ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ВЛАГА В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ И жидкостях

Вода обладает целым рядом особенностей строения и физико - химических свойств; одной из ее аномалий является, например, очень высокая диэлектрическая проницаемость. Эти особенности (подробно рассматриваемые ниже) используются для измерений влажности.

Содержащие влагу материалы представляют собой многоком­понентные гетерогенные системы, в которых один из компонентов (вода) может находиться в различных фазовых состояниях. При измерениях влажности необходимо принимать во внимание физико - химические свойства системы, которые определяются свойствами твердого скелета материала, количеством и свойствами влаги.

В неводных жидкостях, например жидких углеводородах, со­держатся следующие виды влаги: а) свободная; б) растворенная (связанная); в) диспергированная.

Свободная вода легко выделяется отстоем или с помощью фильтров. В неполяриых жидкостях, особенно углеводородах, коли­чество растворенной воды крайне незначительно; растворимость воды и скорость растворения увеличиваются с повышением температуры. Основным объектом измерений является содержание диспергирован­ной воды, образующей, например, с нефтями и нефтепродуктами эмульсию — дисперсную систему, в которой дисперсионной средой служит нефть, а дисперсной фазой — вода.

Водонефтяные эмульсии, как и большинство реальных эмульсий, являются не монодисперсными, а полидисперсными системами. По степени дисперсности (размерам частиц воды) эмульсии можно разделить на три группы: а) грубодисперсные (раднус частиц г= =25-^-50 мкм); б) среднедисперсные (/-=104-25 мкм) в) тонкодис­персные (Г=0,1-І-10 Мкм).

По данным [Л. 1-1] функция распределения частиц воды в водо - нефтяной эмульсии по размерам, определенная методами седимента­ции в гравитационном поле и микрофотографированием, хорошо аппроксимируется Г-функцией. Степень дисперсности является пер­вым свойством эмульсии, имеющим существенное значение для раз­личных физических методов определения ее влагосодержания. В ряде методов влияющим фактором является также форма дисперсных частиц — степень их отклонения от идеальной, сферической формы.

Вторым параметром эмульсий, важным для влагометрии, яв­ляется их устойчивость, зависящая от природы углеводорода, нали­чия поверхностно-активных веществ (эмульгаторов) на границе дисперсной фазы, концентрации воды и температуры эмульсии.

Устойчивость эмульсии зависит от способа ее подготовки, в ча­стности от длительности эмульгирования. Этот фактор влияет так­же на степень дисперсности эмульсии; увеличение времени эмуль­гирования сдвигает максимум функции распределения в сторону мелкокапельной фракции и одновременно повышает монодисперс­ность эмульсии.

Недостаточная устойчивость эмульсии влечет за собой ее рас­слоение — под действием сил тяжести дисперсные частицы опуска­ются вниз и содержание воды в верхних слоях эмульсии становится меньшим, чем в нижних.

Из других факторов, роль которых возрастает при определении малых влагосодержаний, отметим наличие примесей в жидкости — механических и газовых (пузырьков воздуха). На электрические па­раметры эмульсий существенное влияние оказывает содержание электролитов, например степень минерализации воды в водонефтя - ных эмульсиях.

Естественные и промышленные влагосодержащие твердые ма­териалы относятся к коллоидным, капиллярнопористым или капил - лярнопористым коллоидным телам; наиболее многочисленной яв­ляется последняя категория материалов. Тело считается капиллярно - пористым, а поры капиллярными, если капиллярный потенциал зна­чительно больше потенциала поля тяжести; если оба вида потен­циалов соизмеримы, тело является просто пористым. Сорбционная способность и водоудерживающие свойства капиллярнопористого материала зависят от его пористой структуры и геометрии пористой системы — площади поверхности капилляров и их размеров.

