Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 7
Современные тенденции развития методов
гранулометрического анализа порошков 14
Развитие порошковых технологий 14
Тенденции развития современного аналитического
оборудования и его крупнейшие мировые производители 16
Систематизация известных методов гранулометрического
анализа 17
Проблемы прямых и косвенных методов измерений
гранулометрического состава дисперсных систем 25
Дифференциальный принцип классификации методов анализа
дисперсности 39
Выводы по главе 1 43
Разработка и исследование стартового слоя при жидкостной седиментации частиц в гравитационном и центробежном
полях 46
Физико-химическое обоснование метода стартового слоя 47
Выбор дисперсионной среды и смачивающей жидкости при организации стартового слоя сточки зрения поверхностных
явлений 47
Поверхностное натяжение 49
Смачивание 60
Расчёт давления пара над раствором спирта в воде 61
Использование поверхностно-активных веществ при создании
стартового слоя 63
Анализ способов и устройств пофракционного осаждения 66
Организация стартового слоя при жидкостной весовой
гравитационной седиментации 71
Исследование и оптимизация условий создания стартового слоя. 74
Выводы по главе 2 81
Математическое моделирование процессов седиментации частиц из стартового слоя в гравитационном и центробежном
полях 83
Математическая модель процесса осаждения частиц в
гравитационном поле 84
Основные уравнения седиментации 90
Аппроксимация гранулометрических функций аналитическими
зависимостями 95
Математическая обработка экспериментальных зависимостей в
гравитационной седиментации 95
Методика аналитической аппроксимации кривых накопления
суммой логарифмически-нормальных распределений 101
Математическая модель седиментации частиц в центробежном
поле 106
Выводы по главе 3 108
Разработка приборов анализа гранулометрического состава на основе весовой седиментации частиц в гравитационном и
центробежном полях с использованием стартового слоя 110
Создание приборов анализа гранулометрического состава с использованием стандартного ПК, систем функциональной связи ПК с датчиками и программного обеспечения. (Принципы использования персональных компьютеров в аналитическом
приборостроении) ПО
Методы технического расчёта режимно-геометрических
параметров седиментометров Ill
Границы применимости гравитационной седиментации 113
Чувствительность весоизмерительной системы 115
Выбор оптимальной высоты осаждения 116
Весоизмерительное устройство 122
Методика расчёта режимно-геометрических параметров ВС-3 125
Устройство и принцип действия весового седимептометра ВС-3 126 4.3.1. Методика проведения анализа на весовом седиментометре ВС-3 128
Седиментация частиц в центробежных полях 130
Теоретические основы измерительной оптики применительно к регистрации дисперсных систем 135
Центробежный седиментометр с оптическим зондированием
зоны осаждения частиц 137
Исследование механизма течения жидкости в центробежной седиментации 142
Расчёт оптимальных концентраций твёрдой и жидкой фаз в суспензии при организации стартового слоя 142
Расчёт оптимальной скорости вращения и времени осаждения
частиц в центробежной седиментации 143
Выводы по главе 4 145
5. Оценка точности методов и средств измерения фракционного
состава дисперсных систем на основе эталонного порошка и
теории статистики 147
5.1. Сравнительная оценка точности различных приборов
гранулометрического анализа 147
5.1.1. Задача сравнительной оценки точности анализов
гранулометрического состава порошков, полученных разными
методами 147
Методика статистической обработки результатов гранулометрического состава порошков 153
Влияние диапазона дисперсности исследуемых материалов на точность проводимых анализов 160
Сравнительный анализ точности результатов, полученных различными методами определения гранулометрического
состава 177
5.2. Статистический анализ метода седиментации из слоя с
активным дезагрегированием твёрдой фазы 184
Точность и достоверность метода 184
Сравнительная оценка метода слоевой седиментации с другими
методами анализа дисперсности 188
Выводы по главе 5 189
6. Практическое использование методов и средств измерения
фракционного состава на основе жидкостной седиментации из стартового слоя в промышленности и научных исследованиях... 193
Особенности определения гранулометрического состава катализаторов типа ИКТ на приборе ВС-3 193
Особенности определения гранулометрического состава анизометричных частиц на приборе ВС-3 197
