/
Text
С.И.ТАУБКИН, И.С.ТАУБКИ И
ПОЖАРО-
1 ВЗРЫВООПАСНОСТЬ
ПЫЛЕВИДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
С. И. ТАУБКИН, И. С. ТАУБКИН
ПОЖАРО-
И ВЗРЫВООПАСНОСТЬ
ПЫЛЕВИДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
МОСКВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ" 1976
6П7.04
Т 23
УДК 628.511.132/ 133 : 614.841.41 : 66
Таубкин С. И., Таубкин И. С.
Т23 Пожаро- и взрывоопасность пылевидных мате¬
риалов и технологических процессов их переработки.
М., «Химия», 1976.
264 с., 110 рис., 25 табл., список литературы 262 ссылки.
В книге обобщены имеющиеся разрозненные сведения по
пожаро- и взрывоопасности пылевидных материалов во взве¬
шенном (аэрозоль) и осажденном (аэрогель) состояниях, а
также по важнейшим технологическим процессам их перера¬
ботки в химической промышленности. Сообщаются сведения о
методах исследования пожарной опасности пылей и приводится
классификация по их взрывоопасности. Рассмотрены принципи¬
альные основы защиты технологических процессов от пожаров
и взрывов.
Книга предназначена для инженерно-технических работни¬
ков предприятий, научно-исследовательских и проектных орга¬
низаций, а также для работников пожарной охраны и инспек¬
ций Госгортехнадзора.
31401-134—,34 76 6П7 04
1 050(01)-76
© ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ», 1976 г,
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 5
Глава 1. Пыль и ее физические свойства 8
Глава 2. Горение твердых веществ и факторы, влияющие на этот процесс . . 19
2.1. Общие сведения о процессе горения . . 19
2.2. Характеристика пожарной опасности аэрогелей 25
2.2.1. Температурные показатели пожарной опасности 25
2.2.2. Склонность к возгоранию . 35
2.2.3. Склонность к самовозгоранию 42
2.3. Характеристика пожарной опасности аэрозолей 53
2.3.1. Концентрационные пределы воспламенения аэрозолей 69
2.3.2. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода в аэрозоле . . 73
2.3.3. Минимальная энергия зажигания аэрозоля 75
2.3.4. Максимальное давление взрыва и скорость его нарастания ... 79
2 4. Влияние химической структуры вещества на его горючесть 86
Глава 3. Методы оценки пожаро- и взрывоопасных свойств пылей и их
классификация 103
3.1. Показатели пожарной опасности аэрогелей и методы их определения . .111
3.1.1. Склонность к возгоранию 111
3.1.2. Температурные показатели пожарной опасности пылей 113
3.1.3. Склонность к самовозгоранию 115
3.2. Показатели пожаро- и взрывоопасности аэрозолей и методы их опреде¬
ления 119
3.2.1. Нижний концентрационный предел воспламенения . 120
3.2.2. Максимальное давление и скорость его нарастания при взрыве
аэрозолей 124
3.2.3. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) в
аэрозолях . 128
3.2.4. Минимальная энергия зажигания аэрозолей 130
3.3. Классификация пылей по пожаро- и взрывоопасным свойствам . , . .131
3
Глава 4. Пожаро- и взрывоопасность технологических процессов переработки
пылевидных материалов 136
4.1. Процесс измельчения . 136
4.1.1. Общуе сведения о процессе измельчения и оборудовании для его
реализации 136
4.1.2. Пожаро- и взрывоопасность измельчигельных устройств 141
4.2. Пневмотранспортирование 150
4.2.1. Некоторые сведения из теории и практики эксплуатации пневмати¬
ческого транспорта 150
4.2.2. Пожаро- и взрывоопасность пневмотранспортных установок . . .159
4.3. Сушка пылевидных материалов 188
4.3.1. Общие сведения о сушке 188
4.3.2. Пожаро- и взрывоопасность сушильных установок .199
Глава 5. Предотвращение загораний и взрывов пылей (принципиальные
основы) . . . * 219
5.1. Предотвращение загораний аэрогелей 224
5.2. Предотвращение взрывов аэрозолей 232
5.2.1. Обеспыливание . 232
5.2.2. Предотвращение опасности воспламенения аэрозоля 235
5.2.3. Предотвращение взрыва аэрозоля 236
5.2.4. Ограничение и подавление взрыва аэрозоля 238
Литература 254
ПРЕДИСЛОВИЕ
Многие технологические процессы современной химической
промышленности связаны с получением или переработкой пыле¬
видных материалов, являющихся пожаро- и взрывоопасными. Если
учесть, что с развитием техники создаются новые вещества, пере¬
работка которых связана с образованием пылей, а интенсификация
производства способствует росту площадей промышленных и
складских помещений, то вопросы пожаро- и взрывоопасности
пылей приобретают весьма важное значение.
Наиболее ранним из сообщений о взрывах пыли является опи¬
санный Мороззо [1] взрыв мучной пыли в Турине в 1785 г. Гран¬
диозная катастрофа, происшедшая в 1906 г. при взрыве уголь¬
ной пыли на одной из шахт во Франции и приведшая к гибели
1100 человек, определила необходимость серьезного научного
подхода к изучению причин и последствий взрывов пыли. Однако
взрыв угольной пыли на шахте Миикэ (Япония) в ноябре 1963 г.,
приведший к гибели 458 человек и ранению 742 человек [2], по¬
казал, что проблема предупреждения и защиты различных про¬
мышленных предприятий от пожаров и взрывов пылевидных ма¬
териалов и веществ была и продолжает оставаться весьма акту¬
альной.
Одной из существенных причин является то, что пыли и
порошки занимают далеко не последнее место в числе материа¬
лов и веществ, способствующих возникновению пожаров. Так, по
данным зарубежной печати [3], в 1965 г. из 436 пожаров, проис¬
шедших в зданиях химических производств, 32 пожара вызваны
загоранием пылей и порошков. В табл. 1 приведены данные, по¬
казывающие возрастание числа пылевых взрывов в США [4, 5].
Таблица 1. Возрастание числа пылевых взрывов в США
и причиненный ими ущерб
Год
Число
взрывов
Число людей
Материальный
ущерб, млн. долл.
убитых
раненых
1934
380
308
680
0,213
1946
888
575
1100
80
1959
1110
648
1772
102,3
1965
1173
681
1791
119,4
5
В 1960 г. только в промышленности пластических масс США
убытки от пожаров и взрывов составили 5,6 млн. долл. [6].
Наиболее значительным был взрыв пыли полистирола на заводе
пластмасс в Массачусетсе, ущерб от которого превысил 500 ООО долл.
По данным шведских страховых обществ [7], выплата сумм заст¬
рахованным предприятиям за ущерб, причиненный пожарами и
взрывами пыли в течение последних десяти лет увеличилась
в 6—7 раз и достигла в последний год суммы 4—5 млн. крон.
В 1952—1963 гг. на промышленных предприятиях Японии заре¬
гистрировано 78 случаев взрывов пыли (число потерпевших
96 человек), причем 69 взрывов приходится на долю химической
промышленности: производства органических полупродуктов, кра¬
сителей, пластмасс, синтетических моющих средств, фталевого
ангидрида, вулканизаторов, серы и др. [2].
Анализ статистических данных показывает, что недостаточно
внимания уделяется мерам предупреждения возгораний и взрывов
на всех стадиях производства, начиная с проектирования техно¬
логических процессов. Это обстоятельство в свою очередь являет¬
ся результатом недостаточного ознакомления проектировщиков
и инженерно-технического персонала призводств с пожаро- и взры¬
воопасными свойствами пылевидных материалов и веществ,
а также с условиями возникновения процессов горения и методами
предупреждения и тушения пожаров.
Только незнанием, в первую очередь, пожаро- и взрывоопас¬
ных свойств веществ можно во многих случаях объяснить имевшие
место в последнее время пожары и сильные взрывы в производ¬
ствах, связанных с получением пыли полиэфирной смолы, а также
льняной, торфяной и алюминиевой пыли.
Отсутствие систематизированной литературы, подробно осве¬
щающей пожаро- и взрывоопасность пылевидных материалов и
технологических процессов их переработки, послужило основанием
для написания предлагаемой книги.
В ней обобщены сведения по пожаро- и взрывоопасности пыле¬
видных материалов во взвешенном и осажденном состоянии,
а также по технологическим процессам их переработки в хими¬
ческой промышленности. Большое внимание уделено принципиаль¬
ным основам защиты этих процессов от пожаров и взрывов.
Однако приводимые данные носят рекомендательный характер и
не исключают необходимость пользования нормативными доку¬
ментами.
Материал книги подобран и изложен таким образом, чтобы
дать достаточно полное представление о причинах возникновения
пожаров и взрывов и мерах их предупреждения. Сложность рас¬
сматриваемых вопросов и недостаточная их изученность обусло-*
вила использование данных исследований особенно из области
взрывов аэрозолей, которые иногда носят противоречивый харак¬
тер. Сопоставление таких данных обеспечивает более правильный
и критический подход к изучаемому предмету/
Ограниченность объема книги не позволила достаточно под¬
робно остановиться на некоторых важных вопросах. Однако мно¬
гие из них можно решить с помощью приведенного в книге мате¬
риала.
Для более углубленной проработки таких вопросов читатель
может воспользоваться специальной литературой, список которой
прилагается. Для исследовательской работы можно рекомендовать
применяемые во ВНИИПО методы (см. гл. 3) *, которые дают до¬
статочно надежные результаты. Рекомендуемые методы, однако,
не исключают необходимости их совершенствования и в первую
очередь унификации.
Поскольку в книге рассматриваются пожаро- и взрывоопас¬
ность пылей, способность легкоплавких твердых веществ образо¬
вывать в определенных условиях пары подробно не обсуждается.
В книге приводятся лишь необходимые для практики сведения
о возможности проявления этого опасного свойства и дается
ссылка на литературные источники, в которых описаны методы его
определения. В связи со специфичностью свойств взрывчатых и
сильноядовитых веществ методы оценки их пожаро- и взрыво¬
опасности не приводятся.
Необходимость всестороннего освещения вопросов пожаро- и
взрывоопасности пылей и рассмотрения их свойств применительно
к технологическим процессам переработки пылевидных материалов
обусловили определенные трудности, поэтому не исключено, что
некоторые вопросы остались незатронутыми. Авторы с благодар¬
ностью примут критические замечания по книге и учтут их в своей
дальнейшей работе.
* В предлагаемой книге рассматриваются методы, не опубликованные в ра¬
боте [8]. На остальные методы дается литературная ссылка.
ГЛАВА 1
ПЫЛЬ И ЕЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Пыль представляет собой твердое вещество, диспергированное
в газообразной среде. Образуется она в результате механического
измельчения твердых тел (при дроблении, истирании) или воздей¬
ствия на них аэродинамических сил (при распылении).
Дисперсная система, представляющая собой пыль (дисперс¬
ная фаза), взвешенную в воздухе (дисперсионная среда), назы¬
вается аэрозолем *. Дисперсная фаза аэрозоля может состоять из
частиц одинаковой величины (монодисперсная система) или ча¬
стиц разной величины (полидисперсная система).
Осевшая из воздуха пыль называется аэрогелем. Аэрозоли по
своим свойствам занимают промежуточное место между аэроге¬
лями и гомогенными газовыми смесями. Сходство с аэрогелями
состоит в том, что они являются гетерогенными дисперсными си¬
стемами с одинаковой твердой фазой. Поведение аэрозолей, так же
как и аэрогелей, определяется физико-химическими свойствами
твердой фазы, которой присущи особенности мелкодисперсных час¬
тиц.
С газовыми смесями аэрозоли сходны тем, что характеризу¬
ются многими параметрами, типичными и для газовых смесей.
Подрбно об этом сообщается в гл. 2.
Основными параметрами, характеризующими физические свой¬
ства пылей, являются дисперсионный состав (крупность частиц),
удельная поверхность, форма частиц, объемная (насыпная) и
истинная плотности, порозность (объемная доля пустот), тепло¬
проводность, теплоемкость, влажность, гигроскопичность, электри-
зуемость, подвижность.
Дисперсионный (гранулометрический) состав показывает коли¬
чественное распределение частиц по их крупности, которую харак¬
теризуют величиной эквивалентного диаметра.
Для частиц неправильной формы эквивалентный диаметр dd
можно определить, например, как диаметр шара, имеющего объем,
равный объему средней частицы
Где G — масса произвольной навески частиц;
п — число частиц в навеске;
Рм — средняя плотность частиц.
* Может использоваться также равнозначный термин «аэровзвесь»*
(1)
8
Следует учитывать, что средний диаметр характеризует поли-
цисперсный материал, содержащий частицы различных размеров,
только по одному признаку. Поскольку, однако, этих признаков
много (объем частиц, плотность, форма и состояние поверхности,
удельная поверхность), любое усреднение только по одному из них
дает весьма приближенные результаты. Средний диаметр, напри¬
мер, не дает представления о степени однородности измельченного
материала. Материалы с различным ситовым составом и различ¬
ным содержанием отдельных фракций могут иметь одинаковый
средний диаметр. Поэтому изучение сложного процесса (например,
процесса воспламенения и горения), в котором приходится учи¬
тывать большинство указанных параметров, при использовании
одного из методов усреднения дисперсионного состава полидис-
персного материала будет основываться на недостаточно надеж¬
ных данных. Замена в указанном случае полидисперсного мате¬
риала в гетерогенной системе, какой является аэрозоль, идеализи¬
рованным монодисперсным с известным приближением допустима
лишь для узкофракционных материалов.
Дисперсионный состав пыли можно определять методами мик¬
роскопии, седиментометрии, механического разделения. Микроско¬
пический метод основан на измерении числа и размеров частиц,
позволяющим определить их среднюю величину. Обычно приме¬
няют в этом случае оптические (размеры определяемых частиц
от 100 до 0,1 мкм) и электронный (размер определяемых частиц
менее 0,1 мкм) микроскопы.
К седиментационному методу относятся способы разделения
порошков на фракции (размер определяемых частиц от 100 до
1 мкм), основанные на различной скорости оседания их частйц.
Способ воздушной сепарации позволяет разделить пыль на фрак¬
ции выдуванием частиц воздухом в вертикальных цилиндрах
с разными скоростями его движения. Определение числа и раз¬
мера частиц по скорости оседания их в жидкости (воде, спирте,
глицерине и др.) называется седиментационным анализом.
Методы механического разделения частиц основаны на про¬
цессах просеивания и фильтрации (ситовой и фильтрационный
анализы). Для разделения проб исследуемого материала на
фракции используют набор сит со стандартными размерами отвер¬
стий, образующих некоторый закономерный ряд. В СССР приме¬
няют лабораторные сита с проволочными сетками, имеющими
квадратные отверстия. Номинальные размеры стороны ячейки
в свету колеблются от 0,04 до 2,5 мм и соответствуют номеру
сетки (ГОСТ 3584—73). Ситовый анализ позволяет определять
состав пыли с частицами размером до 40 мкм. Дисперсионный
анализ более тонкодисперсных суспензий проводят фильтрацией
через специальные фильтры с порами определенных размеров.
Одним из таких методов является мокрый ситовый анализ с точ¬
ными ситами [9]. Метод позволяет определять размеры частиц
Материалов, которые склонны к агломерации, слеживанию, увлаж¬
нению или взаимодействию с кислородом воздуха и для которых
сухой ситовый анализ применить нельзя. Используя этот метод,
можно классифицировать частицы по размеру в интервале
6—150 мкм с такой же точностью, как и при микроскопических
методах. Сущность метода заключается в том, что набор калибро¬
ванных сит укрепляют на кольцеобразном держателе в воронке.
Материал (порошок алюминия, сахарная пудра, полипропилен,
графит, уголь и др.)» помещенный на сита, промывают соответст¬
вующим растворителем с определенным дипольным моментом
(гептаном, спиртом, водой и их смесями). Сита попеременно на¬
ходятся под давлением или разрежением, что позволяет избежать
их закупоривания и ускорить разделение частиц. Подробные све¬
дения о способах определения
дисперсионного состава приве¬
дены в литературе [10, 11].
Ситовый анализ позволяет вы¬
явить относительное содержание
частиц различных размеров d по¬
строением кривой распределения
(рис. 1), отвечающей зависимости
[12]
1 A G .
G0' Ad ( } (2)
где Gо — масса всех частиц;
AG — масса фракции материала в ин¬
тервале размеров от d до d + Ad.
Рис. 1. Кривая распределения объема
или массы дисперсного материала
по размерам частиц:
J — полидисперсная система; 2— монодис-
персная система.
Расчетный диаметр частиц d
данной узкой фракции, остав¬
шейся после просеивания материала между смежными по но¬
меру ситами, подсчитывают как среднее арифметическое разме¬
ров их отверстий. Как видно из рис. 1, для монодисперсных
материалов кривая распределения симметрична, имеет небольшое
основание и четко выраженный максимум. Для полидисперсных
материалов она растянута вдоль оси абсцисс.
Таблица 2. Удельная поверхность диспергированных частиц,
имеющих форму куба
Поперечник куба
а, см
Число частиц
п
Степень
дисперсности v
Удельная
поверхность
частицы So,
см“1
1
1
1
6
1 • Ю-*
ю3
10
6-10
1 •10"
106
102
6- ю2
1 • 10-
ю9
103
6- 103
1 •10~
ю12
104
6- 104
ыо~5
ю15
ю5
6- ю5
10
С дисперсионным составом частиц тесно связана их удельная
поверхность, которая увеличивается с уменьшением размера
частиц. Степень этого увеличения наглядно видна из данных
табл. 2.
Как видно из табл. 2, если кубик объемом 1 см3 разбить на
кубики с ребром а= 1/v см, то получим v3 кубиков, имеющих удель¬
ную поверхность
s0=6(!)2v3=6v=4-
Аналогичным вычислением для шара объемом 1 см3 получаем
удельную поверхность
Q 4,86
— —“—
Обобщая результаты для монодисперсных частиц любой гео¬
метрической формы, получаем выражение для их удельной поверх¬
ности
So = fti- (3)
где k — коэффициент, зависящий от геометрической формы частиц;
а — поперечный размер частицы.
Из уравнения (3) видно, что величина 50 прямо пропорцио¬
нальна 1/а. Величину v=l/а называют степенью дисперсности.
Форма частиц пыли зависит от структуры и свойств исходного ма¬
териала и способа образования пыли. Форма может быть округлой,
пластинчатой, игольчатой и др. Этими же факторами определяется
Л структура поверхности частиц (гладкая, шероховатая и т. д.).
Степень отклонения формы реальных частиц от эквивалентной
сферы характеризуется фактором формы г|) (коэффициентом сфе¬
ричности). Последний представляет собой отношение поверхности
сферы SC(j), эквивалентной частице по объему, к поверхности ча¬
стицы S4 [11]:
Величины k и гр связаны соотношением
&сф
(5)
11
Коэффициент сферичности для некоторых геометрических фи>
гур приведен ниже [11]:
Шар 1,000
Куб 0,806
Призма
а X а X 2а 0,767
а X 2а X 2а 0,761
а X 2а X За ' 0,725
Диск *
й = г 0,827
й = г/3 0,594
й = г/10 0,323
Цилиндр
h = Зг 0,860
й=10г. 0,691
h — 20г 0,580
* г — радиус; h — высота.
Сферическая частица имеет наименьшую поверхность. При
диспергировании, как указывалось выше, форма частицы и струк¬
тура ее поверхности могут изменяться, поэтому удельную поверх¬
ность частиц определенного объема или определенной навески
наиболее надежно определять экспериментальными методами. Эти
методы основаны на измерении степени адсорбции паров или рас¬
творенных веществ из раствора, скорости фильтрации газа или
жидкости (проницаемость слоя порошка), скорости растворения
твердых дисперсных тел в жидкостях.
Наиболее простой метод определения поверхности дисперсного
материала основан на зависимости между скоростью фильтрации
жидкости или газа через слой и удельной поверхностью дисперс¬
ного материала. Определение удельной поверхности в этом случае
сводится к измерению гидравлического сопротивления навески
дисперсного материала с известными порозностью и расходом газа
или жидкости через навеску [13].
Диспергирование материала понижает его объемную (насып¬
ную) плотность, под которой понимают массу единицы занима¬
емого диспергированным материалом объема. Насыпной плотно¬
стью в отличие от истинной учитываются воздушные зазоры между
частицами свеженасыпанной пыли. Эта величина позволяет опре¬
делить объем, который занимает пыль в состоянии аэрогеля.
Насыпная плотность влажного материала Рнас выше, чем сухого
Рнас, и приближенно определяется по формуле [12]
РЕ„ас = Р^с(1+^) (6)
где W — влагосодержание материала *. v
Важным параметром является также истинная плотность сыпу¬
чего материала рм, которая характеризует среднюю удельную
* Под влагосодержанием понимают массу влаги (в кг), содержащейся во
влажном материале и отнесенной к 1 кг массы абсолютно сухого материала.
12
массу составляющих его твердых частиц. Ее определяют с исполь¬
зованием пикнометра методом гидростатического взвешивания на¬
вески сухого материала в жидкости, смачивающей, но не раство¬
ряющей отдельные частицы.
Насыпная и истинная плотности сыпучего материала позволяют
определить порозность его слоя П, характеризующую объем воз¬
духа, содержащегося в этом слое. Порозность находят из фор-
мулы [14]
п = ел J_m_ = ! _ .Рим. ^
* сл Рм
где VCJ1 — общий объем слоя;
VM — объем материала.
Порозность слоя сыпучего материала, состоящего из частиц
неправильной формы, больше порозности слоя с частицами изо¬
метрической формы (например, сферической). Это объясняется
тем, что в первом случае поверхность соприкосновения частиц
больше и сила трения между ними, препятствующая уплотнению
слоя, также больше. Широкий фракционный состав полидисперс-
ных слоев определяет их меньшую порозность, так как мелкие
частицы заполняют поры, образуемые крупными частицами. По¬
розность свободно насыпанного слоя технических пылей состав¬
ляет в среднем 0,3—0,6 [15].
Важнейшими теплофизическими характеристиками дисперсных
материалов являются их теплопроводность и теплоемкость. Коэф¬
фициент теплопроводности X этих материалов в общем случае
зависит от химического состава, влажности, температуры, меха¬
нической структуры, степени дисперсности, формы, размера и спо¬
соба контактирования частиц, а также от теплопроводности газа,
заполняющего пространство между ними [16]. Характерно, что
этот коэффициент растет с увеличением размера частиц dcр мате¬
риала и его объемной плотности рнас (табл. 3) независимо от хими¬
ческой природы и влажности материала [12]. Теплопроводность
Таблица 3. Коэффициент теплопроводности к дисперсных материалов
Рнас* кг/м3
Л, Вт/(м-К)
Рнас’ кг^м3
К Вт/(м-К)
dcp = 0,5 мм
^ср — 2 мм
dcp=0,5 мм
dcр —2 мм
400
0,111
900
0,175
0,192
500
0,122
0,138
1000
0,198
0,216
600
0,138
0,157
1200
0,216
0,233
800
0,157
0,175
1400
0,28
пылей значительно меньше, чем твердых материалов, из которых
они получены, поскольку воздух, находящийся в их порах, имеет
сравнительно низкий коэффициент теплопроводности.
Таким образом, чем меньше объемная плотность слоя дисперс¬
ного материала (чем больше рыхлость), тем выше его сопротив¬
13
ление распространению в нем тепла. Удельная теплоемкость дис¬
персных материалов возрастает с увеличением их влажности и
температуры.
Диспергирование веществ при дроблении, истирании и распы¬
лении приводит к образованию полидисперсных и сравнительно
грубодисперсных систем, что определяет малую устойчивость
таких аэрозолей по сравнению с устойчивостью дымов и туманов,
также относящихся к аэрозолям. Частицы многих пылей легко
агрегируются, что обусловлено действующими между ними силами
адгезии. Поэтому при создании облака пыли продуванием воз¬
духа через порошок в аэрозоли могут образовываться и агрегаты
частиц. По имеющимся данным [17], полная дезагрегация, напри¬
мер, тонких угольных частиц достигается лишь при истечении
струи воздуха через щель шириной 0,5 мм со скоростью 150 м/с.
Найдено, что сила адгезии /V между двумя твердыми шариками
диаметрами d\ и d2 равна [10]
F = Л . dld2(м
а \2х2 dx + d2 (8)
где л; — величина зазора между шариками;
Л— постоянная, теоретически равная ~ 10~20 Дж.
Если принять, что х в формуле (8) постоянно, то сила Fа будет
пропорциональна d\ силы же, стремящиеся разделить частицы,
пропорциональны d3 (при колебаниях) или d2 (аэродинамические
силы). Отсюда следует, что роль молекулярных сил, с учетом ко¬
торых выведена формула (8), приобретает большее значение
с уменьшением размера частиц. Сила адгезии зависит не только
от размеров частиц, но и от физико-химических свойств, формы
и плотности упаковки. Поэтому распылять полидисперсные по¬
рошки, плотность упаковки которых больше, чем монодисперсных,
бывает весьма затруднительно.
Степень распыления гидрофильных порошков с ростом тем¬
пературы потока воздуха значительно уменьшается, а гидрофоб¬
ных порошков мало зависит от температуры.
При увлажнении частиц (этому способствует их гигроскопич¬
ность) и образовании пленки жидкости на их поверхности адгезия
обеспечивается действием дополнительных сил, обусловленных
капиллярными эффектами. Агрегированию частиц аэровзвеси спо¬
собствуют возникающие на их поверхности заряды. Чем крупнее
частицы, тем выше их заряд, причем его поверхностная плотность
соответствует примерно нескольким элементарным зарядам на
1 мкм2 поверхности частицы. О значении заряженности частиц
можно судить по тому факту, что электростатическая сила, дейст¬
вующая между двумя соприкасающимися частицами размером
0,5 мкм, несущими лишь по одному элементарному заряду, значи¬
тельно превышает силу молекулярного притяжения.
Частицы аэрозоля, нейтральные в момент образования, могут
приобретать заряд, адсорбируя ионы из газовой среды. При этом
14
все условия, вызывающие ионизацию газа (ультрафиолетовые,
рентгеновские, космические лучи, радиоактивное излучение), спо¬
собствуют и возникновению заряда на частицах аэровзвеси. Заряд
может возникать также в результате трения частиц одной о дру¬
гую и соприкосновения с твердыми поверхностями. Частицы одного
и того же аэрозоля могут иметь различные по знаку и величине
заряды или одинаковые. Наиболее стойкими являются аэрозоли
с одноименно заряженными частицами.
Исследование образования статических зарядов при распыле¬
нии порошков показало, что степень асимметрии их заряда зависит
от соотношения числа частиц, соприкасающихся со стенкой сосуда,
и частиц, соприкасающихся только одна с другой. Величина заряда
при прочих равных условиях зависит от скорости движения аэро¬
золя, концентрации пыли и ее дисперсности. Последние два фак¬
тора являются основными характеристиками аэрозоля как дис¬
персной системы, так как многие ее свойства связаны с высокораз¬
витой поверхностью дисперсной фазы.
Процессы коагуляции, осаждения под действием сил тяжести,
на которые оказывают влияние силы инерции, механические и
электростатические силы (а для мелких частиц и броуновское дви¬
жение) обусловливают непрерывное изменение концентрации
частиц и дисперсный состав. Этому способствует также различная
скорость осаждения, зависящая от крупности частиц (при их оди¬
наковых размерах скорость осаждения зависит от истинной плот¬
ности частиц).
Для упрощения задачи определения скорости осаждения пыли
этот процесс рассматривают применительно к одной частице аэро¬
золя, которую считают шарообразной и не подвергающейся влия¬
нию других частиц [18]. При падении в газовой среде на такую
частицу действуют сила тяжести и сила сопротивления среды, при¬
чем последняя, как показывает опыт, возрастает с увеличением
скорости движения. Силу тяжести частицы определяют по фор¬
муле
^т = ^(Рм~Рс )g (9)
где d — диаметр частицы, м;
рс — плотность газообразной или жидкой среды, кг/м3.
Сила сопротивления среды Fс для частиц шарообразной формы
в соответствии с законом Ньютона равна
„0)
где £ — коэффициент сопротивления;
v — скорость осаждения, м/с;
g — ускорение свободного падения, м/с2.
Через определенный премежуток времени после начала паде¬
ния частицы силы, действующие на нее, уравновешиваются, и
частица, переставая ускоряться, приобретает постоянную скорость.
Скорость такого равномерного падения частиц в газообразной или
15
жидкой среде называют скоростью осаждения или скоростью ви¬
тания. Она определяется из равенства уравнений (10) и (9)
С
nd2 QCV2
nd3
(Рм — Рс) g
откуда
°=V'
4gd (рм — Рс)
3£рс
(Н)
Коэффициент сопротивления £ является функцией критерия
Рейнольдса и определяется опытным путем в зависимости от ско¬
рости движения частиц, плотности и вязкости среды. Предложен
обобщенный метод [14], позволяющий определять скорость осаж¬
дения шарообразных частиц в неподвижной среде и пригодный для
любого режима их движения. Для этого вычисляют критерий
Архимеда
^3pMpcg
Аг =
и2с
(12)
где |ЛС — динамическая вязкость среды, Па-с.
По найденному значению этого критерия определяют величину
критерия Re (рис. 2), а затем вычисляют скорость осаждения по
формуле
Re цс
d рс
(13)
Скорость осаждения можно найти также исходя из критерия
Лященко
Ly =
°3Рс
(14)
ИсРм£
Критерий Лященко, так же как и критерий Рейнольдса, на¬
ходят в зависимости от критерия Архимеда (см. рис. 2).
Скорость осаждения частиц неправильной формы также опре¬
деляют по критерию Ly, но в формуле (12) вместо d используют
dQкв (эквивалентный диаметр этой частицы), который в свою
очередь вычисляют по уравнению (1). Скорость осаждения в воз¬
духе сферических частиц плотностью 1 г/см3 при 0,1 МПа и 20 °С
приведены в табл. 4 [10]. Следует отметить, что скорость осажде¬
ния частиц неправильной формы меньше, чем сферических частиц
эквивалентной массы.
