(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕПИЯ ПОРИСТОСТИ(54) METHOD FOR IDENTIFICATION OF POROSITY
1one
Изобретение относитс к методам исследовани материалов, а именно к определению пористости исходного, сырь , полуфабрикатов , прессовых сукон и прочих пористых сред, примен емых при изготовлении бумаги и картона, и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности и других област х техники, а также в научно-исследовательских цел х.The invention relates to methods for examining materials, namely, determining the porosity of the raw material, raw materials, semi-finished products, pressing fabrics and other porous media used in the manufacture of paper and cardboard, and can be used in the pulp and paper industry and other engineering fields, as well as for research purposes.
Пористость вл етс важнейшей гидромеханической характеристикой слоев щепы , целлюлозы, бумаги и других пористых материалов, примен емых на различных стади х технологическ9го процесса целлюлозно-бумажного производства (варка, промывка , отделка, отлив и пр.) Например, эффективность работы вакуум-фильтра зависит от пористости папки целлюлозы, а по изменению пористости прессовых сукон можно судить о степени их загр зненности. Формование бумаги и картона, сгущение и промывка полуфабрикатов, улавливание волокна и другие важнейшие технологические процессы целлюлозно-бумажной промышленности непосредственно св заны с фильтрацией . Растительные волокна в водной среде набухают. Они значительно измен ют своиPorosity is the most important hydromechanical characteristic of chips, pulp, paper and other porous materials used at various stages of the pulp and paper production process (cooking, washing, finishing, refining, etc.). For example, the efficiency of a vacuum filter depends on the porosity of the cellulose folder, and by the change in the porosity of the press-felt cloths, one can judge the degree of their contamination. Forming paper and paperboard, thickening and washing semi-finished products, fiber trapping and other important technological processes of the pulp and paper industry are directly related to filtration. Vegetable fibers in the aquatic environment swell. They significantly change their
свойства при размоле. Увеличиваетс удельна поверхность- и удельный объем волокон; такие волокна более плотно укладываютс в слое, что уменьшает его пористость. Кроме того, фибрилирование поверхности волокон сопровождаетс активной адсорбцией во ды. В результате на поверхности сильной размолотой и фибрилированной массы возникает погранична пленка жидкости,Котора по своим размерам значительно превышает аналогичные образовани в слое обычных пористых материалов. Отсюда следует, что при моделировании процесса фильтрации бумажные массы с помощью уравнений гидродинамики крайне важно знать коэффициенты пористости, точно соответствую 5 щие физической сущности происход щих влений, в частности дл определени внешней удельной поверхности волокон и объемной массы сло . Последние коррелируют с общей площадью контакта между волокнами в слое и характеризуют бумагообразующие свойства волокон и Ka4ectBO формовани бумажного листа.properties when grinding. The specific surface area and the specific volume of fibers increase; such fibers are more densely packed in the layer, which reduces its porosity. In addition, fibrillation of the surface of the fibers is accompanied by active adsorption of water. As a result, a boundary film of a liquid appears on the surface of a strong ground and fibrillated mass. Kotor's size considerably exceeds similar formations in a layer of ordinary porous materials. From this it follows that in simulating the filtration process using paper hydrodynamic equations, it is extremely important to know the porosity coefficients that correspond exactly to the physical essence of the phenomena occurring, in particular, to determine the external specific surface of the fibers and the bulk density of the layer. The latter correlate with the total contact area between the fibers in the layer and characterize the paper-forming properties of the fibers and the Ka4ectBO formation of the paper sheet.
