СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ СВЯЗАННОЙ ЖИДКОСТИ КОЛЛОИДНЫХ И КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ТЕЛ
METHOD OF DETERMINING AVERAGE DENSITY OF BONDED LIQUID OF COLLOIDAL AND CAPILLARY-POROUS BODIES

Изобретение относится к области определения и управления качеством продукции, получаемой на основе сорбционно-фильтрационного процесса, происходящего при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел.
ж
о
В настоящее время отсутствуют методы измерения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел из-за сложности учета особенностей взаимодействия дискретных молекул с твердой фазой влажных твердых тел. Кроме того, сорбированная жидкость образует единый комплекс с твердой фазой с измененной физической структурой и повышенной энергией связи от 40-400 кДж/моль (химически связанная вода) до 1,0 кДж/моль (вода механического удерживания), которая растет с понижением влагосодержания тел (Антонов В.Я. Технология полевой сушки торфа. / В.Я.Антонов, Л.Малков, Н.И.Гамаюнов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1981, с.38-39]. В свою очередь, среднюю плотность связанной жидкости ρ необходимо знать для повышения точности оценки физико-технических характеристик коллоидных и капиллярно-пористых тел, где обычно используют плотность ρ свободной воды.
В основу настоящего изобретения положена задача получения и обработки экспериментальных данных, описывающих процесс изменения прочности коллоидных и капиллярно-пористых тел от влагосодержания.
Техническим результатом изобретения является возможность определения плотности жидкости в коллоидных и капиллярно-пористых телах с учетом изменения температуры влажных материалов для различных условий структурообразования при их сушке.
н
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел, согласно изобретению влажный торф многократно перерабатывают в шнековом устройстве с последующим доведением его до начального влагосодержания W=(4,6÷5,3) кг/кг, после чего формуют образцы, определяют объем каждого образца и сушат их при температурах не выше 343-348К до равновесного влагосодержания, при этом в процессе сушки, определяют прочность на сжатие средней части образцов через интервал влагосодержания от 0,2 до 0,5 кг/кг, далее рассчитывают плотность сухого вещества по формуле ,
где V - объем образца,
c
i
i
ci
i
m - масса сухого вещества, после чего строят графические зависимости логарифма прочности R в функции обратной плотности  сухого вещества торфа и логарифм прочности R в функции влагосодержания W с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков графической зависимости периодов структурообразования λ и λ (i=1,2), где
ci
λ - угловой коэффициент зависимости  соответствующего участка прямой (i=1,2),
i
λ - угловой коэффициент зависимости  соответствующего участка прямой (i=1,2).
По результатам графических зависимостей определяют значение средней плотности связанной жидкости, которое равно отношению коэффициентов .
При этом образцы формуют преимущественно цилиндрической формы с начальным диаметром 40÷60 мм и длиной 1,5÷2,0 от начального диаметра. В процессе сушки прочность на сжатие образцов целесообразно определять 6÷8 раз. Прочность на сжатие средней части образцов определяют путем деления разрушающей нагрузки на площадь сечения образца через интервал влагосодержания, равный 0,2÷0,5 кг/кг.
i
н
i
н
н
Значение начального влагосодержания  определяют условиями формования. При W<W торф не формуется из-за отсутствия связности между частицами, а при W>W торфяной кусок не сохраняет форму, растекается. Значение W можно уменьшить, если увеличить дисперсность или повысить температуру формования (Афанасьев А.Е. Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке: МОНОГРАФИЯ / А.Е.Афанасьев. Тверь: ТГТУ, 2003. С.120 (рис.8.11), С.123 (рис.8.12); Лиштван И.И. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И.Лиштван, А.А.Терентьев, Е.Т.Базин, А.А.Головач. Мн.: Наука и техника, 1983, с.193-200, рис.7.23, 7.25, 7.26, 7.27).
ci
I
2
2
Количество образцов выбирают таким образом, чтобы в каждом периоде структурообразования (i=1,2) было не менее 3-4, а всего 6-8 точек (значений характеристик), которые позволяют с допустимой погрешностью ~10% получить значения угловых коэффициентов λ, λ при коэффициентах корреляции R=0,68-0,98 для зависимости  (фиг.1) и R=0.59-0.97 для зависимости  (фиг.2). Это обстоятельство и определяет интервал влагосодержания .
c
Графики строят для уточнения периодов структурообразования, т.е. определения их границ (точка W, фиг.1 и , фиг.2.2), что соответствует требованиям С.С.Корчунова, впервые установившего периоды структурообразования (Корчунов С.С Исследование физико-механических свойств торфа / С.С.Корчунов: сб. статей. М.-Л.: ГЭИ. Труды, ВНИИТП, вып.12, 1953, с.65. рис.16, 17; С.68, рис.23), и подтвержденных в широком интервале температур, в работе (Афанасьев А.Е. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства / А.Е.Афанасьев, Н.В.Чураев. М.: Недра, 1992, С.98, рис.3.1, С.134, рис.4.3; С. 288, рис.5.9).
