ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Основные свойства аэрозолей

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 пы - леизмерительных 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.

Дисперсность - степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение час­тиц аэрозолей по размерам. Он показывает, из частиц какого размера со­стоит данный аэрозоль, и массу или количество частиц соответствующего размера.

Дисперсность в значительной мере определяет свойства аэрозолей. 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 22 м (вместо 600 мм ).

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 аэрозоль с различных сторон. Кроме физических и химических свойств, дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия распространения аэрозолей 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.

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 аэрозолей определяют лабораторными исследо­ваниями с использованием различных методов.

Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц: по диаметру частицы; 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 одинаковой 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 - диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого одинакова с площадью проекции частицы.

Седиментационный диаметр частицы - диаметр шара, скорость осе­дания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.

Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10 до 1 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 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.

Дисперсный состав пыли представляют в виде таблицы или графика. В таблице дается распределение пыли по фракциям в процентах от общей массы. Пример приведен в таблице 2.3.

Совокупность всех фракций аэрозоля называют фракционным соста­вом его дисперсной фазы, которую можно представлять графически. Отклады­вая по оси абсцисс значения интервалов, составляющих фракции, а по оси ор­динат - доли или процентные содержания частиц соответствующих фракций, получают гистограммы - ступенчатые графики фракционного состава. С уменьшением интервалов фракций гистограммы приближаются к плавным кривым. Иногда такие кривые бывают близки по форме к кривой нормального распределения случайных величин, которая описывается двумя параметрами - средним диаметром частиц Dm и стандартным отклонением а от него:

N N N N

A = [IMi(Dm - Di)2/SMi]1/2, (2.1) i=1 i=1

Где Мі - число частиц в i-той фракции.

Теоретически обосновано, что дисперсность пыли, образующейся при измельчении материала в течение достаточно длительного времени, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения.

Распределение частиц в реальных аэрозолях отличается от нормально­го, но для многих из них все же может быть приведено по форме к нор­мальному, если на графиках по оси абсцисс вместо размеров частиц откла­дывают значения их логарифмов. В таких случаях считают, что размеры час­тиц аэрозоля распределены по логарифмически нормальному закону. Кривую логарифмически нормального распределения также можно задать двумя пара­метрами - логарифмами среднего диаметра и стандартного отклонения от него:

N N N N

LgDm = SMilgDi/SMi-; lga = [SMi(lgDm - №)/£М]1/2, (2.2)

I=1 i=1 i=1 i=1

Интегральные кривые нормального и логарифмически нормального распределений имеют форму интеграла вероятностей, что позволяет ис­пользовать таблицы его значений во всех расчетах, связанных с распреде­лением частиц аэрозоля по размерам.

Удобно построить специальную координатную сетку, в которой ин­тегральная кривая логарифмически нормального распределения преобразу­ется в прямую линию. График дисперсного состава пыли обычно выпол­няют в вероятностно-логарифмической системе координат. По оси абсцисс такой системы координат откладывают значения размеров частиц в лога­рифмическом масштабе, а по оси ординат - доли или процентное содержа­ние частиц в вероятностном масштабе, т. е. значения интеграла вероятно­стей для соответствующих долей или процентных содержаний частиц.

Стандартное отклонение lg a определяется из свойства интеграла ве­роятностей соотношением:

Lga = lgD84,1 - lgDm = lgDm - lgD15,9, (2.3)

Где D841 и D159 - абсциссы точек в вероятностно-логарифмической системе ко­ординат (рис. 2.1), ординаты которых имеют значения 84,1 % и 15,9%. Распреде­ления, близкие к логарифмически нормальным, аппроксимируют прямыми и считают, что они однозначно определяются параметрами a и Dm.

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. 2.2.

Если линия, характеризующая дисперсный состав пыли, проходит по нескольким участкам номограммы, пыль относят к группе, более высокой по дисперсности.

Дисперсность аэрозолей характеризует также медианный диаметр.

Медианным (средним) диаметром d50 называют такой размер частиц, по которому массу аэрозоля можно разделить на две равные части: масса частиц мельче d50 составляет 50 % всей массы пыли, так же как и масса частиц крупнее d50.

Плотность — масса единицы объема, кг/м.

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.

Удельная поверхность аэрозоля - отношение поверхности всех час­тиц к их массе или объему.

Значение удельной поверхности позволяет судить о дисперсности

Пыли.

Слипаемость пыли. Склонность частиц к сцеплению друг с другом оп­ределяется аутогезионными (когезионными) свойствами и в технике пылеочист- ки получила название "слипаемость".

Взаимодействие пылевых частиц между собой называется аутогези - ей. 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.

По степени слипаемости пыли могут быть разделены на четыре группы (табл. 2.5.).