Границей между микро - и макрокапиллярами условно считают радиус капилляра, равный 0,1 мкм. Капиллярнопористые тела имеют поры разных размеров. Если дисперсия функции распределения пор по размерам равна нулю, структура тела монокапиллярна; это усло­вие редко выполняется у реальных материалов, структура которых является поликапиллярной.

Для измерений влажности важное значение имеют виды и фор­мы связи влаги с веществом, влияющие на свойства влагосодержа - щего материала.

•Из известных классификаций видов и форм связи влаги чаще всего используется предложенная П. А. Ребиндером, основанная на величине энергии связи Е. По этой классификации (с некоторыми дополнениями М. Ф. Казанского [Л. 1-2]) всю влагу коллоидного капиллярнопористого тела можно разделить на следующие виды и формы (в порядке нарастания величины Е):

I. Свободная вода.

II. Влага капюшярносвязанная (физико-механической связи): 1) влага капиллярного состояния в макропорах; 2) стыковая влага макропор; 3) капиллярная влага микропор.

. III. Влага адсорбционносвязанная (физико-химической связи): 1) влага полимолекулярной адсорбции; 2) влага мономолекулярной адсорбции.

IV. Вода химически связанная (химической связи).

Наиболее прочно удерживается химически связанная вода (гидратная или кристаллогидратная). Ее молекулы входят в состав основного вещества и освобождаются лишь химическим взаимодей­ствием или прокаливанием.

Адсорбционносвязанная вода образуется в результате действия молекулярного силового поля. На начальном этапе сорбции на внеш­них и внутренних поверхностях тела создается мономолекулярный слой, наиболее прочно связанный с поверхностью адсорбента; затем он сорбирует второй слой, третий и т. д.; последующие слои связаны менее прочно.

К физико-химической относится и осмотическая связь — слабая обратимая связь, имеющая место у растительных клеток с концент­рированным раствором, в который через полупроницаемую пере­городку проникает вода из окружающей среды с менее концентриро­ванным раствором.

Капиллярносвязанная вода образуется в микрокапиллярах погло­щением воды из влажного воздуха или непосредственным соприкос­новением, в сквозных макрокапиллярах — непосредственным сопри­косновением. Причиной возникновения данной формы связи является капиллярное давление, обусловленное кривизной поверхности жидко­сти в капиллярах. К этой же категории относится связь смачивани­ем при непосредственном соприкосновении с: поверхностью тела вследствие действия поверхностного натяжения. Считается, что в отличие от адсорбционносвязанной вода физико-механической свя­зи удерживается в неопределенных соотношениях и в основной массе сохраняет свои исходные свойства.

Известные методы измерения влажности по-разному реагируют на формы связи влаги. Метод высушивания (и ряд других аналити­ческих методов) не учитывает химически связанной воды. Для ди - элькометрического метода существенно то обстоятельство, что хи­мически связанная вода имеет значительно меньшую диэлектриче­скую проницаемость (по данным некоторых исследователей есв= =4,5-f-S,8), чем свободная («=«81), причем есв не зависит от частоты электрического поля и температуры материала. Из других физиче­ских методов измеречия влажности формы связи влаги в большей или меньшей степени различают методы ядерного магнитного резо­нанса и нейтронный (см. § 5-1 и 5-2).

Большинство нормативных документов, применяемых на прак­тике (стандарты, технологические инструкции и т. п.), основано на учете только свободной влаги. Однако во многих случаях возникает необходимость получения информации о влаге различных видов связи. Это относится ие только к экспериментальным исследованиям в ряде областей науки, но и к многочисленным физическим и тех­нологическим процессам, как, например, твердение цемента и бетона, связывание влаги целлюлозой, искусственными волокнами, глиной и т. д. В биохимических объектах, состоящих из растительных и животных клеток, вода участвует в биохимических процессах, проис­ходящих на всех этапах существования объекта, и ее реакционная способность зависит от прочности связи с тканью оболочки {Л. 1-3].

