Автоматизированный способ определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов

Половнева Светлана Ивановна к.т.н. ,научный руководитель «СИНЦ», зам.директора НОЦ «Автоматика»,доцент кафедры АПП НИ ИрГТУ

Саливон Сергей Валерьевич, студент НИ ИрГТУ

Мальчихин Алексей Сергеевич, студент НИ ИрГТУ

Введение

Интенсивное развитие цветной и черной металлургии, а также химической промышленности, являющихся наиболее крупными потребителями малозольного, малосернистого и высокосернистого нефтяных коксов, ставит перед нефтеперерабатывающей промышленностью задачу получения качественных углеродистых материалов на основе нефти. В связи с этим на нефтеперерабатывающих заводах при переработке нефтяных остатков все большее место занимают процессы коксования. Промышленное получение нефтяного кокса неразрывно связано с научными исследованиями по многим направлениям, таким как подготовка сырья коксования, разработка технологических приемов коксования и прокаливания, создание эффективного оборудования и аппаратуры коксовых производств, внедрение механизации и автоматизации. Получение нефтяного кокса, отвечающего всем требованиям потребителей, возможно при постоянстве качества исходного сырья. В зависимости от качества сырья, получаемые в процессах коксования и прокаливания нефтяные коксы, различаются по своей структуре и свойствам. Наряду с широко известными физико-химическими свойствами кокса (содержание летучих веществ и серы, плотность, зольность, реакционная способность, электрическая проводимость, теплопроводность и др.). Особое значение приобретают также физико-механические свойства - прочность, сыпучесть, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, углы естественного откоса, гранулометрический состав, степень уплотнения, сегрегация и т. д. Знание этих свойств необходимо при термической и механической обработках нефтяного кокса.

Основная часть:

Сегодня актуальны поиски автоматизированного измерительного устройства, пригодного для измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов, простого в эксплуатации, с высокой скоростью протекания процесса и позволяющего удешевить измерения. Известен адсорбционный способ измерения удельной поверхности сыпучих материалов, позволяющий измерять полную поверхность частиц с учетом пор и трещин, на основе газовой низкотемпературной физической адсорбции азота или аргона[3]. Метод низкотемпературной адсорбции азота, называемый методом Брунаэра, Эммета и Теллера (сокращенно БЭТ), по сравнению с другими методами газовой адсорбции хорошо обоснован как в теоретическом, так и в экспериментальном отношении и позволяет измерить поверхность в диапазоне от 0,1 до 2000 м²/г с относительной погрешностью 2-5%.

Недостатки метода БЭТ:

1. Необходимость тренировки образца, которая предусматривает выдержку образца в потоке газа-носителя при значительных температурах (более 200ºC). Многие образцы при таких температурах разрушаются.

2. Необходимость работы с жидкими газами, т.к. адсорбция идёт при очень низких температурах, порядка -180÷-200ºC.

3. Применение дефицитных благородных газов, таких, как аргон и гелий.

Однако все эти недостатки препятствуют внедрению данного метода на предприятиях, что послужило причиной разработки нового метода, так называемого высокотемпературного метода тепловой десорбции (ВМТД). [2]

Из практики известно, термостат (криостат) на жидком газе трудно автоматизировать. Решение вышепоставленных проблем достигается применением в способе определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов адсорбата с температурой кипения выше нуля градусов Цельсия. Применение адсорбата с плюсовой температурой кипения (выше нуля градусов Цельсия) ускоряет процесс адсорбции, так как движение молекул при низких температурах более замедленно. Кроме того, создавать и регулировать плюсовые температуры проще технически и становится возможным применение автоматического регулирования температуры адсорбции и десорбции с помощью стандартных воздушных электрических термостатов. В свою очередь возможность применить воздушные электрические термостаты адсорбера с заданием температуры адсорбции и десорбции позволяет отказаться от стеклянных криостатов (сосуд Дъюара) и от использования жидкого азота как хладагента, исключить ручную операцию по переносу адсорбера с пробой после завершения процесса адсорбции из одного термостата (сосуд Дъюара) в печь для отепления и десорбции молекул адсорбата с измеряемой поверхности пробы, что снижает себестоимость анализа и повышает безопасность работ и дополнительно сокращает время анализа.

В ИрГТУ на кафедре АПП было разработано и запатентовано (Патент на изобретение №2376582) инновационное информационно измерительное устройство пригодного для измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов, простого в эксплуатации и позволяющего автоматизировать, ускорить и удешевить измерения. Согласно изобретению, насыщение испытуемого материала парами адсорбата до установления динамического равновесия между газовой и адсорбционной фазами, десорбцию адсорбата и измерение изменения концентрации адсорбата проводят в режиме автоматического регулирования температуры посредством устройства для определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов с автоматическим регулированием температуры, при этом в качестве адсорбата используют пары органического вещества с температурой кипения выше нуля градусов Цельсия, а в качестве газа-носителя используют воздух, при этом насыщение испытуемого материала парами адсорбата до установления динамического равновесия между газовой и адсорбционными фазами проводят при поддержании температуры объема и среды с испытуемым материалом 39-41°C, десорбцию адсорбата ведут путем нагревания до 100°C, о моменте полного насыщения образца парами адсорбата судят по токовому сигналу разбаланса детектора по теплопроводности устройства для определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов с автоматическим регулированием температуры, а о величине удельной поверхности материала судят по величине выходного токового сигнала[4].

Технический результат заявляемого изобретения заключается в сокращении времени измерения в 3-4 раза при обеспечении основной относительной погрешности, не превышающей ±5%, повышении производительности измерительного устройства путем исключения ручных операций переноса адсорбера и отказа от применения дорогих инертных газов и опасного сжиженного газа в качестве хладагента.

Экономический эффект

- отказа от применения дорогих инертных газов и опасного сжиженного газа в качестве хладагента;

- низкая себестоимость анализа (ниже в 5 раз) ;

- сокращении времени измерения в 3-4 раза при обеспечении основной относительной погрешности, не превышающей ± 5 %

Контингент покупателей инновационного прибора:

· производство катализаторов и пигментов

· заводы по производству технического углерода

· цементная промышленность

· заводы по производству глинозема для алюминия

· научно-исследовательские и учебные лаборатории

Рисунок 1. Внешний вид инновационного информационно-измерительного устройства для измерения удельной поверхности сыпучих материалов.

Литература:

1. Грегг, Сингх. Удельная поверхность, пористость. - М.: Мир,1984. – 300 с

2. Патент RU 2248553, G01N 15/08, опубликован 20.03.2005

3. Коузов П. А., Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов, 2 изд., Л., 1974

4. Патент RU 2376582, G01N15/08, опубликован 20.12.2009 (Половнева С.И. ,Захаров А.М., Головных И.М.)

5. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. - М.: Высш. шк., 1986. -360 с.