Таблица 4. Скорость осаждения сферических частиц в воздухе
Диаметр частицы,
мкм
V, см/с
Диаметр частицы,
мкм
V, см/с
0,1
8,71 • 10“5
4,0
5,00 • 10“f
0,2
2,27- 10“]
10
3,03- 10"1
0,4
6,85 • Ю ,
20
2,20
1,0
3,49 • 10 ,
40
4,71
2,0
1,29 • 10~2
100
24,7
16
Из табл. 4 видно, что чем больше дисперсность частиц, тем
меньше скорость их осаждения. К аналогичному выводу можно
прийти, рассматривая данные зависимости скорости осаждения
полидисперсных частиц плотностью 2 г/см3 от температуры
(табл. 5) [19]. Из табл. 5 видно также, что с увеличением плот¬
ности частиц примерно во столько же раз увеличивается их ско-
Ц '10
6
h
2
Ч
b
2
JO3
6
4
2
to2
6
4
2
10
6
h
2
/0°
6
3
TT Mill -1 11 jttt —- —L- ij- — — -Li- 1 1 {-ДО- -f i^ -Ц
"1 "1 ”1 iBiri
Щ 5 III
1*4
\\\\\?
,| дДЗ] ft pi
§L*
Ш в
ПТТ1A
4
2
Ю'1
6
4
2
10Z
6
4
Ш2"
Sk
Щ2
JJJ/0
ЯР
Tfflk
2
103
6,
' jbsil #41
m
1 r
4
2
w\
1C
Tm ^
tlU
in''f
1° 2 ^ 6 10 2 k6 10z 2 4 £ ID3 2 <t6 10^2 h 6105 2 к 6 10s2 kSIO7
Ar
Рис. 2. Зависимость критериев Re и Ly от критерия Аг [14]:
/ — шарообразные частицы; 2—-округленные; 5—-угловатые; 4—продолговатые; 5 —пластин¬
чатые частицы.
рость оседания, а с повышением температуры среды скорость
оседания снижается (для частиц размером до 100 мкм). При воз¬
никновении в аэрозоле температурного градиента наблюдается
движение частиц в сторону понижения температуры, т. е. частицы
движутся к более холодной поверхности, на которой и осаждаются.
При исследовании физических свойств аэрозолей определяют
главным образом массовую концентрацию и дисперсность частиц.
17
Таблица 5. Скорость осаждения полидисперсных частиц при
нормальном давлении в зависимости от температуры (в см/с)
Размер частиц,
мкм
Скорость осаждения при температуре
, °с
20
100
200
300
5
0,15
0,125
0,103
0,085
10
0,60
0,53
0,42
0,39
30
5,32
4,51
3,82
3,31
50
14,1
12,3
10,5
9,2
100
45,6
42,4
41,8
36,9
300
185
190
200
185
Концентрацию аэрозолей находят преимущественно методом
фильтрации, взвешивая фильтр до и после пропускания через него
измеренного объема аэрозоля. Приблизительно можно определить
массовую концентрацию аэрозоля по степени ее прозрачности.
Если лампа мощностью 25 Вт не видима на расстоянии 2 м, то
концентрация аэрозоля составляет около 40 г/м3 [19]. Дисперс¬
ность частиц аэрозоля определяют теми же методами, что и дис¬
персность аэрогелей.
В отличие от жидкостей подвижность (сыпучесть) дисперсных
материалов весьма ограничена, что объясняется значительными
силами трения и сцепления между частицами. Она обусловлена
свободой перемещения одной частицы относительно другой при
движении всего слоя сыпучего материала и характеризуется
углом естественного откоса, т. е. наибольшим углом а0, который
может образовать его свободная поверхность с горизонтальной
плоскостью [20]. Значения а0 (в градусах) для некоторых дис¬
персных материалов приведены ниже [12, 20]:
Кокс 35—50
Мука 30—49
Опилки древесные 31—55
Торф • 45—50
Уголь каменный 27—45
Чем меньше этот угол, тем более подвижен сыпучий материал,
тем легче он высыпается из бункеров, питательных и переточных
устройств и тем меньше вероятность образования его отложений
в «мертвых зонах» аппаратов.
ГЛАВА 2
ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ И ФАКТОРЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭТОТ ПРОЦЕСС
Пыли относятся к твердым веществам. Поэтому представляет
интерес рассмотреть особенности горения твердых веществ, так
как это позволяет правильно оценить пожаро- и взрывоопасные
свойства пыли как в виде аэрогеля, так и в виде аэрозоля.
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ
Под горением понимают физико-химический процесс, основой
которого является реакция окисления. Этот процесс сопровож¬
дается выделением тепла и света и возникает в условиях прогрес¬
сивного самоускорения, связанного с накоплением в системе тепла
(тепловое горение) или катализирующих активных промежуточ¬
ных продуктов реакции (цепное горение).
Тепловое горение возможно при экзотермической реакции, ско¬
рость которой достаточно быстро возрастает под влиянием на¬
капливающегося в системе тепла. При достижении температуры,
при которой приход тепла от реакции превышает тепловые
потери, происходит саморазогрев системы. В этих условиях наблю¬
дается спонтанное развитие реакции, сопровождаемой нагревом
образующихся продуктов до такой температуры, при которой они
начинают светиться. Наиболее распространен процесс горения
с участием кислорода воздуха. К тепловому горению относятся
также химические реакции, проходящие и в отсутствие воздуха
(разложение взрывчатых веществ, озона, ацетилена, пероксидов,
взаимодействие некоторых металлов с галогенами, серой и др.).
Цепное горение возможно только при реакциях, для которых
основой воспламенения или взрыва является цепной процесс.
I Последний сопровождается образованием неустойчивых промежу¬
точных продуктов, регенерирующих активные центры, которые,
ускоряют процесс. Примером такой реакции является горение
паров фосфора и серы в кислороде. Накопление достаточного
количества активных центров способствует переходу цепного про¬
цесса в тепловой и возрастанию температуры смеси до точки ее
самовоспламенения. Такой переход был бы всегда неизбежен,
если бы все возобновляемые активные центры сохранялись. В дей¬
ствительности же наряду с возникновением цепей происходит их
обрыв, что объясняется адсорбцией их на стенках сосуда, столк¬
новениями с продуктами реакции и инертными газовыми моле-
1%
кулами или рекомбинацией активных центров. Все это приводит
к рассеиванию энергии активными молекулами.
Характер протекания основного химического процесса горения
зависит от ряда физических процессов: передвижения реагирую¬
щих веществ и продуктов реакции (процесс диффузии), выделения
и распространения тепла (процесс теплопередачи), а также от
гидродинамических условий, обеспечивающих перенос тепла и
вещества (процесс конвекции). Необходимость учета этих про¬
цессов значительно усложняет изучение процесса горения.
Как известно, все химические реакции подразделяются на го¬
могенные, протекающие в объеме, и гетерогенные, происходящие
на поверхности раздела фаз. Процесс горения твердых материалов
имеет гетерогенный характер. Поэтому исключительную роль
в указанном процессе играют также размеры и природа поверх¬
ности твердой фазы и ее изменяемость. Для возникновения горе¬
ния необходимы: система, склонная к этому процессу (горючее
вещество и окислитель), и импульс, вызывающий химическую
реакцию горения. К горючему, способному взаимодействовать
с окислителем, относятся значительное число жидкостей и газов,
а также множество твердых веществ: металлы в свободном виде,
сера в элементарном и связанном виде, большинство органиче¬
ских соединений. Окислителями в процессах горения являются:
кислород (воздух), озон, перекиси, богатые кислородом вещества
(нитросоединения, азотная кислота, перхлораты, нитраты), га¬
логены.
Следует учитывать, что перекиси и многие вещества, богатые
кислородом, склонны к быстрым превращениям и для начала их
горения необходим только импульс. Импульс может возникнуть
при прохождении физических, химических и микробиологических
процессов, способствующих образованию тепла. В зависимости
от характера этих процессов импульсы соответственно подразде¬
ляются на физический, химический и микробиологический. Так как
при воздействии физического импульса на материал выделяется
тепло, не являющееся результатом химического процесса, то этот
импульс рассматривается как тепловой. Действие теплового им¬
пульса, вызывающего нагревание материала, может быть:
1) контактным — при соприкосновении материала с источни¬
ком тепла;
2) радиационным — воздействие лучистого тепла от источника
нагрева;
3) конвекционным — передача тепла материалу через воздух
или иной газ, находящийся в движении.
Основными источниками теплового импульса являются: откры¬
тое пламя, нагретая поверхность, искра.
Химический и микробиологический импульсы отличаются от
теплового тем, что начальными условиями для накопления тепла
в системе являются химическая реакция, физико-химический про¬
20
цесс (например, адсорбция) или жизнедеятельность микроорга¬
низмов, происходящие непосредственно в материале.'
Всякое горение имеет подготовительную стадию, на которой
протекают процессы, завершающиеся возгоранием или самовоз¬
горанием веществ Продолжительность этих процессов назы¬
вается индукционным периодом.
Если негорючий материал Н нагревать при постоянной темпе¬
ратуре воздуха to (рис. 3), то температура материала после неко¬
торого промежутка времени п (период запаздывания) станет
практически равна температуре окружающего воздуха. Период
запаздывания зависит от массы, теплоемкости, теплопроводности,
размеров материала и первона¬
чальной разности температур воз¬
духа и материала. При относи¬
тельно низкой температуре воз¬
духа подобное поведение харак¬
терно и для горючих материалов.
При более высокой температуре
11 они начинают разлагаться и
окисляться с выделением тепла.
Если вещества (примеси), уско¬
ряющие процессы разложения и
окисления, отсутствуют, то можно
принять указанную точку t\{M)
за начальную температуру (тем¬
пературу самонагревания), при
которой возникают эти процессы
в горючем материале под влия¬
нием только теплового импульса.
Увеличение температуры воз¬
духа по сравнению с температу¬
рой начала самонагревания ма¬
териала М способствует и более
интенсивному возрастанию его температуры. В этом случае со¬
здаются условия, тормозящие развитие процесса. При увеличении
разности температур материала и окружающей среды возрастают
потери тепла, выделяющегося при реакции. Тепло при этом пе¬
редается окружающей среде лучистым теплообменом, конвекцией
и теплопроводностью. Следует отметить, что наиболее быстро
тепло рассеивается при излучении.
Значительное влияние на скорость рассеивания тепла оказывает
интенсивность потока воздуха. Недостаточное количество посту¬
пающего воздуха приводит к его загрязнению продуктами окисле¬
ния, недостатку кислорода, что в свою очередь уменьшает скорость
окислительного процесса и снижает тепловой эффект, получаемый
от экзотермической реакции. При слишком большой скорости по¬
тока воздуха рассеивается образующееся тепло, что также приво¬
дит к торможению или прекращению экзотермической реакции.
Время
Рис. 3. График изменения темпера¬
тур в горючих и негорючих мате¬
риалах.
21
Скорость повышения температуры, вызванного окислительным
процессом, зависит от разности скоростей выделения и рассеивания
тепла. Температура материала может повышаться до тех пор,
пока первая скорость превалирует над второй.
Когда температура материала достигнет /в (см. рис. 3), может
произойти его возгорание, проявляющееся в виде пламенного
горения (воспламенения) или тления. Для возгорания необходимо
воздействие на материал или на выделяемые им газы источника
зажигания, имеющего температуру выше температуры самовоз¬
горания продуктов разложения материала. Поскольку источник
зажигания имеет более высокую температуру, индукционный пе¬
риод возгорания материала является небольшим и сравнительно
быстро наступает стадия горения.
Возгорание твердых материалов в большинстве случаев сопро¬
вождается появлением пламени, представляющим собой светя¬
щуюся газовую оболочку, в которой происходит экзотермическая
реакция газообразных продуктов разложения материала с кисло¬
родом. Пламенное горение материалов обусловливается тем, что
они выделяют горючие газы в количествах, соответствующих кон¬
центрационной области их воспламенения. Образующееся при
этом светящееся пламя излучает довольно большое количество
энергии, что играет важную роль в распространении огня. Так,
при горении ацетилена 28,2% всего тепла излучается светящимся
пламенем и 6,9% — несветящимся [21].
Если при разложении и окислении материала выделяется не¬
достаточное количество паров или газов, что характерно для мно¬
гих пористых органических материалов, то вещество будет гореть
без пламени, с поверхности (процесс тления). Сильное излучение
такой поверхности также служит причиной быстрого распростра¬
нения тепла от горящего материала. Начиная с температур, соот¬
ветствующих точке В (см. рис. 3), происходит самовозгорание
материалов без участия воспламенителя. В интервале между точ¬
ками В и С материал тлеет. В точке С самовозгорание прояв^
ляется пламенным горением (самовоспламенение).
Для самонагревающегося материала период времени (индук¬
ционный период) с момента начала превышения его температуры
над температурой окружающей среды и до момента достижения
точки самовозгорания может быть очень велик. Объясняется это
условиями накопления тепла в твердом теле. Повышение темпе¬
ратуры материала может прекратиться и даже температура мо¬
жет начать падать (кривая Г) при уравнивании скоростей обра¬
зования и рассеивания тепла или при превышении второй скорости
над первой. В таких условиях начавшиеся в материале реакции
Окисления могут завершиться лишь процессом самонагревания
без перехода к самовозгоранию.
Как указывалось выше, горение материалов возникает под
влиянием одного импульса или одновременно нескольких. После¬
22
довательность прохождения подготовительной стадии процесса
(возгорание и самовозгорание) видна из рис. 4.
Как видно из рис. 4, между процессами возгорания и самовоз¬
горания существуют принципиальные различия *.
Если для процесса возгорания решающим фактором является
величина теплового импульса (температура импульса должна быть
выше температуры самовозгорания материала), причем началь¬
ное горение материала возникает в месте этого воздействия, то
для процесса самовозгорания основное значение имеют условия
концентрации тепла (самонагревание материала).
Процесс самовозгорания возникает, как отмечалось выше, под
влиянием трех импульсов: теплового (температура импульса ниже
температуры самовозгорания материала и выше температуры его
/. Возгорание
Тепловой,
импульс
Возгорание
материала
Пламенна горние
fSocn^ayns^lue>
Тление
Ге/1ЛО0О£
^ * О _
2. СамоВоэгорание
>енив)
Самовозгорание
материала
Рис. 4. Схёмы процессов возгорания и самовозгорания (/н, и ~ соот¬
ветственно температуры источника зажигания, самовозгорания материала, само¬
нагревания материала).
самонагревания), химического и микробиологического, причем
место возникновения горения может и не совпадать с местом дей¬
ствия импульса. Горение начинается там, где процесс самонагре¬
вания обеспечивает повышение температуры до определенной кри¬
тической величины. Существенное различие указанных процессов
выражается также разными периодами индукции. В случае воз¬
горания этот период исчисляется секундами или минутами, а при
самовозгорании — часами, днями или месяцами. Если при возго¬
рании материала критическая температура в период индукции
достигается под действием теплового импульса, то при самовоз¬
горании соответствующее повышение температуры происходит
* Употребляемые при рассмотрении рис. 4 термины «воспламенение», «само¬
воспламенение» и «тление» характеризуют частные случаи процессов возгорания
и самовозгорания, когда стадия подготовки материалов проявляется пламенным
горением или тлением,
в результате процесса самонагревания. Отмеченные обстоятель¬
ства показывают важность выделения и изучения в процессе само¬
возгорания стадии самонагревания.
Характер распространения температур в материале в период
подготовки К горению позволяет в большинстве случаев различать
явления возгорания и самовозгорания. При возгорании более вы¬
сокие температуры создаются на периферии материала с тенден¬
цией распространения внутрь его массы. При самовозгорании
наблюдается обратный процесс. Отмечено [21], что на начальной
стадии самовозгорания, например угля, образуются нестабильные
комплексы перекисного характера, являющиеся результатом взаи¬
модействия кислорода с углеводородными радикалами. Образо¬
вание таких комплексов указывает на цепной характер реакции
самовозгорания на начальной стадии.
Склонность органических материалов обугливаться на стадии
самовозгорания не исключает и для них возможности в начале
этой стадии цепной реакции с последующим переходом в тепло¬
вой процесс.
Для характеристики превалирующих причин возникновения
процесса самовозгорания употребляют следующие термины: «теп¬
ловое самовозгорание», «химическое самовозгорание» и «микро¬
биологическое самовозгорание». При воздействии любого из им¬
пульсов начинается тепловой процесс, который и определяет воз¬
можность самовозгорания материала. В большинстве случаев
образующиеся на этом этапе под влиянием повышенной темпера¬
туры продукты разложения подвергаются в присутствии кисло¬
рода реакциям окисления. Эти реакции не сопровождаются види¬
мыми эффектами — светом и пламенем, но поскольку они экзотер¬
мические, способствуют медленному накоплению тепла в системе
(процесс самонагревания). В результате этого они ускоряются
(при условии подвода к месту реакции кислорода) и заканчива¬
ются самовозгоранием. Таким образом, самовозгорание боль¬
шинства материалов является результатом самоускорения реак¬
ций окисления, приводящего скачком ко второй стадии — собст¬
венно горению.
Из сказанного ясно, что такой переход обусловлен возникающим
на подготовительной стадии определенным тепловым режимом,
при котором выделяющееся тепло не только полностью компен¬
сирует теплопотери, но и превалирует над ними. При внесении
источника зажигания или дальнейшем развитии самоускоряющейся
экзотермической реакции температура реагентов в системе на¬
столько быстро повышается, что это приводит к возгоранию или
самовозгоранию материалов, сопровождаемых пламенем или
тлением.
Для каждого вещества существуют четко фиксируемые кри¬
тические параметры, определяющие условия возникновения его
горения. Знание этих параметров позволяет правильно разрабо¬
тать мероприятия, предупреждающие горение и взрывы пылевид¬
24
ных материалов, и проанализировать достаточно глубоко
возможные причины пожаров. Поскольку эти материалы могут
находиться в состоянии аэрогеля и аэрозоля, параметры, характери¬
зующие их пожарную опасность, будут иметь различия. Поэтому
характеристики пожарной опасности пылевидных материалов
рассматриваются раздельно для аэрогеля и аэрозоля.
2.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЖАРНОЙ
ОПАСНОСТИ АЭРОГЕЛЕЙ
Наиболее важными параметрами для оценки пожарной опас¬
ности аэрогелей являются следующие: температурные показа¬
тели, склонность к возгоранию и самовозгоранию.
2.2.1. Температурные показатели
пожарной опасности
График, приведенный на рис. 3, дает некоторое представление
о температурах воспламенения (точка В) и самовоспламенения
(точка С) твердых веществ, а также о температуре тления при
самовозгорании (интервал между точками б и С).
Температура воспламенения — это та температура вещества,
при которой процессы разложения и окисления в нем настолько
самоускоряются, что происходит быстрое выделение паро-газо-
образных горючих продуктов в количестве, достаточном для их
воспламенения от источника зажигания (<2 > 4) (см. рис. 4). Эти
пары и газы продолжают устойчиво гореть и при удалении источ¬
ника горения.
Температура вещества, при которой происходят аналогичные
явления, приводящие к пламенному горению только в результате
саморазогрева, называется температурой самовоспламенения.
В процессе нагрева вещества до этой температуры образуются
твердые обугленные продукты реакции, которые при достижении
определенной критической температуры переходят в пирофорное
состояние и самопроизвольно накаливаются (тлеют). Эта темпе¬
ратура вещества называется температурой тления при самовоз¬
горании.
Так как самостоятельное пламенное горение и тленйе твердых
веществ возможно лишь при нагреве их до указанных температур,
соответствующие температурные точки служат одним из показа¬
телей пожароопасности веществ. Необходимо отметить, что тлею¬
щие пыли представляют собой весьма серьезную опасность, и
с ними следует обращаться осторожно, поскольку даже при сла¬
бом встряхивании тлеющая масса может самовоспламениться
вследствие резкого притока кислорода воздуха и вызвать взрыв
аэрозоля.
Предложено много методов для определения температур вос¬
пламенения и самовоспламенения твердых материалов. Они в ос-
Таблица 6. Температуры самовоспламенения материалов,
полученные разными методами
Материал
Ме¬
тод *
Критерий темпера¬
туры самовоспла¬
менения
Масса
образ¬
ца, г
Вели
воздут
пои
ско¬
рость,
см/с
чина
иного
эка
объем,
л/ч
Скорость
нагрева¬
ния,
°С/мин
Темпера¬
тура
само¬
воспла¬
менения
°с
Целлюлоза
1
Температура ре¬
зервуара при
свечении
0,5
—
—
—
360
Мельчайшие
частицы бу¬
маги
26
Температура по¬
верхности при
воспламенении
695
Сосновые опил¬
ки
26
То же
—
—
—
—
648
Дубовые опил¬
ки
2а
Температура воз¬
духа при све¬
чении образца
1
154
2100
'
343
Вата
1а
Температура фар¬
форовой трубки
для мгновенного
воспламенения
0
0
900
Хлопчатобу¬
мажная ткань
16
Температура воз¬
духа, обеспечи¬
вающая воспла¬
менение через
4 с
1
450
Вата
2
Разность темпера¬
тур печи и об¬
разца
3
0,4
33
4,9
228
Целлофан
2
То же
5
6
—
3,6
242
Ацетат целлю¬
лозы
2
*
5
в
—
3,6
314
Джутовое во¬
локно
2
3
0,4
5,0
193
* Метод 1—образец опускают в емкость, окруженную нагревающей средой (воздух,
ванна с плавом, металлическая форма) с постоянной температурой.
Метод 1а—образец соприкасается с нагретой поверхностью, имеющей постоянную
температуру.
Метод 16—образец подвергают со всех сторон воздействию нагретого воздуха с постоян¬
ной температурой.
Метод 2—образец подвергают со всех сторон воздействию воздуха, температура кото¬
рого возрастает.
Метод 2а отличается от метода 2 тем, что воздух движется над одной из поверхностей
образца.
Метод 26 —образец опускают на поверхность, постепенно нагреваемую до его воспла¬
менения.
новном сводятся к измерениям при а) постоянной температуре
среды, б) компенсирующем * повышении температуры среды и
в) повышающейся температуре среды.
* Температуру окружающей образец среды поддерживают постоянной до
гех пор, пока не обнаружится в нем процесс самонагревания (повышение его
-температуры). После этого температуру среды постепенно повышают до темпе¬
ратуры образца, чтобы уменьшить количество отдаваемого им тепла.
26
Результаты определения характерных температурных точек
очень различны. Это зависит от метода, размеров образцов, среды,
в которой происходит опыт, скорости воздушного потока, времени,
скорости нагревания, неоднородности испытуемого материала.
Существенное влияние на расхождение результатов исследований
оказывает также разное представление о том, что должно служить
критерием определяемых температур. В табл. 6 приведены данные
о температурах самовоспламенения целлюлозных материалов, по¬
лученные различными исследователями [18]. Из этих данных
видны отклонения, обусловленные изменением метода определения
и критерия температуры. Сопоставляя данные табл. 6, можно
сделать вывод, что критерий метода 2 (не фиксирующий визуально
явления самовозгорания) позволяет определять лишь одну из тем¬
ператур окружающей среды, способствующей в условиях опыта
процессу самонагревания материалов. Достигаемая при этом
температура вещества находится в интервале между точками М
(см. рис. 3) и температурой его самовозгорания, проявляющегося
тлением (точка В и выше). Всеми остальными методами опреде¬
ляется одна из температур среды, при которой наблюдается са¬
мовозгорание материала (фактически по методам 1а, 26 опреде¬
ляется возгорание материала).
Получаемые температурные показатели лежат выше 300 °С,
причем различие между ними зависит от степени рассеивания
тепла в условиях опыта. В этом случае развиваемые в материале
температуры соответствуют на рис. 3 точкам, лежащим выще тем¬
пературы точки В.
Другим недостатком приведенных критериев является то, что.
они дают представление только о температурах окружающей
среды, вызывающих процесс горения. Они не характеризуют кри¬
тическую температуру материала, при которой скорости реакций
разложения и окисления достигают такой степени, что способ¬
ствуют быстрому, скачкообразному переходу к возгоранию или,
самовозгоранию вещества.
Использование описанных критериев вне условий опытов может
привести к неправильным, противоречащим выводам о том, что.
при более низких температурах окружающей среды исключается
возможность самовозгорания материалов. Так, согласно данным,
табл. 6, можно полагать, что минимальная температура окружаю¬
щей среды, при которой опилки загораются, равна 343 °С. Однако
известны случаи загорания опилок при температурах источника
нагрева около 1100С. Очевидно, что такая температура окружаю¬
щей среды способствовала самонагреванию опилок до какой-то.
критической температуры, при которой создавались условия
Для самовозгорания материала, _ _ L
Недостатки указанных методов определения температурных
показателей пожароопасности материалов послужили причиной
Для разработки методики, основанной т следующем прин¬
ципе. [21],
27
Температуры, развивающиеся в испытуемом материале, ока¬
зывают на материал такое же действие, что и равные им тем¬
пературы среды, окружающей материал. Поэтому установленная
в условиях опыта зависимость между температурами окружающей
среды и временем, необходимым для возгорания или самовозго¬
рания материала, может характеризовать также с известной сте¬
пенью приближения зависимость скорости процессов разложения
и окисления материала от развивающихся в нем температур.
& Ш
16 2Ь 32 kO М 56 6U 72
Время до Воспламенения с момента Вве¬
дения хлопка, мин
Рис. 5. График зависимости времени
до воспламенения хлопка от темпе¬
ратуры окружающей среды.
•ЗЙЛ
Й*
||^
шь
!*>/
1
1
X -
о -
-/
-2
\
N
S
>0=
..
0 В 16 2k 32 kO W 56 6k 12 80 88 96
Время от начала Введения хлопка до
самовозгорания гмин
Рис. 6. График зависимости времени
до самовозгорания хлопка от темпе¬
ратуры окружающей среды:
1 — пламенное горение; 5—тление.
На рис. 5 и 6 показаны полученные согласно этому методу
графики зависимости времени выдерживания хлопка в реакцион¬
ной камере до его воспламенения и самовозгорания от темпера¬
туры окружающей среды. Анализ этих зависимостей и опытные
данные позволяют установить три области температур, в которых
по-разному протекал процесс подготовки хлопка к горению. В об¬
ласти температур ниже 205—210°С (область самонагревания)
интенсивность передаваемого тепла образцу хлопка была недо¬
статочной для обеспечения скорости разложения материала с по¬
верхности, необходимой для его загорания. Загорание произошло
лишь в результате активизации сравнительно медленных процес¬
сов разложения и окисления в массе материала. Внутри материала
создавались более благоприятные условия для накопления допол¬
нительного тепла, выделяемого при реакции, и повышения темпе¬
ратуры до критической точки.
Длительность периода до загорания хлопка превышала десятки
минут. В области температур выше 300 °С активное разложение
хлопка начиналось с поверхности образца. Длительность периода
до загорания исчислялась несколькими минутами и даже се¬
кундами.
Рассматривая характер кривых, можно прийти к выводу, что
в промежуточной области (между указанными областями темпе¬
ратур) время, требуемое для возгорания и самовозгорания мате¬
28
риала, резко уменьшается. Это объясняется значительным увеличе¬
нием внутренних поверхностей хлопка, одновременно участвующих
в реакции. В области самонагревания температуры окружаю¬
щей среды всегда ниже критических, развиваемых в материале
и приводящих к его загоранию. Поэтому искомые температурные
показатели могут находиться только на.участке кривой (см. рис. 5
и 6), расположенном выше указанной области Для их определе¬
ния полученные экспериментальные данные нужно нанести на гра-
Т'°‘Ш
Рис. 7. Зависимость скорости реак¬
ции от температуры в условиях вос¬
пламенения хлопка.
Рис. 8. Зависимость скорости реак¬
ции от температуры в условиях
самовозгорания хлопка.
фик с координатами* lgl/t и 1 /Г, который дает существующую
зависимость константы скорости реакции температуры:
k — k0e Ea!rt (15)
где k — константа скорости реакции;
k0 — постоянная, характерная для данной реакции;
ЕА — энергия активации;
R — универсальная газовая постоянная;
Т — абсолютная температура.
На рис. 7 и 8 приведены результаты обработки этим методом
данных по хлопку. Излом кривых lg 1/т —/(1/Г) вызван резким
изменением характера происходящих при некоторых температу¬
рах процессов разложения и окисления материала, ,
* Для условий разложения (при разных температурах) одной и той же
части вещества, происходящего с момента нагрева до загорания, константы
скоростей реакций k будут обратно пропорциональны соответствующим проме¬
жуткам времени т, потребовавшимся для разложения этой части вещества.
Аналогичные предпосылки положены в основу работы [22].
29
Исходя из приведенных выше представлений о температурах
возгорания и самовозгорания как о температурных точках, соот¬
ветствующих резкому изменению интенсивности реакций разложе¬
ния и окисления материала, можно считать, что этим критическим
температурам на кривых lgl/t = f(l/r) соответствуют точки их
перегиба.
Таким образом для хлопка получены следующие температуры:
воспламенения 210 °С, тления при самовозгорании 205°С и само¬
воспламенения 407 °С. !
Предположение о том, что получаемая по методике зависимость
между температурами окружающей среды и временем, необхо¬
димым для возгорания или самовозгорания материала, отражает
характер роста температур в самом материале, находит подтвер¬
ждение в опытах с самовозгоранием хлопка при /=195°С по ме¬
тодике, описанной в [40]. В этих опытах термопару помещали
Рис. 9. Изменение температуры внутри образца хлопка во времени при его
нагреве в термостате при 195 °С:
/ — температура образца; 2—температура окружающей среды.
в центр образца и фиксировали действительную его температуру,
изменение которой показано на рис. 9 (график представляет собой
запись,на диаграммной бумаге с использованием гальванометра
СГ-3). Этот график в области повышения температур аналогичен
кривой на рис. 6, построенной для хлопка по вышеуказанной
методике [21]. Математическая обработка кривой рис. 9 с по¬
строением графика в координатах lgl/t и 1 /Т позволила, несмотря
на другие условия опыта, определить аналогичный показатель
температуры тления при самовозгорании, равный 205 °С (рис. 10).
Полученные данные по хлопку подтверждаются результатами
опытов по замеру температуры поверхности хлопка перед воспла¬
менением. Несмотря на большую разбросанность данных, в 56%
опытов, проведенных в одинаковых условиях испытаний, получена
температура воспламенения хлопка, равная 211°С [21].