Задача количественного анализа влаги различных форм, связи достаточно сложна; дополнительные затруднения вызывает и то, что в ряде процессов одна форма связи постепенно переходит в другую.

Некоторую информацию о формах связи влаги дают изотермы сорбции, описывающие взаимодействие материала с окружающим воздухом в статике. Этот естественный сорбционный процесс опреде­ляется главным образом отношением парциальных давлений пара у поверхности материала (рм) и в воздухе (рв).

Если рм>рв, происходит процесс испарения влаги из материала (десорбция); при имеет место поглощение водяного (пара ма­

Териалом из воздуха (сорбция). Влагообмеп и теплообмен между материалом и воздухом прекращаются ігри достижении гигротерми - ческого равновесия; соответствующее влагосодержаиие материала называется равновесным.

Равновесное влагосодержаиие любого материала зависит от тем­пературы и влажности окружающего воздуха и от способа достиже­ния равновесия (повышением или понижением влажности). Графиче­ское изображение зависимости равновесного влагоеодержания ма­териала от относительной влажности воздуха «р при равенстве тем­ператур материала и воздуха называется изотермой сорбции или десорбции в зависимости от того, в результате какого процесса (сорбции или десорбции) было достигнуто равновесие. Изотермы сорбции и десорбции капиллярнспористых тел не совпадают (сорб­ционный гистерезис).

На рис. 1-1,и показаны типичные изотермы сорбции и десорбции коллоидного капиллярнопористого тела. Эти кривые имеют харак­терную S-образную форму; изотерма сорбции расположена ниже изотермы десорбции. Обе изотермы совпадают лишь в двух точках: при іф=0 и 100%. Влагосодержаиие, соответствующее '<р= 100%, т. е". точке С пересечения изотерм с линией ф=100%, именуемой гигроско­пической точкой, называется максимальным гигроскопическим влаго - содержанием Кг. м. При данной температуре тело не способно погло­тить больше влаги из воздуха, - и дальнейшее увлажнение возможно только путем механического добавления внешней влаги. Часть гра­фика, ограниченная изотермой сорбции и ординатой чр=100%, пред­ставляет собой область сорбции; зона, расположенная ниже изотер­мы десорбции, является областью десорбции. Диапазон изменения влагоеодержания от к=0 (абсолютно сухое вещество) ДО U■—Мг. м называют областью гигроскопического состояния материала, область областью его влажного состояния.

Большое значение сорбционных процессов при измерениях влаж­ности определяется, в частности, тем, 'іто равновесное влагосодержа­иие у многих тел, особенно, у коллоидных, достигается чрезвычайно медленно, иногда в течение месяцев. Средняя влажность обычно не равна значениям влажности в отдельных точках тела, и в ряде слу­чаев приходится принимать во внимание неравномерность распре­деления влажности тто его объему. С другой стороны, в некоторых методах влажность твердых тел и газов оценивают по поглощению влаги гигроскопическими телами, используя явление гигротермическо - го равновесия.

Изотермы сорбции и десорбции, как правило, определяются эмпирически для каждого материала в отдельности. Аналитическое определение уравнений этих характеристик весьма затруднительно.

В частности, потому, что материалы содержат влагу с различными формами связи. Различные исследователи предлагали различные уравнения, описывающие сорбционные изотермы определенных групп материалов; уравнения эти основаны на обработке эксперименталь­ных данных.

У некоторых материалов равновесная влажность слабо зависит от температуры; однако у большинства материалов изотермы сорб­ции и десорбции с изменением температуры перемещаются. С по­вышением температуры та же равновесная влажность материала достигается при более высокой влажности воздуха (рис. 1-1,6). Реже (например,- у угля) равновесное влагосодержание (при чр=const) увеличивается с росто'м температуры. Зависимость равновесного вла­госодержания одного и того же материала от его температуры не­линейна.

ВЛАГА В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ И жидкостях

Рис. 1-1. Сорбционные изотермы (о) и их зависимость от темпера­туры (б).