Экспериментальное изучение гранулометрического состава компонентов декоративной косметики 197
Анализ дисперсности слюдокерамических материалов методом седиментации из стартового слоя 201
Определение дисперсного состава волластонитовых концентратов 205
6.3. Использование весовой седиментации из слоя для определения
размеров частиц тяжёлых элементов 209
Применение метода слоевого осаждения для расчёта и прогнозирования кинетики накопления осадка при очистке "захоронений" тяжёлых элементов и решении экологических проблем 212
Особенности определения дисперсного состава тонкодисперсных материалов с большими пикнометрическими плотностями 213
Применение метода весовой седиментации из слоя для гидродинамических исследований поведения частиц в вязких потоках 214
Изучение скорости движения частиц в стеснённом потоке в зависимости от их объёмной концентрации 214
Методика экспериментального изучения эффекта "группового осаждения" с использованием седиментометра ВС-3 215
6.7. Применение метода аналитической аппроксимации кривых
накопления для экспресс-анализа тонкодисперсных материалов 218
6.7.1. Гранулометрический анализ тонкодисперсных глин 218
6.7.2. Гранулометрический анализ ультрадисперсных металлических
порошков 223
6.7.3. Использование ВС-3 в учебном процессе 225
Общие выводы 227
Список использованных источников 230
Приложения 248
Введение к работе
Отличительной чертой современного технического прогресса является разработка и совершенствование технологий, использующих материалы в высокодисперсном состоянии. Основным показателем качества промежуточной и готовой продукции является гранулометрический состав продуктов измельчения и показатели, характеризующие поведение дисперсной системы в потоках и процессах. Задача достоверного определения гранулометрического состава порошкообразных материалов в различных отраслях промышленности не нова, но всё-таки не перестает быть актуальной.
Современное аналитическое приборостроение располагает для этих целей на первый взгляд достаточным количеством приборов, но лишь немногие из них соответствуют современным требованиям. Полную характеристику дисперсности обеспечивают, как правило, несколько приборов, каждый из которых предоставляет достоверную информацию в определённом диапазоне дисперсности. Однако для производственного контроля предпочтительно использовать один прибор, наилучшим образом выявляющий характеристики материала. Многие фирмы за рубежом специализируются на разработке и производстве аналитической аппаратуры. Безусловным лидером в этой области приборостроения является Германия, в которой насчитывается не менее пяти известных фирм этого профиля. У нас в стране серийного выпуска подобных приборов практически нет, а уровень выполненных разработок существенно уступает зарубежному. Главным препятствием в использовании импортной аналитической техники в большинстве случаев является дороговизна, которая делает её недоступной самым широким слоям отечественных исследователей - практиков, что немало способствует поиску и развитию новых отечественных методов.
Особое место в гранулометрии занимает анализ материалов с резко ани-зометричной формой частиц. Для прямых методов измерения эта задача чрезвычайно трудоёмка, для косвенных вообще невыполнима, так как все
математические аппроксимации относятся к гладким частицам сферической формы, в то время как технологические дисперсные материалы не имеют ни абсолютно правильной геометрической формы, ни тем более, гладкой поверхности.
Многолетние экспериментальные работы в области определения гранулометрического состава дисперсных материалов убедительно свидетельствуют, что наиболее востребованными методами, отвечающими условиям большинства производств, являются седиментационные. И это не случайно, так как определяемый этим классом методов размер частиц, называемый эквивалентным диаметром, характеризует не просто геометрические параметры частицы, а учитывает опосредованное массовое взаимодействие множества частиц с дисперсионной средой посредством коэффициента трения.
С развитием методов математического моделирования различных технологических процессов появилась необходимость получения информации о взаимодействующих фазах, как о совокупной системе. Вот почему методы седиментации получили столь широкое распространение и до сих пор используются в практических исследованиях, несмотря на имеющиеся недостатки. Особенно это относится к методам седиментации, которые дают массовое распределение частиц по размерам.