Геометрическа или истинна пористость вл етс гидравлической характеристикой сло в случае отсутстйи в нем потока жидкости . Если же жидкость или газ проходит через слой, то такой характеристикой вл етс эффективна пористость, соответствующа средним значени м кривизны каналов сло и скорости потока жидкости в них. При движении потока через слой в нем возникают области непроточной жидкости , зан тые тонкой пленкой, прилипающей к поверхности частиц и образующиес за частицами в результате отрыва от поверхности обтекающей их жидкости. Непроточные области как бы св заны с частицами сло , что равносильно некоторому увеличению размеров частиц. В слое целлюлозных волокон, как отмечалось выще , это увеличение существенно. Пористость сло с такими частицами увеличенных размеров называют эффективной. Таким образом, величина эффективной пористости определ етс как отнощение объема зан того потока к полному объему сло . Известен способ определени пористости 1, путем заполнени объема пористой среды (V) различными жидкост ми и определени объема этих жидкостей (Уж). Геометрическую пористость (т ) вычисл ют из соотношени А. Известен способ определени пористости 2. путем определени общей (J) и собственной (j) плотности пористой среды, тогда IrZЛ Известен также способ определени пористости 3, путем многократного бросани иглы на фотографию произвольного сечени пористой среды, тогда шг -„--, где п - общее число бросаний; п„-число попаданий иглы в область пустот сло . Однако. эффективна пористость сло целлюлозосодержащих материалов значительно отличаетс от его геометрической пористости за счет образовани непроточных зон в масштабе отдельных частиц сло . В промышленных услови х это отличие еще больще увеличиваетс за счет образовани непроточных областей в масштабе всего сло , что вл етс следствием неравномерного распределени потока по объему сло . Поэтому в слое целлюлозосодержащих материалов эффективна пористость вл етс гидравлическим параметром, который более точно соответствует физической природе движени жидкости в каналах сло , чем его геометрическа пористость. Поэтому известные способы определени геометрической пористости, значени которой широко используютс в гидродинамических расчетах различных пористых сред, не пригодны дл слоев целлюлозосодержащих материалов. Наиболее близким к предлагаемому вл етс способ определени эффективной пористости, заключающийс в фильтрации рабочей среды через образец с посто нной объемной скоростью Ucp, введении в нее на входе индикатора и регистрации момента его по влени на выходе 4. Эффективную пористость наход т из соотнощени т JJ(. э Vh где t.-tj -интервал времени с момента введени t до момента по влени tj индикатора в жидкости (газе), выход щей из пористой среды; h -толщина образца. В способе используетс известное в гидродинамике пористых сред выражение дл определени средней действительной скорости потока и fK cp- пГ где К - кривизна каналов пористой среды. Однако способ позвол ет определить эффективную пористость только в случае, когда величина кривизны каналов пористой среДы близка к единице. Таким образом, при определении величины ш пористых сред со значительной кривизной каналов, к которым относ тс и слои целлюлозосодержащих материалов , ощибка может достигать 100%. Цель изобретени - повышение точности определени . Цель достигаетс тем, что на входе образца поддерживают посто нную концентрацию индикатора, затем измен ют ее значение на входе, регистрирудот изменение концентрации на выходе, определ ют среднее врем пребывани частиц индикатора в образце и рассчитывают пористость по формуле . , где и - линейна скорость рабочей среды, отнесенна к полному сечению образца , м/с; h - толщира образца, м; С -текуща концентраци индикатора на выходе из образца, г/л; Сд- начальна концентраци индикатора на входе и выходе образца; г/л; to - момент введени единичного возмущающего воздействи по концентрации индикатора, с; tcp-среднее врем пребывани частиц индикатора в образце, с. Таким образом, сквозь слой целлюлозосодержащего материала пропускаетс с посто нным расходом поток рабочей среды (жидкости или газа) (например, в варочном котле сквозь слой щепы, поток щелока или сквозь слой бумажной массы на сетке бумагоделательной мащины фильтруетс вода). На входе потока в слой непрерывно подаетс индикатор (например, крас щее вещество, вещество мен ющее электропроводность жидкости и пр.), который смещиваетс с жидкостью так, что его концентраци в ней поддерживаетс посто нной (Со) На выходе потока из сло непрерывно измер етс концентраци индикатора в выход щей жидкости (например, по оптическим свойствам жидкости, либо по ее электропроводности ). В некоторый известный момент времени to производ т еди.ничное кзменение концентрации индикатора на входе сло -(например, концентраци Со скачком мен етс до С1(Со1.С1), либо производ т импульсное изменение концентрации от С.