Изучение зависимости скорости 'разложения хлопковой цел¬
люлозы от температуры [23] позволило установить, что степень
ее разложения резко повышается в условиях опыта с 10 до 78%
в интервале температур 200—300 °С (рис. 11 и 12). Приведенные
на графиках данные показывают близость начальной температуры
30
активного распада хлопковой целлюлозы температуре воспламе¬
нения. Так как процесс разложения исследовали при нагревании
током высокой частоты и возрастание температуры наблюдалось
в самом диэлектрике (хлопковой целлюлозе), полученные дан¬
ные могут в известной мере служить дополнительным подтвер¬
ждением правильности определения температуры воспламенения
хлопка. Соответствующие данные мы получаем и для температур¬
ных показателей ряда других целлюлозных материалов (табл. 7).
I'
1
§ о,ио
%0,35
%0.30
р,25
^0,20
200 т воо
Температура,°С
Температура, °С
Рис. 10. Зависимость скорости реакции от температуры в условиях самовоз¬
горания хлопка.
Рис. 11. Разложение целлюлозы в зависимости от температуры.
Рис. 12. Скорость разложения целлюлозы в зависимости от температуры.
Полученные для древесных опилок более низкие температурные
показатели пожароопасности по сравнению с показателями для
Таблица 7. Температурные показатели пожарной опасности
для некоторых целлюлозных материалов
Материал
Объемная
Температура
•воспламе-
Температура самовозгора¬
ния, °С
плотность,
кг/м3
. ненця,
гс
тление
пламенное
горение (само¬
воспламенение)
Древесина
ель
422
' 241
305
397
сосна
414
255
295
399
дуб
710
238
298
375
Опилки
еловые
100
214
220
347
дубовые
160
229
229
342
сосновые
100
232
230
306
31
Таблица 8. Показатели процесса сухой перегонки сосновой древесины
в зависимости от температуры печи
I
I
&
о"
СО
стГ
00*
со
о
Я
<v
ч
Я
о
с
ч
V
о
со
CN
ю
1>
гр
(N
CS
Гр
CN
О
lO
Т—1
(N
гр
(N
*"н
о
<D CQ
о н
в '
Л
ч
о
Ю
о
X
о я я
ft!
я «з 2
« Ч 5-
о
я
S
О)
к
Ю
со
ю
,__Г
СЧ
00
о
со
ГГ
CS
fa К
О н
Н f-,
о
а
Л Щ V
С? к о «и
&Q о u
о
С-.
о
я
ю
ю
ю
ю
гг
78
ю
со
о
CS
ю
8
СО
к ~95
cd eg л
Я Н
о о ^
Я
»я
т р S hQ
Е “ у h
5*3 g lg §
5 S Щ О 4 Ч
>) * §■ Я
о
&н
о
а
£
00
СО
ю
о
со"
о
СО
со
<м
о"
со ^
СО Ю
?я|й
8gl§
о К « 5
CQ >■, *
о
я
2
о
(N
I
§
о
СО
00
СО
о
о
о
<N
«О
гР
*я
о
X
к
ч
о
0Q
о
ч
са
£
А
X
О)
S*
о
ч
U
и
VO
о
*
§
Си
(1)
ч
0)
я
я
СЗ
к
сх
<и
§
о
<и
я
я
СЗ
*
Ои
<и
ч
о
и
о
и
о
и
ч
о
сх
о
ч
о
я
3
4
о
Он
о
ч
о
я
а
о
Л
н
о
ч
я
а;
н
>»
а.
я
а
я
а>
Ч
я
о
о
я
н
о
•и
сг
я
Ч
о
32
образцов древесины тех же пород можно объяснить влиянием
физических свойств материала на его горючесть и, в частности,
большей удельной поверхностью, которая оказывает влияние на
скорость реакции, способствуя активному тепловыделению при
более низких температурах. Подобное влияние дисперсности час¬
тиц аэрогеля на температуру самовоспламенения характерно для
веществ с различными химическими свойствами. Так, для аэрогеля
электролитического никеля установлена следующая зависимость
между температурой самовоспламенения* и размерами частиц [24]:
<10 <50 <63
Размер частиц, мкм . . .
Температура самовоспла¬
менения, °С
420 460 540
По данным процесса сухой перегонки сосновоД древесины, при¬
веденным в табл. 8 [21], можно судить о причинах воспламенения
древесины при ее температуре, близкой к 280 °С. При температуре
до 280 °С в составе газообразных
0,62
3,12
12,62
},вг
1,12
Wot 1
c^~yr~-<xSoo
-i
'ът
%\%
СП
A
|
V
100°с
wo по т wo т ж
1
ю
а)
продуктов преобладает двуокись
углерода (причем теплота сго¬
рания 1 м3 газа не превышает
5,1 кДж); при температуре же
более 280 °С картина резко ме- ^
няется. Преобладающим элемен- ^
том становятся горючие газы— '^>#/2
смесь углеводородов и водорода, ^ '
а теплота сгорания газа резко
возрастает, достигая 16,4 кДж/м3.
Изменение характера образую¬
щихся продуктов связано с вы¬
делением при 280 °С тепла, со¬
ставляющего до 6% от теплоты
горения. Рис. 13. График зависимости ско-
Одним ИЗ показателей горю- рости разложения древесины от тем-
чести органических материалов пературы.
может служить количество дву¬
окиси углерода, выделяемой материалами при разных температу¬
рах нагрева в воздушной среде, по сравнению с количеством дву*
окиси углерода, образующейся при полном сгорании материала
(метод термолиза) [21]. Изучение по методу термолиза динамики
выделения двуокиси углерода из образцов сосновой древесины
при 300—700°С показало, что фаза активного развития реакций
окисления для этого материала наступает при температуре по¬
рядка 400 °С (рис. 13). Об этом свидетельствует резкое изменение
энергии активации. Малый размер образцов (10X30X5 мм),
способствующий быстрому их прогреву, и отсутствие активной
реакций при более низких температурах, несмотря на благоприят-
* Определена как минимальная температура окружающей среды (МТОС),
при которой возникал процесс пламенного горения в условиях опыта,
2 Зак, 62
ные условия для окисления, позволяют считать, что температура
порядка 400 °С соответствует их точке самовоспламенения. Эти
данные, полученные косвенным методом, совпадают с результа¬
тами определения, приведенными в табл. 7, и также подтверждают
правильнбсть предложенного принципа определения температур¬
ных показателей для твердых материалов.
Из теории теплового самовоспламенения [25] следует, что мак¬
симальный стационарный предвзрывной разогрев соответствует
условию
RT20
Тсв-Т0 = -^ (16)
еа
где ГСв- температура самовоспламенения вещества, К;
Т0 — температура окружающей среды, К;
R —газовая постоянная, равная 8,32 Дж/(моль-К);
ЕА — энергия активации, Дж/моль.
Приведенная зависимость характерна для условий, при кото*
рых между температурой самовоспламенения и температурой
окружающей среды существует небольшое различие (20—30 °С),
способствующее весьма кратковременному индукционному пе¬
риоду.
Получаемые по формуле (16) для многих твердых веществ
данные не отражают действительной картины. Так, согласно рас¬
чету критической температуры окружающей среды для сосновой
древесины при ЕА= 116,2 кДж/моль (рис. 13) и Гсв = 673 К полу¬
чается, что Г0-643 К. Самовозгорание же сосновой древесины
может происходить при температурах окружающей среды, значи¬
тельно отличающихся от температуры самовоспламенения (на¬
пример, при 110 °С). В то же время характерный процесс, пред¬
шествующий самовоспламенению и постоянно наблюдаемый, начи¬
нается лишь при температуре выше 280 °С (см. табл. 8). При более
низкой температуре окружающей среды может произойти само¬
нагревание материала, приводящее к самовозгоранию лишь в том
случае, если температура в его массе повысится до точки само¬
воспламенения. Если температура материала не достигнет кри¬
тической величины вследствие превышения потерь тепла над при¬
ходом его, то указанный процесс может завершиться лишь само¬
нагреванием (кривая Г на рис. 3). Реакции лавинного типа, трудно
предупреждаемые и приводящие к самовоспламенению, возникают
в сосновой древесине (и в других твердых материалах) при до*
стижении характерной для каждого из них температурной точки—•
температуры самовоспламенения. Обязательным условием для
этого при различных температурах окружающей среды является
нагрев материалов, имеющих одинаковые химический состав и
физическое строение.
Следует отметить, что изменение состава окружающей среды,
в частности содержания кислорода, может привести к изменению
температуры самовоспламенения, так как меняется характер и
34
скорость протекающих реакций. При повышении содержания кис¬
лорода температура самовоспламенения снижается, и наоборот.
Об этом свидетельствуют в известной мере результаты исследо¬
ваний зависимости температуры самовоспламенения (МТОС)
аэрозоля алюминия от содержания в нем кислорода (рис. 14).
Изменение темперятуры самовоспламенения '(МТОС) аэроге¬
лей магния и цинка в зависимо¬
сти от состава атмосферы видно
из данных табл. 9.
В углекислом газе в присут¬
ствии небольшой примеси водя¬
ных паров температура самовос¬
пламенения магния снижается на
140 °С.
2000
2.2.2. Склонность к возгоранию
0,1 0,2 0,3 0J*
Относительное объемное содержа-
• ние кислорода
Склонность к возгоранию яв¬
ляется свойством вещества, про¬
являющимся при воздействии
источника зажигания (tH > tc)
в способности загораться и само¬
стоятельно поддерживать горе¬
ние. Горючесть твердых материа¬
лов Г можно представить как
функцию количества и интенсив¬
ности подводимого qn и выделяе¬
мого <7Тэо тепла, площади S, на которую это тепло действует, физи¬
ческих свойств материала Ф\ и ряда других факторов Ф2:
Рис. 14. Зависимость температуры
самовоспламенения (МТОС) пыле¬
видного алюминия от размера его
частиц и содержания кислорода
в окружающей среде при диаметре
частиц, мкм:
/ — 6; 2—11; 3 — 19; 4 —21; 5—27:15— 46; 7 — 40;
5—35.
Ьф- ф>)
При воздействии на зажигаемый материал открытого пламени
или теплоизлучателя поверхность материала получает определен¬
ное количество тепла Qi. За счет этого тепла, поглощение кото¬
рого зависит от физических свойств материала и условий, благо¬
приятствующих его накоплению или рассеиванию, обогреваемый
участок нагревается до температуры, при которой начинается
активный процесс разложения материала. При этом выделяется
тепло Q2 и появляются воспламеняющиеся газы, которые заго¬
раются. При сгорании газов выделяется тепло Q3, которое активи¬
зирует процесс горения. Сказанное можно представить схемой:
источник возгорания-> Qi;
твердый материал-^продукты реакции + Q2',
летучие продукты реакции + 02->С02 + Н20 + Q3;
твердые продукты реакции + 02-^ С02 + Н20 + Q4.
Так как определить величину Qi затруднительно, при испыта¬
ниях материалов на горючесть учитывают все тепло импульса
2*
Таблица 9. Температура самовоспламенения (МТОС) аэрогелей
магния и цинка в различных средах [24]
Температура самовоспламенения, °С
в воздухе
в водяном паре
в двуокиси углерода
Магний
517
; 386
650
Цинк
420
320
Не горит
источника зажигания qm, которое является достаточно показатель¬
ным в условиях испытаний.
Объективным показателем оценки горючести материалов слу¬
жит количество тепла ^Тэо, выделяемого материалом в условиях
горения, приближающихся к естественным. Величина ^тэо всегда
меньше суммы Q2 + Q3+Q4, что объясняется неполным сгоранием
продуктов реакции. Это обстоятельство позволяет различать ма¬
териалы по их горючести. Исследования показали, что чем больше
отношение k = qT20/q^ тем более горючим является материал.
В идеальном случае, когда все тепло, выделяемое источником
зажигания q^, передается полностью материалу, самостоятельное
горение материала может происходить лишь при соотношении
<7тэо/<7и^1. В практических же условиях для такого процесса это
соотношение должно быть меньше единицы, так как необходимо
применение больших тепловых импульсов для компенсации тепло-
потерь. На основе экспериментальных данных критическая вели¬
чина соотношения установлена равной 0,5 [21]. Описание мето¬
дики приведено в ГОСТ 17088—71.
Решающее значение для возгорания материала имеют интен¬
сивность и количество подводимого тепла. Зажигающая способность
источника возгорания в известной мере характеризуется той мас¬
сой материала, которая может быть одновременно нагрета до тем¬
пературы воспламенения. Следует учитывать при этом, что любая
нагретая до указанной температуры часть материала может спо¬
собствовать горению лишь при условии выделения тепла в коли¬
чествах, компенсирующих тепловые потери.
Поскольку нагрев массы материала зависит от величины по¬
верхности, воспринимающей тепло, можно считать, что чем меньше
по сравнению с общей площадью зажигаемого элемента размеры
обогреваемой поверхности S, при которой материал возгорается,
тем, очевидно, он более горюч*
36
От искры, например, имеющей небольшую сферу теплового
воздействия, легко возгораются кипа хлопка, стог сена, многие пы¬
левидные материалы. В определенных условиях, способствующих
накоплению тепла, возгораются материалы с объемной плотностью
более 300 кг/м3. Более эффективными источниками зажигания
являются нагретая до высокой температуры поверхность и газовое
пламя, причем с увеличением размеров одновременно обогревае¬
мой ими поверхности материала увеличивается их воспламеняю¬
щее действие. Однако некоторые виды металлических порошков
(например, алюминий крупностью 40—50 мкм) плохо воспламе¬
няются от нагретых тел, так как имеют прочную окисную пленку,
и довольно легко воспламеняются от электроискрового разряда
с энергией менее 0,1 мДж [26]. По-видимому, в этом случае су¬
щественную роль играет высокая концентрация энергии (вслед¬
ствие малого объема разрядного плазменного канала), приводя¬
щая к значительному местному перегреву частицы.
На процесс горения материалов оказывают влияние их физи¬
ческие свойства и в частности объемная плотность, порозность,
теплопроводность, теплоемкость, влажность, удельная поверхность,
а также ряд других факторов: геометрическая форма и поло¬
жение материала в тепловом потоке, скорость воздуха, степень
концентрации тепла при горении.
Более легкая возгораемость материала с меньшей объемной
плотностью может обусловливаться его небольшой теплопровод¬
ностью. Концентрирование тепла на начальной стадии горения
при дальнейшем нагревании материала приводит к перегревам,
способствующим более быстрому, хотя и локальному, нагреву
материала до температуры воспламенения. На стадии развития
горения и обугливания материала небольшая теплопроводность
образующегося угля оказывает защитное действие, поскольку тор¬
мозится передача тепла его внутренним слоям. Повышение вос¬
пламеняемости с уменьшением объемной плотности объясняется
также и тем, что порозность материала возрастает, и его масса
имеет более развитую внутреннюю поверхность. Увеличение же
поверхности способствует активизации процесса окисления. Такие
плотные материалы, как железное дерево, бокаут, самшит не мо¬
гут удовлетворительно гореть без дутья.
Рассматривая механизм возгорания материала, мы отмечали
значение (в начале горения) повышения температуры обогревае¬
мой поверхности до точки, при которой начинается активный окис¬
лительный распад. Время, требуемое для достижения этой тем¬
пературы, зависит, очевидно, при других равных условиях от спо¬
собности материала воспринимать тепло. Величину восприятия
материалом тепла можно характеризовать в известной мере про¬
изведением трех показателей: теплопроводности, теплоемкости и
объемной плотности (А,, с, р). Произведения этих величин для не¬
которых материалов (для дуба принято 100) приведены ниже:
з?
Дуб ... .
Сосна и ель
100
71
Картон
плотный 64,5
«обыкновенный 34,0
плотный, гофрированный в несколько слоев при
толщине слоя 5 мм 1,7
Бумага оберточная 9,7
Опилки древесные (в качестве засыпки) 7,2
Камышит 3,9
Соломит 2,4
Хлопок 0,6
На основании этих данных, например, можно заключить, что
для достижения одинаковой температуры хлопку требуется при¬
мерно в 170 раз меньше тепла, чем древесине дуба при равных
объемах. Это различие восприятий тепла имеет значение только
для условий возникновения горения, когда импульсом служит ма¬
локалорийный источник зажигания * (окурок папиросы, пламя
спички, накал провода и др.). В условиях развившегося пожара,
когда действуют мощные источники нагрева, поведение более и ме¬
нее плотных материалов определяется главным образом влиянием
других, разбираемых ниже, факторов.
Хлопковые волокна сгорают в одинаковых условиях испытаний
быстрее, чем вискозные. Это объясняется тем, что хлопок, выдер¬
живаемый в условиях относительной влажности воздуха (прини¬
маемой в качестве стандартной), оказывается значительно суше
вискозного шелка и содержит примерно в два раза меньше влаги,
чем вискозное волокно. Понижение воспламеняемости материала
в этом случае объясняется трудностью нагрева его поверхности
до критической температуры, так как требуется дополнительное
количество тепла для испарения воды. Кроме того, для загорания
сухого материала нужно нагреть лишь сравнительно тонкий по¬
верхностный слой до температуры воспламенения, что связано
с затратой минимального количества тепла.
Тепло, воспринятое поверхностью влажного материала, интен¬
сивно отводится внутрь материала вследствие большей его тепло¬
проводности, что способствует ускоренному охлаждению поверх¬
ностного слоя и, следовательно, препятствует его горению после
прекращения притока тепла извне. Теплопроводность влажного ма¬
териала зависит в основном от теплопроводности воды и воз¬
духа, содержащихся в материале. Коэффициент теплопроводности
воды при одинаковой температуре в 23 раза больше коэффици¬
ента теплопроводности воздуха: воздуха при 20 °С = 0,0252 Вт/(м • К);
^воды при 20 °С = 0,587 Вт/(м-К). Поэтому при повышении влажно¬
сти материала в значительной степени возрастает и его теплопро¬
водность. Имеются вещества, которые в увлажненном состоянии
* Под малокалорийными понимают источники зажигания, воздействие ко¬
торых на поверхность материала носит местный характер и обеспечивает нагрев
весьма небольшого участка до температуры воспламенения.
38
(например, порошки магния и цинка, не говоря уже о натрий й
калии, бурно реагирующих с водой) возгораются легче, чем в сухом
состоянии. Они загораются даже в атмосфере водяного пара.
Причем происходит интенсификация горения, что обусловлено
активным прохождением реакций в присутствии воды, разрушаю¬
щим воздействием выделяющегося водорода на окисную пленку,
разрыхлением и разбросом этих порошков под влиянием образую¬
щегося водяного пара. Для магния при определенных условиях
характерна следующая химическая реакция:
Mg + Н20 = MgO + Н2 + 318 кДж
При этом 1 г смеси реагирующих веществ выделяет 530 см3
газа. Сравнение характеристик взрываемости порошка магния
с данными для тротила показывает, что магниевая смесь выделяет
в 1,82 раза больше энергии, чем тротил, но количество образую¬
щихся газов в два раза меньше [26].
Химическая реакция взаимодействия алюминия с водой тоже
сопровождается выделением большого количества тепла и газов.
Для порошков, не реагирующих с водой, увлажнение позволяет
снизить склонность к возгоранию, что обусловливается не только
влиянием указанных выше факторов, но и содействием в ряде
случаев комкованию порошков, уменьшающему их удельную по¬
верхность.
Состав атмосферы, как отмечалось, существенно влияет на
процессы горения веществ. Одни вещества теряют способность
к возгоранию уже в атмосфере с пониженным, по сравнению с воз¬
духом, содержанием кислорода. Другие (торий, титан, уран, це¬
рий) возгораются в двуокиси углерода или водяном паре в от¬
сутствие кислорода, а цирконий и магний, например, воспламе¬
няются и горят даже в азоте (вследствие экзотермической реакции
образования нитридов) [24, 26]. Порошки алюминия и магния
воспламеняются в фреоне, что приводит к сильным взрывам [27].
Лучшими флегматизаторами горения для большинства металличе¬
ских порошков являются аргон и гелий.
Как отмечалось выше, процесс горения большинства твердых
материалов носит ярко выраженный гетерогенный характер.
Поэтому на условия возгорания оказывает влиние геометрическая
форма частиц материала. При удлиненной форме этот процесс
начинается с острых концов. Чем острее угол, тем легче возгора¬
ние. Развитая поверхность горючего материала, обусловливаемая
и его формой, имеет немаловажное значение как фактор, способ¬
ствующий ускорению этого процесса.
Многие металлы, например алюминий, магний и другие, не
горят в компактном состоянии. Превращенные же в пыль, они сго¬
рают со скоростью взрыва. Влияние удельной поверхности на
возгораемость материала в порошкообразном состоянии иллюстри¬
руется графиком зависимости требуемой энергии воспламенения
от дисперсности порошка (рис. 15) [24]. В качестве источника
39
Зажигания использовали электрический искровой разряд. Из гра¬
фика видно, что энергия воспламенения линейно возрастает с уве¬
личением размера частиц порошка.
Интенсивность развития процесса горения зависит также от
положения материала в тепловом потоке. Оно определяет величину
смежной с горящим участком поверхности, подвергаемой термиче¬
скому воздействию. Чем больше площадь охвата тепловым пото¬
ком, создаваемым горящей частью материала или внешним
источником нагрева, тем интенсивнее при других равных условиях
процесс горения. Наглядным примером может служить опыт
со спичкой, наиболее быстро и полностью сгорающей, когда она
опущена головкой вниз. При горении твер¬
дых веществ с выделением летучих наблю¬
дается торможение реакции горения расту¬
щим диффузионным сопротивлением погра¬
ничного слоя газовой фазы, заполняемого
газообразными продуктами сгорания. При
сдувании пограничного слоя уменьшается
диффузионное сопротивление и тепловое
равновесие сдигается в сторону повышения
скорости реакции и температуры горения.
Поэтому характер горения и его распро¬
странение зависят прежде всего, от количе-
w ывз too 160 ства поступающего воздуха.
Дисперсность порошка,тм Если в неподвижном воздухе длина фа-
кела пламени сгорающих газов определяет-
Рис. 15. Зависимость ми- ся малой скоростью конвекционного потока,
ГигмиГпорГшкасплава то ПРИ Движении воздуха с определенной
титана с никелем (9,1%) скоростью длина факела увеличивается.
от дисперсности. Поэтому большая поверхность тела будет
подвергнута одновременному нагреву и за¬
жиганию, что обусловит более интенсивный процесс горения. Од¬
нако это положение не всегда справедливо. При слишком сильной
тяге к месту горения поступает избыточное количество воздуха,
который охлаждает продукты сгорания и тем самым замедляет
прогрев смежных участков материала до критической темпера¬
туры.
Особенно важную роль играет скорость воздушного потока
ё период Тления угля. В этом случае обеспечиваются лучший кон¬
такт воздуха с поверхностью угля и дополнительная генерация
тепла, так как тление происходит более интенсивно, что приводит
к повышению температуры обуглившихся частиц материала и
интенсификации горения.
Диффузионное сопротивление газовой фазы при горении ме¬
таллов составляет значительно меньшую величину, так как тре¬
буется меньшее количество кислорода для сгорания единицы
массы металла. Так, для сжигания 1 кг углерода необходимо при¬
мерно 8,9 м3 воздуха, а для сжигания 1 кг алюминия — примерно
40
3 м3 воздуха. Поэтому металлы сгорают значительно активнее,
чем уголь.
Интенсивность горения в значительной степени зависит от по¬
терь тепла горящей поверхностью. Поэтому в закрытом помещении
при доступе достаточного количества воздуха горение развивается
особенно энергично. При скоплении материала в больших мас¬
сах создаются условия для аккумуляции тепла и активизации
горения.
Следует подчеркнуть, что большинство органических твердых
веществ само по себе не способно гореть, горят лишь продукты
их распада, образующиеся при нагреве материалов. Горение про¬
дуктов распада, начавшееся под влиянием теплового импульса,
будет продолжаться до тех пор, пока будет достаточный приток
воздуха и тепло сгорания (при условии его выделения в доста¬
точном количестве) не будет рассеиваться, а пойдет на нагрев
новых участков материала до температуры воспламенения.
Трудность нагрева материала до соответствующей темпера¬
туры служит иногда причиной для неправильных выводов о его
негорючести. Так, этилцеллюлозная пленка не распространяет
пламя, если источник зажигания удален. Это обусловлено отно¬
сительно низкой температурой плавления этилцеллюлозы, что
благоприятствует отрыву горящих капель от пленки и тем самым
предотвращению * распространения огня. Возгораемость этилцел¬
люлозы возрастает при совмещении с какой-либо негорючей
тканью (например, стеклянной). Последняя служит как бы под¬
держивающей основой для расплавляемой этилцеллюлозы и не
дает ей свободно стекать. Аналогичное явление характерно и для
пенополистирола, что приводило к неправильной оценке его го¬
рючих свойств. Использование и в этом случае стеклоткани для
задержания плава пенополистирола, аккумулирующего большую
часть тепловой энергии у места действия источника зажигания,
приводило к активному горению материала.
При нагреве до температуры воспламенения большинство орга¬
нических твердых веществ подвергается термическому разложе¬
нию, носящему отчетливо выраженный ступенчатый характер. Так,
целлюлозные материалы высыхают при 110 °С, после чего
начинают выделяться летучие вещества, имеющие запах. При 110—
150°С наблюдается пожелтение этих материалов и происходит
более сильное выделение летучих. При 150—210°С наступает
обугливание, о чем свидетельствует коричневая окраска. При
210—280 °С целлюлозные материалы выделяют большое количе¬
ство газообразных продуктов, воспламеняющихся на воздухе.
Особенностью возгорания частиц металла, отличающей их от
других горючих веществ, является образование окисной пленки
в результате реакций окисления, предшествующих горению и
ускоряемых при нагреве. Начальной стадией реакции между ме¬
таллом и кислородом является адсорбция газа на его поверх¬
ности. Адсорбция может быть обусловлена физическими (теплота
41
адсорбции 41,87 кДж/моль) и химическими (>418,7 кДж/моль)
силами. Качество и поведение образовавшейся поверхностной
пленки влияют на горючесть частиц. Пористая, рыхлая окисная
пленка не препятствует дальнейшему окислению металла. Плотная
пленка, хорошо связанная с основным металлом, затрудняет окис¬
лительный процесс.
Таким образом, скорость окислительных реакций зависит в каж¬
дый данный момент не только от температуры и концентрации
окислителя, но и от характеристики окисной пленки. Наиболее
благоприятные условия для возгорания металла создаются в том
случае, когда пленка разрушается или отделяется от металла.
Этому способствует нагрев до температуры плавления металлов.
Подвижность расплавленных металлов и увеличение объема со¬
здают усилия, вызывающие разрывы окисной пленки. К числу
металлов, загорающихся выше температуры их плавления, отно¬
сятся Al, Zn, Sn, Pb, Bi, As, Cd, Li, Na, К- Однако имеются ме¬
таллы (Mg, Th, Ca, Fe, Sr, Ba, Mo), которые воспламеняются
в твердом состоянии при температурах, лежащих ниже их точки
плавления [24].
В каких бы условиях ни протекало горение материалов, оно
всегда носит ступенчатый характер, т. е. всегда имеются стадии
поглощения и выделения тепла. Поэтому между горящей поверх¬
ностью материала и близко расположенными участками всегда
есть слой, который претерпевает подготовительный процесс, со¬
провождаемый поглощением тепла и тем самым препятствующий
быстрому распространению высокой температуры.
Фактором, замедляющим воспламенение органического мате¬
риала, является также рассеивание в окружающую среду горючих
газов, выделенных поверхностными слоями. Эти газы могут раз¬
бавляться невоспламеняющимися продуктами.
Собственно процесс горения большинства твердых органиче¬
ских материалов делится на два периода: а) сгорание газов, обра¬
зующихся при термическом разложении материала (фаза пла¬
менного горения) и б) сгорание образовавшегося угля (фаза
тления). Следует отметить, что такое деление несколько искусст¬
венно, так как тление угля наблюдается и при пламенном го¬
рении.
2.2.3. Склонность к самовозгоранию
Склонность к самовозгоранию является свойством вещества,
проявляющимся в способности загораться при температурах среды,
лежащих между температурами его самонагревания и самовоз¬
горания или ниже температуры самонагревания в результате на¬
копления тепла в материале, выделяющегося при химических и
микробиологических процессах.
Склонность к самовозгоранию Св можно охарактеризовать как
функцию теплоты сгорания Qcr, скорости реакций окисления Vq,
42
теплопроводности X, теплоемкости с, объемной плотности р, потерь
тепла Qn и других факторов Ф3:
Св = /(осг, vo, Y’ Т’ 7’ ^7’ Фз)
Если для рассмотренного выше процесса возгорания решаю¬
щим фактором является источник зажигания, удовлетворяющий
определенным требованиям, то для процесса самовозгорания основ¬
ное значение приобретает концентрация тепла. О роли ее в теп¬
ловом самовозгорании можно судить по
данным табл. 10, полученным при на¬
греве в термостате (рис. 16) образцов
древесины, хорошо изолированных и не¬
изолированных. 2
Как видно из табл. 10, чем меньше 3
рассеивается выделяющееся из древесины
тепло, тем при более низкой температуре *
окружающей среды начинается самона¬
гревание дерева.
В области сравнительно невысоких
температур (ниже 250 °С), при которых
происходит главным образом тепловое
самовозгорание, не обеспечиваются ско¬
рости разложения и окисления материала
с поверхности, достаточные для его само¬
возгорания. Последнее достигается лишь
в результате активизации процессов раз¬
ложения И окисления В массе материала, Рис. 16. Разрез термостата:
в которой создаются более благоприят-
ные УСЛОВИЯ ДЛЯ накопления ДОПОЛНИ- ка измерения температуры t2\
-гг 4-ящик из этернита; 5-—нагрева-
ТеЛЬНОГО тепла. Поэтому При увеличении тельные спирали; 5-шлаковата;
массы возрастает вероятность самовоз- г-опытный образец,
горания материала.
В экспериментах с хлопком показано, что с увеличением ли¬
нейного размера образца кубической формы х самовозгорание
Таблица 10. Данные опытов по самовозгоранию образцов
древесины (пихты)
Образцы
Опытные данные
неизолиро¬
ванные
изолированные
Объемная плотность древесины (пихты), кг/м3 . .
