Барботажный объемометрический метод и устройство контроля плотности жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Баршутина, Мария Николаевна

• Баршутина, Мария Николаевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баршутина, Мария Николаевна

Введение.

1. Обзор пневматических методов контроля плотности жидкости.

1.1. Значение плотности для контроля за ходом технологических процессов и качеством готовой продукции.

1.2 Методы измерения плотности жидкостей.

1.3 Классификация пневматических методов измерения плотности жидкостей.

1.4 Обобщенный пневмогидравлический измерительный элемент.

1.5 Пневматические колокольные методы измерения плотности жидкости.

1.5.1 Колокольные методы без подачи газа.

1.5.2. Колокольные методы с подачей газа (непроточные).

1.5.3. Колокольные методы с подачей газа (проточные / барботажные).

1.6. Влияние глубины погружения измерительного элемента на точность барботажных методов.

1.7. Выводы и постановка задач исследования.

2. Теоретические основы барботажного объемометрического метода контроля плотности жидкости.

2.1. Режимы взаимодействия слоя жидкости с проходящим через нее потоком газа.

2.2. Математическое описание барботажного объемометрического метода контроля плотности жидкости.

2.3 Адекватность математического описания барботажного объемометрического метода процессам, происходящим в системе «газжидкость» в барботажном режиме взаимодействия.

Выводы по второй главе,.

3. Барботажный объемометрический метод контроля плотности жидкости.

3.1 Реализация барботажного объемометрического метода.

3.2. Методики измерения плотности барботажным объемометрическим методом.

3.2.1 Методика измерения при подаче газа с заданным объемным количеством.

3.2.2 Методика измерения при подаче газа с заданным расходом.

3.3. Экспериментальные исследования точности метода.

3.4. Модификация барботажного объемометрического метода для измерения плотности вязких жидкостей.

3.5. Оценка влияния температуры на точность измерений.

3.6. Погрешность барботажного объемометрического метода контроля плотности жидкости.

Выводы по третьей главе.

4. Устройство, реализующее барботажный объемометрический метод контроля плотности жидкости.

4.1 Схема и принцип действия устройства.

4.2. Выбор конструктивных и режимных параметров устройства.

4.2.1. Выбор диаметра сопла газоподводящей трубки.

4.2.2. Выбор угла наклона а газоподводящей трубки.

4.2.3 Выбор глубины погружения измерительного элемента и диаметра измерительной емкости.

4.3. Оценка погрешности устройства, реализующего барботажный объемометрический метод контроля плотности жидкости.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Барботажный объемометрический метод и устройство контроля плотности жидкости»

Одним из важнейших параметров, определяющих качество веществ, является плотность. Измерение плотности играет важную роль в химической, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, где по плотности судят о качестве исходного сырья, полуфабриката или готового продукта, о тех физико-химических изменениях в материале, которые происходят во время технологического процесса.

Одним из важнейших параметров, определяющих качество веществ, является плотность. Измерение плотности играет важную роль в химической, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, где по плотности судят о качестве исходного сырья, полуфабриката или готового продукта, о тех физико-химических изменениях в материале, которые происходят во время технологического процесса.

Существует большое количество методов измерения плотности, отвечающих различным требованиям технологических производств. Распространение в промышленности получили барботажные методы, которые легко поддаются автоматизации, просты в реализации, обладают достаточной точностью, а также высокой пожаро- и взрывобезопасностью, что приобретает особое значение в условиях потенциально опасных производств.

Недостатком барботажных методов является большая погрешность измерения плотности при малой глубине погружения (Н « 1 м) измерительного элемента в контролируемую среду, что обусловлено влиянием поверхностного натяжения жидкости на результат измерения.

В лабораторных условиях, а также в ряде отраслей, к которым относится, например, производство биологических добавок к топливу (биоэтилен, биодизель и т. д.) синтез продукта осуществляется в технологических емкостях небольшого объема, поэтому необходимая глубина погружения измерительного элемента не может быть достигнута и использование известных барботажных методов для проведения контроля становится неприемлемым.

Таким образом, важной и актуальной является задача разработки метода контроля плотности, который, сохранив все достоинства барботажных методов (пожаро- и взрывобезопасность, простоту и невысокую стоимость реализации), позволит с достаточной точностью измерять плотность при малой глубине погружения измерительного элемента в контролируемую среду благодаря учету влияния поверхностного натяжения на результат измерения.

