пыль и ее свойства

2. ПЫЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА
2.1. Понятия пыли и других видов аэрозолей. Классификация пыли ..................................................................... 1
2.2. Основные свойства пыли и их определение ...................................................................................................... 3
2.2.1. Отбор проб пыли из газового потока ........................................................................................................... 3
2.2.2. Дисперсность пыли ....................................................................................................................................... 4
2.2.3. Плотность частиц пыли................................................................................................................................. 9
2.2.4. Удельная поверхность ................................................................................................................................... 9
2.2.6. Сыпучесть пыли ........................................................................................................................................... 10
2.2.7. Гигроскопичность пыли .............................................................................................................................. 11
2.2.8. Смачиваемость пыли ................................................................................................................................... 12
2.2.9. Абразивность пыли ..................................................................................................................................... 12
2.2.10. Электрические свойства пыли .................................................................................................................. 12
2.2.11. Горючесть и взрываемость пыли ............................................................................................................. 14
2.3. Коагуляция пыли ................................................................................................................................................ 17
2.4. Определение содержания пыли в воздухе........................................................................................................ 20
2.4.1. Единицы измерения ..................................................................................................................................... 20
2.4.2. Определение массового содержания пыли в воздухе .............................................................................. 20
2.1. Понятия пыли и других видов аэрозолей. Классификация пыли
Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной
средой является газ, в частности, воздух, а дисперсной фазой — твердые или
жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам
близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер
определяется их способностью более или менее длительное время находиться во
взвешенном состоянии. Обычно речь идет о частицах размером до 100— 200 мкм, а
по некоторым представлениям до 500 мкм.
Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные
аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких
веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных
паров, а также в результате газовых реакций.
Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденсационные,
обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму.
Конденсационные аэрозоли имеют часто правильную шарообразную или
кристаллическую форму и при коагуляции, сливаясь, снова получают
шарообразную форму.
К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.
Пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами, независимо
от дисперсности. Пылью обычно также называют совокупность осевших частиц
(гель или аэрогель).
Под туманами понимают газообразную среду с жидкими частицами как
конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности.
Дымами называют конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой или
включающие частицы и твердые, и жидкие.
На практике часто приходится встречаться с аэрозолями, включающими
частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхождения, обычно
ультрамикроскопического размера.
Часто бывает затруднительно провести четкую границу между различными
видами аэрозолей. Объясняется это тем, что аэрозольные системы состоят из
частиц различного происхождения. Происходит к тому же непрерывное
взаимодействие этих частиц, осаждение малых частиц на более крупные и т. д.
Аэрозольная система не находится в неизменном состоянии. В результате
взаимодействия частиц происходит их укрупнение, разрушение конгломератов,
осаждение частиц и т. д.
Аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. содержат частицы различных размеров.
Монодисперсные частицы встречаются как исключение. Их в некоторых
количествах в виде порошков изготовляют для калибровки пылеизмерительных
приборов.
В технике и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с
веществами, находящимися в измельченном состоянии. Многие технологические
процессы направлены на приведение их в такое состояние, например, помол зерна
для получения муки.
Основное внимание уделено рассмотрению пыли, так как в большинстве
случаев воздух приходится очищать от данного вида аэрозоля. Большинство систем
очистки предназначено для улавливания пыли. Рассматриваются также другие
виды аэрозолей.
Пыль может быть классифицирована по нескольким признакам, в том числе по
своему происхождению, т. е. по материалу! из которого она образована.
В зависимости от происхождения различают пыль естественного
происхождения и промышленную. Первая образуется в результате процессов, не
связанных непосредственно с процессом производства, хотя во многих случаях
имеется взаимосвязь между этим видом пылеобразования и хозяйственной
деятельностью человека.
К пыли естественного происхождения относят пыль, образующуюся в
результате эрозии почвы (на этот процесс, конечно, влияет деятельность человека),
а также пыль, возникающую при выветривании горных пород, пыль космического
происхождения и т. д. Естественное происхождение имеют также органические
пылевидные частицы — пыльца, споры растений. К образующейся в результате
эрозии почвы, обветривания горных пород и т. п. близка по составу пыль,
возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других
сооружений.
С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться, главным
образом, при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением
его в вентилируемые помещения. Промышленная пыль возникает в процессе
производства. Почти каждому виду производства, каждому материалу или виду
сырья сопутствует определенный вид пыли.
Многие технологические процессы направлены на получение различных
материалов, состоящих из мелких частиц, например, цемента, строительного гипса,
муки и т. д. Совокупность этих частиц правильно называть пылевидным
материалом. Соответствующей пылью (например, цементной, мучной и т. д.)
обычно называют наиболее мелкие частицы этих материалов, разносимые
потоками воздуха.
Большая часть видов пыли возникает в результате процессов, связанных с
обработкой материалов (резание, шлифование и т. п.), их сортировкой и
транспортированием (погрузка, разгрузка и т. п.).
В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть
органической и неорганической.
В свою очередь органическая пыль бывает растительного (древесная,
хлопковая, мучная, табачная, чайная и т. д.) и животного (шерстяная, костяная и
др.) происхождения.
Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная и
др.) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая и др.).
Значительная часть промышленных пылей — смешанного происхождения, т. е.
состоит из частиц неорганических и органических или, будучи органической,
включает в себя частицы минеральной и металлической пыли. Например, зерновая
пыль, кроме частиц, образующихся при измельчении зерна, содержит также
минеральные частицы, попавшие в массу зерна при выращивании и сборе урожая.
Пыль, выделяющаяся при шлифовании металлических изделий, кроме
металлических частиц, содержит минеральные частицы, образующиеся при
взаимодействии обрабатываемого металла и орудий его обработки (абразивного
круга и т. д.). Это нужно учитывать при выборе методов очистки и
пылеулавливающего оборудования.
2.2. Основные свойства пыли и их определение
2.2.1. Отбор проб пыли из газового потока
Для отбора проб пыли из воздуховодов применяют два способа: внешней
фильтрации, при котором используют закрытый аллонж с фильтром,
расположенный вне воздуховода, и внутренней фильтрации, когда открытый
аллонж с фильтром находится непосредственно в воздуховоде (рис. 2.1. а, б).
При внешней фильтрации в воздуховод вводят пылеотборную трубку с
наконечником. Применяют пылеотборные трубки различных систем, в том числе
универсальную пылезаборную трубку (рис. 2.2.).
Трубки оснащаются съемными наконечниками различных размеров:
№ наконечника 12345 6 7 8 9 10 15 20
Расчетный
диаметр, мм 4,6 6,5 8 9,2 10,3 11,3 12,2 13 13,8 14,5 17,8 20,6
Наконечники больших размеров обычно используют для отбора проб пыли для
дисперсного анализа, так как в этом случае необходимы значительные ее навески.