380
380
Температура, °С
воздуха в термостате t\ . . . .
247
166
образца древесины (наивысшая) t2
400
640
Время достижения наивысшей температуры, ч .
30
18
t2/t -
1,62
3,86
43
происходит при более низкой температуре окружающей среды
t (рис. 17, 18). Аналогичные зависимости установлены для дре¬
весноволокнистой изоляционной плиты объемной плотностью
268 кг/м3 и для других материалов [28—30].
Продолжительность самонагревания материала может быть
очень большой и зависит она от разности скоростей выделения и
рассеивания тепла, физических и химических свойств материала
и его размеров. Известны случаи самонагревания, например опи¬
лок, загоревшихся только после года их контактирования с тепло¬
носителем, имеющим температуру 110—120 °С [31]. Поэтому
полученные выше прямолинейные зависимости между температу'-
рой окружающей среды, размерами материалов и временем до
Размер образца, мм
Рис. 17. Зависимость самовозгорания
образцов хлопка кубической формы
(объемная плотность 80 кг/м3) от их
линейного размера и температуры
окружающей среды.
0,1 0,25 0,5 1,5 4,0 10 25
Время до самовозгорания, ч
Рис. 18. Зависимость времени до само¬
возгорания образцов хлопка от тем¬
пературы окружающей среды.
самовозгорания представляют практический интерес. Определив
дополнительно температуру самонагревания материалов (см.
рис. 3), можно сделать исходя из таких зависимостей более обос¬
нованные выводы об условиях их самовозгорания. Например, при
окраске изделий в распылительных камерах образуется аэрозоль
краски, оседающий на их стенках и в вентиляционных каналах. Об¬
разовавшийся аэрогель неоднократно был причиной пожаров. Для
выяснения причин возгораний провели специальные исследования,
которые показали большую склонность аэрогелей лаков марок
754, 930, НЦ-315, краски Т и коричневой эмали 662 к химическому
самовозгоранию [32]. Большая склонность к самовозгоранию аэро¬
гелей этих материалов объясняется тем, что они содержат наряду
с коллоксилином льняное масло и минеральные пигменты и что
температура их самонагревания не превышает 30 °С. Из зависи¬
мостей, показанных на рис. 19 для аэрогеля лака НЦ-315, методом
экстраполяции определялись условия самовозгорания при 30 °С.
При своевременном обнаружении загорания материалы, под¬
верженные самовозгоранию, характеризуются сохранностью струк*
туры наружной части и небольшими изменениями внешнего вида.
Во внутренней же их части происходит обугливание или сгорание
до пепла. Данные, приведенные в табл. 7, показывают, что само¬
воспламенению твердых материалов может предшествовать их
тление, происходящее при более низкой температуре. Поскольку
тление органических материалов возникает на обугленной поверх-
44
ностй, можно считать, что промежуточным продуктом разложений
этих материалов, способствующим их самовозгоранию, является
уголь, активно окисляющийся и при комнатной температуре. Этим
свойством угля объясняется возможность самовозгорания материа¬
лов и после прекращения действия одного из возбудителей про¬
цесса.
Важную роль в процессе самовозгорания углей играет их спо¬
собность адсорбировать пары воды на начальной стадии процесса.
При поглощении из воздуха 0,01 г воды выделяется 22,6 Дж
тепла. Предполагается, что за счет адсорбции материал нагре¬
вается до 65—70 °С. При этой температуре реакция окисления угля
становится основным гене-
—Г
I \
I 90 -V
f
Iю
I»
I
ВО
30
Ц£ = 2,4770-
0,330Щх
\
N
\
W 60 80
Размер
образца х, мм
а
120
рЮО
*3
f-
!
Iю
1—1
1,96
58k
'82-
ъдт-
\
\
\
V
/
3 5
8 10
Время до самовоз¬
горания Т, ч
ратором тепла.
Способность склонных к
самовозгоранию материалов
распространять тление вну¬
три своей массы и погло¬
щать продукты горения со¬
здает особую опасность воз¬
никновения пожара от са¬
мовозгорания. Опасность за¬
ключается в том, что ие
всегда можно своевременно
установить начало пожара.
В наибольшей степени ука¬
занные свойства присущи
горючим волокнистым и
многим пылевидным мате¬
риалам. В случае аэрогелей
возникновение тления со¬
здает угрозу взрыва при про¬
ведении процессов, способ¬
ствующих переходу аэро¬
геля в состояние аэрозоля. Это обстоятельство необходимо строго
учитывать в технологии, связанной с образованием и переработкой
пылей.
К числу веществ, подверженных самовозгоранию под влиянием
микробиологического импульса, относятся кормовые продукты
(сено, солома, овощи, фрезерный торф и др). Рост их темпера¬
туры до точки самовозгорания обусловлен накапливанием тепла
в условиях, способствующих хорошей изоляции (большие массы
продуктов). Образование тепла происходит последовательно в ре¬
зультате: а) деятельности растительных клеток (тепло фермен¬
тации); б) жизнедеятельности микроорганизмов; в) поглощения
пористыми продуктами разложения материала паров и газов
(тепло адсорбции) и г) реакций окисления.
Самовозгоранию способствует не только концентрация тепла,
но и развитая поверхность материала и его легкая возгораемость;
Рис. 19. Связь температуры окружающей
среды t, при которой самовозгораются
нитроотходы лака НЦ-315, с линейным
размером образца кубической формы х (а)
и временем т (б).
Особенно большую роль играют эти свойства материала при
химическом самовозгорании. Горючие волокнистые материалы,
особенно хлопок *, а также пылевидные материалы отвечают ука¬
занным условиям, и поэтому очень большую пожарную опасность
представляет, например, их совмещение с маслами, склонными
окисляться. Интересными в этом отношении являются данные
опытов по самовозгоранию хлопка. Хлопок (1 кг), смоченный 250 г
олифы, слегка отжали в комок, положили на лист фанеры и оста¬
вили на открытом воздухе при 20 °С. Самовозгорание произошло
через 3 ч, об этом свидетельствовало начавшееся тление. Изме¬
нение температуры в центре образца в зависимости от времени
показано ниже:
Температура, °С * , 20 26 58 187
Время, ч . 0 1 2 3
К числу масел, способных окисляться, относятся растительные
и животные жиры, содержащие непредельные органические соеди¬
нения. Эти масла и жиры по степени их опасности для волокни¬
стых материалов (по активности поглощения кислорода) подраз¬
деляются на четыре группы [21]:
1) наиболее опасная: льняная олифа, ворвань, льняное, коно¬
пляное, ореховое и маковое масла;
2) опасная: подсолнечное, хлопковое, сурепное и касторовое
масла;
3) менее опасная: оливковое и костяное масла, гусиный жир,
говяжье и баранье сало;
4) мало опасная: шерстяной жир, коровье масло, пчелиный
воск и кокосовое масло.
Не вдаваясь в подробный анализ правильности приведенной
классификации масел и жиров, необходимо отметить, что хлопко¬
вое масло представляет собой значительно большую опасность
с точки зрения склонности к самовозгоранию по сравнению с кас¬
торовым. Об этом свидетельствуют многочисленные случаи пожа-
Таблица 11. Продолжительность самовозгорания хлопка,
пропитанного растительными маслами
Масло
Время до самовозгорания, ч
Иодног число
Тунговое .......
2,5
153,2
2,7
175,9
Хлопковое
8-10
111,2
Касторовое
30,5
86,5
Примечание. Опыты проводились при 100 °С в корзиночках размером 105 X105X105 мм
из медной сетки, в которые помещали образцы хлопка объемной плотностью 80 кг/мЗ, про¬
питанные хлопковым маслом (150% от массы хлопка) и остальными маслами (209% от массы
хлопка).
* Общая внутренняя поверхность 1 см3 хлопковой целлюлозы, измеренная
по поглощению S02, NH3) НС1 и Н20, составляет 0,9—2,3 • 106 см2 [21].
46
ров, которые возникали на практике после перехода при изготов¬
лении нитроцеллюлозных кожзаменителей (дерматина, ледерина)
на хлопковое масло вместо касторового. На это указывают и дан¬
ные исследований, приведенные в табл. 11 [28].
Из табл. 11 видно, что ненасыщенность соединения, характе¬
ризуемая йодным числом, не является определяющим фактором
при самовозгорании. Существенно активизируют самовозгорание
пропитываемого материала добавляемые в количестве 7% к хлоп¬
ковому маслу минеральные пигменты и красители [28]. Продол¬
жительность периода до самовозгорания хлопка, пропитанного
хлопковым маслом с некоторыми добавками, приведена ниже (в ч):
Хлопковое масло без добавки 8—10
Крон желтый 2,0
Сурик 4,0
Редоксайд 3,5—4,0
Ультрамарин 8,0
Ми лор и 2,25
Сажа газовая 11,5
Литопон 5,0
Мел 5,0
Сажа ламповая 3,75
Процесс окисления указанных масел весьма активизируется
при контакте с порошкообразными окислителями. Случай пожара,
сопровождавшегося взрывом, зарегистрирован при контакте, на¬
пример, лечебной мази для натирания, содержавшей подсолнечное
масло и аммиак, с марганцовокислым калием.
Нагрев некоторых плавящихся сыпучих материалов может
способствовать уменьшению их удельной поверхности, что обу¬
словлено сплавлением частиц, а это снижает склонность к само¬
возгоранию. Однако введение в состав таких материалов неплав¬
ких наполнителей или попадание йх на поверхность волокнистых
или пористых тел может привести и к противоположному резуль¬
тату. Образующимся в этом случае плавом пропитываются волок¬
нистые или пористые тела и развивается его удельная поверх¬
ность, контактирующая с воздухом, что может привести к актив¬
ному самоокислению и самовозгоранию. Такое явление, в частности,
наблюдалось на одном из заводов при попадании расплавленного
парафина при 200 °С на стеклоизоляцию. Самовозгорание было
устранено лишь после того, как стеклоизоляцию закрыли оцин¬
кованной жестью, при стекании на которую парафин быстро охла¬
ждался, образуя покрытие с весьма малой удельной поверхностью.
К химическому самовозгоранию склонны некоторые из метал¬
лических порошков. Например, алюминиевая пыль взаимодействует
с хлором и бромом при обычной температуре. Сильно измельчен¬
ный алюминий вступает в реакцию с хлорированными углеводо¬
родами. Образующийся в процессе этой реакции хлористый алю¬
миний ускоряет ее, что в ряде случаев приводит к взрыву. Такое
явление наблюдается прл нагреве до 150 °С порошка алюминия
с СНзС1 и ССЦ. Смешение алюминиевой пыли с некоторыми хло¬
47
рированными углеводородами и спиртом приводит к их самовозго¬
ранию.
Увлажнение способствует самовозгоранию весьма небольшого
количества натрия, калия и при скоплении в кучи магния и алю¬
миния [29,. 33]. При увлажнении магния образуется гидроокись
и выделяется тепло.
Реакция алюминия с водяным паром протекает быстрее, чем
с кислородом. Действие водяных паров объясняется главным
образом лучшим проникновением воды как кислородоиесущего
агента через окисную пленку, а также способностью выделять во¬
дород при взаимодействии с металлом [24]. Процессу самовозго¬
рания алюминия способствует загрязнение его маслами. При ком¬
натной температуре алюминий легко взаимодействует с водными
растворами аммиака. Реакция сопровождается выделением во¬
дорода.
Металлические порошки самовозгораются также при удалении
защитной окисной пленки. Поэтому восстановлением водородом
при низкой температуре можно получить металлы в пирофорном
состоянии. К числу легко восстанавливаемых металлов относятся:
железо, никель, медь, кобальт, свинец. Пирофорное железо, на¬
пример, получается восстановлением окислов железа водородом
при 300—500 °С и удельной поверхности S, превышающей 3 м2/г.
Пирофорное железо можно дезактивировать обработкой бензином
или другими органическими жидкостями с последующим испаре¬
нием их на воздухе.
Дезактивированное пирофорное железо в зависимости от тем¬
пературы нагрева t и удельной поверхности 5 может загораться
на воздухе при следующих условиях:
*, °С • 165 240 280
S, м2/г 7,5 3,1 1,5
Предполагаемой причиной пирофорности мелкодисперсного
металла является выделение тепла при образовании окисной
пленки, достаточного для воспламенения металла.
Дисперсность частиц, при которой проявляется склонность
к самовозгоранию, различна для разных металлов. Для циркония,
наиболее склонного к самовозгоранию, эта способность проявляет¬
ся при частицах размером до 3 мкм. Частицы размером 12 мкм
не загораются даже при нагреве их докрасна. Железо, никель,
медь самовозгораются при частицах размером 0,01—0,03 мкм.
Натрий и цирконий при. частицах таких размеров вспыхивают
на воздухе мгновенно [24]. Имеются указания [26], что порошки
циркония могут самовоспламеняться в обычных условиях от раз¬
рядов статического электричества при пересыпании. В спокойном
состоянии порошки циркония самовозгораются при более высокой
температуре.
Возникновение горения и в частности самовозгорания многих
веществ зависит от содержания в них примесей. Так, например,
48
температура разложения чистой аммиачной селитры находится
в пределах 195—205 °С. При обычных температурах хранения и
транспортирования внутри массы чистой аммиачной селитры не
происходит саморазогрева и, следовательно, термическое разло¬
жение ее исключается. Смеси аммиачной селитры со сгораемыми
материалами (деревом, соломой, торфом, льном, мешкотарой и др.)
склонны к самовозгоранию, что обусловлено протеканием экзотер¬
мической реакции нитрации. При температуре около 100 °С за счет
теплоты реакции нитрации начинается автокаталитическое раз¬
ложение аммиачной селитры, в результате которого органические
продукты разогреваются до температуры самовоспламенения.
Автокатализ вызывается главным образом выделяющимися
при разложении аммиачной селитры двуокисью азота и водяным
паром [34]. Особенно повышают пожаро- и взрывоопасность ам¬
миачной селитры примеси порошкообразных металлов, которые
могут служить сильнейшими катализаторами экзотермического
разложения. По данным проведенных исследований [35], неболь¬
шие примеси масла (до 0,036%) существенно не меняют характер
разложения по сравнению с чистой селитрой, хотя соответствую¬
щая температура и снижается. При увеличении содержания масла
до 1,8% горение селитры переходит во взрыв. Аналогичное явление
наблюдается в присутствии 0,005—0,3% хлор-иона.
Отсутствие антиокислителя и повышенное (до 60%) содержа¬
ние связанного мономера способствуют проявлению склонности
крошки бутадиен-стирольного каучука БС-45АК к самовозгора¬
нию. Этот процесс наблюдался в летнее время при хранении
крошки каучука в прорезиненных мешках, уложенных в помещении
склада и на открытой площадке. Лабораторные исследования по¬
казали, что образцы крошки каучука с удельной поверхностью
9—11 см-1, находящиеся в корзиночках из латунной сетки разме¬
ром 8X8X8 см и помещенные в изоляцию из хлопка толщиной
3,5 см, самовозгорались при температуре окружающей среды 80 °С.
Введение 1% антиокислителя исключало самовозгорание мате¬
риала и при 120 °С [29].
Поскольку нестабильность материалов, склонных к самовоз¬
горанию, обусловливается главным образом тепловым характером
самоускоряющихся реакций разложения, предложено [36] рассчи¬
тывать безопасные условия хранения материалов исходя из теории
теплового взрыва [25]. Для расчета принимают нулевой порядок
реакции самонагревания в материале и считают, что она подчи¬
няется закону Аррениуса; кроме того, принимают, что материал
изотропен и его физические и химические свойства не зависят
от температуры. Дифференциальное уравнение теплового баланса
Для стационарного состояния между генерируемым в материале
теплом и его потерей в результате теплопроводности через по¬
верхность материала представляется в виде [37]
У2Т = — (Q/Я) / exp ( — (17)
49
где V 2 — оператор Лапласа?
Г — абсолютная температура нагрева?
Q — теплота реакции на единицу объема;
А, — теплопроводность;
Ел — энергия активации;
R — газовая постоянная;
Т —- предэкспонента.
Для симметричного нагрева граничными условиями являются:
dT/dx = 0 при х — 0 (18)
где х — расстояние координаты, измеряемое от центра тела.
а (Т — Т0) + Я {dTjdx) = 0 при х=*г (19)
где а - коэффициент теплоперехода;
г - половина ширины пластины, радиус цилиндра или сферы;
Т0— абсолютная температура среды.
При разложении 1/Т в ряд получаем:
отсюда
Ед Е Г Т - Г„
RT RT0
Обозначая безразмерную температуру
0 = ^(Г~Го)
из уравнения (17) получаем
d2Q , k dQ
dz2 zdz
• — 6 exp 0 (21)
где 2 = x/r — безразмерное расстояние;
k = 0 для пластины; k = 1 —для цилиндра; k — 2 — для сферы.
Безразмерная величина генерации тепла соответствует
Q Ел
— /г2—4г
Я RTl
6 = — /г2 —Д. ехр ( — —I (22)
Уравнения (18) и (19) в безразмерных величинах выража¬
ются как
-^-==0 при 2 — 0 (23)
60 + dQ/dz = 0 при z=l (24)
где b — а г/К.
По приведенным выше уравнениям находят распределение тем¬
ператур в материале и в особенности максимальное значение б
(вс), при котором еще возможно решение уравнений. Безразмер¬
ная величина 6С зависит исключительно от формы: для безгранич¬
ной пластины 6С = 0,88, для безграничного цилиндра 6С = 2, для
сферы 6с = 3,32.
Если в анализируемых условиях, учитывающих кинетические
данные разложения материала и его массу, найденная согласно
уравнению (22) величина б оказывается больше бс, то решения
для стационарного состояния не существует и, согласно теории,
материал может самовозгораться, так как в этом случае тепло¬
выделение превышает теплоотвод.
Конкретные примеры использования тепловой теории для рас¬
чета критических масс кип шерсти и гранулированного материала
(нитрата аммония) приведены в работах [36, 38]. Критические
условия самовозгорания муки изучались в работе [39].
Большие трудности указанного метода связаны с необходи¬
мостью получения подробных сведений о кинетических и термохи¬
мических параметрах для каждого рассматриваемого процесса,
низкой экзотермичностью индукционного периода, в течение
которого, тем не менее, может разложиться до 30% продукта, необ¬
ходимостью учитывать в расчете величину бс для форм мате¬
риала, соответствующих условиям его применения на практике и
отличающихся от основных форм, указанных выше.
Сложность формы может способствовать созданию в материале
неравномерного температурного поля с различными скоростями
распространения тепла в различных направлениях. Если не учи¬
тывать это, то при расчете бс из кинетических данных можно
прийти к неправильным выводам.
Для определения склонности веществ и материалов к самовоз¬
горанию применяют эмпирический метод [40]. Этот метод позво¬
ляет простым и достаточно надежным путем установить связь
между температурой окружающей среды, массой материала и вре¬
менем до его самовозгорания. Как видно из рис. 17 и 18, указан¬
ная зависимость имеет вид степенной функции
t = AplnP (25)
где t — температура окружающей среды, °С;
/ — линейный размер образца материала кубической формы *, мм;
Ар, пр —постоянные величины, характерные для данного материала.
В логарифмическом виде:
\gt = A'p-np\gl (26)
Аналогичное выражение получается и для времени т процесса
самовозгорания:
\gt=*Ab~nb\gr ■ (27)
Для учета не только размеров материала, но и его формы,
предложена следующая зависимость [8]:
lg * — АР + пр lg S (28)
где S — удельная поверхность материала *, м-1.
* Для пылевидного материала учитывается размер корзиночки, в которую
он помещен.
61
Параметр Ар может быть вычислен из выражений
Ap = A'p-3,77Snp
(29)
Недостатками применяемой методики являются длительность
экспериментов и расход большого количества исследуемого ма¬
териала.
Общность закона изменения величины t от I для различных
материалов определила целесообразность изучения возможности
применения метода подобия физико-химических свойств веществ
при исследовании склонности их
к самовозгоранию.
Согласно этому методу [41],
зависимость некоторого свойства
у от независимого параметра х
подобна для сравниваемых ве¬
ществ, если кривые 1 и 2 (рис.
(хбгУб) 20) в прямоугольной системе
координат х, у геометрически
(хб>Уб) 2 родственны. Это возможно в тех
случаях, когда величина у обоих
веществ изменяется с изменением
Рис. 20. Зависимость некоторого свой- X ПО одному И тому же закону,
ства у от независимого параметра х определяющему форму функции
для сравниваемых веществ 1 и 2. /(*). Тогда ДЛЯ любых двух
соответственных точек А и Б кри¬
вых / и 2 с координатами [х\, у^), (хА, у’А) и [хБ, уБ), (х"Б, у"Б)
можно определить константы подобия исходя из следующих фор¬
мул (общий случай подобия):
x\xff
X л
— Г
X а
л п
г . —
х а
гг ,
ХБ-\- CL
у'л -с
У'л _с
' 1 U У
Уб + ь
Уб + Ь У
(30)
(31)
Постоянные величины а и b характеризуют сдвиг кривых одной
относительно другой.
Если известна зависимость свойства уа вещества N от хА, то,
используя уравнения (30) и (31), можно вычислить свойство у б
вещества М для любого значения хБ. Вещество N, для которого
известна зависимость уА = f {хА), носит название стандартного (ти¬
пового) вещества.
Исследования [42] склонности к тепловому самовозгоранию
ряда материалов, содержащих растительные вещества (древесные
опилки, строительный картон, торф, торфолеум, войлок, табак,
гипсотермин), показали хорошее совпадение расчетных, получен¬
ных на основе метода подобия, и экспериментальных данных,
обработанных с использованием уравнения (26). Принцип подо-
52
бий П03Ё0лйет существенно сократить объем экспериментальной
работы. При этом установлено, что для изучения условий теп¬
лового самовозгорания материалов, содержащих растительные
вещества, можно применять в качестве стандартного (типового)
материала хлопок.
2.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
АЭРОЗОЛЕЙ
Аэрозоли по воспламенению и горению во многом подобны
газовым смесям. Эти процессы для них определяются сходными
критическими условиями. Соответственно опасность аэрозолей и
газовых смесей характеризуется рядом параметров. К этим пара¬
метрам относятся: концентрационные пределы воспламенения, ми¬
нимальное взрывоопасное содержание кислорода, минимальная
энергия зажигания, максимальное давление взрыва, скорость на¬
растания давления. Сходная способность проявляется также
в достижении взрывных скоростей горения. К числу указанных
параметров можно было бы отнести и температуру самовоспла¬
менения. Однако для многих органических аэрозолей этот пока¬
затель имеет малую практическую ценность, так как он получается
значительно более высоким, чем для аэрогелей (табл. 12) [29].
Таблица 12. Температуры самовоспламенения аэрозоля
и аэрогеля некоторых веществ
Температура самовоспламенения, °С
Вещество
аэрозоля
аэрогеля
472
516
240
340
340
500
240
Поскольку при проведении технологических опёраций с пыле¬
видными материалами легко образуются аэрогели, необходимо
ориентироваться на более низкую температуру самовоспламенения
осажденных пылей с тем, чтобы обеспечить пожарную безопас¬
ность процессов.
Склонность аэрозолей к седиментации существенно отличает
их от газо-паровоздушных смесей. Это свойство обусловливает
при других равных условиях меньшую вероятность взрыва аэро¬
золя по сравнению с неразделимыми горючими газо-паровоздуш-
ными смесями, тем более, что для его воспламенения требуется
более высокая энергия зажигания (может достигать величин, ко-
Антрацен 946
Гидрохинон . . . . , 800
Полимер акриламида . „ 410
Пыли (промышленные) пресс-порошков 657—696
Смола синтетическая К-18-2 > 890
Сополимер акриламида и винилбензилтриме-
тиламмония хлорида , §10
Сополимер акрилонитрила и винилпиридина . 51Q ,
53
fopbie на два порядка выше, чем для газов) [43]. Гетерогенность
аэрозолей как характерную их особенность также необходимо
учитывать при изучении горения пылевоздушных смесей.
Как отмечалось выше, горение твердых веществ протекает на
поверхности и в газовой фазе около нее. Поэтому в горящем
аэрозоле теплота сгорания концентрируется главным образом
в конденсированной фазе, где развивается более высокая тем¬
пература. Это подтверждается расчетом теплоты сгорания смесей
пылей с воздухом при минимальных взрывоопасных концентра¬
циях. За счет этого тепла температура смесей может повыситься
лишь на 100—200 °С [44]. Такое повышение температуры недо¬
статочно для воспламенения аэрозоля, поскольку не обеспечивает
нужного для зажигания частиц нагрева.
Расчет * нижнего концентрационного предела воспламенения
некоторых пылей химически индивидуальных веществ как паров
и газов по имеющейся методике [45] показал значительное пре¬
вышение расчетных данных над экспериментальными (табл. 13).
Таблица 13. Расчетные и экспериментальные данные по нижнему
концентрационному пределу воспламенения некоторых
пылевидных химически чистых веществ (в г/м3)
Расчетные
данные
Вещество
по аппрокси-
мационному
методу
по методу
адиабати¬
ческой
температуры
Эксперименталь¬
ные данные
(метод
ВНИИПО)
Ализарин
77,61
62,75
20
Ангидрид пальмитиновой кислоты . .
48,06
- 59,13
40
Диметиловый эфир фумаровой кис¬
лоты
103,75
136,87
57,5
Дифенилолпропан .
33,89
36,55
25,0
Диэтиловый эфир ацетоаминома-
лоновой кислоты
83,96
80,67
35,0
Кислоты
98,4
94,5
60,0
71,4
60,5
37,5
241,0
233,0
70
салициловая ..........
86,4
80,2
45,0
71,9
70,0
35
139,8
137,6
100
Эта особенность объясняется не учитываемым в расчете отли¬
чием механизма воспламенения и распространения пламени в аэро¬
золях от подобного механизма в газах. Экспериментальные данные
о прямой корреляционной зависимости между скоростью газифи¬
кации вещества и нижним концентрационным пределом его вос¬
пламенения, возрастание указанного предела с уменьшением
дисперсности частиц в специфической для каждого вещества об¬
* Данные Л. С. Проценко.
54
ласти (см. рис. 23,6) и большая взрывчатая способность метал¬
лических пылей по сравнению с органическими легко газифици¬
рующимися пылями служат подтверждением стимулирующей
роли в горении присутствующих в системе твердых частиц.
На существование различия механизмов прогрева пыле- и газо¬
воздушных смесей указывает и скорость распространения пламени
в аэрозоли, которая обычно получается на порядок выше скорости
распространения пламени в гомогенной газовой смеси [46, 47].
Повышенная скорость распространения тепла является резуль¬
татом прогрева аэрозоля от фронта пламени главным образом
за счет радиационной составляющей теплового потока, а не кон-
дуктивной.
Взвешенные частицы аэрозоля интенсивно поглощают излучае¬
мое тепло и лишь частично прогревают окружающий их газ за счет
кондукции.
Для распыленных в воздухе графита и алюминия излучение
составляет соответственно 60 и 35% от всей энергии, сообщаемой
аэрозолю при его нагреве до воспламенения [48]. В газовых сме¬
сях, которые для радиации практически прозрачны, излучение
составляет незначительную долю этой энергии. Если исходить
из простейшей схемы прогрева за время dx лучистым потоком
(от сплошного * фронта аэрозольного пламени) части впереди ле¬
жащего холодного объема аэрозоля до его воспламенения, то ско¬
рость фронта пламени (и, м/с) определяется из следующих выра¬
жений [46]:
для лучистого потока
аГ^т
где сг — коэффициент Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4);
Тэ — эквивалентная температура лучеиспускания, К;
для нагреваемого при стационарном процессе объема аэро¬
золя площадью 1 м2
и dxc06 (Т'в — Т0)
где Соб— объемная теплоемкость аэрозоля, Дж/(м3-К);
Тв— температура воспламенения частиц, К;
Т0 — начальная температура аэровзвеси, К.
С учетом теплового баланса
оТ\ dx = 3600м dxco6 (ТБ— Т0)
находим
oTl
“ ” 3600соб (Гв - То) (32)
Формула (32) позволяет предсказать существенное возрастание
скорости распространения пламени и при уменьшении объемной
* Объемная концентрация аэрозоля даже при высокой массовой концентра¬
ции его не превышает 0,1% и излучающая поверхность фронта пламени не яв¬
ляется сплошной.
§5
теплоемкости аэрозоля с0б, что и наблюдается в опытах. Это объяс¬
няется тем, что поглотившие тепло частицы не успевают прогреть
окружающий газ за время продвижения фронта. Скорость распро¬
странения пламени в аэрозоли (а вместе с ней и ширина зоны
реакции) при прочих равных условиях снижается с уменьшением
концентрации частиц в ней. При достаточно малой концентрации
эта скорость становится соизмеримой со средним расстоянием
между взвешенными частицами. Предельным условием распро¬
странения пламени по аэрозолю является такая концентрация
твердой фазы в нем, при которой ширина зоны реакции будет не
меньше среднего расстояния между взвешенными частицами [49].
Это расстояние (/ср, мкм) выражается формулой
/cp=10rfcp (33)
где dCp—~ средний диаметр частицы, мкм;
рм — истинная плотность частиц, кг/м3;
G„. п — концентрация аэрозоля на нижнем пределе воспламенения, г/м3.
Критическая скорость распространения пламени (укр, м/с),
определяемая в соответствии с приведенным выше условием, на¬
ходится из уравнения
106укр'1' === ^ср (34)
где т — время горения частицы, принимаемое равным nd2lk, с;
k — константа скорости реакции, мкм2/с.
Из выражений (33) и (34) находим
°Кр = 4W V 6я20„. Пг (35)
Из формулы (35) видно, что скорость распространения пла¬
мени в аэрозоли обратно пропорциональна диаметру частиц.
В исследованиях [1, 50], в которых изучалась скорость горения
частиц угля и других топлив, обнаружена обратная зависимость
между временем горения и площадью поверхности частиц, а также
пропорциональность времени горения квадрату начального диа¬
метра частиц. Все это указывает на весьма большую зависимость
чувствительности аэрозоля к воспламенению и взрыву от его
дисперсности.
