Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Аэрология горных предприятий. Пыль и ее опасность в промышленности

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 194 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

2) облака, в которых диаметр составляющих частиц колеблется в пределах от 10–3 до 10–5 см; такие частицы оседают в неподвижном воздухе с постоянной скоростью, зависящей от их размера согласно закону Стокса; эти частицы также не способны диффундировать;

3) дымы, в которых диаметр частиц лежит в пределах

–5

…10–7 см; таким частицам свойственно активное броуновское движение; они довольно быстро диффундируют и в неподвижном воздухе вовсе не оседают.

2.2. Образование пыли

Пыль образуется в результате сгущения пара или дезин-

теграцией (измельчением) жидкого или твердого тела.

Если охлаждать насыщенный пар, так что он становится пересыщенным, то часть его проявляет тенденцию конденсироваться на какой-нибудь подходящей «свободной поверхности» – так называемом ядре сгущения. Таким ядром сгущения могут быть стенки сосуда, взвешенные в паре частицы пыли или газовые молекулы, ионизированные, например, ультрафиолетовыми лучами (до, во время или после наступления насыщения). Вполне очевидно, что характер конденсата будет сильно варьироваться в зависимости от свойств поверхности, на которой он образуется. На гладкой поверхности, жидкой или твердой, если только она способна смачиваться веществом, находящимся в парообразном состоянии, образуется пленка. На жидкой поверхности такая пленка движением жидкости разрывается на отдельные пятна. Если сгущаемое вещество обладает высоким поверхностным натяжением и не «смачивает» поверхности, то оно образует мелкие частицы. При конденсации пара одновременно на многочисленных газовых молекулах, ионах или мелких взвешенных в нем пылевых частицах образуется мелкодисперсный конденсат. Так, если насыщенный водяной пар, находящийся, например, в стеклянном сосуде и совершенно свободный от взвешенной пыли или газовых ионов, адиабатически расширять, так что он охлаждается и поэтому

становится пересыщенным, то сгущение будет происходить исключительно на стенках резервуара, до тех пор пока степень расширения не возрастет настолько, что начнется конденсация на агрегатах молекул самого водяного пара. Если, однако, водяной пар содержит пыль или свободные ионы, то за расширением его немедленно же последует образование мелкого дождя или тумана, в зависимости от численности ядер сгущения.

Из сказанного выше следует, что при данной степени перенасыщения, а следовательно, для данной массы сгущенного пара, степень дисперсности, иными словами, «мелкости» частиц получающегося пылевого конденсата тем выше, чем многочисленнее ядра сгущения. Если сгущение пара происходит при температуре ниже точки замерзания воды, то образуются либо переохлажденные капли воды, либо ледяные кристаллы.

В промышленности многие вещества образуются сгущением паров. Пар охлаждается либо адиабатическим расширением, либо примешиванием к горячему пару более холодного газа. И наоборот, пар может образовываться в результате химического взаимодействия между двумя газами, происходящего при той температуре, при какой получающийся продукт реакции окажется в состоянии сильного перенасыщения. Пары цинка на воздухе сгорают, образуя окись цинка, которая, будучи значительно менее летучей, нежели обе ее составные части – цинк и кислород, сгущается и образует тонкий голубой дым, из которого окись цинка может быть получена фильтрованием. Цинковая и алюминиевая пыль такого качества, которое достаточно для дальнейшего использования в различных областях, получаются путем перевода металла в парообразное состояние в вольтовой дуге и последующим удалением образующихся при этом паров, разбавляемых большим количеством какого-либо инертного газа, например азота. Степень дисперсности полученного продукта будет тем выше, чем больше плотность газа, выше его давление и чем быстрее происходит охлаждение пара.

Сажу получают сжиганием углеводородов при недостаточном доступе кислорода. Уголь значительно менее летуч, чем углеводороды, и конденсируется с образованием густого черного дыма.

Пыль в промышленности образуется в большинстве случаев дезинтеграцией твердого или жидкого тела. При измельчении какого-либо вещества в мельнице или в дробильной машине часть образующихся мельчайших частиц попадает в окружающий воздух. При перемещении или ссыпке какихнибудь сыпучих тел, таких как, например, зерно или мука, вокруг них поднимаются клубы мелкой пыли.