Рис. 2.1. Отбор проб пыли из воздуховодов:
о. Отбор проб пыли по способу внешней фильтрации: 1 — воздуховод; 2 —
съемный наконечник; 3 — пылеотборная трубка; 4 — уплотняющая муфта; 5 —
закрытый аллонж; 6 — ротаметр; 7 — трубка к побудителю расхода
б. Отбор проб по способу внутренней фильтрации: 1 — открытый аллонж; 2 —
металлическая трубка; 3 — ротаметр; 4 —побудитель расхода
Отбор проб воздуха из воздуховодов должен выполняться с соблюдением
принципа изокинетичности, который состоит в том, что скорость воздуха во
входном отверстии пылеотборного устройства должна быть равна скорости
воздуха в воздуховоде. Отбор проб с превышением изокинетической скорости
приводит к занижению
Рис. 2.2. Универсальная заборная трубка:
а — трубка со сменным коленом для внешней фильтрации; б — фильтрующий
элемент для внутренней фильтрации; в — сменный наконечник; 1 — гнездо для
наконечника; 2 — колесо; 3 —свинчиваемые звенья; 4 — трубка; 5 — кожух; 6 —
нагреватель; 7 — уплотнение; 8 — корпус фильтрующего элемента; 9 —
фильтрующая набивка; Ю — гильза
концентрации пыли, а отбор с пониженной скоростью — к ее завышению.
Погрешность при нарушении изокинетичности возрастает с увеличением размеров
пылевых частиц. При отборе пыли с частицами менее 5 мкм строгое соблюдение
изокинетичности не требуется.
2.2.2. Дисперсность пыли
Дисперсность — степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым,
гранулометрическим) составом понимают распределение частиц пыли по размерам.
Он показывает, из частиц какого размера состоит данная пыль, и массу или
количество частиц соответствующего размера.
Дисперсность в значительной мере определяет свойства пыли. В результате
измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые.
Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно
увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела,
имеющего форму куба и размеры 20x10x10 мм, и превращении его в частицы
кубической формы с размером 1 мкм, суммарная поверхность материала возрастет
в 10000 раз и станет равной 6 м2 (вместо 600 мм2).
В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества
повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и
химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления
этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что
измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный
материал.
Во взвешивающей газообразной среде присутствует влага, пары кислот,
щелочей. В результате их поглощения свойства частиц отличаются от свойств
исходного материала.
Дисперсный состав характеризует пыль с различных сторон. Кроме
физических и химических свойств, дисперсный состав определяет в значительной
мере характер и условия распространения пыли в воздушной среде.
Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо
мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Таким образом,
рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется
дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания — выбор
пылеулавливающего оборудования — решается главным образом на основании
дисперсного состава пыли.
Отбор проб производят на прямолинейных участках с установившимся
потоком, достаточно удаленных от фасонных частей. Длина участка должна быть 8
— 10 диаметров. Желательно отбор выполнять на вертикальных участках.
Предпочтительнее круглые воздуховоды. Скорость в сечении, где забирается
проба, должна быть не менее 4 м/с. Поскольку в сечении скорость неравномерна,
щюбы следует отбирать в различных частях сечения, разбив его на равновеликие
площади (рис. 2.3.). В прямоугольном сечении стороны прямоугольников, на
которые разбито сечение, должны быть 150—200 мм. На воздуховоде прорезают
отверстия и приваривают штуцера, которые закрывают крышкой. Воздуховоды
круглого сечения разбивают на ряд концентрических колец с равновеликими
площадями и также приваривают штуцера.
Рис. 2.3. Разбивка площади сечения воздуховода на равновеликие площадки:
о — при прямоугольном сечении; б — при круглом сечении
Дисперсный состав пыли имеет первостепенное значение для разработки и
совершенствования пылеулавливающих аппаратов и систем, а также для
осуществления мероприятий по предотвращению выделения пыли и ее
распространению.
Дисперсный состав определяют лабораторными исследованиями пыли с
использованием различных методов.
Нужно выразить размер пылевой частицы таким образом, чтобы он был
наиболее характерен. Пылевые частицы обычно имеют неправильную форму.
Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц: по
диаметру частицы 8; по размеру в свету наименьших размеров ячеек сита, через
которые проходят данные частицы; по диаметру шарообразных частиц, имеющих
такую же массу; по наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы;
по Диаметру условных шарообразных частиц, обладающих при оди-Н4ЦСовой
плотности скоростью витания, равной скорости витания Данной пылевой частицы.
Точно размер частицы может быть выражен диаметром шарообразной частицы.
Однако частицы такой формы практически не встречаются. Поэтому для
выражения размера частицы пользуются понятиями эквивалентный диаметр, седиментационный диаметр и др.
Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы 8, — Диаметр шара,
объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого
одинакова с площадью проекции частицы .
Седиментационный диаметр частицы 8, — диаметр шара, скорость оседания и
плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы
неправильной формы.
Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10~7 до КГ1 см.
Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного
существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные
частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном
состоянии практически не наблюдаются.
Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Фракция объединяет
пылевые частицы, находящиеся в пределах одного интервала размеров
рекомендуемой шкалы. Например, применяют следующую шкалу размеров
пылевых частиц: 1 — 1,3 — 1,6 — 2,0 — 2,5 — 3,2 — 4,0 — 5,0 — 6,3 — 8,0 — 13
— 16 — 20 — 25 — 32 — 40 — 50 — 63 мкм.
Основные методы определения дисперсного состава пыли
Дисперсный состав пыли определяют на основе лабораторных исследований.
Выбор метода определяется видом пыли, требуемой точностью, наличием
соответствующего оборудования и др.
Применяют следующие основные методы определения дисперсного состава
пыли:
ситовый анализ — разделение частиц на фракции путем последовательного
просеивания навески пыли через лабораторные сита с отверстиями различных
размеров;
седиментометрия — разделение навески пыли на фракции путем ее осаждения
в жидкой или газообразной среде;
микроскопический анализ — рассмотрение пылевых частиц с помощью
оптического или электронного микроскопа, определение формы частиц, их размера
и количества по фракциям;
центробежная сепарация — разделение пыли на фракции с помощью
центробежной силы в специальном аппарате.
Ситовый анализ применяют, как правило, для исследования грубой пыли, в
которой масса частиц мельче 100 мкм составляет не более 10 %.
Пробу (навеску) пыли разделяют на фракции, последовательно просеивая ее
через сита с отверстиями разного размера.
Под размером отверстий подразумевают длину стороны квадратной ячейки.
В нашей стране стандартизированы сита с отверстиями 40 мкм и более. При
этом не представляется возможным определить дисперсный состав пыли в области
мелких фракций, которые представляют наибольшую опасность. В мировой
практике применяются сита с весьма малыми ячейками. Так, в Германии
изготовляются сита с ячейками размером от 5 мкм.
Применяют ручной и механический просевы. Ручной просев обычно
используют при исследовательской работе, а также для ответственных
производственных анализов. Механический просев осуществляется с помощью
специальных приборов (рис. 2.4.).
Рис. 2.4. Механический ситовый анализатор модели 029М: 1 — крышка; 2 —
набор сит; 3 — столик; 4 — эксцентриковый вал; 5 — станина прибора; 6 —
электродвигатель; 7 — кулиса; 8 — винты; 9 — рычаг
Продолжительность анализа значительно сокращается. Обычно выполняют два
анализа ситовым методом. Отклонение их результатов по каждой фракции не
должно отличаться более, чем на 2 %.