Согласно данным работы [19], между указанными выше пара¬
метрами, характеризующими пожаро- и взрывоопасность аэро¬
золя алюминия, и размерами его частиц устанавливаются зависи¬
мости, выраженные графически на рис. 21. Из этого рисунка
следует, что максимальное давление взрыва и скорость его нара¬
стания уменьшаются с увеличением размера частиц. Величина
нижнего концентрационного предела воспламенения в данном слу¬
чае не зависит от диаметра частиц при крупности менее 40—50 мкм
и значительно возрастает для более крупных частиц. Резкое по¬
вышение наблюдается с увеличением размера частиц и для мини¬
мальной энергии зажигания,
№
Величина удельной поверхности частиц определяет степень
влияния параметров (температуры, концентрации пыли, содержа¬
ния кислорода и инертных добавок) на процесс возгорания аэро¬
золя, который возникает, как указывалось выше, в гетерогенной
среде (твердое вещество — газ). Превалирующее влияние реакций,
связанных с воспламенением газов, возможно лишь в том случае,
если частицы пыли выделяют летучие вещества, которые загора¬
ются первыми. Это явление характерно для некоторых полиме¬
ров, обладающих плавкостью и склонностью к «свечеобразному»
горению.
3.
1^1
tS* ^
60
II з
5$ S Ос
|
US
^ |
20
2
-
и У
^ 1
С- 7
^ 0,8
: § °>6
:1 ^
-\ s' / "
:
_г§
/ \
- s о,г
%
■ §
1 0,1
| 0,08
- § 0,06
.0,0k
;\ -
\ :
1 1 1—i—1—j—1—1—1
200
80 Л
60
w 1"§
ь?
2° р
10
8
6
k
. 10 20 W 60 80100 200
Средний, диаметр частиц, тм
Рис. 21. Зависимость параметров воспламеняемости аэрозоля алюминия от сред¬
него размера его частиц:
/ — минимальная энергия зажигания; 2— нижний концентрационный предел воспламенения;
3 — максимальное давление взрыва; 4 — максимальная скорость нарастания давления.
Взрыв пыли — это быстрое сгорание аэрозоля, в результате
которого возникает повышенное давление, обусловленное мгновен¬
ным выделением тепла и газообразных продуктов, поэтому можно
считать, что в мелкодисперсном состоянии способен взрываться
любой горючий материал, находящийся в виде аэрозоля. Необхо¬
димым условием возникновения взрыва является присутствие го*
рючего в аэрозоли с концентрацией в пределах воспламенения и
источника зажигания.
Давление, возникающее при таком взрыве, сопровождается
волной сжатия, скорость распространения которой в окружающей
среде может изменяться от нескольких сантиметров в секунду
до нескольких сотен метров в секунду. Быстрое нарастание дав¬
ления взрыва является в большинстве случаев достаточным для
разрушения или повреждения оборудования. Однако эта опасность
усиливается, если первоначальная вспышка пыли местного харак¬
тера приводит в состояние аэрозоля значительные количества
осажденной пыли с ее воспламенением. В этом случае взрыв мо¬
57
жет распространяться до тех пор, пока имеется горючий материал.
Именно эта особенность является наиболее важной для различе¬
ния взрыва пылей от взрыва горючих газов и паров. Весьма опасен
аэрозоль, в котором находится в диспергированном состоянии го¬
рючая пыль и газообразная фаза еще содержит горючие пары
и газы. Более высокая чувствительность такого аэрозоля к вос¬
пламенению легко приводит к разрушительному комбинирован¬
ному взрыву пыли и газа (взрывы в угольных шахтах). Механизм
гашения аэрозолей и газовых смесей различен. В случае аэро¬
золя гашение достигается снижением его концентрации, т. е. уве¬
личением расстояния между частицами, уменьшением плотности
теплового потока, получаемого холодной частицей от горящей,
ослаблением взаимообогрева соседних горящих частиц.
Анализ процессов горения аэрозолей и сравнение их с горением
газовых смесей показывает, что, несмотря на коренные различия
структур аэрозолей и газовых смесей и процессов аэродинамики,
диффузии (диффузионный перенос частиц аэрозоля возможен при
их размере менее 0,1 мкм), передачи зажигающих импульсов,
механизмов окисления горючего, результирующие эффекты в зна¬
чительной мере аналогичны как для аэрозолей, так и для газовых
смесей. Это позволяет при описании процессов воспламенения
аэрозолей рассматривать их как сплошные среды и в известной
мере применять теорию теплового воспламенения для гомогенных
газовых смесей.
При расчете условий горения аэрозолей с использованием теп¬
ловой теории исходят из того, что уравнения, связывающие пара¬
метры, относящиеся к горению аэрозолей, подобны полученным
для газов. Основанием для этого служит незначительность объема
пыли в аэрозоле и возможность проводить при экспериментах
с пылями независимый контроль концентрации пыли, кислорода
и инертного вещества (в случае тушащей добавки).
Поскольку горение представляет собой комплексное изменение
тепла и массы, в приводимом ниже примере расчета [51] приняты
следующие допущения:
1) система определяется уравнением состояния pV = RT, где
р — давление, V — объем, R — газовая постоянная, Г — абсолютная
температура;
2) пыль распределена равномерно; объем пыли незначителен
по сравнению с объемом газа;
3) диффузия и изменение массы незначительны в течение ре¬
акции горения;
4) теплоемкость компонентов не зависит от температуры;
5) теплота передается главным образем теплопроводностью и
конвекцией, а скорость передачи пропорциональна линейной раз¬
ности температур;
6) тушащее действие добавок минерального порошка сво¬
дится к поглощению ими тепла.
58
Исходя из указанных предпосылок, составлены уравнения для
скоростей выделения и потерь тепла. Поскольку кислород един¬
ственный активный компонент в аэрозоле и систему можно рас¬
сматривать как мономолекулярную по отношению к газовой фазе,
скорость экзотермической реакции окисления, находящаяся в экс¬
поненциальной зависимости от температуры и уменьшающаяся
пропорционально содержанию кислорода в атмосфере, можно вы¬
разить следующим уравнением:
<7, = kr АЯСГ &4“ (1 - Л)р е-ЕлГ (36)
где q\ — скорость выделения тепла, Дж/(л-с);
kr— скорость реакции при постояной температуре, с*"1;
ДНсг — теплота горения, Дж/моль;
р — давление, Дж/л;
R — универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж,/(моль-К);
Т — температура реакции, К;
0 — относительная мольная концентрация кислорода в газовой фазе аэро¬
золя;
А — относительная мольная концентрация пыли;
а — порядок реакции по отношению к горючему;
Р — порядок реакции по отношению к кислороду;
ЕА~ энергия активации, Дж/(моль-К).
При температуре реакции Г, молекулярной массе кислорода
М0 и массе кислорода в единице объема L, число молей кисло¬
рода определялось из выражения
JL ре. (37)
М0 ~ RT (37)
Рассматривая возгорание аэрозоля главным образом как
окислительную реакцию на эффективной поверхности частиц,
в экспоненту e~EA,RT ввели фактор о, учитывающий влияние этой
поверхности. Тогда уравнение (36) приняло вид
qi= °Еа^Т (38)
Mq
Уравнение (38) устанавливает зависимость скорости реакции
от начальной относительной мольной концентрации компонентов
и температуры. Для использования уравнения (38) относительные
мольные концентрации выражали в виде масс компонентов. Для
пыли уравнение (38) приобретало вид
А = Х!МП ,ggv
хЩп + 11М0 К ’
где х — начальная концентрация пыли, г/л;
Мп — молекулярная масса пыли.
При алгебраической подстановке получали
мп
где Ь = -т/-.
Ма
59
Подставив уравнение (40) в (38), получили окончательное
выражение для скорости выделения тепла
где CJ2 — скорость потери тепла, Дж/(л-с);
kT — коэффициент теплопередачи, с-*;
— концентрация i-го компонента скорости аэрозоля при температуре Г/,
г/л;
с. — теплоемкость i-го компонента при постоянном давлении и температуре
Ти Дж/ (г • К);
qr — потеря тепла в пристенном слое печи*, Дж/(л-К);
Т— температура печи, К.
В соответствии с выражением (16) разность температур
(Т—Tf) в уравнении (42) приравнивали RT^E. Таким образом,
в конечном и сокращенном виде выражение для скорости потери
тепла имело вид
Согласно тепловой теории воспламенения газов, условием вос¬
пламенения является
Выражение для qx дается уравнением (41). Температура Т
в этом уравнении, отвечающая моменту возгорания, только не¬
сколько превышает температуру печи Tf. Поэтому в эксперименте
и при подсчете плотности газов температуру Г/ принимают рав¬
ной Т.
Приравнивая уравнения (41) и (43) и преобразуя их, получали
окончательное выражение, устанавливающее связь между темпе¬
ратурой среды и концентрациями пыли, кислорода, инертных газов
и тушащих порошковых добавок:
Уравнение (46) характеризуется граничными условиями, опреде¬
ляемыми из выражения (45). Оно содержит шесть констант (a, ky
q\ а, р и 6), позволяющих оценить ЕА. Константы а, [3, b содер¬
жатся также в функции f(x). Варьируя концентрации кислорода
в газовой фазе аэрозоля и пыли, прик оторых наблюдается вос¬
* Печь Годберта — Гринвальда [52], в которой проводились опыты.
(41)
Скорость потери тепла определяли по следующему уравнению
?2 = *t(Z MSi+^iT-Tf)
(42)
«2 = К -§ёТ)(£ы1С1 + я')
(43)
<7i = <72
(44)
И
dqi dq2
dT dT
(45)
Lf (x) k
(46)
60
пламенение, находили а, (5 и Ь. Величину q' определяли из опытов
по установлению зависимости воспламеняющих температур среды
от концентрации кислорода при постоянной концентрации пыли;
оЕ п k определяли из графика зависимости:
ИМ) \т f) 1 }
Раздельные значения а и Ел устанавливали опытами по опре¬
делению влияния концентраций одного состава пылей разной
дисперсности на воспламеняющую температуру среды. Мелкой
пыли, имеющей большую удель¬
ную поверхность, соответствовали
более высокие значения а.
На рис. 22 приведены экспе¬
риментальные данные (для крах¬
мала) и рассчитанные по уравне¬
нию (46), которые показали хо¬
рошую сходимость (коэффициент
корреляции равен 0,98). Из урав¬
нения (46) следует, что туша¬
щее действие термически стойких
инертных добавок пропорцио¬
нально их концентрации и тепло¬
емкости.
Большое число параметров,
характеризующих пожаро- и
взрывоопасные свойства пылей и
в то же время затрудняющих
правильную их классификацию,
обусловило поиск обобщающих
характеристик, позволяющих ус¬
тановить связь между этими па¬
раметрами для каждого вида
пыли в состоянии аэрозоля. Полученные результаты приведены
в разд. 3.3.
Указанные выше характеристики воспламеняемости аэрозолей
являются функцией ряда факторов, к которым относятся:
а) свойства вещества (химические и физические);
б) характеристика аэрозоля (концентрация, размер и форма
частиц, дисперсионный состав аэрозоля, степень турбулентности);
в) состав, давление и температура газовой фазы;
г) условия эксперимента — размеры, форма, материал и тол¬
щина стенок сосуда, в котором проводятся опыты с аэрозолем,
природа и мощность источника зажигания, точность воспроизве¬
дения условий эксперимента.
Зависимость от этих факторов указывает на то, что
характеристики воспламеняемости не являются физическими кон¬
Рис. 22. Связь между расчетными и
экспериментальными данными, полу¬
ченными при воспламенении аэро¬
золей крахмала в печи Годберта —
Гринвальда.
61
стантами, однако они имеют важное значение как технические
показатели, позволяющие описывать важнейшие комплексные яв¬
ления. Это также дает возможность оценивать пожаро- и взрыво¬
опасность веществ и разрабатывать основы эффективной профи¬
лактики. Для правильного использования этих показателей необ¬
ходимо знать методы их получения и границы применимости.
Стремление учесть влияние указанных факторов на воспламе¬
няемость аэрозолей объясняет причины множества предложенных
методов. В этих методах весьма существенную роль играет спо¬
соб создания аэрозоля, имеющего достаточно однородные свойства
во всем объеме реакционного сосуда. Сложность проблемы в зна¬
чительной мере обусловлена разнообразием физических свойств
промышленных образцов пыли. Объемная и истинная плотности
пылеобразующего вещества, средние размеры частиц, их диспер¬
сионный состав и форма, гигроскопичность, электрические свой¬
ства и когезия между частицами — все эти факторы могут влиять
на процесс получения облака пыли. Как уже отмечалось в гл. 1,
частицы порошка, применяемого в исследовании на воспламеняе¬
мость, размером примерно 70 мкм имеют значительную скорость
витания. Поэтому порошок в неподвижном воздухе быстро оседает,
причем наиболее крупные частицы выпадают практически мгно¬
венно.
Для создания аэрозоля и поддержания пыли во взвешенном
состоянии применяют способы, которые можно разделить на сле¬
дующие три группы [1]:
1) диспергирование, достигаемое механическим возмущением
или перемешиванием пыли в сосуде;
2) механическая подача пыли в пространство с неподвижным
воздухом или в регулируемый поток воздуха;
3) диспергирование пыли под воздействием импульса воздуш¬
ной струи.
Способы первой группы основаны на применении вентиляторов
или мешалок. В экспериментах крупного масштаба для рассеи¬
вания пыли используют также детонаторы. К недостатку указан¬
ных методов относится расслоение аэрозоля, приводящее к нерав¬
номерному распределению концентрации, непостоянству дисперс¬
ного состава, вызываемому инерционными силами, возникающими
при механическом перемешивании. Экспериментальные данные,
полученные на таких установках, довольно противоречивы.
Способы второй группы основаны на использовании вибрирую¬
щих сит, механических транспортеров и восходящих потоков воз¬
духа с регулируемой скоростью. Можно предполагать, что именно
эти способы в наибольшей степени позволяют получать аэрозоли
с регулируемой концентрацией. Однако когда взрыв происходит
в замкнутом пространстве и необходимо измерять давление взрыва,
применение этих способов встречает значительные трудности.
Эти способы позволяют создать условия для определения нор¬
62
мальной скорости горения аэрозолей * — параметра, который не
зависит от аппаратурного оформления. Однако при измерении
нормальной скорости горения для ряда пылей встретились с боль¬
шими трудностями [47], связанными с различным гранулометри¬
ческим составом аэрозолей. Кроме того, на стенках трубы, где
происходит горение, вследствие электростатического притяжения
двигающихся частичек, часто возникают отложения пыли, что так¬
же приводит к ошибкам в измерениях.
Способы третьей группы основаны на распылении навески
порошка под воздействием импульса воздушной струи. При повы¬
шенном давлении распыляющего воздуха турбулентность аэрозоля
увеличивается, частицы лучше удерживаются во взвешенном со¬
стоянии и ускоряется распространение горения, что способствует
получению оптимальных данных. Однако турбулентные условия,
связанные с направлением, мощностью и скоростью воздушной
струи, влияют на пламя, так как увеличивается поверхность го¬
рения, и исключают возможность установления какой-либо зави¬
симости от фронта пламени.
При импульсном пневматическом распылении требуется не¬
большое количество образцов порошков, что очень важно при
исследовании новых материалов. При этом методе в одном при¬
боре можно определять большинство параметров, характеризую¬
щих пожаро- и взрывоопасность аэрозолей.
С увеличением давления распыляющего воздуха увеличивается
также давление взрыва, так как порошок выгорает более полно,
и вследствие ускорения распространения горения возрастает ско¬
рость нарастания давления. Оптимальное давление распыления
в цилиндрическом сосуде составляет примерно 200 кПа. Отмеча¬
ется, что при дальнейшем увеличении давления распыляющего
воздуха давление взрыва и скорость его нарастания снижа¬
ются [24]. Это объясняется слипанием частиц в комки при соуда¬
рениях в сильно турбулизованном аэрозоле. Внутри комков горение
тормозится из-за недостатка кислорода.
В установках с импульсным пневматическим распылением
определяют усредненную по объему концентрацию аэрозоля, рав¬
ную отношению навески распыленного порошка к объему реак¬
ционной камеры. Во многих установках струя аэрозоля направ¬
ляется на источник зажигания и не заполняет весь объем камеры.
Концентрация аэрозоля в струе получается больше средней
в объеме камеры, что приводит к занижению значения нижнего
концентрационного предела воспламенения. Обеспечение более
равномерного распределения порошка в объеме камеры достига¬
ется подбором конструкции распыляющего устройства. Для конт¬
роля фактической концентрации аэрозоля в момент воспламене¬
ния применяют специальные пробоотборные устройства [26].
* Нормальной называют скорость горения, с которой плоский фронт пла¬
мени распространяется в покоящейся горючей смеси. Ее определяют из отно¬
шения объемного расхода смеси за секунду к измеренной поверхности горения.
63
Для повышения равномерности концентрации пыли в исследуе¬
мом объеме используют главным образом цилиндрическую камеру,
в которой даже при конусном распылении достигается большая
равномерность, чем в сферическом сосуде.
Отмеченные недостатки способов первой и второй групп опре¬
делили целесообразность применения для исследования воспла¬
меняемости аэрозолей способов третьей группы, основанных на
распылении порошков воздушной струей.
При исследовании свойств пыли весьма важным фактором явля¬
ется также природа источника воспламенения, от которго суще¬
ственно зависят получаемые результаты. Наиболее низкая тем¬
пература горячего тела, при которой может произойти воспламе¬
нение аэрозоля, зависит от соотношения размеров горячего тела
и объема аэрозоля. Эта температура будет ниже, если горячая
поверхность представляет собой трубу, окружающую облако пыли;
она будет существенно выше при локальном источнике тепла, на¬
пример при использовании накаленной спирали, находящейся
внутри аэрозоля.
Характер влияния источников зажигания и других условий
опытов на показатели взрывоопасности исследуемых пылей виден
из данных табл. 14 [53].
Из табл. 14 следует, что наиболее легковоспламенимый аэро¬
золь, содержащий пыль фенолоформальдегидной смолы, получил
оценку, соответствующую I классу взрывоопасности, при опытах
во всех приборах от а до е. Однако в этих приборах минималь¬
ные температуры источников нагрева, требуемые для воспламене¬
ния аэровзвеси, получаются различными. В приборе а (наименее
жесткие условия испытания) эта температура достигает 1000 °С,
а в приборе е (наиболее жесткие условия успытаний) она оказа¬
лась равной 450 °С.
При увеличении инертного наполнителя до 60% (40/60)
I классу взрывоопасности соответствуют опыты, проведенные
в приборах b — е с вертикально расположенными трубчатыми ка¬
мерами. При горизонтальном расположении камеры не удается
правильно оценить пожаро- и взрывоопасность исследуемой пыли.
Турбулизация аэрозоля при вертикальном расположении трубча¬
той камеры облегчает условия его зажигания, что подтверждается
данными опытов со смесью пыли 25/75 в приборах с—е, позво¬
ляющими ее отнести к I классу взрывоопасности.
Тепловые воспламенители (электроспираль, нагретая поверх¬
ность) по сравнению с электрической искрой обеспечивает более
надежное воспламенение. Это подтверждается тем фактом, что
смесь 20/80 категорируется по I классу взрывоопасности лишь по
результатам испытаний в приборах d — е. Наиболее сильным
источником нагрева является обогреваемая поверхность трубы
в приборе е. В этом случае смесь смолы с весьма большим коли¬
чеством инертного наполнителя (90%) получила оценку по
II классу взрывоопасности*
64
Таблица 14. Влияние условий опытов на взрывоопасное^ пылей
Характеристика
пыли
Класс **
взрыво¬
опас¬
При¬
бор ***,
в котором
пыль
Минимальная
температура
источника
нагрева,
°С
Мини¬
мальная
взрыво¬
опасная
Макси¬
мальное
давление
Макси¬
мальная
скорость
нараста¬
ности
воспла¬
менялась
при¬
бор
а
при¬
бор
е
концент¬
рация,
г/м3
взрыва,
кПа
ния
давления,
МПа/с
Смесь фенолофор¬
мальдегидной
смолы и окиси
магния *, %
100/0 ....
I
а — е
1000
450
15
749
45,5
50/50 ....
I
а — е
1150
450
70
546
7,7
45/55 ....
I
а — е
1200
450
90
483
3,15
40/60 ....
I
b — е
—
450
90
462
2,8
35/65 ....
I
Ъ — е
—
450
140
84
0,7
30/70 ....
I
b — е
—
460
160
35
0,35
25/75 ....
I
с — е
—
480
180
14
0,14
20/80 ....
I
d — е
—
510
—
14
0,07
15/85 ....
II
е
—
510
—
—
—
10/90 ....
II
е
—
520
—-
—
5/95 ....
III
—
—
—
—
—
Метилцеллюлоза
I
а — е
960
350
—
—
—
Натриевая соль
карбоксиметил-
I
b} d, е
320
целлюлозы . .
—
—
—
Производственный
I
d, е
460
крахмал ....
—
—
—
—
Поливинилиден-
хлорид ....
II
е
—
620
—
—
—
Лимоннокислый
кальций ....
II
е
—
520
—
—
* Средний диаметр частиц порошка фенолоформальдегидной смолы 15 мкм, влажность
4,1%, зольность 3,2%; средний диаметр частиц порошка окиси магния 11 мкм; влажность 2,2%.
** В соответствии с поведением в опытах пыли классифицированы следующим образом:
класс I—пыли, которые легко воспламеняются и распространяют пламя. Для их воспламене¬
ния требуется слабый источник нагрева (электрическая искра, электроспираль); класс II — пыли,
которые легко воспламеняются, но требуют сильный источник зажигания (труба-печь с эле¬
ктронагревом стенок); класс III—пыли, которые не воспламеняются в опытах. Пыли класса I
оцениваются как наиболее опасные с точки зрения взрыва.
*** Использованные в опытах приборы: а — горизонтальная труба, пыль распыляется
в ней, проходя через электроспираль, расположенную на некотором расстоянии вдоль трубы;
Ь — вертикальная труба, пыль падает вниз, проходя через электроспираль, расположенную
близко от днища; с —прибор Гартмана, пыль распыляется вверх от дна вертикальной трубы,
проходя через воспламенитель с электрической искрой; d — модифицированная вертикальная
труба, пыль распыляется так же, как и в приборе с, но воспламенитель — электроспираль;
е —прибор —печь, пыль распыляется в вертикальной трубе (с электрообогревом стенок) от ei
вершины вниз.
Как видно из этой же таблицы, максимальные давление взрыва
и скорость его нарастания со снижением воспламеняемости пыли
уменьшаются до величин, безопасных для ограждающих конструк<
ций зданий и оборудования. Это обстоятельство позволяет пола<
гать, что для проведения исследований на взрывоопасность пылей
можно было бы ограничиться использованием прибора типа d,
3 Зак. 62
Тогда пыли, подобные поливинилиденхлориду и лимоннокислому
кальцию с характеристиками, приведенными в табл. 15, будут
относиться к невзрывоопасным, что во многих случаях и соответ¬
ствует их свойствам. Однако необходимо учитывать, что в присут¬
ствии горючих продуктов, вероятность возгорания и особенно само¬
возгорания которых велика, опасность взрыва аэрозолей поливи-
нилиденхлорида и лимоннокислого кальция не исключается. Это
объясняется тем, что тепловой импульс, создаваемый горючими
продуктами при горении, достаточен для возникновения взрывного
процесса в аэрозоле. Для облегчения анализа подобных ситуаций
при оценке взрывоопасности аэрозоля следует пользоваться также
и прибором типа е.
Таблица 15. Данные ситового анализа и влажности пылей, % (масс.)
Влажность
Размеры частиц, мкм
246-204
204-121
121 — 64
64
Поливинилиденхлорид
4,5 | 24,6 | 28,6 | 27,4 | 19,4
Лимоннокислый кальций
11,2 | 15,4 | 46,8 | 24,8 | 13,0
Немаловажное значение имеют температура и свойства нагре¬
той поверхности как источника зажигания. Эти факторы могут
оказать существенное влияние на количественные и качественные
результаты исследований. В качестве примера можно привести
опыты с пылью угля, содержащей большое количество летучих [1].
В этих опытах определено следующее минимальное взрывоопас¬
ное содержание кислорода (МВСК) в зависимости от температуры
печи:
Температура печи, °С . , 500 620 650 700 750 800 850
МВСК, % (об.) 100 21 19 15 11 10,5 10,5
МВСК для этого же сорта угля при зажигании искрой соста¬
вило 16% (об.). Сравнивая результаты по МВСК, полученные при
зажигании пыли искрой и нагретой поверхностью с температурой
650 °С, можно сделать вывод, что искра является более эффектив¬
ным источником. Однако при более высокой температуре нагре¬
той поверхности (850 °С) преимущества остаются за последней.
Поэтому в большинстве приборов для определения воспламеняе¬
мости аэрозолей применяют в качестве источника зажигания на¬
гретую поверхность с достаточно высокой температурой (не ниже
850 °С).
Следует учитывать, что свойства некоторых веществ (напри¬
мер, металлов) лучше проявляются при искровом разряде. Так,
66
аэрозоль алюминия, нагреваемый в печи, не воспламеняется в ней,
но легко зажигается электрической искрой. Этот факт объясня¬
ется тем, что пленка окиси, покрывающая частицы, препятствует
инициированию реакции в печи, но не защищает их от действия
искрового разряда. В противоположность алюминию пыль берил¬
лия с частицами крупностью примерно 1,2 мкм воспламеняется
в печи при 910 °С, а не от искры [19]. Исследования показали
также, что температура среды, при которой происходит воспламе¬
нение, возрастает с уменьшением удельной поверхности пыли
в аэрозоле. Так, при концентрации пыли крахмала 1 г/л соответ¬
ствующая минимальная температура среды при удельной поверх¬
ности пыли 0,46 м2/г составила 420 °С, а при 0,33 м2/г равнялась
510 °С [51]. При дальнейшем увеличении размера частиц скорость
генерации тепла снижалась, достигая в экстремальном случае та¬
кой величины, при которой воспламенения диспергированного
облака пыли не происходило.
Условия распространения пламени в реакционной трубе при¬
бора оказывают сильное влияние на характеристики пожарной
опасности вещества. Согласно имеющимся данным [53], при одной
и той же концентрации пыли фенолоформадельдегидной смолы
(70 г/м3) максимальная скорость распространения пламени снизу
вверх составляла 1450 см/с, а сверху вниз всего лишь 120 см/с.
Указанные особенности необходимо учитывать, когда параметры
пожаро- и взрывоопасности оценивают по характеру распростра¬
нения пламени.
Из табл. 14 следует, что содержание окиси магния в смеси
с фенолоформальдегидной смолой должно быть доведено примерно
до 85%, для того чтобы не относить соответствующую смесь
к I классу взрывоопасных пылей. На основании этого сделаны
попытки объяснить механизм предотвращения распространения
пламени в аэрозоле, содержащем горючую пыль (фенолоформаль-
дегидную смолу), в присутствии инертной добавки (окиси магния),
действующей как теплопоглотитель [53]. В основу положены пред¬
ставления о том, что если температура пламени снижается при
теплопоглощении до значения, меньшего чем наблюдается на ниж¬
нем пределе воспламенения аэрозоля, то пламя должно затухнуть.
Исходя из этих представлений, предложены расчетные формулы
для определения требуемой концентрации инертной пыли.
Рассмотрены следующие два случая: а) концентрация горючего
меньше стехиометрической и только инертная пыль действует как
теплопоглотитель; б) концентрация горючего больше стехиометри¬
ческой и излишек горючего также действует как теплопоглотитель.
Увеличением объема газа, вызванным выделением летучих из
смолы, в расчетах пренебрегали.
Уравнение теплового баланса для бедных смесей имело вид
ус2(Тх — Т0) = -¥-(х — xt) (48)
3*
67
где- у — концентрация инертной пыли, г/л;
с2 — средняя теплоемкость инертной пыли, Дж/(г-К)?
Т| — температура пламени в пределах воспламенения, Kf
Т0 — температура окружающей среды, К;
И — теплота сгорания, Дж/г;
г — коэффициент расширения при горении;
х — текущая концентрация смолы, г/л;
Х\ — концентрация смолы на нижнем пределе воспламенения, г/л.
Из уравнения (48)
При х = х2, где я2—стехиометрическая концентрация смолы
(в г/л), получали максимальное значение у:
_ Я (хг - Х\)
У~ гс2 \Т \ —~То) (50)
Уравнение теплового баланса для богатых смесей
уе2 (Т1 - Г0) + ~(х~ х2) (Г, - Г0) = ^ (х2 - xt) (51)
где ci —средняя теплоемкость паров смолы (теплотой испарения пренебрегали),
Дж/(г-К).
Отсюда
Н х2 — Х\ С\ , .
У гс2 ' Т\ — Та гс2 Х2) (52)
При х = х2 уравнение (52) переходит в уравнение (50).
Значения параметров в уравнениях (49) — (52) рассчитывали
следующим образом. Поскольку химический состав фенолофор-
мальдегидной смолы точно не известен, считали, что он подобен
составу фенола или крезола, для которых *2 = 0,12 г/л. Среднее
значение теплоты сгорания принимали равным 33,5 кДж/г. Ниж¬
ний предел воспламенения Х\, определенный экспериментально, со¬
ответствовал 0,045 г/л. Отсюда на основе расчета энтальпии опре¬
деляли температуру пламени: 7^ = 1370 К при Го = 300 К,
r=7Vro = 4,6. Средние теплоемкости смолы и окиси магния были
приняты: С\ = 1,47 Дж/ (г • К); с2 = 1,17 Дж/ (г • К).
Количество инертной пыли, требующейся для тушения пламени
смолы стеХиометрической концентрации определяли из уравне¬
ния (50):
33 500(0,12 - 0,045) ,
У 4,6 . 1,17 (1370 - 300) ~ 0,44 г/л
п * 0,44-100 _Лл/
Содержание инертнои пыли в смеси (044 ц_ 0 щ ~79%.
Расчетное содержание окиси магния в смеси пыли, необходи¬
мой для предотвращения взрыва, соответствовало эксперименталь¬
ным данным (см. табл. 14), что служит, в известной мере, под¬
тверждением правильности объяснения механизма действия инерт¬
ной добавки.