I
ci
Обработка экспериментальных данных, представленных на чертежах позволила получить уравнения, описывающие процесс изменения прочности от влагосодержания с угловыми коэффициентами λ и обратной плотностью сухого вещества торфа с угловыми коэффициентами λ(i=1,2). Отношение этих коэффициентов и дает значение плотности жидкости  в коллоидных и капиллярно-пористых телах, подверженных процессам структурообразования при различной температуре, дисперсности и пористости материала, из которого получена продукция. Поэтому учесть влияние изменяющейся структуры тел на плотность сорбированной влаги пористых тел другим путем в настоящее время не представляется возможным.
ci
i
Выбор образцов цилиндрической формы обусловлен наименьшим контактом их с подстилающей влажной торфяной залежью, на которой производится сушка торфа, по сравнению с омегообразной и призматической формой и надежностью в определении прочности кусков на сжатие. Прочность на сжатие определяется 6÷8 раз, по 3÷4 раза в каждом из периодов структурообразования, что обеспечивает достаточную точность расчета угловых коэффициентов λ и λ, при соответствующем представительном интервале влагосодержания  образца.
Таким образом, за счет оценки операций структурообразования в трехфазном материале акцентируется жидкая фаза, взаимодействующая с твердой дисперсной фазой (подложкой) и газом, изменяющих сорбционные и фильтрационные свойства при различной температуре материала, обеспечивающих определение плотности жидкости.
Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел поясняется следующими иллюстрациями, где:
i
на фиг.1 представлена зависимость изменения логарифма прочности R в зависимости от влагосодержания при различной температуре Т(К) сушки (1 - при Т=293К, 2 - при Т=303К, 3 - при Т=323К, 4 - при Т=343К в первом (i=1) и в 2-м (i=2) периодах структурообразования;
на фиг.2 - то же, что и на фиг.1, но в зависимости от обратной плотности  сухого вещества торфа;
ж
о
- на фиг.3 - зависимость плотности жидкости ρ от температуры Т (для тех же образцов торфа и той же температуры (фиг.1 и 2) для первого (графики 3.3) и второго (график 4) периодов структурообразования в сравнении с плотностью ρ свободной воды.
Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел осуществляется следующим образом.
i
i
i
ci
i
ж
Берут любой влажный торф, стандартным методом доводят до первоначального влагосодержания, формуют образцы цилиндрической формы. Далее торф взвешивают, определяют объем V каждого из образцов и сушат, при различной температуре не выше 343-348°К до равновесного влагосодержания. В процессе сушки многократно определяют прочность R на сжатие средней части образцов делением разрушающей нагрузки F на сечение S образца через определенный  интервал влагосодержания и рассчитывают плотность сухого вещества. Затем строят графические зависимости логарифма прочности R в функции обратной плотности  сухого вещества торфа и логарифм прочности в функции влагосодержания с соответствующими угловыми коэффициентами линейных участков периодов структурообразования: λ и λ (i=1,2). Отношение коэффициентов дает среднее значение плотности ρ связанной жидкости  при определенной температуре. Строят зависимость плотности жидкости от температуры материала и определяют среднюю плотность связанной жидкости.
T
н
i
В качестве коллоидного капиллярно-пористого тела брали пушициево-сфагновый торф со степенью разложения R=20…25%, переработанный один раз в шнековом устройстве. Формовали методом экструзии цилиндрические куски с начальным диаметром d=40 мм и длиной l=50 мм, взвешивали на лабораторных весах с погрешностью до 0,1 г, определяли объем V каждого из кусков и сушили по 8 образцов. Сушка велась в сушильном термостате от начального  до равновесного влагосодержания  при температуре 1-Т=243К 42-Т=303,3-Т=333,4-Т=343К кг при относительной влажности воздуха φ=(50…60)%. В процессе сушки на лабораторном прессе определяли прочность  на сжатие средней части образцов длиной l=(1.0…1.5)·d, (i - означает текущее значение параметра) делением разрушающей нагрузки F=f·k на сечение S образца через интервал влагосодержания  по формуле
где  - постоянная прибора (соответствует жесткости пружины тензопресса),
k - показания часового индикатора тензопресса, дел,
2
S - площадь поперечного сечения, м.