Кроме сухого просева, который наиболее распространен, применяют также
мокрый — для исследования влажной пыли, а также в тех случаях, когда пыль
склонна к образованию конгломератов и сухой просев затруднен.
Седиментометрический метод. Этот метод основан на том, что
продолжительность осаждения пылевых частиц в жидкой среде зависит от их
размеров, выраженных через эквивалентный диаметр. Зная ее, можно расчетным
путем определить эквивалентный диаметр частиц. Последовательное взвешивание
осадка позволяет определить процентное содержание этих частиц в пробе пыли.
Метод микроскопирования. Этот метод, кроме определения размеров пылевых
частиц, их количества, позволяет изучить Строение пылевых частиц, сделать
микрофотографии пыли.
Для рассмотрения под оптическим микроскопом приготовляют препараты по
методу осветления. Запыленный фильтр из материала ФПП-15 подвергают
воздействию паров растворителя, например, ацетона. Материал фильтра
расплавляется, образуя прозрачную пленку, и фиксирует частицы пыли. Метод
непригоден Для приготовления препарата пылей, взаимодействующих с
растворителем.
Препарат приготовляют также следующим способом: предметное стекло
запыляют, а затем накрывают покровным стеклом.
Пылевые частицы измеряют с помощью окулярной микрометрической линейки
микроскопа (рис. 2.5.). Дисперсный состав пыли находят, измеряя частицы и
определяя количество частиц каждой фракции. Метод микроскопии трудоемок; его
применяют, в основном, при выполнении научных исследований. Для ряда видов
пыли он является единственно возможным.
Рис. 2.5. Измерение величины с помощью окулярной микрометрической линейки: 1
— окулярная микрометрическая линейка; 2 — объектив-микрометр
Метод центробежной сепарации. Фракции отделяются последовательно от
исследуемой навески под действием центробежной силы, которая в сотни раз
больше силы тяжести, на использовании которой основан метод седиментометрии.
Благодаря этому время выполнения анализа методом центробежной сепарации
значительно сокращается.
Для анализа по данному методу применяют аппарат «Бако» (рис. 2.6.). В
вихревое поле, которое имеет траекторию плоской
Рис. 2.6. Схема центробежного сепаратора «Бако»:
1 — верхняя часть ротора
2 — нижняя часть ротора;
3 — выпрямитель воздушного потока; 4 — кольцевая щель; 5 — коллектор; 6 —
подкладка; 7 — пылесборник; 8 — пыль (крупная фракция); 9 —рукоятка тормоза;
10 — борт ротора; 11 — крыльчатка вентилятора; 12 — камера сепарации; 13 —
питающая воронка; 14 — винт заслонки; 15 — исследуемая пыль; 16— винт
вибропитателя; 17— вибропитательспирали, вводят исследуемую пыль. Под
действием центробежной пыли происходит разделение пыли на две фракции, затем
отделяют следующую фракцию и т. д. Таким образом происходит разделение
навески на восемь фракций. Аппарат не может быть применен для анализа
слипающихся и волокнистых пылей, так как они забивают камеру разделения
прибора, что нарушает его работу.
Фотоэлектрический
метод.
Пригоден
для
экспресс-анализа,
фотоэлектрический прибор типа АЗ-5 изготовляется в системе радиоэлектронной
промышленности. Прибор позволяет определять счетную концентрацию
аэрозольных частиц в пределах от 1 до 300 тыс частиц в 1 л воздуха, а также
дисперсный состав частиц в пределах 0,4—10 мкм.
Действие АЗ-5 основано на том, каждая аэрозольная частица в оптическом
датчике
генерирует
электрический
импульс.
Амплитуда
импульса
пропорциональна размеру частиц.
Канал непрерывного измерения прибора имеет диапазоны (количества частиц
на 1 л воздуха): 0 —- 1000 ; 0 — 3000 ; 0 — 10000; О — 100000 ; 0 — 300000.
Погрешность прибора при определении счетной концентрации частиц не
превышает ± 20 %.
Прибор работает от сети переменного тока напряжением 220 ± 10 В .или от
источника постоянного тока напряжением 12 В. Масса прибора до 8,5 кг.
Дисперсный состав пыли представляют в виде таблицы или графика.
В таблице дается распределение пыли по фракциям в процентах от общей
массы. Пример приведен в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
Дисперсный состав пыли
<1,5 1,5-2,5 2,5-5
5-7,5
7,5-10 ID-15 15-25 25- 35- >50
Размер
35 50
частиц на
границах
фракций,
мкм
7,89
13,16
15,45 21,13 18,63 6,06 5,1 6,66
Фракции, 2,19 3,73
%
от
общей
Массы
частиц
Результаты определения дисперсного состава могут быть представлены в виде
таблицы, в которой приведены проценты массы или числа частиц, с размерами
меньше или больше заданного. Пример — табл. 2.2.
Таблица 2.2.
Фракции пыли с частицами меньше или больше заданного размера
1,5
2,5
4
7
10
15
25
50
Размер
частиц
с/,
мкм
Масса частиц 97,81
больше d, %
94,08
86,19
70,74
49,61 30,98
17,82
6,66
5,92
13,81 29,26 50,39 69,02 82,18 93,34
Масса частиц 2,19
меньше d, %
Академик А. Н. Колмогоров теоретически обосновал, что дисперсность пыли,
образующейся при измельчении материала в течение достаточно длительного
времени, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения.
Данное положение неоднократно подтверждено экспериментально.
График дисперсного состава пыли обычно выполняют в вероятностнологарифмической системе координат. На оси абсцисс откладывают логарифмы
диаметров частиц, на оси ординат — массу данной пыли соответствующего
размера в процентах. Распределение массы пыли по диаметрам частиц выражается
прямой или близкой к ней линией.
ГОСТ 12.2.043-80 подразделяет все пыли в зависимости от дисперсности на пять
групп: I — наиболее крупнодисперсная пыль; II — крупнодисперсная пыль; III —
среднедисперсная пыль; IV — мелкодисперсная пыль; V — наиболее
мелкодисперсная пыль. Номограмма для определения группы дисперсности пыли
показана на рис. 2.7
Рис. 2.7. Номограмма для определения группы дисперсности пыли.
Обозначения, принятые на номограмме:
8 — размер частиц пыли, мкм; D — суммарная масса всех частиц ныли,
имеющих размер менее данного S, % (от общей массы частиц пыли); 1—V—зоны,
характеризующие группы дисперсности пыли
Если линия, характеризующая дисперсный состав
пыли, проходит по нескольким участкам номограммы, пыль относят к группе,
более высокой по дисперсности.
Дисперсность пыли характеризует также медианный диаметр.
Медианным диаметром 850 называют такой размер частиц, по которому массу
пыли можно разделить на две равные части: масса частиц мельче 850 составляет 50
% всей массы пыли, так же как и масса частиц крупнее 550.
2.2.3. Плотность частиц пыли
Плотность — масса единицы объема, кг/м3.
Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность частиц пыли.