Бурение горной породы или взрывание ее, практикуемое в рудниках и каменоломнях, приводит к образованию весьма большого количества пыли, значительная доля которой рассеивается в окружающем воздухе. Когда жидкость взбивается в пену или распыляется, она рассеивается, образуя легкое облако или туман.

Во всех процессах механического измельчения имеет место нарушение силы сцепления (когезии). Энергия, затрачиваемая на это, прямо пропорциональна сумме площадей возникших поверхностей, иными словами, пропорциональна степени размельчения получаемого продукта. Большая часть этой энергии проявляется в виде тепла, что приводит к повышению температуры продукта.

Степень измельчения вещества, которую можно достичь применением процессов его размельчения, имеет свои пределы, причем она значительно уступает той, которая достигается путем сгущения пара. Размельчение можно производить с использованием срезывающих или растягивающих аппаратов, дробильных или вальцовых мельниц или с помощью ударов, а также машин типа дезинтегратора (устройства для измельчения материалов).

Успешность того или иного размельчающего процесса зависит в первую очередь от твердости подлежащих измельчению тел. По мере размельчения вещества образуется либо пыль, либо паста (в зависимости от того, сухой

или влажный способ размельчения применялся), которые поддаются дальнейшей обработке вследствие трения друг о друга отдельных составляющих ее зерен. В процессе любого размельчения наступает момент, при котором так называемые осколки измельчаются настолько мелко, что полученный порошок выдерживает приложенное к частицам давление без превышения предела упругости отдельных частиц. В таких случаях сопротивление вещества так незначительно, что дальнейшее применение дезинтегрирующих сил уже не дает никакого эффекта. Продуктивность обработки можно значительно повысить, если потоком воздуха или отсеиванием удалить более мелкие частицы и только более крупные из них снова направить в дробильный аппарат. В некоторой степени это верно и по отношению к производительности вальцов, в которых мелкие обломки свободно передвигаются между движущимися поверхностями, так что вместо дальнейшего раздробления отдельным частицам лишь сообщается вращательное движение.

Жидкие тела относительно легко поддаются распылению благодаря их сравнительно низкой вязкости. Жидкость, быстро отбрасываемая на поверхность некоторого тела – твердого, жидкого или газообразного – испытывает в точках соприкосновения с ним растяжение, причем наступает момент, когда создавшееся напряжение превышает поверхностное натяжение жидкости. Удельная поверхность жидкости чрезвычайно увеличивается, и положение ее становится неустойчивым. Это влечет за собой распадение жидкости на многочисленные капли, из которых каждая обладает меньшей удельной поверхностью и, следовательно, оказывается более устойчивой. Сходное явление наблюдается при исследовании жидкости, разбитой на тонкие струи (например, путем пропускания через сетчатую пластинку), – струйки теряют свою устойчивость, если их длина превышает утроенный диаметр, и распадаются на сферические капли.

Существует множество различных систем пульверизаторов для распыления воды, масла и жидких металлов. Все они построены по одному принципу – струя жидкости направляется так, чтобы она резко ударялась о какую-нибудь относительно быстро движущуюся поверхность, например о вращающийся диск, или сталкивалась с другой струей той же жидкости или сжатого газа. Таков же путь образования легкого тумана при кипении – тонкая пленка пузырей разрывается и распадается на мелкие капли.

2.3. Физические свойства аэрозолей

Физическое равновесие между твердой или жидкой фазой и соответствующей фазой пара, с которым она находится в контакте, может установиться только путем обмена обеих фаз молекулами через поверхность их соприкосновения. Чем больше поверхность соприкосновения, т.е. чем больше удельная поверхность вещества, тем легче устанавливается равновесие. Тонна кипящей воды в распыленном состоянии легче испаряется и охлаждается быстрее, чем та же тонна воды, налитая в глубокий чан. Эта роль поверхности используется в процессах испарения, протекающих в тонких пленках или в распыленной жидкости.