Цель работы. Разработка и исследование барботажного объемометри-ческого метода и устройства контроля плотности, позволяющих устранить влияние поверхностного натяжения на точность измерения плотности при малой глубине погружения измерительного элемента в контролируемую жидкость.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести экспериментальное исследование процессов, происходящих в системе «газ-жидкость» при барботировании газа через слой жидкости, величина которого соизмерима с размерами пузырьков;

- составить математическое описание процессов, происходящих в газожидкостной системе в барботажном режиме взаимодействия газа с жидкостью;

- разработать барботажный объемометрический метод измерения плотности жидкости и провести оценку его погрешности;

- разработать устройство для измерения плотности жидкости, реализующее разработанный метод;

- провести экспериментальные и теоретические исследования влияния неконтролируемых параметров окружающей среды и конструктивных параметров измерительного устройства на точность измерений плотности барбо-тажным объемометрическим методом;

- осуществить промышленные испытания разработанного метода и устройства.

Методы и методики исследований. При решении поставленной задачи использовались: методы математической физики, математической статистики, планирования экспериментов, теории измерений и метрологии. Использованы методы компьютерного моделирования с использованием программных пакетов MathCAD, Microsoft Excel, Maple.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в системе «газ-жидкость» в барботаж-ном режиме взаимодействия, доказана возможность создания метода, позволяющего устранить влияние поверхностного натяжения жидкости на точность барботажных методов при малой глубине погружения измерительного элемента в исследуемую жидкость;

- разработан барботажный объемометрический метод контроля плотности, основанный на измерении давления внутри образующихся пузырьков и их отрывного объема, о величине которого судят по количеству пузырьков, поступивших в жидкость в результате подачи в измерительный элемент заданного объема газа;

- в результате теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров измерительного устройства на точность измерений плотности разработанным методом получены:

• диапазон значений диаметра сопла d0 газоподводящей трубки, при которых погрешность измерений минимальна;

• расчетные зависимости для определения минимально допустимых значений глубины погружения измерительного элемента Н и диаметра измерительной емкости dJ для заданного диаметра сопла do газоподводящей трубки;

• значение угла наклона а газоподводящей трубки, при котором чувствительность метода максимальна.

Практическая значимость. Разработано устройство для измерения плотности жидкости при малой глубине погружения измерительного элемента в контролируемую среду в условиях пожаро- и взрывоопасных производств, которое легко поддается автоматизации и может быть использовано для осуществления непрерывного контроля. Производственные испытания экспериментальных образцов измерительного устройства показали их работоспособность.

Оригинальный метод и реализующее его устройство для контроля плотности признаны изобретением и защищены патентом Российской Федерации.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТиН)» для проведения непрерывного контроля плотности жидкого биологического топлива в процессе его синтеза. Результаты работы также используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Пятой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2004 г.), на Пятой Международной тепло-физической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004 г.); на Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007 г.); на Восьмой Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 77 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Баршутина, Мария Николаевна

Основные результаты и выводы по работе

В представленной работе проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых получены следующие результаты:

1. Проведен литературный обзор существующих барботажных методов контроля плотности жидкости, который выявил отсутствие метода, позволяющего осуществлять непрерывные измерения плотности при малой глубине погружения измерительного элемента в жидкость.

2. Проведены экспериментальные исследования режимов взаимодействия газа со слоем маловязкой жидкости и определены граничные условия их существования.

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в системе «газ-жидкость» в барботажном режиме взаимодействия, и доказана возможность создания метода, позволяющего устранить влияние поверхностного натяжения жидкости на точность барботажных методов при малой глубине погружения измерительного элемента в исследуемую жидкость.

4. Разработан барботажный объемометрический метод контроля плотности, основанный на измерении давления внутри образующихся пузырьков и их отрывного объема через их количество, поступившее в жидкость в результате подачи в измерительный элемент заданного объема газа. Разработанный метод признан изобретением и защищен патентом РФ.