Истинная плотность представляет собой массу единицы объема вещества, из
которого образована пыль.
Кажущаяся плотность — это масса единицы объема частиц, включая объем
закрытых пор. Кажущаяся плотность монолитной, частицы равна истинной
плотности данной частицы.
Насыпная плотность — масса единицы объема уловленной пыли, свободно
насыпанной в емкость. В объем, занимаемый пылью, входят внутренние поры
частиц и промежуточное пространство между ними.
Кажущуюся плотность определяют пикнометрическим методом, который
основан на определении объема жидкости, вытесненной пылевыми частицами,
масса которых предварительно измерена. Поделив массу материала на
вытесненный им объем, получаем плотность данного материала. Используют
жидкость, которая не взаимодействует с исследуемой пылью.
Насыпную плотность определяют путем взвешивания измеренного объема
пыли. Используют мерный цилиндр, лабораторные весы до 0,01 г,
виброуплотнитель.
2.2.4. Удельная поверхность
Под удельной поверхностью пыли понимают отношение поверхности всех
частиц к их массе или объему.
Значение удельной поверхности позволяет судить о дисперсности пыли. От
удельной поверхности зависят многие свойства пыли и пылевидных материалов,
например, прочность бетона, горение пылевидного топлива.
Определение удельной поверхности пыли основано на зависимости ее
воздухопроницаемости от слоя пыли (пылевидного материала).
Для определения удельной поверхности пыли (пылевидного материала) при
непостоянном количестве воздуха, протекающего через кювету с исследуемым
материалом, применяют прибор ПСХ-2. При постоянном расходе воздуха
применяют прибор Товарова.
Прибор ПСХ-2 обычно применяют при удельной поверхности до 5000 см2/г,
прибор Товарова — при больших значениях.
2.2.5. Слипаемость пыли
Взаимодействие пылевых частиц между собой называется аутогезией.
Аутогенным воздействием вызывается образование конгломератов пыли.
Взаимодействие пылевых частиц с поверхностями называется адгезией.
Обычно, когда речь идет о взаимодействии пылевых частиц между собой,
явления аутогезии именуют слипаемостью. Она обусловлена силами
электрического, молекулярного и капиллярного происхождения. Устойчивая
работа пылеулавливающего оборудования во многом зависит от слипаемости
пыли.
В качестве показателя слипаемости принимают прочность пылевого слоя на
разрыв, Па.
Слипаемость пыли определяют по методу разъемного цилиндра.
По степени слипаемости пыли могут быть разделены на четыре группы (табл.
2.3.).
Таблица 2.3.
Слипаемостъ пыли
Группа
Разрывная
Некоторые
пыли
слипаемости прочность
слоя данной группы
пыли, Р, Па
1
Неслипающиеся, Р < Доломитовая,
60
глиноземная, шлаковая
II
Слабослипающиеся, Коксовая,
доменная,
Р = 60—300
апатитовая
III
IV
Среднеслипающиеся, Цементная,
торфяная,
р = 300—600
металлическая, мучная,
пыль с максимальным
размером частиц 25 мкм
Сильнослипающиеся, Цементная,
гипсовая,
Р>600
волокнистые
пыли
(асбестовая, хлопковая,
шерстяная); все пыли с
частицами не более 10
мкм
Считают, что для влажной пыли степень ее слипаемости должна быть
увеличена на один уровень. Слипаемость возрастает с уменьшением размера
частиц.
2.2.6. Сыпучесть пыли
Сыпучесть характеризует подвижность частиц пыли относительно друг друга и
их способность перемещаться под действием внешней силы. Сыпучесть зависит от
размера частиц, их влажности и степени уплотнения.
Характеристики сыпучести используются при определении угла наклона
стенок бункеров, течек и др. устройств, связанных с накоплением и перемещением
пыли и пылевидных материалов.
Различают статический и динамический угол естественного откоса.
Динамический угол естественного откоса относится к случаю, когда происходит
падение частиц на плоскость.
Под статическим углом естественного откоса (его называют также углом
обрушения) понимают угол, который образуется при обрушении слоя в результате
удаления подпорной стенки.
Статический угол естественного откоса всегда больше динамического угла
естественного откоса.
Динамический угол естественного откоса определяют на лабораторной
установке, основными элементами которой являются бункер для исследуемой
пыли, затвор бункера, диск, на который из бункера поступает пыль.
Сформировавшийся конус пыли измеряют и вычисляют угол естественного откоса.
Для определения статического угла естественного откоса используют
установку, основными частями которой являются камера и измерительный сосуд.
После наполнения сосуда исследуемой пылью убирают съемную стенку сосуда.
Часть материала в виде треугольной призмы сползает, образуя при этом откос.
Статический угол естественного откоса (угол обрушения) определяют при помощи
транспортира или вычисляют по замерам.
2.2.7. Гигроскопичность пыли
Гигроскопичностью пыли называется ее способность поглощать влагу из
воздуха. Поглощение влаги оказывает влияние на такие свойства пыли, как
электрическая проводимость, Слипаемость, сыпучесть и др.
Равновесие между относительной влажностью воздуха и влажностью
материала выражает изотерма сорбции. Пользуясь изотермой сорбции, можно
судить о поведении пыли в аппаратах, емкостях для пыли, пылепроводах. Пример
изотерм сорбции приведен на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Изотермы сорбции табачной пыли, отобранной на четырех табачных
фабриках.
Содержание влаги в пыли выражает влагосодержание или влажность.
Влагосодержание — отношение количества влаги в пыли к количеству абсолютно
сухой пыли. Влажность — отношение количества влаги в пыли ко всему
количеству пыли.
Гигроскопическая влага пыли, т. е. влага, которая удерживается на ее
поверхности, в порах и капиллярах, может быть определена при высушивании
пробы пыли до постоянной массы в сушильном шкафу.
Равновесную влажность пыли (изотерму сорбции) определяют, выдерживая ее
до постоянной массы в воздушной среде с известной относительной влажностью.
Несколько навесок исследуемой пыли высушивают до постоянной массы, а затем
помещают в эксикаторы, в которых, благодаря наличию серной кислоты различной
концентрации, поддерживается различная относительная влажность воздуха. Пыль
выдерживается в эксикаторах несколько суток, пока масса пыли не стонет
постоянной. Затем определяют равновесную влажность пыли и строят график
зависимости равновесной влажности пыли от относительной влажности воздуха
(изотерму сорбции) (рис. 2.8).
2.2.8. Смачиваемость пыли
На смачивании пыли распыленной водой основано мокрое пылеулавливание.
Смачиваемость пыли определяет возможность ее гидроудаления, применение
мокрой пылеуборки.производственных помещений.
Смачиваемость пыли определяют методом пленочной флотации. Он
заключается в том, что в сосуд с дистиллированной водой высыпают навеску пыли.
Определяют количество осевшей (затонувшей) пыли.
О смачиваемости пыли судят по доле затонувших частиц.
