемых; анализ гранулометрического состава порошковых материалов. В настоящей работе рассматривается процесс седимеитациопиого анализа дисперсных материалов.
Гранулометрический состав порошковых материков является важной характеристикой, определяющей качество готовой продукции во многих отраслях промышленности, например таких, как керамика и огнеупоры, химическая промышленность, промышленность строительных материалов, производство абразивных порошков, порошковая металлургия. Поэтому гранулометрический состав многих материалов регламентирован различными стандартами ГОСТ и техническими условиями. Кроме того, работа различных технологических аппаратов также существенно зависит от дисперсного состава, например эффективность пылеулавливающего оборудования или пневмоіранспортньїх систем.
В настоящее время разработано много различных методов гранулометрического анализа дисперсных материалов, тем не менее, седиментационный анализ остается актуальным, непрерывно совершенствуется и широко применяется. Об этом свидетельствует тот факт, что такие известные зарубежные фирмы, как Fritsch, Malvern, Micromentics, Retch, Coultronics и др., продолжают выпускать и разрабатывать приборы для седимеитациопиого анализа, развивается теория процесса, и появляются новые работы. Современные седиментографы используют новую элементную базу и компьютерную обработку результатов измерения. Имеется большое количество монографий и работ, посвященных непосредственно процессу седиментации и седиментационному анализу. Тем не менее, при описании процесса седиментации большинство авторов не учитывают влияние рада факторов и явлений.
Существующие методы расчета процесса седиментации полифракционных материатов не учитывают восходящий поток жидкости, возникающий в результате осаждения частиц. Влияние этого потока на процесс осаждения мелких частиц существенно и должно учитываться при обработке результатов измерения.
При расчете скорости осаждения частиц для определения коэффициента сопротивления Cx(Re) применяют зависимости Стокса или Клячко. Однако данными зависимостями можно пользоваться в ограниченном диапазоне чисел Рейнольдса, т.к. точность определения.
С Многие интегральные функции распределения, широко применяемые для аналитического описания гранулометрического состава, не удовлетворяют граничным условиям. В основном применяются двухпараметрические функции распределения, использование которых обосновано только для одпомодальпых распределений. На практике чаще встречаются бимодальные и полимодальные распределения гранулометрического состава.
Все вышеперечисленные аспекты определяют круг целей и задач, поставленных в настоящей работе.
Цель работы - разработка методов и прибора для анализа гранулометрического состава дисперсных материачов в жидкой среде, отвечающих требованиям современных технологий и обладающих высокой точностью.
При .этом были поставлены следующие задачи:
1. Разработка нового метода расчета процесса седиментации полифракционного материала, который должен учитывать воздействие восходящего потока жидкости, возникающего при осаждении частиц при малых концентрациях.
2. Определение новых зависимостей для вычисления коэффициента сопротивления Cx(Re), которые могут использоваться в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
2. Создание новой математической модели седиментационного и фотоседименташтонного анализа гранулометрического состава.
3. Разработка аналитических функций для аппроксимации гранулометрического состава, которые должны удовлетворять всем граничным условиям и описывать бимодальные и полимодальные распределения.
4. Проведение экспериментальных исследований с целью определения основных: параметров и их зависимостей, влияющих па процесс седиментационного анализа.
5. Разработка конструкции прибора и программного обеспечения для седиментационного анализа, которое должно аппроксимировать интегральные функции распределения полимодальных составов и определять основные параметры гранулометрического состава.
Методы исследования. Для решения постааленных задач в работе использовались методы математического и физического моделирования, теория статистики, объектно-ориентированные методы компьютерного программирования, экспериментальные исследования процессов седиментации и аначитическое исследование их общих закономерностей.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается тем, что:
экспериментальные и теоретические зависимости согласуются с фундаментальными законами и положениями гидродинамики; теоретические зависимости подтверждаются экспериментальными данными;
сравнительный анализ, проведенный с помощью эталонных порошков и известных приборов для определения гранулометрического состава, подтверждает точность разработанных методов и прибора.