5. Разработано устройство для измерения плотности жидкости при малой глубине погружения измерительного элемента в контролируемую среду в условиях пожаро- и взрывоопасных производств, которое легко поддается автоматизации и может быть использовано для проведения непрерывного контроля.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния конструктивных параметров измерительного устройства на точность барботажного объемометрического метода, определен диапазон значений диаметра газоподводящей трубки, в котором погрешность измерения минимальна, и получены расчетные зависимости для определения минимально допустимых значений диаметра измерительной емкости и глубины погружения газоподводящей трубки.

7. Предложен способ повышения чувствительности измерительного устройства путем увеличения угла наклона газоподводящей трубки от 0 до 90°.

8. Разработанный метод и устройство контроля плотности жидкости прошли испытания и рекомендованы к внедрению в ГПУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТиН)».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баршутина, Мария Николаевна, 2009 год

1. Глыбин И.П. Автоматические плотномеры и концентратомеры в пищевой промышленности / И.П. Глыбин. - М.: Пищевая промышленность, 1975. - 270с.

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: учебник для вузов. / М.В. Кулаков. М.: Машиностроение, 1983. - 424с.

3. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. В 2-х томах. Под ред. М.А.Шлугера. М: Машиностроение, 1985. - Т. 1.- 240с.

4. Гальванотехника благородных и редких металлов / П.М.Вячеславов, Г.К.Буркат и др. JL: Машиностроение, 1970. 248с.

5. Милованов И.В. Оптимизация процессов и состава оборудования для нанесения электрохимических покрытий: дис. к.т.н. / И.В .Милованов. -Тамбов, 1983. 183с.

6. Кудрявцев Н.М. Электрохимические покрытия металлами / М.В.Кудрявцев. М.: Химия, 1979. - 352с.

7. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учебник для студентов вузов. М.: Транспорт, 1995. - 304с.

8. Щелкачев В.Н. Отечественная и мировая нефтедобыча. М.: Газойл пресс, 2004.

9. Григорьев Б.А., Богатое Г.Ф., Герасимов А.А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов, газовых конденсатов и их фракций / Под редакцией Б.А. Григорьева. — М: Издательство МЭИ, 1999. — 372с

10. ГОСТ Р 51069-97 "Нефть и нефтепродукты. Метод определения плотности, относительной плотности и плотности в градусах API ареометром".

11. Дегтярев В.Н. О Банке качества нефти//Нефтяное хозяйство, 1997, № 3, с. 62-63.

12. Мостовой Н., Хохлов А., Цодиков Ю. Перед тем как смешать // Нефть России, 2000, № 3, с. 39-41.

13. Стахов Е.А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов Л.: Недра, 1983. 263с.

14. Белосельский Б.С. Технология топлива и энергетических масел. — М: Изд-во МЭИ. 2003. 340с.

15. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов. -М.: Государственное научно- техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1962.-887с.

16. Гуреев А. А., Жоров Ю. М., Смидович Е. В. Производство высокооктановых бензинов. — М.: Химия, 1981. — 224 с.

17. Вайнштейн, Э. Ф. Нетрадиционная энергетика в XXI веке / Э. Ф. Вайнштейн, Д. С. Стребков, В. Г. Чирков.— Киев: ИТТФ Национальной академии наук Украины, 2001.— С. 18-21.

18. Анискин В. Н., Голубкович А.В. Перспективы использования растительных отходов в качестве биотоплив // Теплоэнергетика. 2004., №5. -С 60-65.

19. Балалаева И. Новые дизельные топлива // Автомобильный транспорт, 2004. №8. С 41-42.

20. Боровков В.М., Зысин JI.B., Сергеев В.В. Итоги и научно-технические проблемы использования растительной биомассы и органосодержащих отходов в энергетике // Известия РАН. Энергетика. 2002. №6. С 13-19.

21. Кириллов Н.Г. Моторное топливо XXI века // Энергия. 2007. №8. С2.5.

22. Мищенко С.В. Физические основы технических измерений: Учеб. / С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов, М.М.Мордасов. Тамбов: ТГТУ, 2003. - 336с.

23. Кивилис С.С. Плотномеры. / С.С.Кивилис. М.: Энергия, 1980.279с.

24. Мордасов М.М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами: Учеб. / М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов. Тамбов: ТГТУ, 1999. - 76с.