2.2.9. Абразивность пыли
Абразивность — способность пыли вызывать истирание стенок конструкций и
аппаратов, с которыми соприкасается пылегазовый поток. Она зависит от
твердости и плотности вещества, из которого образовалась пыль, размера частиц,
их формы, скорости потока. При значительной абразивности пыли воздуховоды,
газоходы, стенки пылеулавливающих аппаратов выходят из строя в весьма
короткий срок. Абразивность пыли нужно учитывать при выборе материала и
толщины стенок каналов для перемещения пылегазовых потоков и аппаратов для
очистки этих потоков, а также при необходимости ограничивать скорость
движения потоков. В ряде случаев применяют специальные облицовочные
защитные материалы.
Считают, что износ металлических элементов вследствие абразивности пыли
возрастает по мере увеличения размера частиц вплоть до 90 мкм, а затем по мере
дальнейшего увеличения размера он уменьшается.
Абразивность пыли определяют на специальном приборе. Во вращающейся
трубке прибора частицы исследуемой пыли, разгоняясь под действием
центробежных сил, истирают поверхность стандартного образца. В результате
происходит массовый износ, т. е. потеря массы образца. На основании
исследований определяют коэффициент абразивности пыли по формуле
где AG — потеря массы образца, кг; В — постоянная прибора.
2.2.10. Электрические свойства пыли
Электрические свойства оказывают значительное влияние на поведение
пылевых частиц. Электрические силы во многом определяют процесс коагуляции,
устойчивость пылевых агрегатов, взрывоопасность пыли, ее воздействие на живые
организмы. Электрические свойства пыли должны быть учтены при решении
вопросов, связанных с очисткой газов (воздуха) от пыли, в первую очередь, с
работой электрофильтров. Данные об электрических свойствах улавливаемой пыли
могут быть использованы для оптимизации работы электрофильтров,
эффективность и устойчивость которых непосредственно зависит от этих свойств.
С их учетом при необходимости осуществляется предварительная подготовка (кондиционирование) газов перед очисткой в электрофильтре.
Остановимся на основных электрических свойствах пыли — Ва удельном
электрическом сопротивлении и электрическом заряде пыли.
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует электрическую
проводимость слоя пыли. УЭС равно сопротивлению прохождения электрического
тока через куб пыли со стороной, равной 1 м; Ом • м.
Смачиваемость
Доля затонувших частиц, %
Плохая смачиваемость
<30
Средняя смачиваемость 30-80
Хорошая смачиваемость >80
По значению УЭС пыль можно разделить на три группы: хорошо проводящая <
102 Ом • м со средней проводимостью 102—108"-90м-м высокоомная >108'90м-м
Электрическое сопротивление пыли обусловлено поверхностной и объемной
проводимостью. Поверхностный слой пылинок по своим электрическим свойствам
отличается от основной массы вследствие того, что на поверхности адсорбируются
влага и газы. Объемная (внутренняя) проводимость определяется проводимостью
материала частицы. Она возрастает с повышением
повышения
температуры
в
результате
энергии
электронов.
Рис. 2.9. Зависимость электрического сопротивления слоя пыли от
температуры.
На рис. 2.9. дана зависимость электрического сопротивления слоя пыли от
температуры. При комнатной температуре пыль адсорбирует из воздуха влагу.
Поверхностная проводимость повышается, сопротивление понижается. По мере
повышения температуры происходит испарение влаги и сопротивление возрастает.
Затем, при дальнейшем повышении температуры до 90— 180°С, благодаря
тепловому возбуждению электронов вещества, происходит уменьшение
сопротивления. Рассматриваемая кривая отражает два вида электропроводимости
— поверхностную и объемную. Таким образом, зная зависимость между
температурой и сопротивлением, можно в определенных пределах воздействовать
на проводимость пыли.
УЭС пыли зависит также от химического состава, размера и упаковки частиц.
Для определения УЭС применяют приборы: ИСП-1, «Циклоном-1» и др.
Работа прибора основана на измерении сопротивления слоя пыли,
сформированного в зазоре между измерительными электродами под действием
электрического поля коронного разряда.
Электрический заряд пыли. Пылевая, как и другая аэрозольная частица, может
иметь один или несколько электрических зарядов или быть нейтральной.
Аэрозольная система может иметь в своем составе частицы, заряженные
положительно, отрицательно, нейтральные. Соотношение этих частиц определяет
суммарный заряд системы.
Пылевые частицы получают электрический заряд как в процессе образования,
так и после образования, находясь во взвешенном состоянии, в результате взрыва,
диспергирования, взаимного трения, трения о воздух, а также вследствие
адсорбции ионов при
ионизации среды. Последний способ электризации является основным для
взвешенных частиц.
Электрическое состояние аэрозольной системы не остается постоянным во
времени. В результате взаимодействия друг с другом и с окружающей средой
взвешенные частицы получают заряд, отдают его, нейтрализуются.
Электрические свойства пыли оказывают определенное воздействие на
устойчивость аэрозоля, а также на характер воздействия пылевых частиц на живой
организм. Известно также, что импульсом в процессе взрывообразования может
быть заряд статического электричества. Для отведения статического электричества
предусматривается заземление оборудования, трубопроводов.
По данным некоторых гигиенистов, пылевые частицы, имеющие
электрический заряд, в два раза интенсивнее задерживаются в дыхательных путях,
чем нейтральные.
Обычно неметаллические частицы заряжаются положительно, а металлические
— отрицательно. Соли NaCl, СаС1% заряжаются положительно, а СоСО3; AZ20.3;
Fe2O3; MgCO3 — отрицательно.
Взвешенные частицы ряда аэрозолей несут электрические заряды следующего
знака:
Частицы, имеющие одноименные заряды, при взаимодействии отталкиваются,
разноименные — притягиваются.
Взаимодействие двух тел, размерами которых можно пренебречь, описывается
законом Кулона (рассматривается в разд. 3). При высокой концентрации частиц во
взвешивающей среде кулоновские силы способствуют процессам коагуляции.
2.2.11. Горючесть и взрываемость пыли
Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к
воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов
пыли. Ни в чем так не проявляется отличие физико-химических свойств пыли от
свойств твердых веществ, из которых она образована, как в ее пожаро- и
взрывоопасности. Такие вещества, как зерно и сахар, хотя и способны сгорать при
определенных условиях, не являются взрывоопасными веществами. Будучи же
приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только
пожароопасными, но и взрывоопасными.
Многие виды пыли образуют с воздухом взрывоопасные смеси, которые
способны взрываться. При взрывах пыли возможны весьма тяжелые последствия
— несчастные случаи с людьми, разрушение и повреждение оборудования,
строительных конструкций и т. д.
Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе помещений,
взрывоопасна. Осевшая пыль (гель) пожароопасна.
Однако при определенных условиях осевшая пыль способна переходить во
взвешенное состояние, образуя взрывоопасные смеси. Может происходить как
взрыв, так и горение пыли, находящейся во взвешенном состоянии. При взрыве
реакция протекает значительно быстрее распространяясь со скоростью сотни и
тысячи метров в секунду, при горении — со скоростью несколько десятков метров
в секунду. Процесс горения пыли, находящейся во взвешенном состоянии,
протекает гораздо интенсивнее, чем горение осевшей пыли (аэрогель).