« до Ci и снова до Со()На фиг. 1 изображен график зависимости от времени С/С в случае ступенчатого возмущени ; на фиг. 2 - график зависимости от времени величины С. в случае импульсного возмущени . По графику определ ют среднее врем (tcp ) пребывани частиц жидкости в пористой среде. При этом регистраци указанного графика и определение среднего времени пребывани производитс до тех пор, пока величины С/Со либо С не будут равны соответственно Ci/Co либо снова Со, или не будут отличатьс от этих значений на величину , наперед заданную, т. е. до тех пор, пока не будут выполнень услови точности проведени измерений. Второй график по известной методике легко пересчитываетс в первый по соотнощению /C,dt, (3) где О. - объемна скорость жидкости, vfic; 1М - количество молей индикатора, вводимых в поток при единичном возмущении концентрации типа Со Л t - врем , с. Эффективна пористость определ етс по выражению m - - . Чтобы показать преимущество предлагаемого способа перед известным, расписываетс предыдущее выражение и(ь.Ц} 1 С hht, t Со Первое слагаемое правой части J4.y у т. е. в случае определени эффективной пористости по известному способу, когда , то, слагаемое равно величине ш, . Если же К 1, то дл выполнени (2) т должно быть увеличено во столько раз, во сколько К больще единицы. В (5) это увеличение учитываетс вторым слагаемым Пример /.. Получен график изменени величины С/Со при фильтрации воды из сло конденсаторной целлюлозы. В качестве индикатора используетс раствор NaCI (концентраци Со 100 г/л). Концентраци индикатора в потоке, выход щем из сло , измер етс мостом переменного тока, регистрирующем значени электропроводности которые затем пересчитываютс в концентрацию NaCl через каждые 0,3 с. Толщина сло h равн етс 0,03 м, линейна скорость потока, отнесенна к полному сечению сло , равна 7,0-10 м/с и среднее врем пребывани top равно 1201 с. При этом величина эффективной пористости состава т равна 0,4250. Пример 2. Дл расчета эффективной пористости сло щепы в варочном котле периодического действи в процессе варки используетс график изменени величины Ci/Co. Он зарегистрирован при выходе щелока из заборного коллектора, расположенного в верхней части котла, после единичного изменени концентрации индикатора типа Со Л. входе щелока в распределитель , расположенный в его нижней части . Диаметр варочного котла d 6,3 м, высота h 15 м, объем - 246 м. Температура варки, при которой определ етс эффективна пористость - 125°С. Линейна скорость потока, отнесенна к полному сечению котла U 0,05 м/с, среднее врем пребывани tcp 300 с. При этом величина эффективной пористости Шд составл ет 0,3050. Предлагаемый способ позвол ет вести различные технологические процессы, а именно: варку, отбелку целлюлозы, формование полотна на оптимальном уровне.Geometric or true porosity is the hydraulic characteristic of a bed in the case of a lack of fluid flow in it. If the liquid or gas passes through the bed, then this characteristic is the effective porosity corresponding to the average values of the curvature of the bed channels and the flow rate of the liquid in them. As the flow moves through the layer, regions of non-flowing fluid appear in it, occupied by a thin film adhering to the surface of the particles and formed behind the particles as a result of separation from the surface of the fluid flowing around them. Non-flowing areas are, as it were, associated with particles of the layer, which is equivalent to some increase in particle size. In the layer of cellulose fibers, as noted above, this increase is significant. The porosity of a layer with such larger particles is called effective. Thus, the effective porosity value is defined as the ratio of the volume of the occupied flow to the total volume of the bed. The known method for determining the porosity 1, by filling the volume of the porous medium (V) with various liquids and determining the volume of these liquids (Al). Geometric porosity (t) is calculated from ratio A. The method of determining porosity 2 is known. By determining the total (J) and intrinsic (j) density of a porous medium, then IrZL. The method of determining porosity 3 is also known, by repeatedly throwing a needle on a photograph of an arbitrary section of porous Wednesday, then wl - „-, where n is the total number of throws; p „is the number of needle hits in the region of voids of the layer. But. The effective porosity of a layer of cellulosic materials differs significantly from its geometric porosity due to the formation of non-flowing zones on the scale of individual particles of the layer. Under industrial conditions, this difference is even greater due to the formation of non-flowing areas on the scale of the entire layer, which is a consequence of the uneven distribution of the flow over the volume of the layer. Therefore, in a layer of cellulosic materials, the effective porosity is a hydraulic parameter that more closely matches the physical nature of fluid flow in the channels of the bed than its geometric porosity. Therefore, the known methods for determining the geometric porosity, the values of which are widely used in hydrodynamic calculations of various porous media, are not suitable for layers of cellulose-containing materials. The closest to the present invention is a method for determining the effective porosity, which consists in filtering the working medium through a sample with a constant volumetric rate Ucp, introducing an indicator into it at the input and recording its appearance at output 4. Effective porosity is found from the ratio JJ ( e Vh where t.