c
Далее рассчитывают плотность γ вещества, ;
c
где m - масса сухого вещества во влажном торфе, определяют по формуле
н
н
где m, W - соответственно начальные значения массы и влагосодержания образца,
i
3
V - текущее значение объема образца, м.
i
Находили обратные значения плотности  сухого вещества и строили графические зависимости логарифма прочности R в функции обратной плотности  сухого вещества торфа,
i
c
и логарифм прочности R в функции влагосодержания W,  (фиг.1 и 2). Получали ломаную прямую с точкой перегиба линейных участков  и W, разделяющих процесс структурообразования (сушки) на два периода (i=1,2):i=1 - первый период: от начального влагосодержания  i=2 - второй период: от  до равновесного влагосодержания
Далее определяли угловые коэффициенты линейных участков первого (i=1)
и второго (i=2)
периодов структурообразования, где
1
2
ΔlnR, ΔlnR - перепады логарифма прочности соответственно, в первом и втором периодах структурообразования,
i
ΔW - перепады обратной плотности сухого вещества и влагосодержания в первом (i=1) и втором (i=2) периодах структурообразования.
жi
Находили отношение этих коэффициентов, определяющих соответственно среднюю плотность ρ связанной жидкости в первом (i=1)
и, втором (i=2)
периодах структурообразования при соответствующей температуре Т сушки торфа. Для других значений Т опыт повторяли аналогично.
жi
Строили графики зависимости плотности жидкости ρ от температуры Т для каждого из периодов структурообразования (фиг.3).
ж1
ж2
м
c
м
3
3
1. Оказалось, что средняя плотность жидкости имеет максимум, причем в первом периоде (i=1) ρ=1.16·10, а во втором (i=2) ρ=1.32·10, при T=308-313K, которые отличаются от максимальной плотности  свободной воды при T=277.14К (Горная энциклопедия/Гл. ред. Е.А.Козловский. М.: Сов. Энциклопедия. T.1, 1984. С.396-399). Причем, при T≥343…348К, обе зависимости ρ=f(T) (фиг.3, графики 3, 4) сливаются в один (график 3′), из-за исключения водородных H связей в процессе структурообразования.
ж
3
2. Для других материалов, например, глин значения ρ колеблются от 0.9·10 до  Причем для прочносвязанной воды , что соответствует данным для торфяных систем при i=2 с физико-химической прочносвязанной формой связи влаги (Российская угольная энциклопедия. В.3 т. T.1 (А-И). М.-СПб.: Изд-во СПб картографической фабрики ВСЕГЕИ, 2004. С.249-250).
i
ж
Процессы структурообразования при сушке коллоидных каппилярно-пористых тел, являются единой термодинамической системой и находятся во взаимодействии на различных стадиях процесса сушки. Поэтому оценка прочности R тел в зависимости от влагосодержания W и  позволила разработать способ и установить изменение средней плотности жидкости ρ=(T), которая ранее была неизвестна для торфяных и других материалов с подобной структурой.
Способ может быть использован в технологических процессах управления качеством продукции при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел с позиции изменения их сорбционно-фильтрационных свойств.
Пример 1.
T
В качестве коллоидного капиллярно-пористого тела брали пушицево-сфагновый торф, степенью разложения R=20…25%, один раз перерабатывали его в шнековом устройстве, затем формовали образцы цилиндрической формы.
x
1
2
3
Замеряли начальный диаметр в 3 направлениях: d=40.1; d=40.0; d=40.1 мм. После чего находили средний диаметр:
Далее замеряли длину образца по 2-м направлениям:
1
2
l=50.5, l=49.7 мм и определяли среднюю длину: с погрешностью ±0.1 мм. Находили объем V образца:
H
-3
Взвешивали образец (с погрешностью 0,1 г), m=67.0 г=67·10кг.
H
Определяли влагосодержание W образца стандартным методом (сушкой торфа в сушильном шкафу при температуре 105÷110°С) и рассчитывали по формуле , где
в
1
2
1
2
Δm=m-m - масса образца до (m) и после (m) сушки, кг (в);
c
m - масса сухого вещества торфа, кг (сух.);
.
Находили массу сухого вещества по формуле (3)
.
Рассчитывали плотность сухого вещества по формуле (2)
.