Горение аэрогеля происходит с поверхности, однако при подъеме этой пыли в
результате локального взрыва, удара и т. д. аэрогель переходит во взвешенное
состояние, и может произойти интенсивный взрыв.
Локальный взрыв пыли может перевести во взвешенное состояние осевшую
пыль, в результате фронт взрыва расширится. При первом или последующем
взрыве происходит встряхивание здания и расположенного в нем оборудования.
Пыль, покрывающая тонким слоем их поверхности, переходит во взвешенное
состояние, образуя взрывоопасную смесь, которая вновь становится питательной
средой для следующего взрыва. Последующий более мощный взрыв способен
разрушить емкости, где хранятся пылевидные материалы. Это уже будет средой
для мощного взрыва, способного разрушить здание.
Приведем ряд определений, характеризующих горение и взрыв.
Горением называется физико-химический процесс взаимодействия горючего
вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света.
Под возгоранием понимают начальную стадию горения, которая возникает под
действием источника зажигания. Возгорание, которое сопровождается появлением
пламени, называется воспламенением .
Самовозгорание — возникновение горения вещества в отсутствие источника
зажигания. Самовозгорание может быть тепловым, микробиологическим и
химическим.
Тепловое самовозгорание происходит в результате нагрева вещества до
определенной температуры.
Микробиологическое
самовозгорание
возникает
в
результате
жизнедеятельности микроорганизмов.
Химическое самовозгорание происходит в результате химического
взаимодействия веществ.
Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением
пламени.
Температура самовоспламенения — самая низкая температура вещества, при
которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций,
заканчивающееся возникновением пламенного горения.
Взрыв — одна из разновидностей реакции горения. Ее характерным отличием
является исключительно быстрое, практически мгновенное протекание реакции в
объеме.
При взрыве мгновенно образуется большое количество продуктов сгорания —
газов. Давление внезапно появившихся газов, их быстрое, резкое движение,
которое происходит волнами, толчками, приводит к разрушению окружающих
конструкций, оборудования и т. д.
Возбуждение взрыва пыли возможно при сочетании определенных условий,
необходимых для взрыва. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, взрыв не
произойдет, несмотря на наличие остальных.
Этими условиями являются следующие:
— концентрация пыли в воздухе между нижним и верхним пределами;
— наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и
мощности в запыленной зоне;
— питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.
Нижний концентрационный предел распространения пламени по
пылевоздушным смесям (НКПРП), г/м3, — минимальное содержание пыли в
воздухе, достаточное для возникновения взрыва (при наличии других условий).
НКПРП соответствует определенному среднему значению расстояния между
пылевыми частицами, при котором происходит достаточно интенсивный
теплообмен между частицами. При этом накапливается необходимая для взрыва
тепловая энергия. Если концентрация пыли в воздухе незначительна, расстояния
между частицами велики и теплообмен ограничен.
Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП),
г/м3, пылевоздушных смесей — максимальное содержание пыли в воздухе, при
котором взрывообразование прекращается, несмотря на наличие прочих
необходимых условий.
При концентрациях больше ВКПРП кислорода становится недостаточно для
реакции, и процесс прекращается.
Между НКПРП и ВКПРП находится концентрация пыли в воздухе, которая
является наиболее взрывоопасной. Ей соответствует наибольшее значение
взрывного давления. Такое значение, естественно, имеется для каждого вида пыли.
НКПРП зависит от химического состава, от дисперсности пыли.
Высокодисперсный материал имеет большую поверхность контакта с окислителем
(кислородом воздуха). У материала с развитой поверхностью большая
электрическая емкость, следовательно, значительная способность получать заряды
статического электричества вследствие трения частиц, что увеличивает пожарную
опасность вещества. На НКПРП пыли влияет также наличие в ее составе
минеральных добавок, не участвующих во взрывообразовании. Являясь инертным
компонентом, минеральная составляющая сдерживает взрывообразование в
результате экранирования и поглощения теплоты.
Взрыво- и пожароопасность уменьшается также с увеличением влажности
пыли.
Выделение из пыли летучих горючих газов повышает взрываемость. Пыль
каменного угля при содержании в ней менее 10 % летучих газов не взрывоопасна.
Не взрываются и пыли антрацита и древесного угля.
При содержании в воздухе кислорода до 11— 13 % не происходит
воспламенения пыли. НКПРП, приводимый в таблицах, относится к условиям,
когда воздух в помещении практически неподвижен. При движении воздуха со
скоростью 5 м/с нижний предел повышается в 2—3 раза.
Определение НКПРП пылевоздушных смесей производится согласно
методике, установленной ГОСТ 12.032-81. Сущность этого метода состоит в
зажигании пылевоздушной смеси определенной концентрации в объеме
реакционного сосуда и оценке результатов зажигания. Изменяя концентрацию
пылевоздушной смеси, устанавливают ее минимальное значение, при котором
происходит воспламенение, т. е. НКПРП.
НКПРП определяют на установке, схема которой показана на рис. 2.10.
Установка состоит из реакционного сосуда в виде стеклянного цилиндра 1;
системы распыления, включающей распылитель 2, электромагнитный клапан 3,
вентили 4 и 6, ресивер 7 с манометром 5; источника зажигания (электрической
спирали) 9; блока управления 8 с программными реле.
Взрыво- и пожароопасные пыли делят на четыре класса. Критерием является
значение НКПРП и температуры самовоспламенения.
I класс — наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП до 15 г/м3;
II класс — взрывоопасные пыли с НКПРП 16—65 г/м3;
III класс — наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения
в куче, в токе воздуха до 250°С;
Рис. 2.10. Установка для определения нижнего концентрационного предела
воспламенения пылевоздушных смесей (НКПВ) по ГОСТ 12.1.032—81: 1 —
реакционный сосуд; 2 — распылитель; 3 — электромагнитный клапан; 4, 6 —
вентили; 5 — манометр; 7 — ресивер; 8 — блок управления; 9 — источник
зажигания; 10 — защитный вытяжной шкаф
IV
класс
—
пожароопасные
пыли,
обладающие
температурой
самовоспламенения при тех же условиях выше 250°С.
Ниже приведены НКПРП некоторых пылей и пылевидных материалов I и II
классов, г/м3
1 класс
Сера
2,3
Нафталин
2,5
Канифоль
5,0
Сухие
сливки
с 6,3
сахаром
Шрот подсолнечный 7,6
Эбонитовая пыль
Молоко сухое
Сахар свекловичный
Камфара
Пыль
мельничная
серая
Мясокостная мука
Уротропин
Шеллак..
7,6
7,6
8,9
10,1
10,1
10,1
15,0
15,0
II класс
Пыль льняной костры
Горох.
Жом свекловичный
Казеин технический
Крахмал
картофельный
Чайная пыль
Сланцевая пыль
16,7
25,2
27,7
32,8
40,3
32,8
58,0
Приведены также НКПРП и температура самовоспламенения некоторых пылей
III и IV классов.
