Практически нет ни одной промышленной отрасли или завода, которые бы не применяли функцию «дозирования» тем или иным образом. Технология дозирования используется для производства химикатов и продуктов, а также для их экономичного и экологически выгодного применения в обрабатывающей промышленности. Значительное количество пользователей технологии дозирования — это водопроводные и очистные сооружения, а также бассейны для кондиционирования воды в бассейнах.

Распространение технологии дозирования для повышения качества и экономической эффективности процессов требует больше информации и обучения по «технологии дозирования», чтобы можно было избежать неудовлетворительных результатов при работе с ней. Следующее «краткое введение в технологию дозирования» направлено на объяснение ее основных принципов и принципов дозируемых сред намеренно простым способом. Цель состоит в том, чтобы избежать ошибок при планировании систем дозирования и оптимизировать систему, которая работает неудовлетворительно. Кроме того, может быть дано несколько импульсов для автоматического управления дозированием химикатов там, где раньше это делалось вручную.

Нет сомнений, что механически или лучше автоматически контролируемая система дозирования улучшает результат и уменьшает или исключает повторяющиеся ошибки и слабости человеческого фактора. Следующая статья начинается с описания некоторых химических свойств, а затем продолжается объяснением различных принципов дозирования. Особое внимание уделяется использованию и правильной установке фитингов/принадлежностей, которые только во многих случаях позволяют дозировать, но определенно улучшают результат.

Дозирование твердых, жидких и газообразных веществ

Все чистые, элементарные вещества могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Состояние вещества зависит от давления и температуры. Знакомым примером является вода при атмосферном давлении: ниже 0 °C вода замерзает, между 0 °C и 100 °C она становится жидкой, а выше 100 °C она превращается в пар. Жидкости, которые состоят из смесей различных химикатов, не имеют точной температуры плавления или кипения, поскольку отдельные компоненты затвердевают или испаряются при разных температурах. Этот факт, например, используется для перегонки различных компонентов (мазута, бензина и т. д.) из сырой нефти. Знание поведения жидкости при кипении также важно, поскольку оно определяет высоту всасывания жидкости, достигаемую насосами.

Также потому, что тогда можно точнее оценить последствия утечки. Вопрос о том, останется ли жидкость в жидком состоянии или самопроизвольно испарится в случае утечки, может быть важным при выборе типа дозировочного насоса (например, решение о выборе герметичной версии). Для инженеров-прикладников важно знать, тяжелее или легче жидкости вода, легко ли она смешивается с водой или только частично, имеет ли она тенденцию к осаждению, является ли она агрессивной, абразивной или горючей, а также ее вязкость. Большинство жидкостей можно считать несжимаемыми с незначительным влиянием до 100 бар. В отличие от жидкостей, газы занимают любое доступное пространство.

Важными газовыми параметрами являются температура, плотность и давление, все из которых зависят друг от друга. Для технологии процессов это, например, Важно, находится ли газ под вакуумом или под давлением, тяжелее или легче воздуха при атмосферном давлении, взрывоопасен или ядовит или становится агрессивным в сочетании с влагой. Ответы на эти вопросы дают представление о том, что произойдет в случае утечки. Для выбора фитингов или определения размеров трубопроводов для газов необходимо применять методы расчета и диаграммы, учитывающие газовые законы (не путать с диаграммами, подготовленными для жидкостей).

Специальное дозирующее оборудование было разработано за последние десятилетия, в частности, для хлорного газа, который широко используется для обработки питьевой воды, воды в бассейнах, а также сточных вод. Оно было усовершенствовано до такой степени, что теперь включено в немецкие нормативные листы (например, DIN 19606 или 19643). Твердые вещества — это все те вещества, которые находятся в твердом состоянии в соответствующем диапазоне температур. В зависимости от образования или производственного процесса диаметр частиц может варьироваться от пыли до нескольких сантиметров. Выбор подходящего дозирующего устройства зависит не только от размера зерна, но и от формы зерна, т. е.: геометрии зерна.

Дозирование твердых веществ подразумевает, что вещества находятся в относительно однородном выгружаемом состоянии относительно размера их частиц по отношению к общему количеству сыпучего материала. Поэтому предпосылкой для большинства процессов является то, что сухой материал подается либо в виде порошка, либо в виде гранул с размером зерна до 5 мм. Но также в случае, если это вопрос масштаба. Щебень диаметром 50 мм, например, все еще относительно легко дозировать, если принять во внимание величину путевых установок или систем подачи угля на электростанциях.

Вязкость дозируемых веществ

Жидкости и газы более или менее текучи. Это свойство определяется их вязкостью. Чем ниже текучесть, тем выше вязкость. В случае газов вязкость не имеет большого значения для дозирующих устройств и арматуры. Однако ее учитывают для калибровки измерительных стекол (расходомеров с поплавковым элементом). Вязкость очень важна для жидкостей, поскольку готовность жидкости к течению сильно влияет на производительность дозирования насоса. Это связано с тем, что номинальная производительность дозирующих насосов определяется водой при температуре 20 °C.

