Основные свойства пылей

Надежность и эффективность работы систем газоочистки зависят от физико-химических свойств частиц, подлежащих улавливанию, и от основных параметров пылегазового потока. Введем основные понятия пылегазового потока.

Аэрозоль — это аэродисперсная система, состоящая из твердых или жидких частиц (дисперсная фаза), взвешенных в воздушной (дисперсионной) среде.

Аэрозоли с твердыми частицами диспергационного происхождения (дробление природных материалов, обработка металлов абразивными кругами, ветровая эрозия и т. п.) называют пылью. В инженерной практике пылью называют и сами пылевые частицы различного происхождения, в том числе осевшие (порошки). Сыпучие материалы и пыли можно характеризовать следующими показателями: размером частиц, или дисперсностью, формой частиц, плотностью, слипаемостью, смачиваемостью, химическим составом, биологической активностью, взрывоопасностью, электрическими и магнитными свойствами и т. д.

Дисперсность — одна из основных характеристик пылей. Она представляет собой степень измельчения материала. Степень дисперсности, т. е. степень раздробления вещества Д, м*¹, — обратная величина размеру частицы $ :

По дисперсности пыль разбивают на пять классификационных групп:

I — очень крупнодисперсная пыль;

II — крупнодисперсная пыль (например, мелкий песок);

III — среднедисперсная пыль (например, цемент);

IV — мелкодисперсная пыль (например, взвешенная атмосферная пыль);

V — очень мелкодисперсная пыль.

Промышленные пыли полидисперсны, поэтому весь диапазон размеров частиц, который встречается в данной пыли, разбивают на фракции. Фракция объединяет пылевые частицы, находящиеся в пределах одного интервала значений размеров. Например, применяется следующая шкала размеров пылевых частиц [ц]: менее 5, 5−10, 10 -20, 20−40, 40−60, более 60 мкм.

Размер частицы С, определяющий крупность частицы (диаметр, длину стороны частицы, наибольший размер проекции частицы и т. п.), точно характеризует только частицы шарообразной или близкой к ней формы. Во всех других случаях пользуются диаметром, эквивалентным по объему или по площади проекции частицы. Находит применение также седиментационный диаметр, характеризующий скорость осаждения частицы, Седиментационный диаметр находят как диаметр шара, плотность которого и скорость осаждения под действием силы тяжести равны плотности и скорости осаждения частицы.

Для сравнения оценки работы пылеулавливающих устройств вводят понятие медианного диаметра. Медианным диаметром _S0 называют такой размер частиц d₅₀, по которому пыль можно разделить на две равные доли: масса всех частиц мельче или крупнее d, p составляет 50% всей массы пыли.

Характеристикой дисперсности может служить удельная поверхгность S цр, м^/м^ или м^/кг, равная отношению обшей поверхности частиц* S, M^_f к общему объему материала V, м^, или к его массе М, кг:

Степень дисперсности и удельная поверхность связаны соотношением.

где Sh — поверхность частиц в пробе пыли^ м^; - объем частиц в пробе пыли, м^; d_cp — средний диаметр частиц в пробе пыли, м; к — число частиц в пробе пыли.

Форма частиц учитывается при определении дисперсности. Обычно пыль механических газовых систем (вентиляционных систем) включает частицы различных размеров неправильной формы. Коэффициент формы можно выразить через поверхность частицы S и ее объем V.

Плотность частиц зависит от их структуры. Различают истинную и насыпную плотности. Истинная плотность J3_re, кг/м^, — это маоса единицы объема частиц, не имеющих внутренних пор. Насыпная плотность j5_Hac «кг/м^, — это масса единицы объема порошкообразного материала.

Слипаемость пылей, т. е. способность частиц слипаться между собой и налипать на поверхности, с которыми они соприкасаются, обусловлена адгезионными свойствами. Сила адгезии зависит от свойств поверхностей сцепления и, прежде всего, от удельной свободной энергии и силы поверхностного натяжения. По Б. В. Дерягину, сила адгезии _% Н «действующая между двумя сферическими частицами одинакового диаметра d, равна ?9].

где (if — поверхностное натяжение на границе твердого тела и воздуха, Н/м.

На слипаемость частиц влияют дисперсность, пластичность материала и влажность пыли, форма частиц. Все пыли подразделяются на неслипаюшиеся (шлаковая, глиноземная), среднеслипающиеся (доменная, окиси свинца, олова, цинка) и сильнослипающиеся (гипсовая, алебастровая, мучная).

Смачиваемость твердых частиц обусловливается явлением поверхностного натяжения. Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами контактирующего твердого вещества сильнее, чем между собой, жидкость растекается по поверхнсти тела, смачивая его. В противном случае смачивания не происходит, и жидкость собирается на поверхности в каплю. По степени смачиваемости все пыли подразделяются на гидрофильные (смачивающиеся) и гидрофобные (несмачиваюшиеся). Гидрофильные частицы «втягивают» воду силой поверхностного натяжения, действующей на границе воды и воздуха. Когда плотность пыли больше плотности во — ды, к этой силе прибавляется сила тяжести, и частица тонет. Если плотность пыли меньше плотности воды, то вертикальная составляющая сил поверхностного натяжения уменьшается, но подъемную силу воды, а их соотношение определяет поведение частицы пыли на поверхности. Гидрофильные частицы поддерживаются на поверхности воды силами поверхностного натяжения. Вертикальная составляющая этих сил прибавляется к подъемной силе. Способность твердых тел к смачиванию уменьшается с увеличением дисперсности. Можно считать, что частицы размером меньше 5 мкм гидрофобны независимо от их состава.

Электрические свойства пыли оказывают воздействие на процесс осаждения частиц. Пылевая частица получает заряд как в процессе своего образования, так и в результате взаимодействия с окружающей средой. Аэрозольная система может иметь в своем составе частицы, заряженные положительно, отрицательно, нейтрально. Соотношение этих частиц определяет суммарный заряд системы.

Пожарои взрывоопасность пыли — одно из важнейших отрицательных ее свойств. Измельчение веществ приводит к повышению их химической активности, в частности, к окислению с выделением теплоты, переходящей при определенных условиях в горение. Различают воспламенение пыли, когда процесс возникновения горения происходит в результате нагрева извне, и самовоспламенение, когда горение возникает, как правило, в результате самоускорения реакции окисления. Температура самовоспламенения у аэрозолей значительно выше, чем у порошков.

Взрыв — одна из разновидностей реакции горения, протекающей почти мгновенно. Возбуждение взрыва пыли возможно только при сочетании определенных условий, необходимых для взрыва. Этими условиями являются:

концентрация пыли в воздухе в определенных пределах, которые назьваются нижним и верхним пределом взрыва;

наличие источника теплоты достаточной температуры и мощности в запыленной зоне;

питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.

Нижний предел — это минимальное, а верхний — максимальное содержание пыли в воздухе для возникновения взрыва.

На взрывоопасность аэрозолей существенное влияние оказывают дисперсность частиц (температура воспламенения при повышении дисперсности уменьшается), наличие инертных включений и влажность материала. Последние два показателя снижают взрывоопасность аэрозоля за счет рассеивания тепловой энергии и укрупнения частиц.