25. Мордасов Д.М. Теоретический анализ пневмометрических первичных измерительных преобразователей плотности жидких сред / Д.М. Мордасов, Ю.Ф.Мартемьянов, М.М.Мордасов, А.А.Тышкевич // Сб. научных трудов ТГТУ. 4.2. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1998. - С. 12-27.

26. А.с. 493702 СССР, Пьезометрический плотномер / М.М. Мордасов// Открытия. Изобретения. 1975. - № 44.

27. Лаптев В.И. Барботажно-пьезометрические методы контроля физико-химических свойств жидкостей. / В.И.Лаптев. М.: Энергоиздат, 1984.-79 с.

28. Мордасов М.М. Пьезометрическое устройство для автоматического контроля плотности жидких сред / М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1996. -Т.62, №12. - С. 32-35.

29. Мордасов М.М. Контроль плотности жидких веществ пневмометрическими методами / М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1998. -Т.64, №7. - С. 31-37.

30. А.с. 1255898 СССР, Способ определения плотности жидких сред / М.М. Мордасов// Открытия. Изобретения. 1986. № 33.

31. А.с. 1257463 СССР, Пьезометрический плотномер/ М.М. Мордасов// Открытия. Изобретения. 1986. - № 34.

32. Мордасов М.М., Герасимов Б.И., Тютгонник В.М. Пьезометрический плотномер импульсного действия// Автоматизация и

33. КИП в нефтеперераб. и нефтехим. промышленности. М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ. - 1976. - № 6. - С. 15-17.

34. А.с. 1187016 СССР, Пьезометрический плотномер/ М.М. Мордасов,

35. A.ВТрофимов// Открытия. Изобретения. 1985. № 39.

36. Залманзон JI.A. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. / Л.А.Залманзон. М.: Наука, 1973. -464 с.

37. А. с. 641317 СССР, Пневмометрический плотномер / М.П.Асмаев,

38. B.И.Левченко, Ю.А.Юнаев // Открытия. Изобретения. 1979. №1.

39. А. с. 494659 СССР, Пневмометрический плотномер жидкости / Л.С.Жидков, В.П.Авдеев, Г.С. Учитель, А.И.Четвериков // Открытия. Изобретения. 1975. №45.

40. А. с. 894469 СССР, Плотномер / В.Н.Прилепский, Ю.В.Самаркин, И.В.Александров, В.Ф.Кортунова// Открытия. Изобретения. 1981. №48.

41. А. с. 960578 СССР, Компенсационный плотномер / Ю.П.Радзиевский, А.С.Лихачев, Л.Б.Дорфман // Открытия. Изобретения. 1982. №35.

42. Баршутина М.Н. Повышение точности дифференциальных пневматических устройств контроля плотности / М.Н. Баршутина // Новые идей молодых ученых в науке 21-го века: Сборник статей магистрантов. — Тамбов: «Тамбовполиграфиздат», 2006. Вып. 4. - С. 194 - 198.

43. Баршутина М.Н. Пьезометрический плотномер с импульсной подачей газа в измерительный элемент / М.Н. Баршутина, М.М. Мордасов // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. -Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006. Вып. 19. - С. 73 - 76.2.

44. А.с. 1821681 СССР, Устройство для определения плотности жидкостей / И.И. Дунюшкин, В.И. Логинов// Открытия. Изобретения. 1993. №22.

45. Глыбин И.П. Автоматические плотномеры. / И.П.Глыбин. Киев: Техника, 1965. - 258с.

46. Гегузин Я.В. Пузыри. / Я.В.Гегузин. М: Наука, 1985. - 176с.

47. Тышкевич А. А. Струйно-барботажный метод и устройство измерения вязкости жидкостей: Дисс. . канд. техн. наук спец. 05.11.13. — Тамбов, 2007. 123с.

48. Справочник физических величин. / Под ред. Г.А.Рябинина. С.-Пб.: Лениздат, 2001. - 248с.

49. Богомолов А.И. Гидравлика. / А.И.Богомолов, К.А.Михайлов. М: Стройиздат, 1972. - 648с.

50. Ландау Л.Д. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. /Л.Д.Ландау, А.И.Ахиезер, Е.М.Лившиц.-М.: Наука, 1965. -384с.

51. Кутателадзе С.С. Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. М: "Энергия", 1976. - 296с.