Анализируя уравнение (50), можно сделать вывод, что при
диспергировании пыли в нагретый воздух (Г0>300 К) величины
68
Я, с2 и Ti остаются примерно теми же. При повышении Т0 обе
величины (х2 — Х\) и г уменьшаются приблизительно пропорцио¬
нально. Таким образом, у зависит главным образом от величины
(Т{ — Т0). С ее уменьшением у возрастает. Следовательно, для пре¬
дотвращения взрыва при повышенных температурах воздуха ко¬
личество инертной добавки необходимо увеличивать. Об этом сви¬
детельствуют экспериментальные данные, полученные на приборе
е и приведенные в табл. 14.
2.3.1. Концентрационные пределы
воспламенения аэрозолей
Под концентрационными пределами воспламенения аэрозолей
понимают область концентраций диспергированного в газовой
среде вещества, в которой смесь способна воспламеняться от ис¬
точника зажигания с последующим распространением горения на
весь объем смеси. Граничные концентрации этой области назы¬
ваются нижним и верхним концентрационными пределами воспла¬
менения аэрозолей.
Поскольку пыль состоит из частиц разного размера, она осе¬
дает под действием сил тяжести с неодинаковой скоростью.
Поэтому аэрозоль в отличие от парогазовой смеси сравнительно
быстро изменяет концентрацию (локальную и временную). И ее
можно характеризовать только среднестатистическими данными.
Более правильную оценку концентраций аэрозоля, влияющих на
воспламенение, можно получить в точке расположения источника
зажигания в момент испытания.
Верхний концентрационный предел воспламенения аэрозолей
особенно нестабилен вследствие высоких концентраций пылей. Он
изменяется в широких пределах при повторении опыта в одних и
тех же условиях. Практическое значение верхнего предела весьма
незначительно, так как постоянное существование концентраций
аэрозолей выше верхнего предела, когда исключается воспламе¬
нение, невозможно и всегда может образоваться пыль взрывоопас¬
ной концентрации.
Процесс горения пыли при концентрации, соответствующей
нижнему пределу воспламенения, характеризуется наиболее низ¬
кими температурой, давлением и скоростью распространения пла¬
мени. При определении нижнего концентрационного предела вос¬
пламенения аэрозолей следует всегда учитывать, что на этот и
другие показатели пожарной опасности оказывают существенное
влияние дисперсность порошков, содержание в них влаги, золы и
других примесей, длительность и условия хранения до испытаний.
Влияние содержания влаги на нижний концентрационный пре¬
дел воспламенения GH. п достаточно наглядно иллюстрируется
(рис. 23, а) на примере его определения для 5-нитрофурфурол-
диацетата — горючего серовато-желтого кристаллического по¬
рошка с температурой плавления 87—90 °С [29]. Из рис. 23, а
№
следует, что с повышением влажности довольно быстро повыша¬
ется нижний концентрационный предел воспламенения вещества.
Этот предел зависит также от степени окисления вещества. По¬
этому в соответствующих опытах нужно иметь свежеприготовлен¬
ную пробу/не подвергавшуюся окислительному воздействию атмо¬
сферы, что особенно важно для легкоокисляющихся пылевидных
материалов. К ним относятся многие металлические порошки, угли
и некоторые другие органические вещества. Примером зависимости
нижнего предела воспламенения от степени окисленности металли¬
ческих порошков могут служить данные, приведенные в ра¬
боте [24].
Эти данные показывают, что после четырехмесячного хране¬
ния свежеприготовленных порошков титана и циркония их нижние
Рис. 23. Зависимость нижнего предела воспламенения 5-нитрофурфуролдиаце-
тата от влажности (а) и от размеров частиц (б),
концентрационные пределы воспламенения соответственно повыси¬
лись с 48 до 80 г/м3 и с 55 до 64 г/м3, порошок же кремния, имев¬
ший GH.п=120 г/м3, после четырехмесячного хранения вообще не
воспламенялся.
По данным работы [54] нижний концентрационный предел вос¬
пламенения порошка титана фракции (50—56 мкм) в зависимости
от содержания кислорода, характеризующего степень окисленности,
изменяется от 40 (0,12% кислорода) до 216 г/м3 (0,38% кисло¬
рода); порошок фракции 56—71 мкм при содержании кислорода
0,39% не взрывается вообще.
Влияние дисперсности пылей на нижний концентрационный
предел воспламенения можно рассмотреть также на примере па-
ранитроацетофенона (O2NC6H4COCH3) — горючего кристалличе¬
ского порошка желтоватого цвета с температурой плавления
78—79,5 °С [29]:
Фракция * мкм . . . 800—640 640—250 250—200 200—160
Нижний предел вос¬
пламенения, г/м3 . 500 415 50 25
* Влажность 0,15% (масс.), зольность 0,045% (масс.).
70
Для древесной пыли с частицами размером менее 100 мкМ
нижний концентрационный предел воспламенения колеблется в пре¬
делах 35—55 г/м3 [55]. Эти значения зависят не только от указан¬
ных выше факторов, но и от выхода летучих веществ, зависящего
от породы древесины.
Подобное явление характерно также и для пылей каменных
углей, содержание летучих в которых колеблется в широких пре¬
делах.
С уменьшением размера частиц весьма заметно снижается
нижний концентрационный предел воспламенения аэрозоля. Эта
зависимость, однако, характеризуется экстремальной точкой
(рис. 23,6) [29], что обусловлено влиянием на процесс горения
физических свойств веществ (электризуемость, комкуемость и др.)»
затрудняющих их распыление. Кроме того, на этот процесс влияют
также особенности механизма горения пыли. Экстремальная
точка может достигаться, как это наблюдалось в случае с 5-нитро-
фурфуролдиацетата, при крупности частиц даже более 70 мкм.
Для установления надежной зависимости нижнего концентра¬
ционного предела воспламенения от размера частиц необходимо
в первую очередь добиваться хорошего распыления вещества.
Из анализа уравнения (46) следует, что концентрационная
область воспламенения пылей расширяется с повышением темпе¬
ратуры, концентрации кислорода, теплоты горения и константы
скорости реакции. Эта область сужается с уменьшением удельной
поверхности частиц, увеличением их молекулярной массы и вве¬
дением добавки инертных веществ.
Как уже отмечалось, даже в условиях, близких к нижнему
концентрационному пределу воспламенения аэрозоля, требуется
сравнительно большое количество инертных добавок, чтобы сни¬
зить его воспламеняемость. Так, при добавлении к абиетиновой
смоле* (GH.n = 7,6 г/м3) 50% минерального наполнителя, содер¬
жащего 85% минеральных веществ (смесь молотого шифера, мар-
шаллита и боя грампластинок), величина GH. п возрастает до
63 г/м3; при добавлении 70% наполнителя — до 82 г/м3 [29]. С по¬
вышением температуры среды требуется значительно больше
инертных веществ.
Введение небольших количеств негорючих веществ может спо-
собствовать воспламеняемости пылей и уменьшению минимальной
взрывоопасной концентрации пыли. Поэтому при определении этого
параметра для легко электризующихся и тем самым плохо дис¬
пергирующихся пылей иногда специально добавляют инертные ве¬
щества, способствующие их лучшему распылению.
Для определения нижнего концентрационного предела воспла*
менения предложен способ термодинамического расчета, при кото*
* Получают экстракцией бутанолом из еловой серки или окислением кани¬
фоли воздухом. Ориентировочный состав продукта — СгоНгвОб; температура раз¬
мягчения 90—100 °С.
71
ром используются теплота сгорания, химический состай пыли и
ее продуктов сгорания [56]. При расчете приняты следующие до¬
пущения:
а) пыль сгорает полностью;
б) реакция сгорания протекает адиабатически;
в) температура пламени аэрозоля с концентрацией, соответст¬
вующей нижнему пределу воспламенения, составляет 1000 °С;
г) частицы пыли принимаются настолько малыми, что аэрозоль
можно рассматривать как монодисперсную систему.
Расчет GH. п г/м3 предлагается проводить для изохорного про¬
цесса по следующей зависимости:
„ _ том
(jft п / Г
107« + (22)4/ДС/возд)(Я1/,т-ХДУ)
где М — молекулярная масса пылевидного вещества;
п — число молей кислорода, требуемых для полного сгорания 1 моля пыле¬
видного вещества;
А^еозд изменение энергии воздуха, Дж/моль;
Ни т ~ низшая молярная теплота сгорания пылевидного вещества, Дж/моль;
^ AU — сумма изменений энергий продуктов сгорания и балластного вещества,
Дж/моль.
При расчете для изобарного процесса в формулу (53) вместо
AUвозд и подставляют изменение энтальпий Л/ВОзд и £ /. На¬
личие взаимосвязи между теплотой сгорания и концентрацией, со¬
ответствующей нижнему пределу воспламенения, для газов и паров
со сходным химическим строением определило поиск такой же
зависимости для пылей. Было исследовано 28 видов технической
пыли органических веществ, являющихся продукцией фармацев¬
тической, пищевой и пластмассовой промышленности, и 16 горю¬
чих пылей (древесины, торфа, бурого и каменного углей) и 11 ме¬
таллических пылей. Результаты исследований позволили опреде¬
лить следующую зависимость [57]
Сн.п = Л + в(1/<Э) (54)
где Q — теплота сгорания пыли, Дж/г;
А и В — коэффициенты.
Коэффициенты Л и В в выражении (54) существенно разли¬
чались для каждой из групп пылей. Так, для технических пылей:
А=—0,604 г/м3; В — 1,194-106 Дж/м3; для пылей топлив:
А =—7,952 г/м3; В = 1,39 * 106 Дж/м3; для металлических пылей:
А = —1,54 г/м3; В = 1,132-106 Дж/м3.
Формулами (53) и (54) не учитываются особенности горения
аэрозоля, отличающие его от газо-паровоздушных смесей. Кроме
того, в этих расчетах принимают адиабатическую температуру
горения аэрозоля, соответствующую нижнему пределу воспламе¬
нения, равной 1000°С, что нельзя считать достаточно обоснован¬
ным. Этим можно объяснить существенное расхождение между
расчетными и экспериментальными данными по нижнему концент¬
72 г;
рационному пределу воспламенения. Так, для сахара расчетное
значение GH. п = 77 г/м3, а экспериментальное составляет 9—15 г/м3;
для серы соответственно 120 и 2—18 г/м3 [47, 58].
2.3.2. Минимальное взрывоопасное содержание
кислорода в аэрозоле
Под минимальным взрывоопасным содержанием кислорода
(МВСК) в аэрозоле понимается концентрация кислорода, ниже
которой невозможно воспламенение аэрозоля с распространением
горения на весь объем смеси. МВСК, найденное для аэрозолей,
не может использоваться для аэрогелей, что обусловлено окклю-
дацией ими кислорода и затруднительностью проникновения флег-
матизирующих газов в массу аэрогелей. Весьма существенное
значение имеет МВСК при работе с металлическими порошками,
так как при высоком содержании кислорода в газовой фазе это
связано с опасностью взрыва, а при чрезмерно низком — с само¬
возгоранием порошка при выгрузке из аппарата. В таком порошке
отсутствует защитная окисная пленка и контакт его с воздухом
может привести к загоранию.
МВСК определяют разбавлением воздушной среды флегмати-
зирующими газами (азотом, двуокисью углерода и др.) в области
концентраций, при которых обеспечивается наиболее полное сго¬
рание аэрозоля. Этот максимум достигается в основном при неко¬
тором избытке горючего по сравнению со стехиометрией, так как
полнота сгорания в реальных условиях неосуществима.
Влияние концентрации пыли (полиэтилена, полипропилена)
на МВСК показано на рис. 24 [59]. С ростом концентрации пыли
до определенного предела МВСК снижается, причем это сниже¬
ние зависит также и от вида источника зажигания. Для более
сильного источника (кривая 3) наблюдается и большее сниже¬
ние МВСК.
Следует отметить, что МВСК, определяемое при нормальных
условиях, может изменяться при повышении температуры и дав¬
ления. Однако в работе [24] отмечается, что повышение темпера¬
туры до 100°С практически не привело к изменению МВСК для
большинства металлических порошков. При повышении темпера¬
туры аэрозоля до 300 °С МВСК для всех порошков снизилось
на 0,5—2,1 %.
Исследование условий возгорания аэрозоля крахмала дисперс¬
ностью 44 мкм показало, что МВСК уменьшается с ростом тем¬
пературы и концентрации пыли (рис. 25) [51]. Концентрационные
пределы (нижний и верхний) воспламенения определяются из
рис. 25 в точках пересечения кривой с горизонтальной линией,
проходящей через ординату с избранной концентрацией кислорода.
Нижний предел воспламенения для температур 973 и 1150 К имеет
близкие значения и слегка повышается с понижением концентра¬
73
ции кислорода; в то время как верхний предел изменяется весьма
резко.
Максимальная температура для аэрозоля крахмала, подсчи¬
танная по уравнению (46), составила 1390 К, а соответствующая
ей минимальная концентрация кислорода — 4,2%.
Исследования по предупреждению взрывов древесной пыли
показали, что при концентрации двуокиси углерода в окружающей
среде около 18% (об.) пылевоздушные смеси становятся практи¬
чески не взрывчатыми; расчетное содержание кислорода при этом
составляет ~16% [55].
Результаты изучения условий предотвращения взрывов аэрозоля
порошкообразного алюминия * показали [60], что МВСК для
Рис. 24. Взаимосвязь между минимальными концентрациями кислорода и кон¬
центрациями некоторых пылей в аэрозоле при воспламенении:
/, 2 — полиэтилен и полипропилен; размер частиц < 74 мкм, зажигание — нихромовой электро¬
спиралью; 3—то же, зажигание 0,5 г пироксилина.
Рис. 25. Взаимосвязь между содержанием кислорода в газовой фазе и предель¬
ными концентрациями пыли крахмала, необходимыми для ее воспламенения
при определенных постоянных температурах.
газовой смеси азот — воздух составляет 9% (об.), для газо¬
вой смеси двуокись углерода — воздух 7% (об.), а для смеси воз¬
дух— топочные газы МВСК соответствовало следующему составу
атмосферы: 9,2% 02; 84,4% N2 и 6,4% С02. Из приведенных дан¬
ных следует, что азот эффективнее двуокиси углерода, поскольку
предельная концентрация кислорода для азота выше, чем для
двуокиси углерода.
Атмосфера топочного газа, образующегося при сжигании при¬
родного газа, получилась практически такой же эффективной, как
и азот. Эту атмосферу можно создать, отрегулировав генератор
топочного газа на работу с избытком воздуха. В этом случае
обеспечивается полное сгорание топлива и, следовательно, исклю¬
* Частицы имели форму слезинок со средним диаметром 7 мкм; среднее
содержание окиси алюминия составляло 1% (масс.).
74
чается присутствие несгоревших горючих газов в защитной атмо¬
сфере.
Необходимо учитывать, что не все вещества при уменьшенном
содержании кислорода теряют способность воспламеняться. Как
отмечалось выше, порошки некоторых металлов могут воспламе¬
няться с последующим взрывом и в отсутствие кислорода в среде,
с которой они способны реагировать с выделением тепла. Такой
средой могут быть азот, двуокись углерода и др.
При изучении влияния защитной газовой среды с различным
содержанием кислорода на взрываемость металлических порошков
выявлено, что магниевый порошок при воспламенении в чистом
азоте взрывается, при этом создается давление 300 кПа (в усло¬
виях опыта). В чистом аргоне магний не взрывается, однако при
содержании всего 0,5% кислорода он воспламеняется; давление
взрыва в этом случае составляет 260 кПа [26].
Взрывы пылей происходят также при взаимодействии их с дру¬
гими окислителями. Так, галоиды могут вызывать разрушительные
взрывы пылей. Наиболее сильные взрывы наблюдались в атмо¬
сфере фтора с металлическими пылями, пылями смол, пищевых
продуктов, дерева и др. [19]. При разработке методов предот¬
вращения взрывов с применением флегматизирующих сред к вы¬
бору последних нужно подходить весьма осторожно. Небезынте¬
ресно отметить, что эффективность инертного газа, используемого
для снижения концентрации кислорода, определяется в известной
мере его мольной теплоемкостью [5].
2.3.3. Минимальная энергия зажигания аэрозоля
Под минимальной энергией зажигания аэрозоля понимается
наименьшая энергия искры электрического разряда, проведенного
в наиболее благоприятных условиях, при которых достигается вос¬
пламенение аэрозоля оптимальной концентрации.
Механизм зажигания электрической искрой является весьма
сложным, поскольку искровой разряд сопровождается обогаще¬
нием газовой фазы активными частицами (возбужденными моле¬
кулами, ионами с большим запасом энергии и свободными ради¬
калами) и сильным повышением температуры газа (порядка
10 000°С), что обусловлено высокой концентрацией энергии в ма¬
лом объеме разрядного плазменного канала. Оба эти обстоятель¬
ства послужили причиной появления двух различных трактовок
механизма искрового зажигания: ионной теории искрового зажи¬
гания и тепловой теории [61]. Предпочтение отдается тепловой
теории зажигания, как наиболее обоснованной. Согласно этой
теории, зажигающая способность искрового разряда определяется
главным образом минимальным количеством энергии, передавае¬
мой окружающей горючей смеси и достаточной для появления
самораспространяющегося пламени.
75
На зажигающую способность искрового разряда существенно
влияют основные параметры электрической схемы испытательной
установки [62]: активное сопротивление /?, индуктивность L раз¬
рядного контура, длина разрядного промежутка и конструкция
электродов. Чисто емкостные (С) разряды (L и R контура пренеб¬
режимо малы) характеризуются большой крутизной фронта раз¬
рядного тока. Возникающая при этом ударная волна, как показала
высокоскоростная съемка, выталкивает пыль из межэлектродного
промежутка [63]. При включении в разрядный контур оптимальной
индуктивности (L = 0,1 — 1 Гн) или активного сопротивления
(R = 450 — 900 кОм) частицы пыли разрядом не разбрасываются.
Этим можно лишь отчасти объяснить большую воспламеняющую
способность разрядов типа LC и RC по сравнению с емкостными
разрядами (табл. 16) [64, 65].
Таблица 16. Минимальная энергия зажигания некоторых веществ
в зависимости от L и R электрического контура и размеров частиц
Вещество
Диспер¬
Удельная
поверх¬
Опти¬
мальная
концент¬
Минимальная энергия
зажигания (в мДж) при
сность,
мкм
ность,
м2/кг
рация
аэрозоля,
Кг/м3
L -0,1-
— 1 Гн
Я = 450-
— 900 кОм
II и
о о
Ванилин
< 75
__
0,120
3,3
9,2
155
Люминал
< 75
—
0,115
3,0
14,5
360
Пластмасса
< 63
357
0,057
3,9
17,9
205
К-18-2
63-125
158
0,115
10,5
30,2
975
125-160
160-200
109
97
0,170
0,192
35,5
160,0
93,7
1140
Поливинилбутираль
< 75
270
0,15
8,8
—
—
75-120
250
0,17
23,5
23
160
120-160
214
0,21
39,0
160-200
140
0,30
88,0
—
Поливиниловый спирт
< 75
307
0,065
5,6
20
75-120
234
0,080
35
700
120-160
154
0,120
84
Полипропилен эмуль¬
сионный
160-200
108
0,200
110
ПП-4
< 250
—
—
6,3
18,5
60
ПП-3
<250
—
0,20
3,4
16,2
56
ПВ-2
< 250
—
0,25
4,0
17,5
64
ПП-3 (А)
<75
227
0,08
5,9
15,0
100
75-140
145
0,12
10
15,5
160
140-280
98
0,16
16
20,3
200
Полистирол эмуль¬
< 75
671
0,038
1,8
3,6
14,5
сионный
75—120
487
0,057
2,4
5,0
120-160
350
0,070
5,2
6,0
160-200
292
0,090
81,7
Полиформальдегид
< 75
485
0,075
7,5
16,6
Фталевый ангидрид
< 75
152 -
0,070
2,3
8,0
38
Фенацетин
< 75
0,120
4,2
16,0
190
76
Считается, что основной причиной влияния L и R на величину
минимальной энергии зажигания является увеличение времени
разряда ти до значений, превышающих период индукции аэро¬
золя [64]. Такое увеличение длительности искровых разрядов воз¬
можно лишь до известного предела. При большом значении т ско¬
рость поступления энергии в канал разряда окажется столь малой,
что температура нагретой им смеси будет недостаточной для ее
воспламенения. Этот вывод наглядно иллюстрируется зависи¬
мостью минимальной энергии зажигания аэрозолей алюминия и
магния от величины активного сопротивления цепи разряда
(рис. 26) [66].
Для каждого горючего аэрозоля характерно определенное
время контакта с каналом искрового разряда, за которое в нем
формируется начальное ядро пламени
[67]. Чем меньше это время, тем боль¬
ше должна быть энергия разряда для
зажигания аэрозоля. Поэтому энергия
зажигания искровым разрядом с уве¬
личением скорости движения аэрозоля
должна возрастать.
По методике, описание которой
приведено в [62], минимальную энер¬
гию (И7мин) определяют для аэрозолей,
частицы которых двигаются в разряд¬
ном промежутке со скоростями вита¬
ния. Однако в реальных процессах хи¬
мической технологии они могут пере¬
мещаться со значительно большими
скоростями. Поэтому известный инте¬
рес представляет определение зависи¬
мости энергии зажигания пылевоздушных потоков (Wv) от их ско¬
рости движения. В работе [64] эта зависимость выражена формулой
Wv-=Wm + kv (65)
где k —- коэффициент, характеризующий физико-химические свойства вещества,
Вт-с2/м;
v — скорость пылевоздушного потока, м/с.
Графически эта зависимость для различных полимерных мате¬
риалов представлена на рис. 27. Из рис. 27 видно, что с увеличе¬
нием скорости аэрозоля от скорости витания до 30 м/с (нормаль¬
ный диапазон скоростей пневмотранспорта) энергия его зажигания
возрастает в среднем на порядок. Примерно такая же зависимость
получена и в работе [68] при зажигании пропановоздушной смеси
(соотношение топливо — воздух равно 0,0835), двигающейся в тру¬
бопроводе без искусственного турбулизатора. С увеличением тур-
булизации энергия зажигания смеси резко возрастает.
Разрядное сопротивление, МОм
Рис. 26. Влияние разрядного
сопротивления на минималь¬
ную энергию воспламенения
аэрозолей алюминия (1) и маг¬
ния (2).
77
Зависимость энергии зажигания газовоздушных смесей от ско¬
рости их движения имеет следующий вид [69]:
W = <ИН + kvl'5 <58>
где — минимальная энергия зажигания неподвижной смеси;
v — скорость движения газовой смеси;
k — коэффициент пропорциональности, зависящий от условий опыта.
Поскольку оптимальное время зажигания газовоздушных сме¬
сей меньше, чем пылевоздушных, влияние скорости движения
потока горючей смеси на ее энергию зажигания должно было бы
больше сказываться для аэрозолей, чем для газов. Однако, со¬
гласно уравнению (55), это явление более характерно для газов,
что по-видимому, требует дополни¬
тельных уточнений.
Тем не менее из сказанного вы¬
ше можно сделать вывод, что оцен¬
ка минимальной энергии зажигания
пылевидных материалов по мето¬
дике вибрационного их просева дает
определенные преимущества, так
как такой просев обеспечивает ско¬
рости витания этих материалов при
искровом разряде. В случае исполь¬
зования метода образования аэро¬
золя импульсом воздушной струи
турбулизация способствует получе¬
нию более высрких показателей, не
гарантирующих безопасность про¬
изводственных процессов, сопровождаемых свободным оседанием
пыли.
Минимальная энергия зажигания WMmi также зависит от
концентрации пылевоздушной смеси и дисперсности частиц. Как
видно из данных табл. 16, величина й^мин уменьшается с увели¬
чением удельной поверхности твердой фазы, причем при укрупне¬
нии частиц возрастает в известной мере величина оптимальной
концентрации аэрозоля, при котором горючее вещество и окисли¬
тель (воздух) находятся в наиболее благоприятном для воспла¬
менения соотношении.
Необходимо отметить, что нижний концентрационный предел
воспламенения аэрозоля обычно лежит ниже той концентрации,
при которой возможно зажигание искровым разрядом. Минималь¬
ная энергия зажигания определяется при концентрациях примерно
в 5—10 раз больше предельной. Установлено также, что при по¬
стоянной поверхности твердой фазы в единице объема смеси неза¬
висимо от дисперсности веществ, т. е. при постоянном значении
произведения концентрации частиц пыли на их удельную поверх¬
ность, достигается минимум зажигающей энергии (рис. 28) [65].
Рис. 27. Зависимость минималь¬
ной энергии зажигания от ско¬
рости пылевоздушного потока (м/с):
/ — аэрозоль поливинилбутираля;
2 — аэрозоль полипропилена; 3—аэро¬
золь полистирола.
78
Минимальная энергия зажигания зависит также от вида пыли,
влажности воздуха и материала. С увеличением влажности коли¬
чество требуемой энергии возрастает. Поскольку эффективность
источников зажигания различная, следует учитывать, что мини¬
мальную энергию зажигания, найденную по искровому разряду,
можно использовать без оговорок лишь как характеристику спо¬
собности к воспламенению пыли под действием источника этого
вида. Поэтому заслуживает внимания сделанный по результатам
исследования вывод о том, что пылевоздушные смеси, требующие
для зажигания больше 100 мДж энергии, недостаточно восприим¬
чивы к воспламенению от разряда статического электричества
в промышленных условиях [70]. Для большинства пылей, однако,
Рис. 28. Зависимость минимальной энергии зажигания от
поверхности твердой фазы в единице объема аэрозоля:
Точка
Вещество
Размер
частицы,
мкм
Точка
Вещество
Размер
частицы
мкм
1
Поливинилбути-
<75
и
Поливиниловый
120-160
раль
спирт
2
»
75-120
12
То же
160-200
3
»
120-160
13
Пресс-порошок
< 63
4
»
160-200
К" 18-2
5
Полистирол
<75
14
То же
63-125
6
»
75-120
15
»
125— leo
7
»
120-160
16
Полипропилен
< 75
8
»
160 - 200
17
»
75-140
9
Поливиниловый
< 75
13
»
140-280
спирт
19
Пресс порошок
> 160
10
То же
75-120
К-18-2
минимальная энергия зажигания соответствует 10—40 мДж*,
тогда как для большинства горючих газов 0,2—10 мДж. Горючие
пыли, как правило, требуют в 20—50 раз больше энергии зажи¬
гания, чем горючие пары и газы [5].
Для правильной классификации пылей по пожаро- и взрыво¬
опасности данных, полученных при использовании только искро¬
вого разряда, недостаточно. Необходимо проверить эффективность
зажигания пыли и при воздействии чисто теплового источника.
2.3.4. Максимальное давление взрыва
и скорость его нарастания
Максимальным давлением взрыва называется наибольшее дав¬
ление, достигаемое в закрытом сосуде при дефлаграционном сгора¬
нии аэрозоля с начальным давлением 100 кПа. Давление, созда¬
ваемое при взрыве пыли, является результатом образования
газообразных продуктов сгорания, объем которых превышает
* По методике, изложенной в работе [62], получаются более низкие значения.
1 20 30 МО 50
Яу,м2/м3
79
первоначальный объем, и нагрева этих продуктов до более высо¬
ких температур. Многие горючие пыли, (в частности, в производ¬
стве пластмасс) дают максимальное давление взрыва в пределах
500—800 кПа [70]. Максимальное давление взрыва некоторых
пылей (угля, декстрина, органических пигментов, алюминия) в за¬
крытых сосудах может составлять от 0,77 до 1,1 МПа, что превы¬
шает соответствующие данные, полученные для технических горю¬
чих газов (метана, пропана, водорода) [71].
Для определения максимального давления взрыва аэрозоля и
скорости его нарастания используют цилиндрические сосуды, в ко¬
торых получаются наиболее высокие показатели [1], несмотря
на то что отношение площади стенок
к объему, а следовательно, и потери
тепла, больше, чем для сферических.
Очевидно, что при других одинаковых
условиях решающими факторами яв¬
ляются характер рассеивания пыли и
степень турбулентности атмосферы,
более высокие значения которых дости¬
гаются в цилиндрических сосудах.
Роль указанных факторов доволь¬
но четко обнаружена в опытах [72],
связанных с определением влияния
давления распыляющего воздуха, по¬
даваемого в испытательную камеру
(~4,15 л) для создания аэрозоля, на
давление взрыва аэрозоля. Опытами
установлено, что максимум давления
взрыва достигается при давлении рас¬
пыляющего воздуха 350—380 кПа.
В этих условиях достигались наилуч¬
шее диспергирование пыли и оптималь¬
ная турбулентность.
Небезынтересно отметить, что ав¬
торы работы [72] все же в качестве
стандартной величины приняли давление распыляющего воздуха
175 кПа. Это мотивировалось тем, что в крупномасштабных опы¬
тах с крахмалом, проведенных в штреках размером 46,5 л и
6,13 м3, получены данные [73], удовлетворительно совпадающие
с лабораторными результатами, относящимися к указанному дав¬
лению распыления.
Для определения оптимальной концентрации пыли, при которой
получается максимальное давление взрыва, проводят серию опы¬
тов с различными навесками пыли. Типичный график зависимости
давления взрыва от концентрации пыли представлен на рис. 29
[72]. Данные графика показывают, что, например, для тристеа-
рата алюминия (99% частиц <74 мкм) оптимальной концентра¬
цией пыли, при которой достигается максимальное давление
Концентрация пыли, г/м3
Рис. 29. Зависимость давления
взрыва от концентрации пыли
(тристеарата алюминия) в аэро¬
золе:
/—закрытая камера; 2— камера
с разгрузочным отверстием 0,04 м2
на 1 м3 объема; 3—то же, 0,052 м2
на 1 м3 объема.
80
взрыва, является 152 г/м3. При разгрузочном отверстии в приборе
максимальное давление взрыва, как это видно из рис. 29, сни¬
жается. Однако оптимальные концентрации пыли остаются те же,
что указывает на идентичность в обоих случаях (в закрытой ка¬
мере и камере с разгрузочным отверстием) процессов горения
аэрозоля.
