Спосіб визначення пористості

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик К ,900170 АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву — (22) Заявлено 25.12.78 (21) 2701312/18-25 с присоединением заявки № — Государственный комитет (23) Приоритет — СССР Опубликовано 23.01.82. по делам изобретений и открытий 3 G 01 N 15/08 ^ Бюллетень № 3 Дата опубликования описания 28.01.82 (72) Авторы изобретения (51) М. Кл. (53) УДК539.217. .1(088.8) И. Д. Рокос, В. Н. Жуковский и Р. А. Солоницын Украинское научно-производственное объединение целлюлознобумажной промышленности (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ \ свойства при размоле. Увеличивается удельИзобретение относится к методам иссленая поверхность и удельный объем волокон; дования материалов, а именно к определетакие волокна более плотно укладываются нию пористости исходного сырья, полуфабв слое, что уменьшает его пористость. Крорикатов, прессовых сукон и прочих пористых сред, применяемых при изготовлении 5 ме того, фибрилирование поверхности волокон сопровождается активной адсорбцией во бумаги и картона, и может быть использоды. В результате на поверхности сильной вано в целлюлозно-бумажной промышленразмолотой и фибрилированной массы возности и других областях техники, а также никает пограничная пленка жидкости, котов научно-исследовательских целях. рая по своим размерам значительно превыПористость является важнейшей гидромеханической характеристикой слоев ще- Ю шает аналогичные образования в слое обычных пористых материалов. Отсюда следует, пы, целлюлозы, бумаги и других пористых что при моделировании процесса фильтраматериалов, применяемых на различных стации бумажные массы с помощью уравнений диях технологического процесса целлюлозгидродинамики крайне важно знать коэфно-бумажного производства (варка, промывка, отделка, отлив и пр.) Например, эф- 1 5 фициенты пористости, точно соответствующие физической сущности происходящих фективность работы вакуум-фильтра завиявлений, в частности для определения внешсит от пористости папки целлюлозы, а по ней удельной поверхности волокон и объемизменению пористости прессовых сукон можной массы слоя. Последние коррелируют с но судить о степени их загрязненности. Форобщей площадью контакта между волокнамование бумаги и картона, сгущение и промывка полуфабрикатов, улавливание волок- го ми в слое и характеризуют бумагообразующие свойства волокон и качество формована и другие важнейшие технологические прония бумажного листа. цессы целлюлозно-бумажной промышленности непосредственно связаны с фильтрацией. Растительные волокна в водной среде Геометрическая или истинная пористость набухают Они значительно изменяют свои является гидравлической характеристикой 900170 слоя в случае отсутствия в нем потока жидкости Если же жидкость или газ проходит через слой, то такой характеристикой является эффективная пористость, соответствующая средним значениям кривизны каналов слоя и скорости потока жидкости в них. При движении потока через слой в нем возникают области непроточной жидкости, занятые тонкой пленкой, прилипающей к поверхности частиц и образующиеся за частицами в результате отрыва от поверхности обтекающей их жидкости. Не- 10 проточные области как бы связаны с частицами слоя, что равносильно некоторому увеличению размеров частиц. В слое целлюлозных волокон, как отмечалось выше, это увеличение существенно Порис- 15 тость слоя с такими частицами увеличенных размеров называют эффективной. Таким образом, величина эффективной пористости определяется как отношение объема занятого потока к полному объему слоя. Известен способ определения пористо- 20 сти [1], путем заполнения объема пористой среды (V) различными жидкостями и определения объема этих жидкостей (V№). Геометрическую пористость ( т г ) вычисляют из соотношения 25, mr=V* /V. вестные способы определения геометрической пористости, значения которой широко используются в гидродинамических расчетах различных пористых сред, не пригодны для слоев целлюлозосодержащих материалов Наиболее близким к предлагаемому является способ определения эффективной