52. Kumar В., Kuloor N. В. The Formation of Bubbles and Drops, in: Advances in Chemical Engineering, Bd. 8, S. 255 368, Academic Press, New York 1970.

53. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И.Трофимова. — М.: Высшая школа 1994.-542с.

54. Королюк B.C. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В.С.Королюк, Н.И.Портенко, А.В.Скороходов. -М: Наука, 1985.-640с.

55. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г.Корн, Т.Корн. М: Наука, 1985. - 640с.

56. Методы испытаний водных растворов поверхностно активных веществ: Обзор, 4.1. / Составители: И.К.Гетманский и Л.И.Бавик. М., 1965. - 100с.

57. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. / Э.Камке. М.: Наука, 1974. - 711с.

58. Баршутина М.Н. Пневматический метод совокупного контроля плотности и поверхностного натяжения жидкости / М.Н. Баршутина, Д.М.

59. Мордасов, М.М. Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. - №9. - С. 50-52.

60. Баршутина М.Н. Объемометрический принцип измерения физико-химических свойств жидкости / М.Н. Баршутина, М.М. Козадаева, М.М. Мордасов // Вопросы современной науки и практики. Университет имени Вернадского. 2008. - №1(11). - С. 104-108.

61. Баршутина М.Н. Барботажный объемометрический метод контроля вязкости жидкости / М.Н. Баршутина, М.М. Козадаева, М.М. Мордасов// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. - №12. - С. 35-37.

62. Рего К.Г. Метрологическая обработка результатов технических измерений: Справ, пособие / К.Г.Рего.- Киев: Техника, 1987. — 128с.

63. Артемьев Б.Г. Справочное пособие для работников метрологических служб / Б.Г.Артемьев, С.М.Голубев. 3-е изд., доп. и перераб. -М: Изд-во стандартов, 1990. - 320с.

64. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. / .Д.Зимон. — М.: Химия, 1974.-416с.

65. Баршутина М.Н. Повышение точности барботажного объемометрического метода контроля плотности и поверхностного натяжения жидкости / М.Н. Баршутина, М.М. Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. - №4. - С. 35-37.

66. Мордасов М.М. Повышение точности барботажного метода измерения плотности жидкостей / М.М.Мордасов, М.Н.Баршутина, Д.М.Мордасов // Вестник ТГТУ. 2007. - Т. 13. №1 А. - С. 20-25.

67. Попкович, Г.С. Системы аэрации сточных вод / Г.С. Попкович, Б.Н. Репин.-М, 1986.-136с.

68. Баршутина М.Н. Выбор объема пробы при реализации барботажного объемометрического метода измерения плотности и поверхностного натяжения / М.Н. Баршутина, М.М. Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. - №7. — С. 29-33.

69. Мордасов Д.М. Пневмодинамический числоимпульсный метод измерения плотности веществ / Д.М. Мордасов, М.Н. Баршутина // Измерение, контроль, информатизация: материалы 5-й Международной научно-технической конференции / АГТУ. Барнаул, 2004. - С. 26 - 29.

70. Патент РФ №2328722. МКИ G01 N 13/02, G01 N 9/26. Способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости / Баршутина М.Н., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. №2006137502; Заявл. 23.10.2006; Опубл. 10.07.2008; Бюл.№19.

71. ГОСТ 3900-85. Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности. М: Изд-во стандартов, 1985. - 23с.

72. Базакуца В.А. Международная система единиц / Под общ. ред. проф. Г.Д.Бурдуна. Харьков: Изд-во Харьковского университета, 1970. -210с.

73. Брюханов В.А. Методы повышения точности измерений в промышленности / В.А.Брюханов. М: Изд-во стандартов, 1991. - 108с.

74. Батунер JI.M. Математические методы в химической технике / Л.М.Батунер, М.Е.Позер. М: Химия, 1968. - 824с.

75. Дмитриев В.Н. Основы пневмоавтоматики. / В.Н.Дмитриев, В.Г.Градецкий.-М: Машиностроение, 1973. 360 с.

76. Гализдра В.И. Контроль поверхностного натяжения жидких веществ в промышленных условиях / В.И.Гализдра, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов, М.М.Мордасов // Заводская лаборатория, 1997. № 5. - С. 2830.