Исследования со стеаратами металлов [72] позволили уста¬
новить также весьма важную особенность. В отличие от пыли
крахмала, относящейся к легко воспламеняемым продуктам, опти¬
мальные концентрации пыли стеаратов металлов получались очень
высокими, и в результате этого в испытательной аппаратуре с от¬
верстием для снижения давления наблюдалось два взрыва. Пыль
в больших концентрациях при первом взрыве полностью не сго¬
рала и способствовала возникновению второго взрыва. Он про¬
исходил за счет оставшегося количества леиспользованного горю¬
чего и поступившей в камеру свежей порции кислорода. Повтор¬
ному взрыву способствовала высокая температура в камере. Эта
особенность позволяет считать, что в условиях, содействующих
образованию больших концентраций пыли в воздухе, весьма
серьезную опасность представляют собой и менее легко воспла¬
меняемые пыли, нижний концентрационный предел которых лежит
выше установленной нормы для взрывоопасных пылей (65 г/м3)
[74, 75]. Это лишний раз указывает на недостаточность исполь¬
зования для оценки свойств взрывоопасной пыли только их
нижнего концентрационного предела воспламенения. Необходимо
дополнительно учитывать параметры, характеризующие силу
взрыва.
Множественные взрывы пыли, следуемые в быстрой последо¬
вательности один за другим, наблюдались в промышленных усло¬
виях неоднократно. В частности, сильные взрывы происходили
с угольной пылью, не относящейся, согласно указанной норме,
к взрывоопасным. Все это как нельзя лучше подтверждает выска¬
занные выше соображения.
Исследованиями установлено, что для каждого дисперсного
состава пылевидного материала существует определенная опти¬
мальная концентрация, при которой наблюдается максимальное
давление взрыва. При этом в прямой зависимости от удельной
поверхности твердой фазы аэрозоля и в обратной зависимости
от расстояния между частицами находятся максимальная и сред¬
няя скорости нарастания давления взрыва. Влияние на процесс
оказывают истинная плотность частиц пыли и их форма. Как видно
из рис. 30 [59], частицы пыли плоской формы более склонны
к горению, чем сферической формы. Скорость нарастания давле¬
ния существенно зависит, как указывалось выше, также от раз¬
мера и формы сосуда, размера и интенсивности источника зажи¬
гания, степени турбулизации смеси.
Скорость нарастания давления ограничивается количеством
кислорода, присутствующего в реакционной камере и способного
§1
вступить в реакцию горения. Поэтому в закрытом объеме удельная
поверхность частиц пыли должна быть оптимальной, чтобы обес¬
печить максимальную скорость протекания процесса. Дальнейшее
увеличение или уменьшение удельной поверхности будет способ¬
ствовать только снижению получаемых показателей (давления
взрыва и скорости нарастания давления). Этот вывод в известной
мере подтверждается опытами, в которых исследовались образцы
трис-2-гидроксиэтилизоцианурата (Т-2-ГЭИЦ) [72]. В опытах
устанавливать максимальные (^рМс)макс и средние (dp/dx)cv
скорости нарастания давления в зависимости от концентраций для
частиц пыли разных размеров при фиксированном соотношении
площади разгрузочного отвер¬
стия и объема реакционной
камеры, а также при постоян¬
ном давлении распыления,
равном 175 кПа. Результаты
опытов приведены в табл. 17.
Из данных табл. 17 видно,
что для частиц размером
меньше 53 мкм оптимальная
удельная поверхность обеспе¬
чивается при их концентра¬
ции в аэрозоли 384 г/м3, со¬
ответствующей наибольшим
значением dp/dx. Увеличение
концентрации до 613 г/м3 (от¬
вечает увеличению удельной
поверхности) приводит к сни¬
жению указанных показателей.
Для Т-2-ГЭИЦ с частицами
104—74 мкм оптимальная удельная поверхность достигается лишь
при концентрации 613 г/м3, а для частиц размером 147— 104 мкм
удельная поверхность при концентрации 384 г/м3 оказывается столь
малой, что взрыва аэрозоля не происходит, тогда как при концен-
Таблица 17. Зависимость максимальных и средних скоростей
нарастания давления от концентраций Т-2-ГЭИЦ
и размеров частиц в аэрозоли
Размеры частиц,
мкм
С = 384 г/мЗ
С = 613 г/мЗ
(dp'dx)MaKC,
МПа/с
(dpjdx)
МПа/с
(dpMt)MaKC,
МПа/с
(dp/dx)
МПа/с
< 53
13,5
5,0
13,2
4,5
66—53
9,8
4,5
10,4
4,2
74-66
7,7
3,9
8,6
3,7
104-74
2,4
1,5
4,7
2,2
147-104
Не взрывается
2,7
2,2
82
Концентрация пыли, г/л
Рис. 30. Зависимость давления взрыва
алюминиевой пыли от концентрации и
формы частиц:
/—плоская форма; 2—сферическая форма.
получаются значительно
(рис. 31) [76]. Поэтому
трации 613 г/м3 опыт сопровождался взрывом. Данные табл. 17
подтверждают также вывод о том, что оптимальная концентрация
аэрозоля, при которой наблюдается максимальное давление
взрыва, действительна только для узкой области частиц. С уве¬
личением размеров частиц должна увеличиваться и их оптималь¬
ная концентрация, обеспечивающая необходимую для процесса
. удельную поверхность твердой фазы.
Давление взрыва и скорость нарастания давления возрастают
с увеличением химической активности веществ. Для некоторых
металлических пылей эти показатели
выше, чем для органических веществ
взрывы аэрозолей этих пылей имеют
особенно разрушительный характер,
что вызывает необходимость увеличе¬
ния быстродействия и проходного се¬
чения предохранительных устройств.
Тесно ассоциируется с максималь¬
ным давлением и скоростью нараста¬
ния давления длительность времени
сохранения повышенного давления
(индикатор разрушений от взрывов
пыли). Площадь под кривой время —
давление определяет общий импульс
оказываемого давления. Существует
связь между величиной разрушений от
взрыва и этим импульсом, объясняю¬
щая, почему взрывы пылей с более
низкой скоростью нарастания давле¬
ния (по сравнению со взрывами газов)
могут вызывать большие разрушения
[5]. Расчеты изменения давления и
температуры при постоянном объеме
для случая аэрозоля являются более трудными по сравнению
с расчетами для взрывов газовых смесей, что обусловлено боль¬
шими потерями тепла системой на излучение в окружающую среду
и неполным выгоранием вещества. Величина потерь тепла суще¬
ственно зависит и от условий эксперимента.
Для вычисления теоретической температуры взрыва при по¬
стоянном объеме может использоваться в первом приближении
уравнение [77]
Рис. 31. Зависимость нараста¬
ния давления взрыва от вре¬
мени:
/ — алюминиевая пыль; 2 —угольная
пыль.
£ mSviT?
(57)
где Q — удельная теплота сгорания вещества, Дж/г;
тт — масса горючего вещества, г;
mk — масса /г-го вещества, участвующего в горении аэрозоля, г;
Су^ — теплоемкость k-то вещества, Дж/(г-К);
Tk — температура k-ro вещества, К;
пг. — масса /-го продукта сгорания, г;
$3
cyi — теплоемкость i-ro продукта сгорания, Дж/(г*К)|
Тг — температура горения, К.
Поскольку cVi=f(TT), температуру горения можно определить
по уравнению (57), подбирая температуру, при которой это урав¬
нение превращается в равенство. Действительная температура
взрыва получается ниже теоретической, что связано с неадиаба-
тичностью процесса, неполнотой выгорания порошка, зависимостью
процесса горения от времени, которое влияет на скорость выделе¬
ния высвобождаемого тепла.
Давление при взрыве аэрозоля можно приближенно рассчитать
по формуле [78]:
PB3P = ^£.^L (58)
■* о пп
где Рвзр —* давление при взрыве, Па;
ро — начальное давление, при котором находится аэрозоль, Па;
Т0 — начальная температура, К;
пк — число молей газообразных продуктов сгорания;
пн — число молей газовой смеси до сгорания.
Как показали опытные данные, максимальные давления на¬
блюдаются в большинстве случаев при концентрациях, превышаю¬
щих стехиометрические. При нижнем концентрационном пределе
воспламенения аэрозоля меньше генерируется тепла и, как отме¬
чалось выше, развиваются более низкие давления. Для пылей,
например, ацетальной смолы и триацетатцеллюлозы достигались
максимальные давления соответственно 790 кПа при оптимальной
концентрации 2000 г/м3 и 630 кПа при —500 г/м3 [29]. Наиболь¬
шая сила взрыва наблюдалась при участии в горении 10—20%
торфяной пыли от ее содержания в аэрозоли 1—2 кг/м3 и 20—40%
угольной пыли при содержании ее в аэрозоли 0,4—0,6 кг/м3 [79].
В рассмотренных случаях избыток продукта против стехио¬
метрии определял значительную неполноту сгорания пыли при
взрыве. Для металлических пылей такой избыток не характе¬
рен [24]. Их оптимальная концентрация получается меньше сте-
хиометрической, что наблюдается по уменьшению давления взрыва
при достижении стехиометрической концентрации.
Влияние температуры до 100 °С на взрывы термостабильных
аэрозолей незначительно. Более высокую температуру следует
учитывать в расчетах [80]. При повышении температуры пыль под¬
сушивается, что активизирует процесс. Однако при повышении
температуры в определенных условиях концентрация кислорода
в газовой фазе может уменьшиться, а это будет способствовать
более низкому максимальному давлению взрыва аэрозоля [70,79].
При температурах, при которых начинается разложение пыли
и образование горючих паро-газообразных продуктов распада,
чувствительность к взрыву такого аэрозоля может существенно
повыситься. Опасно проникновение свежего воздуха в нагретую
систему.
84
При повышенном начальном давлении (соответственно Пар¬
циальном давлении кислорода) в аппарате, содержащем аэрозоль,
наблюдается более высокое давление взрыва, которое пропорцио¬
нально начальному давлению и может его превышать максимально
в 12 раз [43].
Исследование влияния инертной добавки (песка) на взрыв
пыли динитрозопентаметилентетрамина (ДНПТ) [72] позволило
получить данные, которые, по-видимому, являются характерными
и для некоторых других органических пылей. Максимальные дав¬
ления взрыва для 100% ДНПТ
0 0,Ь 0,8 1,2 1,6 2,0
Инертный порошок,кг/м3
1 1 I j I I
О 0,0h 0,08 0,12 0,16 0,20
Влажность, кг/м*
Рис. 32. Влияние инертных добавок
на максимальное давление, развивае¬
мое при взрыве аэрозоля крахмала
концентрацией 0,5 кг/м3:
/—добавка инертного порошка (фуллеровой
земли); 2—увлажнение; 3— изменение кон¬
центрации кислорода.
и 40% ДНПТ (60% песка) при
0 0,Ь 0,8 1,2 1,6 2,0
Инертный порошок,кг/м'3
О 0,0Ц 0,08 0,12 0,16 0j20
Влажность, кг/и3
Рис. 33. Влияние инертных добавок
на максимальную скорость нараста¬
ния давления (МПа/с), развиваемую
при взрыве аэрозоля крахмала кон¬
центрацией 0,5 кг/м3:
/—добавка инертного порошка (фуллеро¬
вой земли); 2 —увлажнение; 3— изменение
концентрации кислорода.
оптимальных концентрациях пыли (соответственно 310 г/м3 и
775 г/м3) получались в пределах ошибки опыта равными. Это
можно объяснить тем, что содержание 100%-ного ДНПТ в образ¬
цах, использованных для опытов, было одинаковым, на что ука¬
зывает расчет, учитывающий оптимальную концентрацию в про¬
дукте 40%-го ДНПТ: 775*0,4 = 310 г/м3. Следует ожидать, что
при инертной добавке количество газообразных продуктов разло¬
жения также получается одинаковым.
Преимущество инертной добавки, вводимой в пылевидные ма¬
териалы, сказывается в уменьшении скорости нарастания давле¬
ния, которая легче подвергается изменениям.
85
Максимальное давление взрыва и скорость его нарастаний
зависят также от влажности аэрозоля и содержания в нем кисло¬
рода (рис. 32 и 33) [5]. Из графиков видно, что небольшие изме¬
нения в составе смеси приводят к незначительному эффекту. Наи¬
более ощутимо эти параметры снижаются при предельных кон¬
центрациях. Скорость нарастания давления при введении инертных
добавок снижается почти линейно.
2.4. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА
НА ЕГО ГОРЮЧЕСТЬ
Выше отмечалось, что для процессов горения веществ и ма¬
териалов характерны реакции окисления. Эти реакции для орга¬
нических веществ, направленные на увеличение энтропии системы,
характеризуются стремлением образовать в конечном итоге наи¬
более устойчивые продукты (Н20, С02), имеющие наименьший
запас энергии.
Активность веществ, вступающих в реакцию окисления, зави¬
сит не только от физических свойств, но и от химической струк¬
туры вещества. Попытку, хотя бы качественно оценить ее влияние
на горючесть вещества, связывают в первую очередь с его термо¬
стойкостью. При этом считают, что чем более термостойким явля¬
ется вещество, тем оно менее горюче. Действительно, если под
термостойкостью понимать предельную температуру, которую мо¬
жет выдерживать вещество без химического изменения, т. е. его
химическую устойчивость, то некоторые термостойкие при темпе¬
ратуре выше 500 °С * органические вещества можно считать труд¬
ногорючими или негорючими в атмосфере воздуха. В соответствии
с данными исследований термостойкости [81], к указанной группе
по горючести можно отнести, например, сложные соединения, со¬
держащие ароматические карбо- и гетероциклы:
полифенилен
N
N
-С
п
полибгнзимидазол
* Температура, при которой возникает активное разложение некоторых
трудногорючих веществ (например, огнезащищенной древесины).
полидифенилсилоксан
Введение карборановой группировки приводит к резкому по¬
вышению термоустойчивости соединения.
Поликарборанбензимидазол строения
-* п
по термостойкости превосходит аналогичный незамещенный поли-
бензимидазол, так как теряет при нагревании на воздухе до 900 °С
только 25% от исходной массы.
Увеличение содержания азота, связанного с углеродом, приво¬
дит к повышению термостойкости соединения: Сравнительно тер¬
мостойкими и негорючими азотистыми веществами являются не¬
которые производные цианамида. К ним относятся мелем
NH2
/\
N N
I II
С С
/\ / \
NN N
I I II
h2n-c с с—nh2
\/\/
N N
и мелон, представляющий собой конденсированные кольца из групп
мелема. Выявлен ряд зависимостей, связывающих химическое
строение веществ с их термостойкостью. Такие особенности струк¬
туры, как высокая энергия межатомных связей, наличие прочных
ароматических карбо- и гетероциклов, карборановых, ферроценовых
и других устойчивых группировок в звене, а также лестничные и
иные сшитые структуры, могут обусловливать высокую термостой¬
кость веществ, например, полимеров.
§7
Роль кольчатых структур в образовании веществ с повышенной
термостойкостью подтверждается тем, что любое органическое ве¬
щество при тепловом воздействии образует уголь, содержащий
эти структуры, т. е. переходит в наиболее устойчивое состояние,
при котором может существовать органическая материя в усло¬
виях высоких температур. Графит, например, обладающий хоро¬
шей термостойкостью и трудной горючестью, имеет макромоле¬
кулы, связанные в паркетную структуру
Получение трудногорючих веществ путем увеличения их
термостойкости предполагает отсутствие легко окисляемых про¬
дуктов их деструкции. В противном случае термостойкие при
500 °С вещества окажутся горючими, тем более, что источник
зажигания может иметь и более высокую температуру. Особенно
часто несовпадение свойств пониженной горючести и термостой¬
кости наблюдается для соединений, склонных к распаду при тем¬
пературах ниже 500 °С. Об этом свидетельствуют, например, дан¬
ные динамического термогравиметрическогб анализа полиимида
и ряда винильных полимеров (рис. 34) [81].
Из этих данных и имеющихся сведений о горючести следует,
что менее термостойкий полихлорвинил 1 является менее горючим
веществом по сравнению, например, с полиэтиленом 3. Соответст¬
вующее свойство обусловливается меньшей чувствительностью его
продуктов распада к реакциям окисления. Между тем наиболее
термостойкие соединения (политетрафторэтилен 4 и полиимид 5)
из представленных полимеров являются также и наименее горю¬
чими.
Существующие методики определения термостойкости веществ
не позволяют оценить их горючесть, и поэтому они для указанной
цели непригодны. Метод калориметрии ГОСТ 17088—71, метод
определения кислородного индекса [82] и другие методы, исполь¬
зуемые для определения горючих свойств веществ, требуют накоп¬
ления и обобщения экспериментальных данных для установления
влияния химического строения веществ на их горючесть. Прин¬
ципиально интересная методика оценки горючести полимеров по
кислородному индексу, основанная на определении минимально
необходимого для горения содержания кислорода в атмосфере,
не лишена недостатков. К ним относятся необходимость визуаль-
ного Наблюдения за процессом горений й главное создание при
проведении опыта условий, затрудняющих распространение пла¬
мени (поджигание вертикально расположенного образца сверху),
что способствует получению завышенных кислородных индексов,
характеризующих лучшую сопротивляемость вещества огню, чем
это есть в действительности.
Для количественной оценки влияния структуры веществ, пред¬
ставляющих собой сложные системы, на их реакционную способ¬
ность пользуются закономерностями, носящими эмпирический ха¬
рактер (уравнение Дерика, Бренстеда, Гаммета, Тафта, Пальма
100
80
60
20
О
О 200 т 600 800 °с
Рис. 34. Динамический термогравиметрический анализ полимеров в атмосфере
азота (скорость нагревания 5 °С/мин).
и др.) [83]. Это объясняется недостатками анализа сложных
систем и явлений, основанного на теоретических представлениях
и математическом аппарате (квантовая механика, статистическая
термодинамика), относящихся к более простым системам.
Нереализуемая пока необходимость учета всего множества де¬
талей и взаимосвязей, определяемых структурой сложного объ¬
екта, обусловливает значительные упрощения, применение при¬
ближенных методов вычислений и замену рассмотрения сложной
реальной системы грубыми моделями. Трудности, которые возни¬
кают при последовательном фундаментальном подходе, определили
целесообразность использования тех закономерностей, которые
на данном уровне развития наших знаний не вытекают однозначно
из более всестороннего анализа проблемы и поэтому носят пока
еще эмпирический характер.
89
Изучение влияния химической структуры вещества на его по¬
жароопасные свойства может основываться на знании реакцион¬
ной способности веществ в условиях горения. Это достигается
сопоставлением данных о химической структуре вещества с дан¬
ными об относительной его устойчивости в этих реакциях. Такое
сопоставление позволяет сделать обоснованные выводы о взаимо¬
связи указанных факторов.
В уравнениях, устанавливающих влияние химической струк¬
туры на реакционную способность веществ, используется в основ¬
ном .отношение констант скоростей реакций исследуемого и срав¬
ниваемого (соединение без заместителя) веществ. Отсутствие
в большинстве случаев данных по соответствующим параметрам
для реакций горения определило необходимость изыскания дру¬
гого характерного показателя реакционной способности веществ
в этих процессах.
Исследования [84] горючести веществ по методике определения
кислородного индекса показали наличие связи между удельной
теплотой горения Q и кислородным индексом &и
К = -г* (59)
"о2 + «м2
где п0) и — число молей, соответственно кислорода и азота.
Однако эмпирическое уравнение, приведенное для выражения
этой связи
К = 7,94/Q (60)
не дает пока достаточных оснований для определения закономер¬
ного влияния химической структуры вещества на его прочность.
Это объясняется несоответствием расчетных и практических дан¬
ных. Например, кислородный индекс менее горючего материала,
каким является шерсть (Q = 26,6 кДж/г), при расчете по фор¬
муле (60) получается меньше кислородного индекса хлопка
(Q = 16,72 кДж/г), являющегося более горючим материалом (чем
меньше кислородный индекс, тем большую чувствительность про¬
являет материал к возгоранию).
Результаты исследования влияния химической структуры алка-
нов и моноалкенов на их пожароопасные свойства показали
[85—87], что практический критерий реакционной способности
веществ можно получить при изучении их поведения в условиях,
наименее благоприятных для возникновения процесса горения и
способствующих тем самым наиболее четкому проявлению тен¬
денции веществ к участию в соответствующих реакциях. Такие
условия создаются при определении верхнего концентрационного
предела воспламенения веществ в смеси с воздухом, когда возник¬
новение горения с распространением его на весь объем смеси
происходит при значительном недостатке кислорода. При этом
возможность протекания соответствующего процесса зависит глав¬
90
ным образом от степени чувствительности веществ к реакциям
горения, обусловленной химическим строением молекулы.
Экспериментальные данные, получаемые при определении верх¬
него концентрационного предела воспламенения веществ Св. п %
(об.), можно использовать для расчета практического критерия
их реакционной способности т по формуле
щ
-св;п) (61)
где п — число молей кислорода, требуемых для сгорания 1 моля вещества по
стехиометрическому соотношению.
Параметр т показывает во сколько раз меньше по сравнению
со стехиометрическим соотношением требуется кислорода при
верхнем пределе для распространения пламени на весь объем
газо- или паровоздушной смеси. Чем больше величина т, тем,
очевидно, большую чувствительность проявляет вещество к реак¬
циям горения. Используя соотношения величин т для исследуе¬
мого (содержащего заместитель) и незамещенного соединений
m2/mi, можно выявить влияние той или иной функциональной
группы или связи на реакционную способность вещества. Преоб¬
разуя уравнение (61) и используя отношение т^/тх получаем
простую приближенную формулу для расчета верхнего концентра¬
ционного предела воспламенения газа или пара вещества в воз¬
духе*
с" — JML с' (62)
в-п т\П2 в*п { ’
где С" п — верхний концентрационный предел воспламенения для исследуемого
(содержащего заместитель) соединения, %(об.);
Св п — верхний концентрационный предел воспламенения для незамещен¬
ного соединения, %(об.).
Из формулы (62) следует, что концентрации исследуемого и
незамещенного соединений при верхнем пределе воспламенения
отличаются одна от другой практически на величину поправоч¬
ного коэффициента {т2/т\) (п\/п2), которым учитывается их ре-
акционноспособность.
Исследования пожарной опасности веществ сводятся главным
образом к тому, чтобы найти параметры, характеризующие усло¬
вия, при которых могут проявиться горючие свойства веществ.
Существенная роль термодинамического фактора в этих процессах
определяет возможность использования термодинамических дан¬
ных, характеризующих тенденцию к изменению энергии системы,
в качестве теоретического критерия реакционной способности.
Анализ свойств многих веществ показал, что относительную
склонность их к реакциям горения можно характеризовать сле¬
* Максимальная среднеквадратичная погрешность результата расчета по
формуле (62), по сравнению с экспериментальными данными, составляет 10%.
дующими термодинамическими данными: энергией стабилизации*
Е, температурой кипения Тши и теплотой сгорания АНСТ.
Возможность использования энергии стабилизации для отно¬
сительной оденки реакционной способности веществ отмечалась
в литературе и другими исследователями. В работе [88]рекомен¬
дуется для определения относительной устойчивости изомерных
соединений применять разность теплот образ&анця АЯт. с. Эти
рекомендации можно распространить и на другие соединения, если
учесть энергию стабилизации для каждого вещества. Если раз¬
ность между теплотами образования А#т. с двух изомерных соеди¬
нений обозначим через АЕ, тогда
А Е = АЯ"
Предполагая, что
Д£ = Е2 — Е\
где Е\ и Ег — энергии стабилизации каждого из соединений;
/^ДЯ'-ДЯ', (64)
АЕ = Л#;' с - А я; с (63)
"1 ^ т. с ^ э. с
Е2 = ДЯ" с - ДЯ'' с (65>
имеем
Д£ = ДЯ" с - ДЯ^ с - Ая; с + Ая; с (66)
Учитывая, что теплоты образования изомерных соединений, рас¬
считанные по аддитивным энергиям связей АЯэ. с, имеют одина¬
ковые значения
ая;;с=ая; с (б?)
получаем из уравнения (66) выражение (63)’.
Температура кипения вещества и теплота сгорания также яв¬
ляются важными показателями его свойств. Температура кипения
характеризует поляризуемость соединения [89], от которой зави¬
сит реакционная способность вещества, а теплота сгорания, опре¬
деленная при постоянном давлении, — изменение энтальпии си¬
стемы. Для установления связи между практическим критерием
реакционной способности и указанными термодинамическими дан¬
ными используем свойства энтальпии как характеристической
функции, если рассматривать энтальпию Н как функцию давления
р и энтропии s. Тогда
dH=T ds+V dp (68)
При 5== const и V=CB.U получаем для сравниваемых веществ
после интегрирования
ДЯ* Ар, С"п
в 5iJL (69)
ДЯ! Дрг с
в. п
* Энергия, связанная с образованием структуры вещества и определяемая
как разность между стандартной теплотой образования вещества, рассчитанной
по теплотам сгорания ДЯТ. с» и теплотой образования его, рассчитанной по адди¬
тивным энергиям связей АЯа. с- (Е> АЯ, Дж/моль),
92
Принимая
ЛЯ = аЕ (70)
где а — поправочный коэффициент, имеем:
а2Е2 Лр, Cg п
-■2— 1 ^2- (71)
а,£| Др2 Св п
Из первого принципа термодинамики следует, что для сравни¬
ваемых систем в адиабатических условиях * внутренние энергии и
энтальпии систем относятся как их объемы. Это дает основание
полагать, что и энергии стабилизации относятся как характерные
объемы систем
Е с"
2 — в'п (72)
В, С'в_п
Исследования гомологических рядов (алканов, моноалкенов,
хларалканов, спиртов и др.) в основном подтверждает этот вывод.
Из выражений (71) и (72) получаем
_ ДР. (73)
а2 А р2
Если принять, что при реакции сгорания газообразного веще¬
ства единственной работой является работа расширения, то погло¬
щаемое тепло выразится как
Qv~Qp = KT(nк-«н) (74)
где Qv и Qp — тепловые эффекты реакции при постоянном объеме и постоян¬
ном давлении;
пк — число молей газообразного вещества в конечном состоянии; при¬
нимаем, что они занимают весь объем реакционного сосуда, т. е.
пк = 100;
пн —* начальное число молей газообразного вещества в том же реак¬
ционном сосуде; принимаем /гн = Св. п.
На основе сделанного допущения изменение давления Ар при
сгорании вещества будет соответствовать
Ар = 100-Св. п (75)
Используя выражения (70), (73), (74), (75) и принимая
Г = Гкиш получаем для сравниваемых соединений
(Qy - Q'p) ^Н"Ткип
(76)
При равенстве теплот расширения сравниваемых газоообраз-
ных веществ и ДЯ = Д/7СГ из уравнения (76) имеем
Е2 _ АНсгт;цп
Zl А^г^кип
* При воспламенении создаются условия, приближающиеся к адиабатиче¬
ским, так как выделяемая теплота расходуется в основном на нагрев продуктов
реакции.
93
Поскольку энергия стабилизации может быть отрицательной и
положительной, для удобства расчета отношения Е2/Е\ исполь¬
зуется следующее выражение, найденное из опыта
33.52 + е2
33.52 + El
Из уравнений (62), (72) и (77) устанавливается связь между
экспериментальным критерием реакционной способности и термо¬
динамическими данными [90]
т2п{ = ЛЯ^ип __ 33,52 + Е2
АЯ'гГ'иП 33,52 + Е{
Вычисление по формулам (79) и (80)
(78)
Л и" т"
СГ КИП с' „ (79)
А Н'т' в> п
СГ кип
с" == 33,52 + Е2 Гг ,
в-п 33,52 + Е\ Св*п { }
верхнего концентрационного предела воспламенения веществ мно¬
гих гомологических рядов при использовании в качестве незаме¬
щенных соединений близких по свойствам веществ показало удов¬
летворительное совпадение расчетных и литературных дан¬
ных [91].
Полученные результаты позволяют считать, что зависимость
(78) является правомерной и при условии выполнения равенства
термодинамические данные (Е, Гкиm АНСГ) можно применять при
расчете показателя реакционноспособности m и для определения
влияния химической структуры вещества на его горючесть.
Разработанная методика расчета величин Бит приведена
в [90]. Расчет указанных данных, например для гомологических
рядов алканов и полихлоралканов, позволил сделать следующие
обобщающие выводы об их свойствах [85, 87, 90]. Химическая
устойчивость к горению (характеризуется величиной Е) алканов
[(СпсН2пС-\-2), где пс — число углеродных атомов] при одинаковом
физическом состоянии уменьшается с ростом их молекулы
(рис. 35). Соответственно в данном случае повышается реакцион¬
ная способность (характеризуется величиной т) алканов, что сле¬
дует также из опытов с этими соединениями в виде аэрозолей,
когда вещества с большим tic воспламенялись при меньшей энер¬
гии зажигания, чем соединения с более низким числом атомов
углерода [92].
Увеличение реакционной способности алканов с ростом моле¬
кулы можно объяснить: увеличением запаса энергии в них (пере¬
ход от отрицательных величин Е к положительным); увеличением
поляризуемости алканов, характеризуемой возрастанием темпе¬
ратур кипения; ослаблением положительного индукционного эф¬
фекта, создаваемого электронодонорной группой СН3 [88]. Изо-
94
Меризация соединений с образованием дополнительных метильных
групп должна способствовать повышению положительного индук¬
ционного эффекта и снижению их реакционной способности.
Молекулы алканов представляют собой открытые для взаимо¬
действия с кислородом цепочки. При увеличении числа алкильных
групп в результате изомеризации алканов молекула становится
более компактной, уменьшается ее поверхность и могут создаваться
пространственные препятствия для такого взаимодействия. Особен¬
ности химического строения алканов, определяющие повышение их
реакционной способности при возрастании молекулярной массы,
способствуют проявлению склонности
алканов к самовозгоранию.
На практике наблюдались случаи
активного самоокисления парафинов
(пс ~ 18) на развитой поверхности
(стеклоизоляции) и их теплового са¬
мовозгорания. Для низших гомологов
такого процесса не наблюдалось. Это
объясняется еще и тем, что чем труд¬
нее испаряется малоустойчивое в хи¬
мическом отношении вещество, тем
лучшие условия создаются для акку¬
муляции тепла и прохождения процес¬
са в направлении самовозгорания.