Считают, что для влажной пыли степень ее слипаемости должна быть увеличена на один уровень. Слипаемость возрастает с уменьшением размера частиц.

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.

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, пыле - проводах.

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.

Смачиваемость пыли. На смачивании пыли распыленной водой ос­новано мокрое пылеулавливание. Смачиваемость пыли определяет воз­можность ее гидроудаления, применение мокрой пылеуборки производст­венных помещений.

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.

Основные электрические свойства пыли — удельное электрическое сопротивление и электрический заряд пыли.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует элек­трическую проводимость слоя пыли. УЭС равно сопротивлению прохож­дения электрического тока через куб пыли со стороной, равной 1 м (Омм).

По значению УЭС пыль можно разделить на три группы: хорошо

2 2 8 9

Проводящая < 10 Ом м, со средней проводимостью 10 "10 " Ом м, высо-

8 9

Коомная >10 Ом 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. На рис. 2.3. 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 90­180°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.

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 обра­зования взрыва может быть заряд статического электричества.

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 СаСО3; Al2O3; Fe2O3; MgCO3 - отрицательно.

Частицы, имеющие одноименные заряды, при взаимодействии от­талкиваются, разноименные - притягиваются.

Взаимодействие двух тел, размерами которых можно пренебречь, описывается законом Кулона. При высокой концентрации частиц во взве­шивающей среде кулоновские силы способствуют процессам коагуляции.

Горючесть и взрываемость пыли. Способность образовывать с воз­духом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли.

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.

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.

Специфические характеристики пылегазовых выбросов. Все реаль­ные газовые выбросы содержат воду в состоянии перегретого, насыщенно­го или влажного пара. Молекулы и агрегированные частицы воды диф­фундируют в отбросные газы, испаряясь и возгоняясь с жидких и твердых поверхностей, уносятся газовым потоком при разбрызгивании и распылении жидко­сти, образуются в газовой фазе при протекании химических реакций (например, при горении топлива), попадают в выбросы вместе с воздухом, участвующим в технологическом процессе.

Максимально возможное содержание водяного пара в неподвижном газовом объеме однозначно связано с параметрами его состояния. Количе­ственно содержание влаги в газах характеризуется абсолютной и относи­тельной влажностью. Абсолютной влажностью или влагосодержанием d называют массу водяных паров, приходящуюся на единицу объема или массы газа. Относительная влажность показывает степень насыщения газа водяным паром и представляет собой отношение имеющегося количества водяного пара в газе к максимально возможному в данных условиях. Отно­сительную влажность удобно выражать через отношение парциального давления водяного пара в газе к давлению (упругости) насыщенного пара при той же температуре.

Носителями загрязняющих выделений большинства производственных выбросов служат воздух или дымовые газы. Упругость насыщенных паров и другие параметры воздуха, загрязненного не более чем на несколько про­центов, можно с допустимой для инженерных расчетов погрешностью опреде­лять по таблицам и диаграммам влажного воздуха. Влажность дымовых газов за­висит от вида, состава, а иногда и способа сжигания потребляемого топлива, от влажности воздуха, поступающего в зону горения и газоходы топливоисполь - зующего устройства и определяется расчетом по стехиометрическим и балансо­вым уравнениям.

Если известны значения t (°C), ф (%) влажного газа произвольного со­става и его давление (для атмосферного воздуха - атмосферное давление р (Па), то остальные параметры можно вычислить по соотношениям:

Где рн, рн - плотность (кг/м3) и давление (Па) насыщенного пара при заданной температуре Т; рп, рп, gn - плотность, парциальное давление и массовая доля па­ра; рг, рг, gr - то же, сухого газа; Rn, сп, іп - газовая постоянная (кДж/кгК), теп­лоемкость (Дж/кгК) и энтальпия (кДж/кг), пара; Яг, сг , іг - то же, сухого газа; R, с, і - то же, влажного газа.

В реальных газовых выбросах наряду с влагой всегда присутствует определенное количество твердых частиц, которые находятся в постоянном контакте с жидкой и газовой фазой. В конкретных условиях взаимодейст­вие частиц, находящихся в различных агрегатных состояниях, может про­явиться в химических реакциях, механическом смешивании или взаимном растворении.

Для правильного выбора способов обработки твердых и, в особенности, жидких загрязнителей газовых выбросов важно знать не только их дисперсный, но и химический состав. Ингредиенты загрязнителей могут быть инертны или химически активны к материалу очистного устройства и коммуникаций, к влаге, сорбентам, могут испаряться, возгоняться, разлагаться, воспламеняться при об­работке. Чтобы избежать негативных последствий или непредвиденных ре­зультатов разрабатываемого способа обезвреживания, необходимо иметь информацию о химическом составе загрязнителей и свойствах ингредиен­тов в области параметров, соответствующей условиям их обработки.