Вступ

Ефективність апаратів сухого пиловловлення дуже сильно залежить від сипкості пилу та його здатності до злипання, оскільки ці властивості впливають на безперебійне і самопливне видалення вловленого матеріалу з пиловловлювачів. В процесі роботи систем очищення повітря на внутрішніх поверхнях трубопроводів та апаратів сухого пиловловлення, відкладається пил, що веде до збільшення втрат тиску, і як наслідок до збільшення енерговитрат, а також до зниження ефективності очистки, а в окремих випадках до виходу з ладу пиловловлювачів. Сильно злиплий пил утворює склепіння в бункерах і засмічує вивантажувальні затвори, що ускладнює надійність пиловловлювачів, запобігає ефективній роботі та потребує втручання обслуговуючого персоналу. Роботи щодо очищення пиловловлювачів виконують, переважно, в замкненому просторі у незручному положенні в шкідливих умовах, що дуже небезпечно для обслуговуючого персоналу. Проблема налипання пилу і подальше його видалення може бути вирішена завдяки проведенню досліджень сипкості пилу і його здатності до злипання, результати яких можуть бути використані під час проектування або вибору апаратів сухого пиловловлення, а також під час вибору способу та інтенсивності струшування пилу при регенерації пилоосаджувальних поверхонь.

Мета роботи – оволодіти методиками визначення розривної міцності шару пилу методом роз’ємного циліндра, а також методи визначення статичного і динамічного кутів природного скосу сипкого матеріалу.

Загальні положення

Налипання пилу на внутрішніх поверхнях корпуса, а також на пилоосаджувальних поверхнях, на стінках бункера та у розвантажувальних отворах і жолобах, обумовлюється адгезією та аутогезією часток пилу.

Адгезія пилу – взаємодія часток з поверхнями.

Аутогезія пилу – взаємодія часток між собою.

В апаратах сухого пиловловлення адгезія пилу відбувається на початковій стадії, коли частки налипають на чисті внутрішні поверхні пиловловлювача, утворюючи моно шар пилу. Взаємодія часток з поверхнями обумовлена переважно молекулярними і електричними силами, а при наявності вологості (повітря або пилу) – капілярними силами. Сили адгезії в значній мірі залежать від природи пилу, розміру і форм його часток, вологості повітря і часток пилу, а також від природи матеріалу і шорсткості внутрішніх поверхонь пиловловлювача, їх температури [1,2]. Наприклад, на холодні внутрішні поверхні повітропроводів і пиловловлювачів частки пилу налипають краще ніж на гарячі. Підсиленню адгезії сприяє збагачення моно шару пилу дрібнодисперсними частками, які міцно прилипають до поверхні [3]. Збагачення моно шару пилу відбувається в результаті того, що крупні частки легше зриваються з поверхні потоком повітря, а їх місце займають дрібнодисперсні частки. В наслідок цього, на внутрішніх поверхнях пиловловлювача утворюється моно шар пилу з дрібнодисперсних часток, який складно видалити звичайними засобами регенерації, без механічного втручання. Чим дрібніше розмір часток, тим більша поверхня контакту, а значить частки пилу краще налипають на поверхні.

Оскільки товщина моно шару пилу на внутрішніх поверхнях пиловловлювача відповідає розміру дрібнодисперсних часток, то адгезія пилу не суттєво впливає на роботу систем і апаратів сухого пиловловлення. Але, наявність шару пилу на внутрішніх поверхнях пиловловлювача сприяє аутогезії пилу, яку в сфері пиловловлення називають злипанням. Злипання пилу залежить від властивостей матеріалу, розміру часток, вологості пилу, температури та інших факторів [4].

Аутогезія пилу (злипання часток) обумовлена силами молекулярної, когезійної, механічної та електричної взаємодії. Наявність вологи сприяє появі капілярних сил.

Сили молекулярної взаємодії (сили Ван-дер-Ваальса) – проявляються при контакті часток між собою і залежать від природи пилу, форми та розмірів часток, а також відстані між частками. Сили молекулярної взаємодію можуть проявлятися на відстані менше 0,7нм (відносно невеликий зазор між частками) і на відстані більше 0,7нм (великий зазор між частками) до безпосереднього контакту. Сили молекулярної взаємодії характерні тільки для часток розміром менше 0,1 мкм.

Сили когезійної взаємодії – проявляються при контакті часток між собою, але їх наявність обумовлюється зовнішнім зусиллям, здатним зруйнувати адсорбційні та окисні плівки, які перешкоджають когезії. Когезія – це зв'язок між молекулами (атомами, іонами), що призводить до утворення агрегату (єдиного тіла). Когезійні сили діють також при утворенні «містків» між частками, наприклад при спіканні, кристалізації та інших фізико-хімічних перетворень в зоні контакту.