-tj is the time interval from the moment t is introduced until the indicator tj appears in the liquid (gas) leaving the porous medium; h is the sample thickness. The method uses the expression known in hydrodynamics for porous media where K is the curvature of the channels of the porous medium. However, the method allows determining the effective porosity only in the case when the curvature of the channels of the porous medium is close to unity. Thus, when determining the magnitude of w of porous media with a significant the curvature of the channels, which include layers of cellulose-containing materials, the error can reach 100%. The purpose of the invention is to improve the determination accuracy. The goal is achieved by maintaining a constant concentration of the indicator at the sample entrance, then changing its value at the input, registering the change in concentration at the output, determining the average residence time of the indicator particles in the sample, and calculating the porosity using the formula. where and is the linear velocity of the working medium, referred to the total cross section of the sample, m / s; h is the sample thickness, m; C is the flowing concentration of the indicator at the exit from the sample, g / l; Cd- initial concentration of the indicator at the sample inlet and outlet; g / l; to - the moment of introduction of a single disturbing effect on the indicator concentration, s; tcp is the average residence time of the indicator particles in the sample, p. Thus, a stream of working medium (liquid or gas) is passed through a layer of cellulose-containing material with a constant flow (for example, in a digester, water is filtered through a layer of wood chips, a stream of liquor or through a layer of paper pulp on the papermaking mesh). At the inlet of the stream, an indicator is continuously supplied to the layer (for example, a dye, a substance that changes the electrical conductivity of the fluid, etc.), which is displaced with the liquid so that its concentration in it is kept constant (Co). the concentration of the indicator in the exiting liquid (e.g., by the optical properties of the liquid, or by its electrical conductivity). At some known time point to, a unit change in the concentration of the indicator at the inlet of the layer is produced (for example, the Co concentration abruptly changes to C1 (Co1C1), or the concentration of pulses is changed from C. "to Ci and again to Co () Fig. 1 shows a graph of the time dependence of C / C in the case of a stepwise disturbance, and Fig. 2 is a graph of the time dependence of the magnitude of C. in the case of a pulsed perturbation.The graph determines the average time (tcp) for particles of a liquid in a porous registration of the specified schedule and the determination of the average residence time is made until the values of C / Co or C are equal, respectively, to Ci / Co, or again to Co, or do not differ from these values by an amount specified in advance, i.e., until the condition of accuracy of measurements will be met.The second graph of the well-known method is easily recalculated into the first one by the ratio / C, dt, (3) where O. is the fluid flow velocity, vfic; 1М is the number of indicator moles introduced into the stream with a single perturbation of the concentration of the type Co L t - time, s. The effective porosity is determined by the expression m - -. In order to show the advantage of the proposed method over the known one, the previous expression u (ывает.C} 1 C hht, t Co is described. The first term of the right side is J4.y, i.e. in the case of determining the effective porosity by a known method, when, the term is value w, if K 1, then to perform (2) t must be increased by as many times as K is greater than 1. In (5) this increase is taken into account by the second term Example / .. A graph of the C / Co value is obtained for filtering water from a layer of capacitor pulp. As an indicator and NaCI solution is used (Co concentration 100 g / l). The indicator concentration in the stream leaving the layer is measured by an AC bridge, which records the values of electrical conductivity which are then converted to the NaCl concentration every 0.3 s. The thickness h is 0 , 03 m, the linear flow velocity, referred to the full section of the layer, is 7.0-10 m / s and the average residence time top is 1201 s. At the same time, the effective porosity t is equal to 0.4250. Example 2. A graph of Ci / Co is used to calculate the effective porosity of the chip chips in a batch kettle of periodic operation during the cooking process. It is registered when the liquor leaves the intake manifold located in the upper part of the boiler, after a single change in the concentration of an indicator of the Co type. Inlet for the liquor in the distributor located in its lower part. The diameter of the digester is d 6.3 m, height h is 15 m, and the volume is 246 m. The cooking temperature at which the effective porosity is determined is 125 ° C. The linear flow rate, referred to the total cross section of the boiler, U 0.05 m / s, the average residence time tcp 300 s. Here, the effective porosity Sd is 0.3050. The proposed method allows various technological processes to be carried out, namely: pulping, bleaching pulp, web forming at an optimal level.