<Р — относительная влажность воздуха; и — влагосодержание твердого мате­риала; Є—температура; /— изотерма сорбции; 2 —изотерма десорбции; С — Гигроскопическая точка.

Приведенная выше классификация форм связи базируется на интенсивности энергии связи. Для свободной воды (при <р=100.°/о) £=0; чем меньше влагосодержание материала, тем больше работа, необходимая для удаления влаги из него. Уменьшение свободной энергии связи АЕ, т. е. работа L изотермического отрыва одного моля воды без изменеиия состава вещества, составляет:

L=--AE=—RTri4p, (1-1)

Где R8,314 дж/(моль • град)—газовая постоянная; Т — температу­ра, "К; <р — относительная влажность (в долях единицы) воздуха, соответствующая равновесному влагосодержанию вещества.

Форма изотермы сорбции, точнее, положение сингулярных точек изотермы, позволяет определить переход одной формы связи в дру­гую. Так, например, на рис. 1-1,и участок OA соответствует влаге химически связанной и мономолекулярной адсорбции, АВ — влаге

Полимолекулярной адсорбции, ВС— капиллярносвязанной влаге. Если необходима количественная оценка, можно при наличии сорб - ционной изотермы материала вычислить из выражения (1-1) энер-_ гию связи для любых равновесных влагосодержаний в гигроскопиче­ской области (см., например, [Л. 1-4]).

Существует и ряд экспериментальных методов анализа форм связи влаги, из которых наибольший интерес представляют адсорб - ционно-структурные, теплоты смачивания, термографические, в ча­стности кинетический метод термограмм изотермической сушки [Л. 1—2] и его сочетание с - энергограммами сушки pi. 1-5]. Достоин­ством последних методов является возможность определения по ре­зультатам одного опыта водоудерживаюшей способности материала по отношению ко всем возможным формам и видам связи влаги, причем затрата времени составляет несколько часов. Общими недо­статками аналитических методов являются громоздкая методика и значительная длительность анализа, необходимость отбора образцов, а иногда и их разрушение. Значительный интерес представляет привлечение для такого анализа электрических и других физических методов измерения влажности, свободных от перечисленных недо­статков; работы, выполненные в этом направлении, рассматриваются в главах, посвященных соответствующим методам.

Механизм переноса влаги в капиллярнопористых телах весьма сложен. Влага перемещается в виде тіара и жидкости, причем следу­ет различать влагоперенос внутренний и внешний — с поверхности тела в окружающую среду. Теория процессов массо - теплопереноса разработана в СССР А. В. Лыковым и другими исследователями.

Приведем ■ в элементарном виде некоторые положения этой теории, используемые в измерениях влажности. Явления тепло - и массопереноса рассматриваются во взаимосвязи, и к массопереносу по аналогии применим ряд термодинамических понятий. Важнейшим из них является потенциал переноса влаги (потенциал массопере­носа) 6 (аналог температуры при переносе тепла), под воздействием которого происходит перемещение влаги.

В гигроскопической области потенциал масеопереноса рарен химическому потенциалу р, данного вещества и энергии связи од­ного моля воды с веществом: 6=ц=Е. При постоянной температуре Т он является функцией влагосодержания и материала: 6=(1 /сш)и. Где сш — удельная изотермическая влагоемкость (аналог удельной теплоемкости) материала. При ПОСТОЯНСТВЄ Cm потенциал 8 связан с влагосодержанием линейной зависимостью. Единицей потенциала 6, определяемой экспериментальным путем по Лыкову, принимают сотую долю максимального гигроскопического влагосодержания и1Я эталонного тела, в качестве которого была выбрана целлюлоза в ви­де фильтровальной бумаги: 6=1ООи0/ыг. э, где иэ — удельное влаго­содержание эталона, приведенного в непосредственное соприкосно­вение с исследуемым материалом, причем оба тела находятся в со­стоянии термодинамического равновесия.