Если степень дисперсности частичек настолько велика, что радиус капелек воды меньше 0,001 мм, то кривизна поверхности их оказывается столь значительной, что молекулы, находящиеся вблизи поверхности, слабее удерживаются притяжением более глубоко лежащих молекул и легче отрываются. Упругость пара таких малых капелек выше, а следовательно, их температуры кипения ниже. При 0 С упругость пара воды (водяного пара), имеющей плоскую поверхность, равна 6000 дин/см ным 0,0000016 мм, она вдвое больше. В действительности такая исключительно высокая степень дисперсности никогда не достигается в производстве, и повышение давления пара в очень мелких каплях в настоящее время промышленного значения не имеет.

, на поверхности капли с диаметром, рав-

2.4. Электрические свойства аэрозолей

Вследствие того что электрический заряд распределяется по поверхности тела, электроемкость последнего зависит от величины его поверхности. При распылении тела поверхность его, а следовательно, и электроемкость, во много раз увеличивается, особенно если пыль рассеяна в воздухе или в каком-нибудь ином газе. Жидкие или твердые частицы заряжаются следующими путями:

1) прямой адсорбцией ионов из самого газа;

2) путем контакта с соответствующей твердой или жид-

кой поверхностью.

Рудж (M.A. Rudge), специалист в области коллоидной химии, высказывает предположение [2], что в большинстве случаев пылевые частицы заряжаются вследствие соприкосновения друг с другом, причем знак заряда крупных частичек противоположен знаку заряда мелких.

Рассмотрим различные случаи получения пылью электрического заряда.

1. Поднятая ветром пыль становится электрически заряженной, причем знак заряда и величина его зависят от характера пыли и от электрического состояния атмосферы. В то же время воздух – или мельчайшие частички, которые носятся в воздухе, получают противоположный заряд.

Вдувая струей воздуха облако пыли в медную трубку так, чтобы пыль попала в укрепленный в трубке «мешок» из тонкой проволочной сетки, Рудж достиг накопления на ней статического электричества и таким образом смог определить не только наличие электрического заряда на пыли данного вида, но и знак заряда. Таким образом он исследовал 186 проб пыли различных видов и пришел к следующим выводам:

1) почти всякое тонко измельченное вещество, поднятое в виде облака пыли потоком воздуха, сообщает электрический заряд, как самой пыли, так и воздуху;

2) характер заряда пылевых частиц зависит от химических свойств данного вещества;

3) в общем и целом пыль оказывается заряженной электричеством, противоположным тому, какое свойственно иону того же вещества в растворах; так, сильно основные вещества (например, известь) образуют отрицательно заряженную пыль, а определенно кислые (например, кремнезем) – положительно заряженную пыль;

4) в случае солей заряд, по-видимому, зависит от относительной силы их кислотных и основных ионов;

5) вещества сходного строения имеют и одинаковые заряды.

В табл. 2.3 приведены заряды, приобретаемые различными веществами. Анализируя данные, указанные в табл. 2.3, важно помнить о пяти приведенных выше правилах, из которых довольно трудно выделить одно главное, однако в нашем случае главное внимание нужно обратить на правило 3. В то же время необходимо отметить, что существуют и исключения из этого правила.

Таблица 2.3

Заряды, возникающие на движущихся пылевых частицах

Вещество Заряд Вещество Заряд

Уголь

Хлорид меди

Азотно-калиевая соль

Песок

Хлористый натрий

Мелкие частицы почвы

Крахмал

Сера

Алюминий

Оксид алюминия

Декстрин

+ + + + + + + + – – –

Декстроза

Мука

Железо

Окись железа

Ликоподий

Магний

Оксид магния

Карбонат натрия

Цинк

Карбонат цинка

Оксид цинка

– – – – – – – – – – –

Равным образом, если струя воды распыляется или пульверизируется (разбрызгивается) в газе, происходящее при этом увеличение удельной поверхности приводит к заряжению капелек электричеством. Так, крупные дождевые

капли диаметром свыше 4 мм, сплющиваясь и разбиваясь вследствие сопротивления воздуха, приобретают положительный заряд, в то время как окружающий воздух заряжается отрицательно. При сильной вертикальной циркуляции, которая свойственна грозовой туче, опускающиеся положительно заряженные капли отделяются от отрицательно заряженного воздуха, который уносится в верхние слои. Таким образом, получается огромная разность потенциалов между верхними и нижними слоями тучи, и, наконец, напряжение достигает таких размеров, что возникает разряд молнии.