III
класс Температура
НКПРП, г/м3
Наименование- самовоспламенения
*—
осажденной пыли (геля) в
куче
Табачная пыль 205
68,0—101,0
Элеваторная
250
277,0
пыль
IV
класс Температура
НКПРП, г/м3
Наименование самовоспламенения
осажденной пыли (геля) в
куче
Угольные пыли 260
114—400
(высокозольные)
Древесные
275
выше 65,5
опилки
2.3. Коагуляция пыли
Аэрозоль — неустойчивая система. Он подвержен постоянным изменениям. С
течением времени в аэрозоле происходит укрупнение взвешенных частиц. Этот
процесс носит название коагуляции (агрегирования, агломерации); он происходит в
результате взаимодействия частиц под влиянием различного рода физических
факторов. Наибольшая роль в коагуляции принадлежит молекулярным силам и
силам электрического притяжения.
С точки зрения обеспыливания воздуха (газов) коагуляция весьма полезное
явление, так как благодаря укрупнению пылевых частиц повышается
эффективность их улавливания. Мелкодисперсная пыль, плохо или совсем не
улавливаемая в более простых аппаратах, может быть задержана ими после
коагуляции. Соединение и укрупнение частиц происходит при слипании их
вследствие столкновения под действием гравитационных сил, сил инерг ции,
броуновского движения, взаимного притяжения и т. д. Параллельно с процессом
образования агломератов происходит процесс разрушения образовавшихся
укрупненных частиц.
Коагуляция будет происходить тем интенсивнее, чем больше вероятность
столкновения аэрозольных частиц. Эта вероятность увеличивается под действием
указанных выше факторов. Мелкие частицы в большей степени подвержены
коагуляции, чем крупные. Ускоряется также коагуляция при повышении
концентрации пылевых частиц в газовой среде.
Имеет место естественная коагуляция, когда этот процесс происходит под
действием естественных сил, т. е. в основном за счет броуновского движения и
гравитационных сил, и искусственная коагуляция, когда этот процесс
интенсифицируют, применяя дополнительные факторы, например, турбулизацию
запыленного потока, его искусственную ионизацию и акустическую обработку.
Процесс коагуляции в результате ускоряется во много раз, т. к. вероятность
столкновения и взаимодействия частиц во много раз увеличивается.
Скорость коагуляции аэрозольных частиц подчиняется закону
где n — концентрация частиц в некоторый момент времени т:
(в с), 1/м3;
n0 — начальная концентрация частиц, 1/м3; Кк — константа коагуляции, м3/с.
Рис. 2.11. Изменение концентрации частиц в неподвижном воздухе
во времени:
1, 2, 3, 4 — соответственно пыли вяза, ясеня, березы, краевого дерева
где N — скорость коагуляции, соответствует числу встреч частиц в единице
объема в единицу времени, 1/(м2-с).
Из выражения (2.4.) следует, что в начальный момент, когда концентрация
частиц велика, коагуляция происходят с большей скоростью, но затем ее скорость
быстро падает.
На рис. 2.11. показано изменение счетной концентрации древесной пыли ряда
пород в результате коагуляции в период времени, в течение которого число частиц
уменьшилось вдвое.
Параметры воздушной среды: температура 20°С, относительная влажность 50
%, атмосферное давление 750 мм рт. ст.
Тепловая (броуновская) коагуляция. В основе броуновской коагуляции лежит
броуновское (хаотическое, беспорядочное) движение весьма малых частиц — до
0,1 мкм.
Процесс тепловой (броуновской) коагуляции мало зависит от природы
пылевых частиц. Коагуляция происходит тем быстрее, чем больше диапазон
размеров частиц, так как имеет место процесс поглощения крупными частицами
мелких. Увеличение скорости коагуляции за счет полидисперсности, по сравнению
с коагуляцией монодисперсной пыли, не превышает 10 %.
I Скорость тепловой коагуляции повышается с увеличением абсолютной
температуры дисперсной среды. Скорость коагуляции малых частиц также
вырастает с повышением давления.
Замечено, что дисперсность пыли в технологических газах, поступающих на
очистку, обычно выше, чем в источнике пылеобразования. Это можно объяснить
тем, что броуновская коагуляция происходит почти мгновенно.
Градиентная коагуляция. Градиентная коагуляция обусловлена наличием
градиента скорости в потоке запыленных газов. Наиболее характерным примером
является течение газов около j твердой стенки канала. В соответствии с законами
гидравлики, i частица вблизи стенки движется с меньшей скоростью, чем части-S
пд, находящаяся ближе к продольной оси канала. Контакт частиц I возможен, если
расстояние между ними меньше суммы их размеров Действие градиентной
коагуляции ограничивается в основном пристенным слоем. Поэтому она играет
существенную роль
Скорость убывания счетной концентрации частиц в результате процесса
коагуляции определяется из выражения
при значительной длине каналов и большой поверхности, по которой
происходит контакт.
Турбулентная коагуляция. Скорость коагуляции частиц в дисперсной среде
может быть искусственно повышена путем турбулизации аэрозоля. Вихревое
движение среды, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность
столкновения частиц и, следовательно, повышает скорость коагуляции.
Турбулизацию пылегазовых потоков осуществляют для укрупнения пылевых
частиц и повышения благодаря этому эффективности очистки. Вихревое движение,
возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения и,
следовательно, укрупнения частиц. Применяют специальные турбулизирующие
устройства, которые располагаются перед пылеуловителями или непосредственно в
них (разд. 5.).
Кинематическая коагуляция. Процесс кинематической коагуляции происходит
при относительном движении частиц различного размера под действием внешних
сил — силы гравитации, центробежных сил и др. Частицы различного размера
движутся с различными скоростями. Вследствие этого происходит их столкновение
и укрупнение. Примером кинематической коагуляции является осаждение частиц
на каплях, находящихся под действием силы тяжести (этот процесс называется
также гравитационной коагуляцией). Кинематическая коагуляция происходит
также при встречном движении распыленной воды и аэрозоля в мокрых
пылеуловителях.
Электрическая коагуляция. Как отмечено выше, пылевые частицы во многих
случаях имеют электрический заряд — положительный или отрицательный. Между
заряженными частицами, а также между заряженными и незаряженными
частицами возникают силы взаимодействия. Это в значительной мере определяет
поведение частиц. Частицы сталкиваются, слипаются, образуя агрегаты.
Между частицами действуют следующие электрические силы взаимодействия:
кулоновская сила притяжения или отталкивания, возникающая между двумя
заряженными частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от
друга; сила индукции между заряженной частицей и соседней незаряженной; сила
взаимодействия между заряженной частицей и другими частицами с тем же
знаком; сила внешнего электрического поля (если оно имеется).
Электрическая коагуляция используется в технике пылеулавливания.
Применяют электрофильтры-коагуляторы, которые конструктивно представляют
собой упрощенный электрофильтр. Принципы электрической коагуляции
используются также при искусственной ионизации газопылевых потоков с целью
укрупнения пылевых частиц (разд. 6.).
Акустическая коагуляция. Пылегазовый поток проходит через акустическое
поле, создаваемое источником звука и ультразвука.
При определенных параметрах поля и характеристиках пылегазового потока
вследствие колебания среды значительно возрастает число столкновений между
пылевыми частицами, что приводит к их слипанию, т. е. к укрупнению пыли.