Данные операции повторяли для других 7 образцов.
i
По мере высушивания образцов определяли их текущее влагосодержание по формуле , где m - текущее значение массы i-го образца, например,
i
ci
-3
m=40·10 кг, m - масса сухой части каждого образца, измеряется один раз до сушки по формуле (3).
i
Определяли прочность на сжатие R каждого из 8-ми образцов по мере их подсыхания по формуле (1). Так при , , показания индикатора часового типа k составили k=28 делений, тогда
Находили логарифм прочности образца от ,
i
lnR=5.4.
i
i
c
н
c
c
равн
Те же операции проводили и с другими образцами при различном влагосодержании. После чего строили график зависимости lnR=f(W) при Т=293К (фиг.1, график 1). Затем проводили сушку образцов при других температурах: 303, 333, 343К (фиг.1, графики 2, 3, 4). Выделяли периоды структурообразования на графиках: 1, 2, 3, т.е. находили точку перегиба W. К первому периоду относится процесс структурообразования при изменении влагосодержания от W до W (i=1), ко второму - при изменении влагосодержания от W до равновесного W (i=2).
T≥343K образуется один период структурообразования (i=1, график 4) в связи с исчезновением водородных связей при Т=343К.
i
1
2
1
Находили угловые коэффициенты λ линейных участков для Т=293К (фиг.1, график 1) для первого  структурообразования, которые получаются как коэффициенты, стоящие перед параметром x (компьютерная обработка данных по программе Microsoft Excel) в уравнениях: y=-0.9546х+7.449, y=-2.7304х+8.8434, при коэффициентах корреляции ,  соответственно, угловые коэффициенты составили: λ=0.95,  знак «минус» опускается.
i
Данные операции определения λ повторяли для других Т=303, 323, 343К. Данные заносили в таблицу 1, N п/п 1, 2.
c1
c2
i
Для определения коэффициентов λ λ в формулах (6) и (7) строили зависимость логарифма прочности ln R от обратной плотности  сухого вещества.  при Т=293К.
Пример 2.
Использовали тот же пушицево-сфагновый торф с теми же характеристиками образцов.
Находили объем образца влагосодержанием :
i
-3
Определяли плотность образца при m=40·10 кг;
c
Находили плотность γ сухой части образца, по формуле
и его обратную плотность, составляющую:
Принимали значение логарифма прочности из приведенного выше значения
i
i
lnR=5.4; рассчитывали остальные значения  и брали с фиг.1 соответствующие величины lnR.
Строили график зависимости  при Т=293К (фиг.2, график 1).
Данные операции повторяли для других температур: 303, 333, 343К. Выделяли периоды структурообразования (находили точку перегиба ), от нач до с (i=1) и от с до равн. (i=2).
При Т=343К образуется один период структурообразования (i=1, график 4, фиг.2).
ci
Находили угловые коэффициенты λ линейных участков для Т=293К (фиг.2, график 1) для первого  и второго  периодов структурообразования, которые получаются как коэффициенты, стоящие перед параметром x (компьютерная обработка данных по программе Excel) в уравнениях:
1
2
3
3
y=(-1.0254x+8.5236)·10, y=(-3.17002х+12.31)·10 при коэффициентах корреляции  и  соответственно угловые коэффициенты составили:
2
Повторяли эти операции для других значений температуры. Коэффициенты корреляции уравнений  возрастают до R=0.98.
Данные заносили в таблицу 1, № п/п 3, 4.
Определяли плотность жидкости по формулам (6) и (7) при различных температурах: Т=293К,  затем получали плотность жидкости при других температурах. Полученные значения заносили в таблицу 1, № п/п 5, 6.
Для других материалов с подобной структурой, например, глин расчет средней плотности жидкости проводили по обозначенной схеме.
3
3
3
c
Следовательно, для коллоидных капиллярно-пористых тел максимальная плотность жидкости для торфа меняется от 1.16·10 (i=1) до 1.32·10 (i=2), а для глин от 1.2·10 до . Причем для первого (i=1) периода структурообразования эти значения ниже, чем для второго, которые отличаются от максимальной плотности  свободной воды при Т=277.14К.
В настоящее время способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.
Таблица 1
Способ определения средней плотности жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел
№ п/п
Период i
Коэффициенты
Температура, К
293
303
323
343
1
1
<img file="00000086.tif" he="11" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
0.95
1.22
1,09*
1.63
2
2
<img file="00000087.tif" he="11" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
2.73
1.78
1.60
1.63
3
1
<img file="00000088.tif" he="10" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.02
1.41
1,23*
1.75
4
2
<img file="00000089.tif" he="10" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
3.17
2.35
2.06
1.75
5
1
<img file="00000090.tif" he="10" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.08
1.16
1,13*
1.07
6
2
<img file="00000091.tif" he="10" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.16
1.32
1.29
1.07
* Получено экстраполяцией.