Когда при бурении на нефтяных промыслах нефть внезапно вырывается из буровой скважины и образует бьющий на значительную высоту фонтан, часть ее распыляется и образует отличающееся большой устойчивостью облако электрически заряженных капелек. Случается, что в таком облаке происходит электрический разряд достаточной силы, чтобы воспламенить облако и зажечь фонтан, порождая феномен, известный как «священный огонь Баку».

2. Пыль может также получить электрический заряд в результате трения о твердую поверхность. Таким именно путем – путем трения между частицами размельчаемого тела и частями самой машины, и образуется электрический заряд в вальцовых и штифтовых мельницах. Мелкая пыль, вылетающая из мельниц, заряжена электричеством. Если аппараты не заземлены, то и они также получают электрический заряд, причем возможно, особенно в сухую погоду, создание таких условий, которые вызывают сильный разряд, способный привести к весьма плачевным последствиям. По результатам исследований ученого в области физической химии Коэна (A. Cohen) [3], знак получающегося таким путем заряда зависит от знака разности между диэлектрической постоянной пыли и диэлектрической постоянной того тела, о которое происходит трение, причем тело, имеющее более высокую диэлектрическую постоянную, получает положительный заряд.

Для определения знака заряда находящейся в воздухе сахарной пыли был изготовлен прибор, состоящий из соединенного с электрометром изолированного цилиндра из мелкоячеистой медной проволочной сетки. Когда электрометр был заряжен положительно, при вдувании сахарной пыли с помощью тонкой капиллярной трубки в сетчатый цилиндр с расстояния в 5…10 см заряд электрометра возрастал. При повторении того же опыта с отрицательно заряженным электрометром заряд его при вдувании сахарной пыли уменьшался, при разряженном электрометре – он приобретал положительный заряд и разряжался при вдувании в цилиндр алюминиевой пыли. Результаты последнего опыта свидетельствуют о том, что взвешенная в воздухе алюминиевая пыль заряжена отрицательно.

Наблюдения показали, что при вдувании сахарной пыли с расстояния приблизительно в 5 см электрометр получал заряд выше 200 В.

Бейерсдорфер (P. Beyersdorfer), специалист в области физической химии, показал [4], что заряд, приобретенный 1 г сахарной пыли, пропущенной через медную трубку диаметром 1 мм, достигает 8,5 · 10

электростатических единиц

заряда.

Вычислив приблизительно число частиц, способных при такой постановке опыта прийти в непосредственное соприкосновение со стенкой трубки, Бейерсдорфер установил, что в среднем заряд каждой частицы равен 420 элементарным зарядам электрона, т.е. имеет тот же порядок, что и заряд частиц гидрозоля.

Устойчивость аэрозоля, подобно устойчивости гидрозоля, часто обусловлена наличием на частицах зарядов одного и того же знака. Введение противоположно заряженных ионов в гидрозоль уменьшает разность потенциалов между частицами и дисперсионной средой до тех пор, пока не будет достигнута изоэлектрическая точка и не произойдет флокуляция частиц. Подобным же образом можно вызвать осаждение частиц

и в аэрозоле под влиянием газовых ионов или введением несущих противоположный заряд пылевых частиц.

Бейерсдорфер очень подробно исследовал электрические свойства сахарной пыли. Прибор его, сходный с прибором Руджа, изображен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Опытная установка для определения знака

заряда пылевого облака:

1 – склянка; 2 – трубка; 3 – колба для отсасывания пыли;

4 – цилиндрический электрод; 5 – электроскоп

Наполненная мелко истолченным сахаром склянка 1 сообщается с помощью трубки 2 с колбой для отсасывания пыли 3. В колбе имеется цилиндрический электрод 4, размещенный так, чтобы попадающая в колбу пыль оседала на нем. Электрод соединен с электроскопом 5.

Сахарная пыль вдувалась в склянку струей сухого сжатого (до 2 атм) воздуха. При этом стеклянная трубка получила положительный заряд, а сахарная пыль – отрицательный. Таким образом, опыт подтверждает закон Коэна, так как диэлектрическая постоянная сахарной пыли составляет 3,32,

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 194 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]