Положения, выносимые на защиту:
1 новый метод расчета процесса седиментации полифракциошюго материала, учитывающий: воздействие восходящего потока жидкости, возникающего в процессе осаждения частиц;
2) зависимости для определения коэффициента сопротивления C4(Re), справедливые для более широкого диапазона чисел Рейнольдса;
3) метод расчета гранулометрического состава дисперсных материалов для еедиментационного и фотоеедиментационного анализа;
4) аналитические функции для аппроксимации гранулометрического состава дисперсных материалов, удовлетворяющие всем граничным условиям и описывающие бимодальные и полимодалъные распределения;
5) результаты экспериментальных исследований процесса седиментации монофракционных, бифракционных и полифракционных дисперсных материалов;
6) прибор и программное обеспечение, разработанные на основе полученных экспериментальных и теоретических зависимостей, для еедиментационного анализа.
Научная новизна
1. Установлено, что при малых концентрациях твердой фазы восходящий поток жидкости, возникающий при осаждении частиц, существенно влияет на процесс седиментации полидисперсного материала.
2. Разработана математическая модель процесса осаждения порошка полифракционного состава, учитывающая воздействие восходящего потока жидкости, возникающего в процессе осаждения частиц. Модель позволяет более точно описывать процесс осаждения порошков также в различных технологических процессах.
3. Определены новые зависимости для определения коэффициента сопротивления, справедливые для более широкого диапазона чисел Рейнольдса.
4. Разработан алгоритм еедиментационного анализа порошков полифракционного состава. Данный алгоритм применим к любому виду7 еедиментационного анализа.
5. Разработан алгоритм фотоеедиментационного анализа, включающий в себя: двойное сглаживание экспериментального сигнала; выбор нормы; аппроксимации интегрального распределения двух, трех, пяти и более параметрическими функциями.
6. Предложен новый алгоритм решения задачи аппроксимации -минимизация нормы отклонения аппроксимируемой функции от опытных значений методом конфигурации с ограничениями. Алгоритм обладает хорошей устойчивостью и сходимостью, что обеспечивает высокую надежность поиска параметров аппроксимации.
7. Разработаны аналитические функции для аппроксимации гранулометрического состава, удовлетворяющие всем граничным условиям и описывающие бимодальные и полимодатьные распределения.
Практическая ценность
1. Разработанная математическая модель процесса осаждения порошка полифракнионного состава позволяет точнее описывать процесс осаждения порошков в различных технологических процессах.
2. Разработанные аналитические функции позволяют аппроксимировать интегральные функции распределения полимодальных составов.
3. Разработан новый алгоритм определения гранулометрического состава полидисперсных порошков для седиментационного анализа.
4. На основе полученных экспериментальных и теоретических зависимостей разработана конструкция прибора «Сканирующий фотоседиментограф СФ-2» и программное обеспечение для седиментационного анализа.
Реализация результатов работы
Разработанный прибор «Сканирующий фотоседиментограф СФ-2» внедрен в производство па ряде промышленных предприятий России, а именно: на ОАО «Бокситогорский глинозем» для контроля качества экспортной продукции - микроптлифпорошков корунда на соответствие немецкому стандарту FEPA-Standard 42-D-1984, Teil 3-R1993; ОАО «Горнозаводскцемент», г. Горнозаводск - для анализа цемента; ОАО «ДИНУР», г. Первоуральск - для анализа огнеупорных материалов (глинозем, различные шликера и др.); ОАО «Пиком огнеупоры» г. Нижний Тагил - для анализа огнеупорных материалов (корунд, шамот и др.); ОАО «Челябинский электродный завод», г.Челябинск - для анализа графита и других углеродных материалов; ОАО «Гора хрустальная», г. Екатеринбург - для анализа кварца; ОАО «Волховский алюминиевый завод» - дія анализа гидрата, глинозема и высокоглиноземистого цемента; а также применяется на кафедрах «Керамика и огнеупоры» и «Оборудование и автоматизация силикатных производств» Уральского государственного технического университета - УПИ - для анализа различных дисперсных материалов и в учебном проиессе.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались па межрегиональной молодежной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии в металлургии и горно-добывающей промышленности» (Екатеринбург, 2001); на I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УТТУ-УПИ (Екатеринбург, 2001), па 111 отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2002), на IV отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003); на Уральской научно практической конференции «Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов» (Екатеринбург, 2003).
Разработки по теме диссертации экспонировались на выставке «ИНФОРМАТИКА» в ВЦ «КОСК РОССИЯ», Екатеринбург (1998).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в К) научных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 108 найменоваций, и приложения. Работа изложена на 147 листах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 33 таблицы.