пористости, заключающийся в фильтрации рабочей среды через образец с постоянной объемной скоростью UCp, введении в нее на входе индикатора и регистрации момента его появления на выходе [4] Эффективную пористость находят из соотношения и где 1) tt-t0 ~ интервал времени с момента введения t 0 до момента появления t j индикатора в жидкости (газе), выходящей из пористой среды, Ь -толщина образца В способе используется известное в гидродинамике пористых сред выражение для определения средней действительной скорости потока и =У (2) Известен способ определения пористости [2]. путем определения общей ( J 3 ) и где К — кривизна каналов пористой среды собственной (Р ) плотности пористой среды, 30 Однако способ позволяет определить эфтогда фективную пористость только в случае, когда величина кривизны каналов пористой срег ды близка к единице. Таким образом, при определении величины т э пористых сред со Известен также способ определения позначительной кривизной каналов, к которым ристости [3], путем многократного броса- 3 5 относятся и слои целлюлозосодержащих мания иглы на фотографию произвольного сетериалов, ошибка может достигать ' 100% чения пористой среды, тогда Цель изобретения — повышение точности определения. л - - -Sr где п - общее число бросаний; п п -число попаданий иглы в область пустот слоя. 40 Цель достигается тем, что на входе образца поддерживают постоянную концентрацию индикатора, затем изменяют ее значение на входе, регистрируют изменение концентрации на выходе, определяют среднее время пребывания частиц индикатора в образце и рассчитывают пористость по формуле Однако эффективная пористость слоя целлюлозосодержащих материалов значи- 4 5 тельно отличается от его геометрической пористости за счет образования непроточных зон в масштабе отдельных частиц слоя. В промышленных условиях это отличие еще больше увеличивается за счет образования непроточных областей в масштабе всего 5 0 где U - линейная скорость рабочей среды, слоя, что является следствием неравномеротнесенная к полному сечению обного распределения потока по объему слоя. разца, м/с, Поэтому в слое целлюлозосодержащих матеh - толщина образца, м, риалов эффективная пористость является С -текущая концентрация индикагидравлическим параметром, который более 55 тора на выходе из образца, г/л; точно соответствует физической природе С о - начальная концентрация индикадвижения жидкости в каналах слоя, чем его тора на входе и выходе образца, геометрическая пористость Поэтому изг/л, 900170 t 0 -момент введения единичного возмущающего воздействия по концентрации индикатора, с; tcp-среднее время пребывания частиц индикатора в образце, с. Таким образом, сквозь слой целлюлозо- 5 содержащего материала пропускается с постоянным расходом поток рабочей среды (жидкости или газа) (например, в варочном котле сквозь слой щепы, поток щелока или сквозь слой бумажной массы на сетке бумагоделательной машины фильтруется 1 0 вода). На входе потока в слой непрерывно подается индикатор (например, красящее вещество, вещество меняющее электропроводность жидкости и пр.), который смешивается с жидкостью так, что его концент- 1 5 рация в ней поддерживается постоянной (Со) На выходе потока из слоя непрерывно измеряется концентрация индикатора в выходящей жидкости (например, по оптическим свойствам жидкости, либо по ее электропроводности). В некоторый известный мо 20 мент времени t 0 производят единичное изменение концентрации индикатора на входе слоя (например, концентрация С о скачком меняется до C 1 ( C 0 " L C i ) , либо производят импульсное изменение концентрации от С ч 25 до Сі и снова до С 0 ( С о Л . с ' с о )• На фиг. 1 изображен график1 зависимости от времени С/Со в случае ступенчатого возмущения, на фиг. 2 — график зависимости от времени величины С^ в случае импульсного возмущения зо По графику определяют среднее время ( t c p ) пребывания частиц жидкости в пористой среде. При этом регистрация указанного графика и определение среднего времени пребывания производится до тех пор, пока ве- 3 5 личины С/Со либо C t не будут равны соответственно Сі/Co либо снова