Изучение систематических ошибок седиментационных методов анализа позволило прийти к выводу, что в настоящее время, опираясь на современную научно-техническую базу, возможно и необходимо усовершенствование весового метода седиментации из стартового слоя. На решение этой задачи и была ориентирована настоящая работа.
В цели настоящей работы входило разработка методов и приборов автоматизированного анализа гранулометрического состава дисперсных материалов с различной формой частиц в широком интервале плотностей и размеров на основе седиментации в жидкой среде, отвечающих требованиям со-
временных порошковых технологий с целью повышения конкурентоспособности порошковой продукции и изделий из неё.
Исследования проводились в рамках госбюджетных тем, выполняемых НИИ прикладной математики и механики: "Комплексные исследования гидродинамики гетерогенных потоков и создание физических основ технологии дисперсных материалов и субмикронных порошков " (тема 3.3.96 Ф, № государственной регистрации 01. 20.00 00733); региональной научно-технической программы Министерства образования РФ "Мелкосерийная, малотоннажная и наукоёмкая продукция"( 1992-1993), инновационных научно-технических программ "Трансфертные технологии, комплексы и оборудование" (1994-1997), "Тиражирование наукоёмкой продукции" (1998-1999), Федеральной целевой программы «Интеграция» (1998 -2000).
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, в которых изложены результаты оригинальных исследований, основных выводов и приложений. Работа изложена на 255 страницах машинописного текста, со-держит 23 рисунка, 40 таблиц; список литературы включает 185 наименований. В диссертацию вошли материалы 65 научных трудов, в том числе 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.
В первой главе работы проведён аналитический обзор методов определения гранулометрического состава дисперсных систем с точки зрения их достоверности, диапазона дисперсности, пригодности для анализа анизомет-ричных частиц и полимодальных распределений. Сделан вывод о необходимости развивать метод седиментации из стартового слоя, как позволяющий учитывать взаимодействие фаз в потоках и процессах и достоверно определять размеры частиц и распределение их по размерам независимо от модальности и формы.
Вторая глава посвящена всестороннему изучению метода стартового слоя при организации слоевого осаждения в весовой седиментации. С этой целью проведено физическое и теоретическое обоснование метода стартово-
го слоя с точки зрения обеспечения максимально точного определения размеров частиц в условиях их осаждения в гравитационном и центробежном полях. Осуществлён анализ существующих способов и устройств и выявлены причины, не позволяющие использовать их для повышения точности определения гранулометрического состава порошков в седиментации.
В третьей главе рассмотрены вопросы математического моделирования задач седиментации частиц из стартового слоя в гравитационном и центробежном полях. В отличие от существующего в практике седиментометрии подхода, использующего закон Стокса в качестве закона сопротивления при вязком обтекании сферических частиц, в работе предложено применять переменный коэффициент сопротивления в зависимости от числа Рейнольдса. Рассмотрены теоретические предпосылки влияния концентрации частиц и пристенных эффектов на точность расчета процесса осаждения. Разработаны физически обоснованные методы аппроксимации кривых седиментации при измерении гранулометрического состава порошков.
Четвёртая глава посвящена разработке и описанию приборов анализа гранулометрического состава на основе седиментации частиц в гравитационном и центробежном полях с использованием стартового слоя. Главными принципами их создания являются: применение стандартного ПК и систем функциональной связи ПК с датчиками физических величин, а также разработка современного программного обеспечения.
Пятая глава посвящена сравнению результатов анализов, полученных различными по своей физической сути методами на наиболее широко распространённых в практике гранулометрического анализа приборах, а также предлагаемого в настоящей работе седиментометра ВС-3, с использованием разработанной автором методики, в основе которой лежит метод эталонного порошка и теория статистики.
В шестой главе работы приведены примеры практической реализации весового седиментометра в различных отраслях промышленности (табл.2) и
научных исследованиях, в которых ранее гранулометрический состав либо вообще не определялся, либо определялся методами, не удовлетворяющими запросам производства.
