СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОРИСТОСТИ ЧАСТИЦ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области испытания и определения свойств материалов и может быть использовано при производстве гранулированных катализаторов, сорбентов, а также для определения свойств сыпучих материалов различного назначения.

Известен способ измерения пористости, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, определение пористости материала по отношению измеренного объема жидкости к первоначальному объему материала (Патент РФ №2172942 МПК G01N 15/08. - Опубл. 27.08.2001 г.).

Ограничением этого метода является невозможность контроля сыпучих материалов (СМ) вследствие сложности определения первоначального объема их частиц, необходимость выбора жидкости для обеспечения ее наилучшего проникновения в поровое пространство материала, при расчете пористости не учитывается объем закрытых пор, недоступных для жидкостного заполнения. Кроме того, данный способ относится к группе разрушающих, так как после измерения проба материала теряет свои первоначальные качества.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения пористости (Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. - Л.: Химия, 1988. - С.155 - 160), заключающийся в фильтрации газа и измерении его количества, прошедшего сквозь пористый материал за единицу времени при постоянном перепаде давления, по которому судят о пористости.

Недостатком способа измерения пористости, принятого за прототип, является невозможность его использования для измерения пористости частиц СМ.

Такой признак прототипа, как фильтрация газа сквозь пористый материал, совпадает с существенным признаком заявляемого способа.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности измерения пористости частиц СМ.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет измерения истинной плотности и перепадов давления на слое сыпучего материала в режимах фильтрации газа и псевдоожижения, формируемых путем изменения расхода газа, по которым судят о пористости его частиц.

Способ осуществляется следующим образом.

Сыпучий материал с известной либо измеренной по любой методике описанной в нормативной документации истинной плотностью частиц ρ_и, помещают в измерительную емкость, представляющую собой проточную камеру (например, трубку, верхний конец которой открыт, а снизу подводится газ) и подают газ.

Фильтрационный перенос газа или жидкости в пористой среде при ламинарном режиме движения описывается уравнением Дарси:

где Q - объемный расход газа, м³/с; ΔP₁ - перепад давления на неподвижном слое сыпучего материала, Па; µ - динамическая вязкость газа, Па·с; S - площадь поперечного сечения емкости с сыпучим материалом, м²; К - проницаемость, м².

Для учета свойств среды при оценке проницаемости используется гипотеза Козени-Кармана, в соответствии с которой для подчиняющегося закону Дарси потока газа проницаемость пористой среды характеризуется соотношением [2]:

где ε₀ - концентрация газовой фазы в слое СМ (порозность); d_ч - средний диаметр частиц сыпучего материала, м.

Из (1) и (2) получаем

откуда

Введем в выражении (3) замену y=1-ε₀ и . Получим уравнение

аппроксимация которого функцией вида у=(а+сх)/(1+bx) при условии изменения порозности от 0,3 до 0,8 дает выражение

у=(0,741+0,423х)/(1+1,737х)

или

Объем частиц СМ, включающий объем их закрытых и открытых пор, определяется как

где V_общ=Sh - объем слоя СМ; V_г - объем газовой фазы в слое СМ.

С учетом концентрации газовой фазы в слое СМ ε₀ выражение (5) примет вид

В момент начала псевдоожижения масса СМ, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения измерительной емкости, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

где ΔP₂ - перепад давления на псевдоожиженном слое сыпучего материала, Па; m_сл - масса слоя сыпучего материала, кг; g - ускорение свободного падения, м/с².

Истинный объем частиц СМ (объем твердой фазы) определим из соотношения

откуда с учетом (7)

По определению пористость материала есть отношение объема пор к объему, задираемому этим материалом, т.е.

или

Подстановка (6) и (8) в (9) с учетом (4) дает выражение

Таким образом, пористость частиц СМ определяется путем измерения перепадов давления ΔР₁ и ΔР₂ в режиме фильтрации и в момент псевдоожижения.

Разработанный метод отличается простотой реализации, обеспечивает измерение пористости частиц сыпучих материалов и может быть использован для экспресс-измерений пористости материалов с ярко выраженными сорбционными свойствами и развитой поверхностью.