Со, или не будут отличаться от этих значений на величину, наперед заданную, т. е. до тех пор, пока не будут выполнены условия точности проведения измерений. Чтобы показать преимущество предлагаемого способа перед известным, расписывается предыдущее выражение э ~ (5) h Первое слагаемое правой части 'Cp (5) т. е. в случае определения эффективной пористости по известному способу, когда К~1, то слагаемое равно величине т э . Если же К > 1, то для выполнения (2) тэ должно быть увеличено во столько раз, во сколько К больше единицы. В (5) это увеличение учитывается вторым слагаемым h t, dt Пример /.. Получен график изменения величины С/Со при фильтрации воды из слоя кенденсаторной целлюлозы. В качестве индикатора используется раствор NaCl (концентрация С о = 100 г/л). Концентрация индикатора в потоке, выходящем из слоя, измеряется мостом переменного тока, регистрирующем значения электропроводности которые затем пересчитываются в концентрацию NaCl через каждые 0,3 с. Толщина слоя h равняется 0,03 м, линейная скорость потока, отнесенная к полному сечению слоя, равна 7,0-10"3м/с и среднее время пребывания t c p рцвно 1201 с При этом величина эффективной пористости состава т э равна 0,4250. Пример 2. Для расчета эффективной пористости слоя щепы в варочном котле периодического действия в процессе варки используется график изменения величины С,/Со- Он зарегистрирован при выходе щелока из заборного коллектора, расположенВторой график по известной методике ного в верхней части котла, после единичного изменения концентрации индикатора легко пересчитывается в первый по соотс типа Со - - 'с о при входе щелока в распреЛ ношению делитель, расположенный в его нижней час45 ти. Диаметр варочного котла d = 6,3 м, высота h = 15 м, объем — 246 м 3 . Температура варки, при которой определяетL *с где G - объемная скорость жидкости, М/ , ся эффективная пористость — 125°С. ЛиN - количество молей индикатора, вводимых в поток при единичном нейная скорость потока, отнесенная к полвозмущении концентрации типа 5 0 н о м у сечению котла U = 0,05 м/с, среднее Со Л с хС о С Л время пребывания t c p = 300 с. При этом t -время, с. величина эффективной пористости т э составляет 0,3050. Эффективная пористость определяется по выражению Предлагаемый способ позволяет вести 55 различные технологические процессы, а именно: варку, отбелку целлюлозы, формо_ ^t_.L_^__ (4) m вание полотна на оптимальном уровне. h 900170 Формула изобретения Способ определения пористости, заключающийся в фильтрации рабочей среды через образец с постоянной объемной скоростью, введении в нее на входе индикатора и 5 регистрации момента его появления на выходе, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, на входе образца поддерживают постоянную концентрацию индикатора, затем изменяют ее значение на входе, регистрируют изменение концентрации на 10 выходе, определяют среднее время пребывания частиц индикатора в образце и рассчитывают пористость по формуле и Ґ? - d t где 15 8 Со-начальная концентрация индика тора на входе и выходе образца, г/л, •0 -момент ведения единичного возf c мущающего воздействия по концентрации индикатора, с, t c p -среднее время пребывания частиц индикатора в образце, с т э "эффективная пористость Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 Лейбензол Л С Движение природных жидкостей и газов в пористой среде М -Л, ОГИЗ, Гостехиздат, 1947 2 Коллинз Р Течение жидкости через пористые материалы М, «Мир», 1964 3 Schiesser W Е Leon Lapidus American Institute of Chemical Engineers jonrnal, 1961, V 7, № 1, p 163—170 h U -линейная скорость рабочей среды, отнесенная к полному сечению образца, м/с, 4 Кирилов В А и др Способ определеh - толщина образца, м, 20 ния эффективной пористостиДруды III Всес -текущая концентрация индикатосоюзной конференции по химическим реак ра на выходе из образца, г/л. торам Киев, 1968, с 11 (прототип) Составитель И Черный Редактор И Черный Техред А Бойкас Корректор М Шароши Заказ 12170/60 Тираж 882 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж—35, Раушская наб, д 4/5 Филиал ППП «Патент» г Ужгород ул Проектная, 4