Величиной, родственной 6 и применяемой в агрофизике, являет­ся величина PF=lg F (F — сосущая сила). В гигроскопической об­ласти F можно определять по формуле:

РТ

Г = <'-2>

Где М — молекулярная масса воды; g — гравитационная постоянная. Остальные обозначения — см. формулу (1-1). В области влажного

Состояния тела величина PF пропорциональна капиллярному давле­нию и определяется с помощью тензиметров.

Внутренний изотермический перенос влаги в виде жидкости можно описать общим законом массопереноса:

<?=—ft grade™, (1-3)

Где Q — плотность потока влаги, равная количеству влаги DG, пе­реносимому в единицу времени т через единицу площади S эквипо­тенциальной поверхности:

DG 1 д = кг/(м*-ч),

K — коэффициент массопроводности (влагопроводности), кг X X моль/ (ч - м - дж); grad 6 m — градиент потенциала массопереноса, Дж/ (моль • м).

В неизотермических условиях влага перемещается под действием не только градиента влажности, но и градиента температуры (термо - влагопроводность).

Дифференциальное уравнение влагопереноса, описывающее изме­нение влагоеодержания во времени для трехмерного потока влаги в изотропном теле, имеет следующий вид (аналогичный уравнению теплопереноса):

Ди

+ а^уЧ, (1-4)

Где к — влагосодержаиие, кг влаги на 1 кг сухого вещества; ат — коэффициент диффузии влаги, лР/сек; S — термоградиентный коэффи­циент, кг/(кг-граду, T — температура материала, град', Vs =

Г Єр , аг. аг

~ ( Дх" Ckf Dz2 )—оператор Лапласа для декартовых коорди­нат х, у, Z,

Пользование уравнениями (1-3) и (1-4) затрудняется тем, что ИХ коэффициенты k, CLm, б не постоянны, а являются функциями влажности и температуры материала и некоторых других перемен­ных; их значения определяют различными экспериментальными ме­тодами.

Для измерений влажности большое значение имеют процессы контактного влагообмена, т. е. массопереноса при непосредственном соприкосновении двух тел. Если массообмен происходит только че­рез поверхность контакта двух тел, имеющих разные значения по­тенциалов массопереноса 6i и 62, его можно описать уравнением, аналогичным (1-3):

DG

(1-5)

Где —коэффициент контактной массопроводности; S8<ti — пло­

Щадь эффективной (участвующей в контактном массообмене) по­верхности гел.

Согласно уравнению (1-5) влагообмен продолжается до дости­жения равенства потенциалов массопереноса 6i=62.

В случае, когда влагообмен происходит через воздушную про­слойку, он описывается уравнениями (для 61 >62):

DCiB

(U6)

Dl ~'hZ-BSZ-B — Єї).

Где G,.B и G2_b — количества влаги, переносимые в единицу времени через единицу поверхности из материала 1 в воздух и из воздуха в материал 2; SimB, S2_B — площади поверхностей материалов 1 к 2, Участвующие в влагообмене с воздухом; К_в, /С2_„ — коэффициенты массопередачи между материалами 1, 2 и воздухом; 6„ — потенциал массопереноса воздуха.

ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПСИХРОМЕТРЫ

Психрометрический метод является одним из старей­ших и распространенных в 'промышленности, метеороло­гии и научных исследованиях методов измерения влаж­ности воздуха при положительных температурах. Он основан на зависимости между влажностью воздуха и разностью …

Методы измерения влажности

М. А. БЕРЛИНЕР Методы измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов, основанные на преобразовании влаж­ности в другую физическую величину с использованием современной измерительной техники, насчитывают всего несколько десятилетий; некоторые из …

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ

Задачи метрологического обслуживания измерений влажности возникли сравнительно недавно, после того как эти измерения заня­ли место одной из отраслей аналитической техники. Как и в других отраслях измерительной техники, основной метрологической' зада­чей …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.