Акустическая обработка осуществляется с целью повышения эффективности
пылеулавливания. Рассматривается в разд. 6.
2.4. Определение содержания пыли в воздухе
2.4.1. Единицы измерения
Содержание пыли в воздухе можно выразить, как массу пыли, приходящуюся
на единицу объема (мг/м3), или как число пылевых частиц в единице объема
воздуха (обычно в 1 см3). ГОСТ 12.1.005-38 устанавливает предельно допустимую
концентрацию ПЫЛИ в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий (ПДК)
в мг/м3. По мнению гигиенистов в развитии пылевой патологии при постоянстве
химического состава пыли первостепенное значение имеет масса задержанной в
организме пыли, которая зависит от массовой концентрации пыли в воздухе.
Определение массовой концентрации пыли в воздухе проще и доступнее, чем
ее счетного содержания. Однако, для более полного представления о характере
пыли и, следовательно, о влиянии ее на организм человека и на технологический
процесс желательно получить также данные о дисперсном составе пыли,
содержащейся в воздухе и о количестве пылевых частиц в единице объема воздуха.
Счетный метод обычно основан на микроскопических исследованиях.
Содержание пыли в воздухе может быть определено прямыми методами,
связанными с непосредственным определением массы пыли или числа частиц в
единице объема пыли, либо косвенными методами: по изменению сопротивления
движению пылегазового потока в зависимости от содержания в нем
соответствующего количества пыли или по изменению оптических показателей в
связи с изменением концентрации пыли в воздухе.
2.4.2. Определение массового содержания пыли в воздухе
Наиболее распространенный метод определения массового содержания пыли в
воздухе заключается в том, что некоторый объем Воздуха пропускают через
фильтровальный материал и находят Массу этого материала до и после запыления.
В настоящее время широко применяют специальные аналитические
аэрозольные фильтры АФА (рис. 2.15.). Фильтрующим материалом является
перхлорвиниловая ткань ФПП. Ткань помещена в защитное бумажное кольцо. При
отборе проб фильтры устанавливают в металлические или пластмассовые патроны.
Пробы отбирают на различных участках производственных помещений и
населенных пунктов, где необходимо определить содержание пыли в воздухе.
Методика отбора проб в этих точках значительно отличается от описанной выше
методики отбора проб из воздуховодов. На рабочих местах пробы отбирают на
уровне дыхания работающего (рис. 2.12.). В качестве побудителя могут быть
использованы аспиратор модели 822, эжекторный аспиратор, пылесос с
ротаметром. Патрон и фильтры соединены с аспиратором резиновыми шлангами.
Аспиратор модели 822 (рис. 2.13.) состоит из воздуходувки, электродвигателя и
четырех ротаметров. Ротаметр предназначен для измерения расхода воздуха. Он
представляет собой стеклянную трубку с поплавком. На трубках нанесена шкала:
на двух — от 0 до 20 л/мин и на двух — от 0 до 1 л/мин. Первые два ротаметра
служат при отборе проб воздуха на запыленность, вторые — на загазованность.
Аспиратор работает от сети переменного тока и потребляет мощность 100 Вт.
Обычно отбирают две параллельные пробы, и запыленность воздуха принимают
как среднее значение из двух замеров.
Для отбора проб воздуха в помещениях со взрывоопасной средой, а также,
когда затруднительно подключение к электросети, применяют эжекторный
аспиратор, например, типа АЭРА (рис. 2.14.). Воздух из помещения эжектируется
воздухом, который поступает в эжектор через редуктор из баллона со сжатым
воздухом.
Фильтр и патрон показаны на рве. 2.15. Фильтр взвешивают до и после
запыления на лабораторных весах точностью до 0,1 мг. Перед взвешиванием
фильтры выдерживают в помещении с постоянной влажностью не менее 30 мин.
Рис. 2.12. Установка для определения запыленности воздуха:
1 — патрон с фильтрами; 2 — штатив,
3 — резиновая трубка;
4 —аспиратор
а — передняя панель аспиратора модели 822: 1 — колодка для присоединения
электрического шнура; 2 — выключатель; 3 —электропредохранитель; 4 —
предохранительный клапан для предотвращения перегрузки электродвигателя; 5 —
ротаметры; 6 — ручки вентилей ротаметров для регулирования объемных расходов
воздуха; 7 — штуцера для присоединения резиновых трубок к фильтрам; б —
внутреннее устройство аспиратора модели 822: 1 — электродвигатель; 2 —
ротационная воздуходувка; 3 — масленка для непрерывной смазки лопастного
ротора воздуходувки; 4 — резиновые шланги для соединения воздуходувки с
ротаметрами
, Рис. 2.14. Эжекторный
аспиратор АЭРА: 1 — баллон со сжатым воздухом; 2 — вентиль баллона; 3
гайка для соединения баллона с прибором; 4 — манометр; 5 — редуктор; 6
перекрывной клапан; Т - Ручка переключателя; 8 — эжектор; 9 —секундомер;
— автоматический регулятор пото-ка 11 — штуцер регулирования Потока; 12
резиновая трубка; 13 — аллонж
—
—
10
—
Рис. 2.15. Устройство фильтра и патрона:
а — фильтр АФА-ВП: 1 — защитные бумажные кольца; 2 — фильтр; 3 — корпус
конусного патрона; 4 — зажимная гайка; б — патрон к фильтру АФА-ВП-10: 1 —
зажимная гайка; 2 — корпус патрона
Предполагаемая концентрация
пыли, мг/м3
2
2—10
10—50 > 50
Объем
1000 500
250
100
отбираемого
воздуха, л
Концентрацию
пыли
в
воздухе,
с,
мг/м
,
где G — масса пыли, г;
tc — температура воздуха по сухому термометру, "С;
определяют
по
формуле:
V — расход воздуха через прибор, л/мин;
t — продолжительность отбора воздуха, мин;
Рб — барометрическое давление, Па.
Определение концентрации пыли по изменению сопротивления фильтра.
Определение концентрации основано на том, что существует прямая зависимость
между сопротивлением фильтра воздушному потоку и количеством дисперсной
фазы.
На таком принципе устроен и работает прибор (рис. 2.16.). Запыленный воздух
с помощью эжектора проходит через круглое отверстие, по которому медленно и
равномерно движется лента из бумажного фильтровального материала шириной 30
мм со скоростью 3,3 мм/мин. Постоянство скорости обеспечивается
электромагнитным регулятором, состоящим из манометра, который измеряет
давление на диафрагме, и электромагнитного вентиля, с помощью которого
регулируется количество сжатого воздуха, а, следовательно, расход запыленного
воздуха через фильтр.
Рис. 2.16. Схема автоматического прибора, основанного на определении изменения
перепада давления на фильтре.
Изменение давления на ленте регистрирует чувствительный манометр. Имея
градуировочную кривую зависимости перепада давления на фильтре от
концентрации пыли в воздухе, можно непрерывно измерять содержание пыли в
воздухе. Прибор заряжается лентой фильтровального материала на 24 часа.
Литература к разделу 2 4, 5, 10, 13,14,15, 19, 27, 28, 35, 48, 49, 50, 51, 74, 81,100,
107,115