KAMIKA Instruments PUBLIKACJE TYTUŁ Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer. AUTORZY Stanisław Kamiński, Dorota Kamińska, KAMIKA Instruments DZIEDZINA Pomiar kształtu cząstek PRZYRZĄD 2DiSA SŁOWA KLUCZOWE kulistość, kontrola kształtu, uziarnienie, pomiar kształtu ABSTRAKT Powszechnie przyjęte optyczno-elektroniczne metody pomiarowe [1], dla uproszczenia obliczeń, przyrównują do kuli każde zmierzone ziarno o dowolnym kształcie. Taki sposób jednoznacznie określa charakterystykę uziarnienia typowych dla danego materiału ziaren. W przypadku porównania takich wyników do wyników w sit mechanicznych, można wnioskować o kształcie ziaren, ponieważ pomiar cząstek kulistych powinien dać podobne wyniki dla obydwu metod, zaś im większe są różnice w pomiarach, tym bardziej wydłużone lub spłaszczone są cząstki. Dla kontroli kulistości cząstki opracowano metodę, która pozwala jednocześnie zmierzyć cząstki w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach. Taka metoda [2] wymaga znacznych częstotliwości pomiarowych, to znaczy szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (A/C) o dużej rozdzielczości. KAMIKA Instruments ul. Kocjana 15, Strawczyńska 16, PL 01-473 Warszawa tel/ fax +48 22 666 85 68, +48 22 666 93 32 info@kamika.pl www.kamika.pl
Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer Autorzy: Kamiński Stanisław, Kamińska Dorota Powszechnie przyjęte optyczno-elektroniczne metody pomiarowe [1], dla uproszczenia obliczeń, przyrównują do kuli każde zmierzone ziarno o dowolnym kształcie. Taki sposób jednoznacznie określa charakterystykę uziarnienia typowych dla danego materiału ziaren. W przypadku porównania takich wyników do wyników w sit mechanicznych, można wnioskować o kształcie ziaren, ponieważ pomiar cząstek kulistych powinien dać podobne wyniki dla obydwu metod, zaś im większe są różnice w pomiarach, tym bardziej wydłużone lub spłaszczone są cząstki. Dla kontroli kulistości cząstki opracowano metodę, która pozwala jednocześnie zmierzyć cząstki w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach. Taka metoda [2] wymaga znacznych częstotliwości pomiarowych, to znaczy szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (A/C) o dużej rozdzielczości. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 2
Fig. 1. Sposób pomiaru szerokości cząstek Mierząc optycznie średnicę d przedstawioną na rys. 1 i zliczając ilość pomiarów wywołanych przez cząstkę poruszającą się przez szczelinę optyczną, można obliczyć takie s, które po kalibracji będzie się równało d dla cząstek kulistych. Powyższe rozważania nie rozwiązują całkowicie problemu. Cząstki mogą być lżejsze lub cięższe i to ma duży wpływ na czas pomiaru. Rozważmy opadanie sedymentacyjne cząstki d w rurze o średnicy D, jak na rys. 2. Według Orzechowskiego [3] prędkość takiego opadania jest inna niż w wolnej przestrzeni, dlatego, że prędkość sedymentacyjna cząstek przy ściance rurki jest inna niż na osi ruchu. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 3
Fig. 2. Zmiany prędkości cząstki w rurce zasysającej Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 4
Ilustracją średniej prędkości sedymentacji cząstek jest krzywa b na rys. 3. Jeśli do prędkości sedymentacji dodamy prędkość Vp, która jest prędkością zasysania cząstek przez analizator, to otrzymamy krzywą a na rys 3. Fig. 3. Zmiany prędkości cząstek zależne od ciężaru właściwego oraz wielkości cząstek w funkcji ilości pomiarów Kalibrując cząstki kuliste według wielkości i ciężaru właściwego, możemy posłużyć się krzywą c, która przedstawia jednakowe co do ciężaru właściwego, ale różne pod względem wielkości, cząstki. Na rys. 3 krzywa c przedstawia charakterystykę szerokości cząstek kulistych dla jednakowego ciężaru właściwego równego 2,5 g/cm^3. Więcej takich krzywych c pozwala wyznaczyć spektrum pomiarowe różnych cząstek kulistych, żeby to uzyskać należy mieć wiele wzorów kulistych z różnych materiałów o różnym ciężarze właściwym. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 5