С увеличением вязкости, т. е.: при меньшей текучести жидкости, насосу становится все труднее продавливать заданное количество через систему дозирования и трубопровода. Вязкость имеет разные режимы. Некоторые жидкости имеют определенную вязкость при заданной температуре, которая не меняется при изменении скорости потока. Однако большинство жидкостей ведут себя по-разному.

Некоторые из них показывают высокую вязкость в состоянии покоя и становятся относительно текучими при течении (например, некапающий лак, который прилипает к кисти при нанесении на вертикальную стену, а затем становится текучим при более быстром движении кисти. После нанесения лак сразу же снова становится высоковязким и не капает). Другие жидкости ведут себя наоборот. Они текучи в состоянии покоя и становятся более вязкими при более высоких скоростях (это может быть проблемой при использовании, например, мешалок).

Растворы — это жидкости, в которых твердые вещества распределены в своей мельчайшей физической форме, т. е. в виде молекул. Каждая жидкость может растворять твердые частицы до определенного уровня (точки насыщения). Молекулярные растворы больше не обнаруживаются с помощью светового отражения (нет мутности).

Суспензии — это жидкости, в которых взвешены тонко распределенные твердые вещества. Они имеют тенденцию осаждаться (осаждаться) или плавать в состоянии покоя. Таким образом, частицы не растворяются. Луч света, проходящий через жидкость, виден благодаря отражению. В зависимости от твердости частиц быстротекущая суспензия может повредить насос и систему трубопроводов из-за истирания. С другой стороны, более высокие скорости потока желательны для предотвращения осаждения частиц (см. седиментация) и, таким образом, засорения линий.

Эмульсии представляют собой смеси жидкостей, которые обычно не смешиваются друг с другом (например, масло и вода). Эмульсии получаются путем интенсивного механического перемешивания (гомогенизации). Они имеют тенденцию разделяться на отдельные жидкости, как только они остаются неподвижными в течение некоторого времени и больше не перемешиваются (например, взбивание молока). Чтобы сохранить эмульсии неизменными в течение более длительного периода, их можно стабилизировать с помощью специальных химических добавок (эмульгаторов).

Коллоиды представляют собой чрезвычайно мелкие частицы, которые настолько малы, что больше не ведут себя как взвешенные частицы, а остаются равномерно распределенными в жидкости. Хотя размер частиц составляет всего около 1 миллионной доли мм и меньше, они не являются молекулярными растворами. Это также подтверждается тем фактом, что световой луч, проходящий через жидкость, виден благодаря отражению от частиц (помутнению). Устойчивое состояние равномерного распределения можно объяснить одинаковым электрическим зарядом всех частиц и возникающим в результате взаимным отталкиванием. Чтобы удалить коллоиды из жидкости, это однородное взаимное отталкивание частиц должно быть нарушено. Для этой цели можно использовать ионы с разным зарядом, которые можно добавлять в виде солей, например. В результате даже самые мелкие частицы могут соединяться электростатически.

Осаждение, флотация

Более крупные частицы в диапазоне 0,001–1 мм, переносимые в жидкостях, имеют тенденцию всплывать или оседать в зависимости от их удельного веса по сравнению с несущей жидкостью. Чем медленнее скорость потока, тем быстрее частицы способны либо подняться на поверхность, либо опуститься на дно. Осаждение частиц называется седиментацией, подъем частиц на поверхность называется флотацией. Последнее можно ускорить путем нагнетания воздуха. Оба случая используются для отделения нежелательных или желаемых веществ от жидкостей. Удаление всплывших частиц через край резервуара также называется декантацией.

Абразивность

Взвешенные в жидкости частицы, которые, как упоминалось ранее, могут осаждаться или всплывать из-за своего размера, оказывают более или менее абразивное воздействие при движении. Степень абразивности зависит, в частности, от твердости и структуры поверхности мелких частиц. Все суспензии абразивны при движении.

Агрессивность

Агрессивность жидкости заключается в ее способности вызывать коррозию других материалов. Газы или твердые вещества могут быть очень агрессивными после растворения в воде или при контакте с влажностью воздуха (например, «твердая» соль или «газообразный» хлор, растворенный в воде). Агрессивность химикатов является одним из важнейших факторов, которые следует учитывать при выборе материалов для фитингов и трубопроводов. Мерой агрессивности является, например, значение pH жидкости. Нейтральные жидкости имеют значения около «7», тогда как более низкие значения указывают на увеличение кислотности, а значения до 14 указывают на увеличение щелочности.