При выполнении работы автором получены следующие результаты:
впервые проведён всесторонний анализ методов определения гранулометрического состава дисперсных систем с точки зрения их систематических погрешностей и физических аналогий, лежащих в основе математического аппарата; определён фактический рабочий диапазон основных методов анализа на основе искусственно созданных эталонных порошков и их пригодность для определения размеров анизометричных частиц;
разработан и практически реализован аналитически-статистический метод пересчёта параметров распределений и диаметров частиц, полученных разными методами, в проекционный микроскопический диаметр, поскольку они не могут сравниваться между собой без соответствующего пересчёта;
установлено, что для описания полимодальных распределений частиц по размерам не достаточно точности существующих теоретических и эмпирических законов, на основании чего разработан метод аппроксимации кривых накопления таких распределений в виде рядов, составленных из известных аналитических представлений (нормально-логарифмического, Розена-Раммлера и т.д,);
впервые установлена возможность существенного расширения диапазона дисперсности, определяемого методом весовой гравитационной седиментации, за счёт использования нелинейных законов сопротивления, например, формулы Клячко, частично учитывающих инерционную составляющую скорости;
установлен эффект растекания частиц по зеркалу дисперсионной жидкости (дистиллированной воды) с образованием тонкого монослоя при использовании в качестве жидкой основы «питающей суспензии» этилового спир-
та, и изучен процесс слоеобразования с учётом происходящих при взаимодействии нескольких фаз поверхностных явлений;
впервые всесторонне исследован, физически обоснован и доведён до практической реализации метод жидкостной седиментации из стартового слоя в центробежном и гравитационном полях, базирующийся на оригинальных технических решениях и использующий принципиально новый подход математического обеспечения приборов;
разработан способ создания стартового слоя частиц применительно к анализу гранулометрического состава порошков в гравитационном и центробежном полях и приборов анализа гранулометрического состава дисперсных материалов на основе стартового слоя;
создано программное обеспечение работы приборов анализа гранулометрического состава порошков на основе седиментации из слоя в режиме их функциональной связи с персональным компьютером;
разработан пакет компьютерных программ для аналитического представления многомодальных распределений гранулометрического состава дисперсных систем для методов слоевой, объёмной и центробежной седиментации, а также прямых эталонных методов анализа (микроскопического и ситового);
разработаны и практически реализованы методика и пакет компьютерных программ сравнительной оценки точности работы наиболее известных приборов анализа дисперсности на основе эталонного порошка и теории статистики;
разработаны методические указания по практическому определению гранулометрического состава различных порошкообразных веществ на предлагаемом в настоящей работе весовом седиментометре ВС-3;
созданы методики и разработаны рекомендации по диспергированию анализируемых проб и использованию поверхностно-активных веществ для дезагрегации различных материалов;
получены эмпирические зависимости, позволяющие пересчитывать эквивалентный седиментационный диаметр анизометричных частиц в проекционный микроскопический диаметр и отношение характерного размера к их диаметру.
Результаты и положения, выносимые на защиту:
Метод и приборы анализа гранулометрического состава дисперсных материалов на основе седиментации из стартового слоя в гравитационном и центробежном полях.
Результаты исследований, подтверждающие правомерность применения нелинейных законов сопротивления, частично учитывающих инерционную составляющую скорости осаждения твёрдых частиц в вязкой среде, для определения размеров оседающих частиц при Re > 0.01.
Метод и результаты исследований по аппроксимации кривых накопления полимодальных распределений рядами, составленными из известных аналитических представлений.
Метод и результаты сравнительного анализа характеристик различных приборов для определения гранулометрического состава порошковых материалов, на основе эталонного порошка и теории статистики.
Аналитико-статистический метод и результаты его применения для пересчёта параметров распределений и диаметров частиц, полученных разными методами анализа гранулометрического состава, в проекционный микроскопический диаметр.
Методики и результаты исследования по определению гранулометрического состава ламинарных, фибропластинчатых, пористых частиц и полимодальных распределений методом весовой жидкостной седиментации из стартового слоя с помощью седиментометра ВС-3.