Różne prędkości cząstek w rurce zasysającej dają rozrzut wyników szerokości dla cząstek kulistych, ale moda z takiego pomiaru już dla kilkudziesięciu cząstek ma wartość dokładną i powtarzalną. Fig. 4. Zdjęcie mikrosfer F150 w dużym powiększeniu Na Rys. 4 przedstawiono zdjęcie mikrosfer F150 w dużym powiększeniu, gdzie można zobaczyć budowę mikrosfer. Zbiór składa się z prawie idealnych sfer (Wk=1), z cząstek o nieregularnych kształtach i rozbitych skorup. To wyjaśnia rozrzut pomiarów wielkości cząstek. Do rozrzutu pomiarów wielkości przyczynia się Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 6
również różne wypełnienie mikrosfer, które zmienia ciężar właściwy poszczególnych cząstek. Wyniki pomiarów mikrosfer przedstawione są na rys. 5, 7, 9. Pomiarom odpowiadają zdjęcia mikroskopowe 6, 8, 10. Na wykresie 5 przedstawiony jest na osi poziomej rozkład amplitudy, czyli wielkości cząstek, a na osi pionowej rozkład szerokości cząstek. Większość cząstek znajduje się w strefie przekątnej. Przekątna określa położenie dla idealnych kul, im dalej od przekątnej, tym cząstki wolniej się poruszają, co może być spowodowane kształtem lub ciężarem właściwym cząstki. Najczęściej kształt małych cząstek wynika z uszkodzenia większych i dlatego na wykresie rosną lewostronne kominy. Tam mogą się znajdować cząstki długie, ale cienkie, ustawione podczas ruchu w przestrzeni pomiarowej swoim najmniejszym oporem aerodynamicznym. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 7
Fig. 5. Wyniki pomiarów mikrosfer F500 Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 8
Fig. 6. Widok mikrosfer F500 Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 9
Fig. 7 Wyniki pomiarów mikrosfer F150 Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 10
Fig. 8. Widok mikrosfer F150 Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 11
Fig. 9. Wyniki pomiarów mikrosfer omega SG Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 12
Fig. 10. Widok mikrosfer omega SG Wyniki pomiarów dla mikrosfer F500 i omega SG są prawie podobne, tylko mikrosfery F150 mają mniejszy zakres wymiarów i więcej drobnych zanieczyszczeń. F150 ma bardziej niż dwa pozostałe zbiory mikrosfer skoncentrowane cząstki kuliste, co potwierdza fotografia (rys 4 i 9), dlatego średni współczynnik kształtu WK dla trzech próbek mikrosfer jest podobny, natomiast zmiany WK dla poszczególnych wymiarów frakcji mikrosfer będą się znacznie różniły. Uzasadniają to zmiany skal umiejscowione z lewej strony głównego wykresu. Dla porównania z mikrosferami wykonano pomiar bentonitu - Rys. 11., który ma budowę płytkową. Średni współczynnik kształtu zmienił się z 1,16 dla mikrosfer do Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 13
5,08 dla bentonitu. Całość rozkładu bentonitu znajduje się w zupełnie innej strefie wykresu niż rozkład cząstek mikrosfer. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 14
Fig. 11 Wyniki pomiarów bentonitu Na rys. 12 przedstawiono inny komplet wyników, rozszerzony przez dodanie tabeli z różnymi średnimi średnicami i powierzchnią właściwą. Tym samym programem można określić rozkład siłowy cząstek z jednoczesnym określeniem współczynnika kształtu, dla każdego sita. Dodatkowo przestrzenny wykres przedstawia rozkład wielkości cząstek wspólny dla dwóch wymiarów i oddzielnie dla każdego z dwóch wymiarów. Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 15
Fig 12. Rozszerzone wyniki pomiarów mikrosfer omega SG Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 16
Przedstawione wyniki pomiarów nie wyczerpują wszystkich możliwości oprogramowania, które umożliwia optymalizację ważnych procesów technologicznych. Wnioski: 1. Przedstawiony analizator 2DiSA może sprawnie pomierzyć i opisać kształt cząstek w dwóch wymiarach na różnych płaszczyznach. 2. Szczególnie przydatny może być do oceny materiałów składających się z mikrosfer. Literatura: 1. Kamiński S., Kamińska D. " Porównanie metod pomiaru granulacji materiałów ziarnistych" CHEMIK 2012, 66, 5, 406-411 2. Kamińska D., Kamiński S., The use of Kamika equipment for examination of distributions of particles in coal dust and ash, as well as for measurements of dust content in flue gases - proceedings of the IV International Scientific and Practical workshop "Ashes and slags from TPPs removal, transport, processing, landfilling", Moscow, 19-20 April, 2012 - M: MPEI - Publishers, 2012 P173-178 3. Orzechowski. Z. "Przepływy dwufazowe", Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1990 Pomiar kształtu i uziarnienia mikrosfer 17