Выделение газа

Существуют химикаты, которые либо содержат газы в растворе, либо разлагаются с течением времени и, таким образом, выделяют газ из жидкости. Этот процесс, называемый дегазацией, следует рассматривать с разных точек зрения. Одним из важных аспектов является опасность для окружающей среды, другим моментом является то, что дегазация влияет на работу насосов и трубопроводных систем, поскольку многие фитинги могут работать только с чистыми, не содержащими газа жидкостями. В частности, дозирующие насосы, сконструированные для жидкостей, имеют большие или меньшие мертвые зоны, из-за которых газ, поступающий в головку, не может быть сжат до рабочего давления. Таким образом, он не может покинуть головку, и дозирование не выполняется. Чтобы решить эту проблему, необходимо принять различные меры (более подробную информацию см. в тексте ниже).

Поведение потока сыпучего материала

Порошок, гранулят и зернистые вещества диаметром до нескольких миллиметров называются сыпучим материалом. Более крупные скопления твердых веществ в виде порошка или мелких зерен ведут себя почти как жидкости. В отличие от жидкостей сыпучий материал имеет значительное сопротивление трения между частицами. В результате, например, Товары, высыпаемые случайным образом, не распределяются по неограниченной площади, а образуют кучу с определенным для материала углом естественного откоса.

С помощью соответствующих машин сыпучий материал можно транспортировать аналогично жидкостям (винтовые шпиндели используются для насосных станций, а также для дозирования порошка). Внутреннее трение сыпучего материала во многом зависит от его природы, такой как размер зерна, форма и структура поверхности. Кроме того, важно, насколько быстро движется сухой материал. Чем быстрее он течет, тем больше он ведет себя как жидкость. Конечно, здесь следует учитывать сильное истирание линий. В отличие от жидкостей, в случае полной остановки может произойти закупорка между отдельными частицами, что приводит к так называемому «перемычке».

Таким образом, работа может быть значительно нарушена. Только путем приложения энергии в виде ударов или перемешивающих движений или путем впрыскивания воздуха или азота сыпучий материал можно вернуть в «текучее» состояние. Сухой материал также может быть гигроскопичным, т. е. он поглощает воду в присутствии влажного воздуха и, таким образом, агломерируется. В результате могут возникнуть сбои в работе и, в зависимости от среды, коррозия из-за агрессивного воздействия влаги.

Поведение при горении и взрыве

В химической инженерии крайне важно знать поведение при горении и взрыве обрабатываемых сред. Эта тема слишком существенна, чтобы обсуждать ее здесь вкратце. Поэтому необходимо тщательно изучить соответствующую литературу, а также правила и положения по предотвращению несчастных случаев. Легковоспламеняющиеся материалы подразделяются и группируются в соответствии с их потенциалом опасности возгорания и взрыва. Особенно важно учитывать классификацию взрывоопасности при использовании электрических машин из-за возможного искрения.

Необходимо проверить, могут ли дозируемые газы, жидкости и твердые вещества образовывать легковоспламеняющиеся смеси при определенных рабочих условиях. В большинстве случаев партнером реакции будет кислород, который всегда присутствует в атмосфере. Однако существуют также химические вещества, уже содержащие партнеры реакции, которые вызывают воспламенение или взрыв из-за высоких температур или ударов. Эти материалы особенно опасны, поскольку они могут воспламеняться даже в закрытых резервуарах при исключении воздуха. В целом, химико-физическая реакция тем сильнее, чем больше поверхность партнеров реакции.

Логично, что поверхность определенной массы увеличивается с более мелкими частицами. Это также объясняет опасность взрывов пыли. Кроме того, материалы также различаются по их характеристикам воспламенения и силе реакции после однократного воспламенения. Есть вещества, которые легко воспламеняются, но не выделяют большого количества энергии, а есть другие, которые трудно воспламеняемы, но вызывают сильный взрыв.

Плотность

Плотность вещества показывает, сколько килограммов содержится в кубическом метре (кг/м³). Она выражается по отношению к плотности воды, которая составляет 1000 кг/м³. В то время как плотность жидкостей относительно постоянна и лишь незначительно изменяется с давлением и температурой, плотность газов сильно зависит от давления и температуры. Та же масса газа имеет в удвоенном пространстве только половину плотности, потому что газ способен расширяться до удвоенного объема при половинном давлении (при условии, что температура та же).

Жидкость, с другой стороны, будет занимать только половину удвоенного объема, и плотность останется постоянной. Удельный вес частиц твердого тела практически постоянен. Но поскольку масса сыпучего материала в данном пространстве зависит от того, насколько близко друг к другу расположены частицы, плотность на практике является переменной и должна определяться экспериментально (плотность порошка или плотность постукивания). Плотно утрамбованный сыпучий материал будет иметь более высокую плотность, чем свободно насыпанный порошок.