Сили електричної взаємодії складаються з кулонівських та електричних сил. Кулонівські сили проявляються при наявності надлишкових зарядів на частках пилу. Електричні сили обумовлюються різницею потенціалів між окремими зарядженими частками, що стикаються. Більшість часток пилу мають електричні заряди, які утворюються в результаті тертя часток о поверхню або середовище, в якому вони рухаються, або у разі тертя з іншими частками пилу, або при потраплянні часток в електричне поле, або у разів адсорбції іонів з повітря.

Сили механічної взаємодії характерні для великої кількості часток неправильної форми, з яких складається шар пилу. Механічне зчеплення проявляється в тому випадку, коли форма часток відрізняється від кулі. Поява сил механічного зчеплення обумовлена механічною взаємодією сусідніх часток, які утворюють опорну (підтримуючу) силу. Чим складніша форма часток, тим більша вірогідність їх механічного зчеплення, а значить злипання. Частки пилу пластинчастої форми мають підвищену здатність до злипання, через значну площу контакту поверхонь двох часток.

Сили капілярної взаємодії проявляються при збільшенні вологості пилу. Дослідні данні свідчать, що поява капілярних сил спостерігається при відносній вологості повітря більше 65% [2]. Якщо пил недостатньо насичений вологою, то рідина, що знаходиться в порах, намагається утримати частки разом, за рахунок сил капілярного тиску. У разі повного насичення пилу вологою, утворюються краплі з твердими частками в середині, які зберігають свою форму завдяки силам поверхневого натягу. Таким чином, зволоження пилу покращує злипання часток, незалежно від їх дисперсності, форми та інших властивостей.

Сили молекулярної та електричної взаємодії проявляються самостійно і характерні як для двох часток так і для великої кількості часток (шару пилу). Сили когезії та капілярної взаємодії також характерні як для двох часток так і для великої кількості часток, але для їх появи необхідні певні умови: зовнішнє зусилля, яким частки притискаються між собою або наявність вологи. Сили механічного зчеплення і сили капілярного тиску (у разі заповнення рідиною пор сипучого матеріалу), характерні для аутогезії тільки великої кількості часток.

Таким чином, аутогезія пилу може бути обумовлена одночасною взаємодією всіх сил, які забезпечують міцність індивідуальних контактів між частками F₁:

F₁ = F_м + F_к + F_е + F_м.з.

F₁ = F_м + F_к + F_кап. + F_м.з.

де F_м – сили молекулярної взаємодії;

F_к – сили когезійної взаємодії;

F_е – сили електричної взаємодії;

F_м.з. – сили механічної взаємодії;

F_кап. – сили капілярної взаємодії.

Але, при цьому, неможлива одночасна взаємодія капілярних і електричних сил, оскільки при збільшенні вологості збільшується кількість нейтрально заряджених часток.

Сила яка може роз’єднати контакти між двома частками F_отр, чисельно рівна силі зчеплення між частками F₁ (рис. 1б).

Рис. 1 Схеми адгезійної та аутогезійної взаємодії часток пилу

1 – адгезія часток; 2 – аутогезія двох часток; 3 – аутогезія великої кількості часток;

Але аутогезія великої кількості часток (шару пилу) не може характеризуватися лише міцністю індивідуальних контактів F₁, оскільки необхідно враховувати кількість контактів на одиницю площі перерізу. Оцінку аутогезії шару пилу можна зробити завдяки параметру, який називають міцність на розрив тіла, утвореного з великої кількості часток. Тобто, сила якою можна роз’єднати контакти великої кількості часток F_отр, чисельно рівні значенню розривної міцності шару пилу Р. Таким чином, розривна міцність шару пилу характеризує його здатність до злипання або аутогезійну здатність.

Всі різновиди пилу, в залежності від здатності до злипання, класифікують на чотири групи:

І група (не злипаються) – Р < 60 Па;

ІІ група (слабо злипаються) – 60 <Р < 300 Па;

ІІІ група (середньо злипаються) – 300 <Р < 600 Па;

ІV група (сильно злипаються) – Р > 600 Па.

Дрібнодисперсний пил (δ₅₀ = 1 – 10мкм ) і дуже дрібнодисперсний пил (δ₅₀ < 10мкм ), що складається на 60-70% з часток розміром менше 10мкм дуже добре злипається і відноситься до ІV групи. Середньо дисперсний пил (δ₅₀ = 10 – 40мкм ) відноситься до ІІІ категорії.