1. Параметры сыпучих материалов и особенности

Контроля их влажности

В процессах переработки и производства продуктов человек имеет дело с материалами различных агрегатных состояний – жидкости, газы, твердотельные вещества. В качестве материального объекта, по отношению к которому решаются в данной работе вопросы контроля, выбран класс сыпучих (по иной классификации – дисперсных) материалов. Проектирование процессов технологической переработки базируется на взаимном влиянии свойств материалов и конструкции оборудования, реализующего цель технологического преобразования. Рассматривая процессы обработки материалов, называемых сыпучими, и характеризуя категорию "сыпучий материал", чаще всего понимают, что это коллектив частиц, обладающих одной природой [ 2 ]. Примерами материалов такого типа являются зерна злаковых культур, речной песок и т.п. Область применения таких продуктов – сельское хозяйство, химические технологии; производства: продуктов питания, строительных материалов, радиотехнических изделий, лекарственных препаратов и т.д. К процессами, в которых объектом переработки являются сыпучие материалы или их смеси (композиции, содержащие в определенном соотношении два и более компонентов) относятся следующие : транспортирование, дозирование, смешивание, прессование, тепло- и массообменные и многие др., используемые в жизнедеятельности человека.

Обязательным элементов переработки таких материалов является контроль влажности на различных стадиях переработки, причем очень часто точность определения влагосодержания в ряде технологических процессов необходима весьма высокая, например, в производстве стройматериалов, где требуется высокая точность дозирования компонентов.

1.1 Влага в сыпучих материалах

Влажность сыпучих материалов влияет на многие их свойства: текучесть, коэффициент внутреннего трения, смерзаемость, сводообразование, комкуемость, плотность и т.д. Связь влаги с материалом может быть механической, физико-химической и химической. Влага, находящаяся между частицами материала и на их поверхности, имеет механическую связь с материалом. Физико-химическую связь с материалом имеет та влага, которая проникает в поры частиц за счет адсорбции или диффузии. Химически связанной является влага гидратная или кристаллизационная. Простым тепловым высушиванием можно удалить механически связанную влагу и частично физико-химическую. Эту удаляемую высушиванием влагу называют свободной влагой, а оставшуюся при этом в материале влагу – гигроскопической, которая не может быть удалена полностью из материала простым нагреванием. Для характеристики количества влаги, содержащейся в твердых телах, используют два понятия: влажность и влагосодержание.

Под влажностью Wв понимают отношение массы влаги, содержащейся в сыпучем материале, к массе влажного материала, выраженное в процентах:

, (1.1)

где – масса влажного материала,

– масса абсолютно сухого материала.

Под влагосодержанием W понимают отношение массы влаги, содержащейся в сыпучем материале, к массе абсолютно сухого материала :

. (1.2)

Присутствие влаги в сыпучем материале увеличивает его плотность. Связь влагосодержания с плотностью для зернистых и кусковых материалов выражается формулой :

, (1.3)

а для пылевидных и порошкообразных материалов :

, (1.4)

где – плотность влажного и сухого сыпучего материала;

– плотность частиц, составляющих сыпучий материал;

– плотность жидкости, заполняющей поры материала, кг/м³.

Аномально высокая диэлектрическая про­ницаемость воды – одно из уникальных ее свойств – вызвана тем, что оси О–Н в моле­куле воды имеют угол, близкий к 105° [ 4 ]. Эта особенность, обусловленная законами кванто­вой механики, приводит к тому, что даже при отсутствии внешнего электрического поля мо­лекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполяр­ной молекулы. При дипольной поляризации молекулы по­ворачиваются как единое поле, поэтому на про­цесс поляризации влияют энергия связи воды с кристаллической решеткой и температура. Вра­щение молекулы отстает от вращающего мо­мента, вызванного переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и амплитуду результирующей поляриза­ции. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей (область диспер­сии) диэлектрические потери возрастают и на­чинают зависеть от частоты внешнего поля.

Методы определения влажности сыпучих материалов подразделены на прямые и косвенные.

Прямые методы основаны на непосредственном измерении веса влаги и веса сухого вещества в навеске. К прямым методам относятся: метод высушивания, заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца и измерении ее веса до сушки и после сушки; экстракционный метод, при котором влага извлекается из материала водопоглощающей жидкостью с последующим определением процентного содержания влаги в экстракторе; карбидный метод, основанный на извлечении влаги с помощью карбида кальция, смешиваемого с сыпучим материалом и вступающего с ней в реакцию с образованием ацетилена, по объему которого судят о весе влаги.

Косвенные методы позволяют судить о влажности путем измерения функционально связанных с ней величин. Косвенные методы требуют предварительной градуировки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой (вторичной) величиной. К ним относятся следующие методы:

– электрические – при которых измеряют электрофизические характеристики сыпучего материала, изменяющиеся в зависимости от влажности (электрическая проводимость, емкость и т.п.);

– механические – основанные на измерении механических характеристик сыпучих материалов, которые имеют соответствующую функциональную связь с влажностью;

– оптические – при которых влажность определяется по величине отраженного от поверхности сыпучего материала света;

– калориметрический – основанный на изменении теплоемкости материала в зависимости от его влажности;

– ультразвуковой – основанный на способности сыпучих материалов снижать скорость распространения ультразвуковых волн.

Среди перечисленных методов наибольшее распространение получил метод высушивания, как наиболее точный. Однако для измерения влажности сыпучего материала этим методом требуется значительное время, поэтому он совершенно не пригоден для непрерывного контроля материала в потоке.

Для дальнейшего анализа представляется важным проанализировать зависимость диэлектрических характеристик сыпучего материала от частоты.

В работе [ 6 ] показано, что характер частотно-влажностной и температурно-влажностной зависимостей влажных сыпучих материалов определяется главным образом значением удельной поверхности твердой фазы (чем более мелкодисперсна среда, тем больше значение удельной площади поверхности твердой фазы). Если условно разделить все материалы на грубодисперсные, среднедисперсные и мелкодисперсные, которым соответствуют удельные поверхности соответственно до 10⁶ м²/м³, до 10¹⁰ м²/м³ и до 10¹⁶ м²/м³, то им будут соответствовать три типа физической адсорбции, что выражается в сдвиге пика релаксации (максимума поглощения) в область все более высоких частот. У среднедисперсных материалов объем моносорбции составляет (10 .. 15)%, и характер зависимостей =(), =() определяется влажностью материала, что представлено на рис. 1.1. При больших влажностях (состояние, близкое к влагонасыщению), когда в системе начинает преобладать свободная вода, частотно-влажностная зависимость приближается к таковой для свободной воды. Из рис. 1.1 видно, что для влажных материалов с величиной w15% – т.е. для материалов, находящихся на самых ответственных стадиях досушивания, максимум потерь, а, следовательно, и чувствительности влагометрии приходится на интервал частот (1 .. 10) ГГц.

Рисунок 1.1 – Зависимость от частоты вещественной  и мнимой 

частей диэлектрической проницаемости сыпучего материала разной

влажности (w₃>w₂>w₁)