1. Свойства, определяющие пожароопасность пылей
Многие технологические процессы, связанные с получением или переработкой пылевидных материалов, являются пожаро- и взрывоопасными. Взрывы промышленных пылей представляют большую опасность, так как часто влекут за собой не только большие материальные убытки, но и гибель людей. По данным зарубежной статистики, в США в 1965 г. на различных производствах, получающих и перерабатывающих пылевидные материалы и порошки, произошло 1173 взрыва, которые причинили убыток 119,4 млн. долларов; при этом погибли 681 человек, 1791 человек получили ранения.
Пыль — это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы. Пыли по общей классификации коллоидно-дисперсных систем относится к аэрозолям, и которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой — твердое вещество в раздробленном состоянии с частицами размером менее 100 мкм.
Пыль может образовываться при механическом измельчении твердых тел, а также при получении порошкообразных и пылеобразных веществ методами кристаллизации и сублимации; может находиться в осевшем и по взвешенном состоянии.
Осевшая пыль называется аэрогелем пыль-гель.
Пыль, находящаяся во взвешенном в воздухе состоянии, называется аэрозолем пыль — аэровзвесь.
Аэрозоли и аэровзвеси являются гетерогенными системами. Однако аэровзвеси по своим свойствам занимают промежуточное место между аэрогелями и гомогенными газо- и паровоздушными смесями. Аэровзвеси сходны с аэрогелями тем, чтообе
эти системы являются гетерогенными, дисперсными системами с одинаковой твердой фазой и поведение их определяется физико-химическими свойствами твердой
фазы. С газо- и паровоздушными смесями аэровзвеси сходны тем, что горение большинства из них протекает в виде взрыва, поэтому аэровзвеси, как и газовоздушные смеси, характеризуются многими однотипными, параметрами. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ. Поэтому аэровзвеси более пожаро-взрывоопасны, чем аэрогели.
Из свойств аэровзвесей наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.
Дисперсность.
Дисперсностью называется степень измельченности частичек пыли. Так, если кубик объемом 1 см3 разбить на n3 кубиков, то каждый кубик будет иметь ребро n=1a см. Отсюда n=1а. Величина п называется степенью дисперсности. Следовательно, степень дисперсности — это величина обратная диаметру пылинки. Чем больше степень дисперсности, тем меньше диаметр пылинок.
Для частиц неправильной формы вводится понятие эквивалентного диаметра. Это диаметр шара, имеющего объем, равный объему средней частицы пыли. Средний диаметр характеризует полидисперсную пыль, т.е. пыль, состоящую из пылинок различного диаметра.
Дисперсный состав пыли определяют методами микроскопии, седиментометрии и механического разделения ситовой и фильтрационный анализ. Наиболее распространенным методом является ситовой рассев, позволяющий определять состав пыли с частицами размером до 40 мкм и выявлять относительное содержание частиц различных размеров. Со степенью дисперсности пыли тесно связана удельная поверхность пыли, которая увеличивается с повышением степени дисперсности пыли табл. 6.
Как видно из таблицы, величина удельной поверхности частицы Sо прямо пропорциональна степени дисперсности S0 = R
где R — коэффициент, зависящий от геометрической формы частиц; для шара R=1, для куба R=0,806 для цилиндра R=0,58- 0,86 и т. д
Конфигураций пылинок зависит в основном от рода твердого тела, а не от способа получения пыли. Так, волокнистые материалы лен, джут, хлопок и др. образуют пылинки удлиненной формы с малым поперечным сечением.
Степень дисперсности оказывает влияние на все другие свойства пыли. С увеличением степени дисперсности повышается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, понижается температура самовоспламенения и величина нижнего концентрационного предела воспламенения.
Химическая активность.
Под химической активностью понимается способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе и в реакции окисления и горения. Химическая активность пыли определяется природой вещества, из которого она образована качественный и количественный состав и строение молекул вещества, и в большой степени зависит от ее дисперсности. С увеличением дисперсности возрастает химическая активность пыли. Это объясняется тем, что химическая реакция между твердым веществом пылинками и газообразным окислителем протекает на поверхности твердого вещества. Скорость реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а так как с увеличением дисперсности увеличивается удельная поверхность, химическая активность возрастает. Например, если 500 г каменного угля в кусках сгорает в течение нескольких минут, то 590 г каменноугольной пыли сгорает за доли секунды. Металлы — железо, алюминии, цинк, обычно не горящие при нормальных условиях, в состоянии пудры моментально самовозгораются при контакте с воздухом.
Поэтому пудры и порошки этих металлов готовят в среде инертного газа N2 или Ar и перетирают с твердым жиром. Химическая активность зависит от количества дефектов молекулярных и кристаллических структур, число которых в свою очередь зависит от дисперсности и природы вещества.
Адсорбционная способность.
Твердые частицы пыли способны адсорбировать окружающие пары и газы. Адсорбцией называется поглощение паров и газов поверхностью вещества. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция протекает за счет сил межмолекулярного
Взаимодействия сил Ван- дер- Ваальса.
Физическая адсорбция протекает самопроизвольно, и адсорбируемые пары и газы стремятся полностью занять всю поверхность каждой пылинки.
Величина адсорбированных пылинкой паров и газов зависит от поверхности пылинки и величины дипольного момента молекул адсорбируемых газов и самого твердого вещества,
из которого образовалась пыль.
Так энергия взаимодействия между двумя молекулами определяется уравнением:
U=212 3r6 1kT
где 1 и 2 — дипольные моменты молекул соответственно адсорбированного газа и твердого тела;
r — расстояние между молекулами
k — константа
Больцмана
T — абсолютная температура.
Вещества пористой структуры обладают более высокой адсорбционной способностью. Так, 50 см3 сажи могут адсорбировать 950 см 3 воздуха.
Помимо физической адсорбции на поверхности пылинок протекает хемосорбция — поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества с поверхностью твердой пылинки. Хемосорбция основывается на силах валентных и координационных связей.
Физическая и химическая адсорбция, сопровождается выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии геля могут самонагреваться и самовозгораться. Отмечены случаи самовозгорания газовом сажи при хранении ее в бункерах по мешках, уложенных в штабели.
Адсорбированные на поверхности пылинки, молекулы паров и газов повышают устойчивость аэровзвеси, увеличивают возможность окисления, ускоряют подготовку пыли к горению. Адсорбция пылью ионов из воздуха способствует ее электризации. Но если пыль адсорбирует негорючие газы Н2, СО2, — её пожарная опасность уменьшается, понижается склонность пыли к самовозгоранию, повышается температура самовоспламенения, снижается склонность пыли ко взрыву. Это явление находит практическое применение на объектах народного хозяйства.