2. пыль и ее свойства

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.

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.

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; 10 — автоматический регулятор пото-ка 11 — штуцер регулирования Потока; 12 — резиновая трубка; 13 — аллонж

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 отбираемого воздуха, л	1000	500	250	100

Концентрацию пыли в воздухе, с, мг/м , определяют по формуле:

tc — температура воздуха по сухому термометру, "С;

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.