Температура самовоспламенения
алканов [(/с)] может служить в извест¬
ной мере показателем их склонности
к самовозгоранию, так как она зависит
от химической структуры веществ. По¬
нижение [(/с)] алканов с ростом пс (рис. 36) подтверждает этот
вывод.
Температуры самовоспламенения изоалканов получаются выше,
чем н-алканов с тем же числом атомов пс, что также характери¬
зует большую устойчивость изомеров к реакциям горения. На
склонность алканов к возгоранию оказывает влияние их физиче¬
ское состояние. Газы легче возгораются по сравнению с жидкими
и твердыми веществами. Поэтому возгораемость понижается с воз¬
растанием молекулярной массы и температуры кипения веществ.
Полихлоралканы являются производными алканов и имеют
общую формулуС„с/У2«с+2-/гС1С1лс;1(где ttci — число атомов хлора).
Химическая устойчивость полихлоралканов, так же как и алканов,
уменьшается в ряду с увеличением числа углеродных атомов в мо¬
лекуле, а их реакционная способность возрастает. Это характерно
для всех веществ, так как чем длиннее молекула, тем легче под
воздействием тепловых колебаний она разрывается.
Анализ зависимостей m/ma = /(nc) и E = f(nc) показывает, что
1,2-дихлоралканы (рис. 37 и 38) имеют меньшую химическую ус¬
Рис. 35. Зависимость измене*
ния энергии стабилизации В
и реакционной способности т
я-алканов от числа углерод¬
ных атомов пс в молекуле.
95
тойчивость и реакционную способность по сравнению с монохлор-
алканами. В соответствии с электронной теорией [88], большую
реакционную способность I-хлоралканов (/гс<7) по сравнению
с реакционной способностью алканов можно объяснить отрица¬
тельным индуктивным эффектом атома хлора, облегчающим про¬
тонизирование водорода в месте возможного взаимодействия его
с кислородом. Наиболее сильно этот эффект проявляется у хлор-
этана, что обусловливает его наибольшую реакционную способность,
и постепенно ослабляется с введением в молекулу промежуточных
метиленовых групп. По-видимому, влияние второго атома хлора не
связано с отрицательным индуктивным эффектом, как в случае
монохлоралканов. Если бы и второй атом хлора действовал так же,
как и первый, то горючесть со¬
единений повышалась бы.
Защитное действие второго
атома хлора возможно связано
с электронными смещениями, в
которых участвует пара неподе-
ленных электронов хлора. С уве¬
личением длины молекулы защит¬
ное действие хлора ослабляется.
Уменьшение энергии стабилиза¬
ции Е для членов ряда с пс = 7
дает основание полагать, что уп¬
рочнение молекулы и снижение ее
реакционноспособности в этом
случае являются результатом
проявления-, эффекта поля * [88].
Влияние поля на дихлоралканы начинает сказываться уже на¬
чиная с члена /гс = 6, так как энергия стабилизации 1,2-дихлоргек-
сана меньше, чем 1-хлоргексана.
Более низкая реакционная способность (т=1,28), определяю¬
щая трудную горючесть соединения при пониженной устойчивости,
характерна для дихлорметана. По-видимому, замена двух атомов
водорода в метане хлором способствует ослаблению связей в ве¬
ществе и пониженная горючесть обеспечивается большей химиче¬
ской устойчивостью промежуточных продуктов (а не исходного
соединения) и защитными свойствами хлора. Величины m/ma и Е,
полученные для 1,1,2-трихлоралканов и 1,1,2,2-тетрахлоралканов
(см. рис. 37 и 38), показывают, что дальнейшее увеличение числа
атомов хлора в молекуле с одним и тем же значением Пс приводит
к еще большему уменьшению их химической устойчивости и реак¬
ционной способности, причем к наименее реакционноспособным ве-
* Полярное воздействие заместителя передается другим атомам в молекуле
не только последовательно через связи, соединяющие атомы, но и через про¬
странство при сближении групп. Такое взаимодействие, обусловливаемое сте*
рическими условиями, называется эффектом поля.
Рис. 36. Зависимость температуры
самовоспламенения tc я-алканов от
числа углеродных атомов пс.
96
12 3^ 5 6 7 в 9 ПС
Рис. 37. Зависимость энергии стабилизации Е хлоралканов от числа углерод¬
ных атомов пс:
1 — 1-хлоралканы; 2 — 1,2-дихлора лканы; 3— 1,1,2-трихлоралканы; 4—1,1,2,2-тетрахлор-
алканы.
Рис. 38. Влияние замены атомов водорода в алканах атомами хлора, характе¬
ризуемое зависимостью m/ma = /(nc).
4 Зак, 62
97
гцествам из рассматриваемых относятся соединения ряда 1, 1, 2, 2,-
тетрахлоралканов.
Небезынтересно отметить, что при введении третьего и тем
более четвертого атомов хлора в молекулу алкана усиливается
эффект поля, который проявляется уже у три- и тетрахлоргекса-
нов, имеющих меньшие энергии стабилизации и реакционную спо¬
собность по сравнению с предыдущим членом соответствующего
ряда.
С увеличением содержания хлора первые члены указанных ря¬
дов (СНС13, ССЦ) становятся трудногорючими и негорючими со¬
единениями.
Тетрахлоралканы, имеющие наибольшие энергии стабилизации, •
относятся к химически неустойчивым веществам и служат нагляд¬
ным примером возможного несоответствия между термостойкостью
№с. 39. Зависимость содержания хлора в хлоралканах от числа углеродных
атомов пс в молекуле:
ТЕХА— тетрахлоралканы; ТХА—трихлоралканы; ДХА — дихлоралканы; ХА — хлоралканы.
(химической устойчивостью) и реакционноспособностью, о чем
говорилось выше. Отмеченная особенность позволяет полагать, что
снижение их горючести обусловлено большей устойчивостью про¬
межуточных соединений и защитным действием хлора. Эта зако¬
номерность нарушается в отношении ССЦ, который оказывается
несколько более устойчивым, чем трихлорметан. По-видимому, со¬
ответствующее явление можно объяснить равноценностью всех че¬
тырех валентных связей четыреххлористого углерода.
Зависимость содержания хлора в молекуле хлоралканов от
числа атомов углерода пс в ней (рис. 39) показывает, что концен¬
трация хлора не является определяющим фактором при оценке
реакционной способности соединений, отличающихся величиной пс.
Об этом свидетельствуют данные по содержанию хлора, располо¬
женные на прямой линии * графика и выше ее, относящиеся
* Прямая проведена согласно данным [29].
98
к трудногорючим и негорючим веществам. Область ниже прямой
линии на графике относится к горючим соединениям.
Согласно рис. 39, хлорпарафин (C25H45CI7), содержащий ~42%
хлора, является трудногорючей жидкостью, а тетрахлорпентан
(кривая ТЕХА) с 68% хлора — горючей жидкостью. Это объясня¬
ется тем, что возгораемость вещества зависит от суммы его физи¬
ческих и химических свойств. Для образования горючих газов и
паров из хлорпарафина требуется затратить больше энергии (если
сравнивать с тетрахлорпентаном), не генерируемой в отсутствие
источника зажигания. Этому способствует также то обстоятельство,
что более длинные молекулы в конденсированной фазе легче под¬
вергаются под влиянием хлора процессам циклизации и образо¬
ванию кольчатых систем, уменьшающих количество и скорость
выделения газообразных продуктов. Судя по рис. 39, к трудно-
горючим соединениям можно отнести CH2CI2, C2H3CI3, C3H4CI4,
C4H5CI5, что указывает на весьма важную их особенность — спо¬
собность легко отщеплять хлористый водород. При окислении,
согласно механизму свободно-радикальной реакции, кислород
в первую очередь соединяется с водородом, образуя комплекс
Н02* [93].
Легкость взаимодействия атомов электроотрицательного хлора
в молекуле трудногорючего хлоралкана с водородом обеспечивает
преимущественное прохождение реакции образования НС1 при на¬
греве, а не реакции соединения водорода с кислородом. Хлорпара¬
фин, например, выделяет хлористый водород даже под воздейст¬
вием солнечного света. Поскольку образующийся хлористый
водород легко улетучивается, для противодействия реакциям
соединения обуглероженных промежуточных продуктов с кисло¬
родом в процессе возгорания и снижения тем самым горючести
вещества требуется избыточное содержание в нем хлора и стаби¬
лизаторов типа, например, Sb203, удерживающих НС1 в веществе.
При применении соответствующих стабилизаторов содержание
хлора в твердом веществе, требуемого для огнезащиты, можно су¬
щественно уменьшить. Так, исследованиями установлено [94], что
полиэфирные смолы становятся трудновоспламеняемыми при со¬
держании хлора не менее 27%. При введении 6% Sb203 количество
хлора, требуемого для достижения аналогичного эффекта, умень¬
шается до 15%.
Следует учитывать, что не всякое трудногорючее жидкое или
твердое вещество образует пары, которые в смеси с воздухом не
воспламеняются. Процессы горения гомогенной и гетерогенной си¬
стем различны. Так, тетрахлорпропан (т=1,79), хотя и является
трудногорючей жидкостью, однако пары его в закрытом объеме
могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом. По данным
[29] аналогичное явление наблюдается для трудногорючего три-
хлорэтилена, имеющего концентрационные пределы 12—40% (об.),
и ряда других веществ,
4*
99
Исследованиями выявлено, что для обеспечения трудной горю¬
чести вещества в паро- или газообразном состоянии в смеси с воз¬
духом при условиях, близких к стандартным,* показатель его ре¬
акционной способности т должен удовлетворять условиям т <с: 1,3.
По-видимом.у, этот показатель для трудногорючего вещества
в жидком или твердом состоянии может быть выше. Для проверки
высказанного предположения величину т определили для труд¬
ногорючего хлорпарафина, относящегося к полихлоралканам. При
этом получены данные, показавшие существование определенной
зависимости между удельной теплотой сгорания Q и величиной т.
Характер этой зависимости для хлоралканов виден из рис. 40.
Из рис. 40 следует, что для каж¬
дого гомологического ряда хлорал¬
канов, начиная с пс = 6 — 7 (соот¬
ветствует на графике т в пределах
2,45 до 3,9), зависимость стано¬
вится прямолинейной и имеет об¬
щий вид
Q = а + Ьт (81)
Для тетрахлоралканов а =
= 3,5048 и b == 4,7689. Поскольку
для рассмотренных гомологических
рядов зависимости на рис. 40 имеют
вид параллельных прямых и вели¬
чина а с увеличением пс\ хлоралка¬
нов уменьшается, при расчете вели¬
чины т для гептахлоралканов, к
числу которых относится хлорпара-
фин, использовали приближенное
выражение
Q == 4,7689т (82)
Величина Q для хлорпарафина, найденная по методике расчета
теплоты сгорания [8], составила 25,8 кДж/г, а величина т, най¬
денная по формуле (82), составила 5,4, т. е. газообразный хлорпа-
рафин является горючим веществом.
Таким образом, для оценки горючести вещества в жидком и
твердом состоянии пользоваться только величиной т нельзя. Оче¬
видно, необходимо учитывать как факторы, определяющие влияние
химической структуры, так и особенности физического строения.
Проведенные в этом направлении исследования позволили выявить
эмпирическую зависимость
г_т0^22_Ш (83)
/77
Рис. 40. Зависимость удельной
теплоты сгорания Q хлоралканов
от их реакционной способности т\
1 — 1-хлоралканы; 2 — 1,2-дихлоралканы;
3 — 1,1,2-трихлоралканы; 4— 1,1,2,2-те¬
трахлора лканы.
п М
где Г — показатель горючести;
М — молекулярная масса вещества.
* Давление 100 кПа (1 атм) и температура 25 °С.
100
Формулу (83) можно уточнить, если более полно учесть теп¬
лоту, расходуемую на нагрев вещества до Гкип, однако и в пред¬
ставленном виде она дает возможность получить для сравнения
данные (табл. 18), показывающие, что при Г^7,0 вещество в жид¬
ком или твердом состоянии относится к трудногорючим.
Таблица 18. Сравнительные данные для оценки горючести
некоторых веществ
■
Наименование
вещества (формула)
М
т
кип’
К
tn
5* '
кДж/г
г
Горючесть вещества,
установленная экспери¬
ментально [29]
Дихлорметан
(СН2С12)
85
313,2
1,28
5,3
5,7
Трудногорючая жид¬
кость
Трихлорметан
То же
(СНС13) .....
119,5
334*,5
0,66
3,23
1,22
Тетрахлорметан
0,59
(СС14)
154,0
349,9
1,89
0,46
Негорючая жидкость
1,1,2,2-Тетрахлор-
пропан (C3H4CI4)
182
433,0
1,79
7,68
3,94
Трудногорючая жид¬
кость
1,1,2,2,-Тетрахлор-
пентан (С5Н8С14)
210
455,9
2,74
12,92
8,27
Горючая жидкость;
устойчиво горит
только в сильно наг¬
ретом состоянии и в
присутствии горючих
веществ
1,2-Дихлорэтан
(С2Н4С12)
99
356,7
2,30
11,5
16,75
Легковоспламеняю¬
щаяся жидкость
Хлорпарафин
(C25H45CI7) • . . .
593,5
798,7
5,4
25,8
6,6
Трудногорючая жид-
кость
Парафин (С25Н52) . .
352
738,5
9,48
46,7
38,2
Горючее твердое веще*
ство
Примечания. 1. Т'кип для хлорпарафина и парафина являются гипотетическими.
Для хлорпарафина Ткш определена из найденной зависимости для тетрахлоралканов (начи¬
ная c/ic=4)
(Гкип-М-10~ 4) = 1,4858 lgM-2Am (84)
При этом Тшп находили для C25H48CI4. Затем из уравнения (78) последовательно вычисляли
с2бН47С15; С2бН4бс1б и C25H45CI7. Для парафина температуру кипения вычисляли из зависи-
мости для н алканов (начиная с пс — 4)
lg (ГКИП.ЛЫ(Г3) = 1,5516 lg М — 1,5349 (85)
2. tn для парафина вычисляли по формуле
Q =» 45,2855 + 13,415 (86)
полученной из зависимости Q = f (m) для к-алканов, начиная с «с = 3.
Из сопоставления выражений (81) и (86) убедительно видно,
что общей зависимости между Q и /п, а следовательно и km [84]
не существует. Наиболее надежные результаты можно получить,
101
устанавливая такую зависимость для каждого гомологического
ряда в отдельности. Соответствующие возможности дает методика
определения реакционной способности веществ, о которой говори¬
лось выше. По этой методике можно оценивать свойства моно¬
меров, что позволяет в ряде случаев предсказать и степень горю¬
чести полимера.
Выше мы отмечали влияние атомов хлора в молекуле на горю¬
честь вещества. То обстоятельство, что хлорпарафин, содержащий
42% хлора, становится трудногорючим, позволяет считать, что и
жидкие вещества с таким же содержанием хлора, но с менее уязви¬
мой для окислительных процессов структурой можно сделать труд¬
ногорючими. Для твердых веществ достаточно содержание хлора
около 30—35%.
Как показали исследования, взрывоопасность аэрозолей, содер¬
жащих пыли органических веществ, в структуре которых имеются
галоиды, существенно снижается [92]. Так, показатель взрывоопас¬
ности салициланилида (размер частиц менее 74 мкм, влажность
0,1%) составил 5,8 (см. табл. 22), а трибромсалициланилида (раз¬
мер частиц менее 74 мкм, влажность 0,7%) —менее 0,1. Показа¬
тель взрывоопасности хлорированных полиэфирных смол соста¬
вил 0,2. Порошки фторопластов загорались только в приборе —
печи (см. примечание к табл. 14). Сополимеры винил- и винил-
иденхлоридов были невзрывоопасны.
Горючесть веществ значительно понижается при введении в их
состав кислотных остатков фосфорных и серных кислот. Дегид-
ратационные процессы при нагреве, особенно активизирующиеся
в присутствии соответствующих функциональных групп, обеспечи¬
вают огнезащиту целлюлозных материалов [21].
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНЫХ
СВОЙСТВ ПЫЛЕЙ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Для возникновения пожара и взрыва обязательным условием
является возгорание или самовозгорание отдельных веществ и ма¬
териалов. Распространение ими горения способствует переходу
этих процессов в указанные стадии, отличающиеся скоростями
развития. Поэтому для решения вопросов, связанных с обеспече¬
нием пожаро- и взрывобезопасности производств, необходимо
в первую очередь знать свойства веществ и материалов, характе¬
ризующие их склонность к горению. Пока еще не накоплено до¬
статочно данных, чтобы аналитически предсказывать пожаро- и
взрывоопасность многих горючих пылей; судить об их свойствах
можно главным образом на основании экспериментальных данных.
Анализ процесса горения (см. гл. 2) позволяет для характе¬
ристики пожаро- и взрывоопасных свойств пылей использовать
следующие основные показатели: для аэрогелей — склонность к воз¬
горанию, температурные показатели пожарной опасности, склон¬
ность к самовозгоранию; для аэрозолей — нижний концентрацион¬
ный предел воспламенения, максимальное давление взрыва и ско¬
рость нарастания давления, минимальное взрывоопасное содержа-
ние кислорода (МВСК) и минимальная энергия зажигания.
Зависимость характера протекания процесса горения твердых
тел от ряда факторов не позволяет ограничиться одним или двумя
показателями при изучении пожароопасности горючих материалов
и веществ. Для полной их характеристики необходимо знать все
показатели. Однако следует учитывать, что в практических усло¬
виях степень пожароопасности можно характеризовать каким-то
одним превалирующим по значению показателем.
Так, каменный уголь при прямом воздействии источника за¬
жигания является менее пожароопасным материалом по сравне¬
нию с древесными опилками. При хранении же в условиях ком¬
натной температуры уголь способен в отличие от сухих опилок
самовозгораться и поэтому становится более пожароопасным.
Анализ причин пожара, возникшего от искры в помещении,
где хранились при обычной температуре парафин в кусках и ткань
в кипах, показал меньшую пожароопасность парафина, поглощаю¬
щего тепло при плавлении. Между тем мелкодиспергированный
парафин в условиях нагрева более пожароопасен вследствие его
легкой окисляемости. Об этом свидетельствуют случаи самовозго¬
рания расплавленного парафина при попадании его на стеклоизб-
ляцию.
При оценке пожарной опасности веществ и материалов необ¬
ходимо тщательно изучать условия их использования в произ¬
водственном процессе, выявлять возможность изменения тех или
иных свойств и определять степень опасности этого изменения.
Не исключается возможность разработки частных методик при¬
менительно к конкретному разбираемому случаю с тем, чтобы
учесть эти изменения. Однако в большинстве случаев для правиль¬
ной оценки свойств веществ и материалов достаточны общие
методы определения указанных показателей. Описание этих мето¬
дов, применяемых на практике, приводится ниже.
Существенным достоинством общих методов является возмож¬
ность ограничиться во многих случаях исследованиями свойств
веществ и материалов в лабораторных условиях с распростране¬
нием выводов на условия производства. При этом необходимо
знать особенности изменения свойств веществ в технологическом
процессе и использовать для их изучения образцы, отличающиеся
наибольшей пожаро- и взрывоопасностью. Для этого нужно отби¬
рать пробы диспергированной пыли, а не брать порошки с частй-
цами стандартных размеров. Использовать материал после раз¬
мола, а не до него; изучать продукт, содержащий наиболее опасные
примеси, а не применять очищенный продукт (если он менее
пожаро- и взрывоопасен).
При исследовании веществ, содержащих примеси, необходимо
изучить влияние последних на степень пожарной опасности веще¬
ства. Для этого нужно исследовать несколько образцов с мини¬
мальным и максимальным содержанием наиболее пожароопасного
компонента. Если содержание компонента не контролируется, то
нужно испытать возможно большее число образцов пылевидного
материала, полученного при различных технологических режимах,
и определить наиболее опасные значения определяемого пара¬
метра.
Поверхность многих пылей в момент образования (например,
при измельчении или изъятии из среды, в которой исключалось
воздействие кислорода воздуха) может быть химически более
активной, что влияет на их пожаро- и взрывоопасные свойства.
Поэтому при отборе проб необходимо сохранять активность образ¬
цов (обеспечить хранение их, например,, в среде инертного газа).
Особенно внимательно следует испытывать многокомпонент¬
ные смеси пыли, так как в произодственных условиях может про¬
исходить сепарация пыли, приводящая к изменению ее состава,
и, следовательно, к неправильным результатам исследования.
Отбираемые для исследования образцы пыли должны быть
представительными для изучаемого процесса. Они могут отли¬
чаться от образующейся в производстве пыли лишь влажностью
(допускается подсушка образцов) и размером частиц (допускается
104
прбсёв образцов для изучения пожаро- и взрывоопасных свойств
по фракциям *).
Во избежание изменения физических свойств образцы пылей
не должны подвергаться перед исследованием дополнительному
дроблению и размолу. Необходимо учитывать также возможную
токсичность образцов или их продуктов разложения и при их ис¬
следовании принимать необходимые меры безопасности.
Возможность для многих случаев распространения выводов
лабораторных исследований пожаро- и взрывоопасных свойств
пылей на условия производства подтверждается результатами
крупномасштабных опытов. В табл. 19 приведены данные таких
опытов, проведенных в вертикальной стальной трубе длиной 5,2 м
Таблица 19. Результаты лабораторных и крупномасштабных опытов
по определению взрывоопасности аэрозолей
Лабораторные опыты
Опыты в вертикальной трубе
Пыль
класс
взрыво¬
опасно¬
сти
прибор
ДЛЯ
воспла¬
менения
нижний
предел
воспла¬
менения,
г/м3
максимальное
распространение
пламени, м
нижний
предел
воспла¬
менения,
Г/мЗ
Смесь фенолоформаль-
дегидной смолы
с окисью магния, %
100/0
I
а — е
15
5,2
80
50/50
I
а — е
70
5,2
190
45/55
I
а — е
90
5,2
270
40/60
I
Ъ — е
90
5,2
340
35/65
I
b — е
140
1,2
530
30/70
I
b — е
160
1,0
1190
25/75
I
с — е
180
0,5
240
20/80
I
d-e
Нет распро¬
странения
15/85
II
е
—
То же
10/90
II
е
—
»
Метилцеллюлоза ....
I
а — е
—
5,2
50
Натриевая соль карбо-
I
ксиметилцеллюлозы
b, d, е
Нет распро¬
странения
Производственный крах¬
мал
I
d, е
—
1,2
80
Поливинилиденхлорид
II
е
—
Нет распро¬
странения
Лимоннокислый кальций
II
е
—
То же
Примечание. Обозначения приведены в примечании к табл. 14.
* Такие исследования особенно важны, если пыль с частицами менее 70 мкм
имеет нижний предел воспламенения GH. п больше 65 г/мЗ. Установление зави¬
симости между дисперснбстыо частиц и Gn. п позволяет выявить в ряде случаев
экстремальную точку, лежащую ниже 65 г/мЗ, и при большем размере частиц.
J05
и диаметром 25,4 см [53, 95]. Общий вид трубы показан на рис. 41.
Пыль поступала в трубу непрерывно через загрузочную воронку,
затем по шнековому питателю она попадала на перфорированную
металлическую пластину у днища распыляющего цилиндра.
Последний вибрировал, способствуя продвиже¬
нию пыли во взрывную трубу.
Для определения концентрации пыли и ско¬
рости падения частиц на расстояниях 1,8 и 3,5 м
от вершины трубы были расположены лотки, в
которых отлагалась пыль. Такие же лотки были
установлены у вершины и днища трубы. Источ¬
ником зажигания пыли служило регулируемое
пламя пропана, вводимое во взрывную трубу
горизонтально на высоте 1,5 м от ее днища. Для
поджигания газовой смеси использовали элект¬
рическую искру.
Из данных табл. 19 следует, что большинство
пылей, характеризуемых в классификационной
таблице показателями, лежащими на границе
между взрывоопасными и ограниченно взрыво¬
опасными пылями (требующими сильные источ¬
ники зажигания), в крупномасштабных опытах
распространяют пламя, что подтверждают лабо¬
раторные данные. Однако воспламенение этих
пылей происходило в более узких концентра¬
ционных пределах.
Пыли и смеси пылей, требующие для взрыва
в лабораторных опытах сильные источники за¬
жигания, не распространяли пламя в крупномас¬
штабных опытах. В соответствии с полученными
данными можно сказать, что лабораторные ме¬
тодики обеспечивают достаточную надежность
оценки пожаро- и взрывоопасных свойств пы¬
лей.
К недостаткам метода исследований в верти¬
кальной трубе можно отнести отсутствие турбу-
лизации аэрозоля, что отличает эти опыты от
лабораторных. Авторы метода вертикальной
трубы [53] также отмечают этот недостаток,
указывая на некоторое агрегирование пыли, на¬
блюдавшееся в опытах. Для проверки влияния
турбулентного режима на взрывоопасность неко¬
торых промышленных пылей проводились специальные исследова¬
ния на установке с циклоном промышленного типа [95]. Общий
вид установки показан на рис. 42.
Сравнение результатов, полученных в лабораторных опытах
и на установке, показывает (табл. 20), что- легковзрывающиеся
пыли, которые воспламеняются и распространяют пламя в лабора-
Рис. 41. Вертикаль¬
ная труба для
крупномасштабных
опытов:
/ — вибратор; 2— за¬
грузочная воронка;
3 — шнековый пита¬
тель; 4 — вибратор;
5—шкив шнека; 6-ре¬
зиновая муфта; 7-рас¬
пыляющий цилиндр;
8 — прокладка из губ¬
чатой резины; 9— верх¬
ний лоток; 10—смо¬
тровые окна из пла¬
стика; 11 — участки
трубы из прозрачного
пластика; 12 — собира¬
ющий лоток; 13 — вос¬
пламенитель; 14- ниж¬
ний лоток; 15 пэотиво-
взрывные мембраны;
16 — штуцер подклю¬
чения аспирационной
системы; 17— бункер
для пыли.
106
торных опытах, аналогично ведут себя и при турбулентных усло¬
виях в циклоне.
Взрывоопасные пыли, для воспламенения которых требуется
сильный источник зажигания, не распространяли пламя на уста¬
новке. Таким образом, результаты опытов в циклоне не отличались
от результатов, полученных в вер- 1
тикальной трубе с распростране¬
нием пламени снизу вверх.
Следует отметить, что результа¬
ты исследования ряда горючих пы¬
лей в опытных* камерах объемом
28 л и примерно 1,8 м3 также пока¬
зали, что при определенных усло¬
виях распыления сжатым воздухом
в камере большего объема созда¬
ются менее однородные по концент¬
рации аэрозоли с более низким мак¬
симальным давлением взрыва при
меньшей удельной площади раз¬
грузочного отверстия (рис. 43, 44) [5].
Зависимость максимального дав¬
ления взрыва рмакс от удельной
площади разгрузочного отверстия F
в соответствии с полученными опыт¬
ными данными имеет вид
Рмакс — Ае ^ (85)
где А и к — крнстанты.
Отмеченные особенности можно
объяснить закономерностью (куби¬
ческим законом), полученной для
геометрически подобных сосудов
при постоянной скорости пламени в аэрозолях и парогазовоздушных
смесях [47, 71]. Согласно этой закономерности
Рис. 42. Установка с циклоном:
/ —противовзрывные мембраны; 2 —дат¬
чик давления; 5 —воспламенитель; 4-де¬
тектор пламени; 5 —ротационный кла¬
пан; 6 —диафрагмы; 7 —датчик для из¬
мерения расхода воздуха; 8 — вентиля¬
тор; 9—дефлектор; /0—циклон.
Г4м'
) v\'3--
/макс
V.
1/3 _
К
\ dx / макс 2
Таблица 20. Сравнение данных по взрывоопасности аэрозолей
(88)
Пыль
Класс
взрывоопа¬
сности по
лабораторным
опытам
Прибор для
воспламене¬
ния
Характера
стика
опыта
в циклоне
Пробка
I
а — е
Взрыв
Фенолоформальдегидная смола ....
I
а — е
»
Мочевиноформальдегидная смола . . .
I
а — е
»
Лимоннокислый кальций
II
е
Нет взрыва
Примечание. Обозначения приведены в примечании к табл. 14.
107
увеличение объема сосуда V приводит к снижению «жесткости»
взрыва, характеризуемого максимальной скоростью нарастания
давления dp/dx (рис. 45). Некоторые исследования, однако, пока¬
зывают, что #в ряде случаев горение пыли не подчиняется такой
закономерности. Так, при изучении взрывоопасности, например,
аэрозоля полиакрилонитрила [96] установлено, что максимальное
давление (рМакс), развиваемое в сосуде емкостью 5м3, превышало
в 1,5—1,7 раза давление в приборе Гартмана (1/ = 1,2 л) с искро-
Рис. 43. Влияние открытых разгрузочных отверстий на развиваемое давление
при слабых взрывах пыли в камере объемом 1,8 м3:
/ — мыльный порошок; 2— пыль питтсбургского угля; 3 —древесная мука; 4— крахмал, соевый
белок; 5 —фенолоформальдегидная смола; 6 —мелкодисперсный алюминий; 7 —крупнодисперс¬
ный магний.
вым зажиганием (рис. 46). В этих опытах пыль выдували из за¬
пасного сосуда в сосуд емкостью 5 м3 под давлением и после
выдержки в течение 400 мс поджигали. При этом обеспечивалось
наиболее высокое давление взрыва (1,2 МПа). Зажигание пылевой
струи после более короткой выдержки способствовало возникно¬
вению турбулентного' горения с увеличением максимальной ско¬
рости нарастания давления, при этом максимальное давление сни¬
жалось до 0,99 МПа [47]. При пересчете экстремального значения
для {dpld^ymK^ с V2 — 5 м3 (рис. 47) на V\ = 1,2 дм3, согласно
уравнению (88), получена скорость 245 МПа/с вместо измеренной
в приборе Гартмана скорости 129 МПа/с.
Из приведенного примера несоответствия кубическому закону,
типичного и для других пылей, следует, что основные количествен¬
ные показатели, характеризующие взрывоопасность аэрозолей
[Рмакс и (dp/dx)макс] и получаемые лабораторными методами,
можно использовать для практических расчетов только с учетом
поправочных коэффициентов.
108
Наблюдаемые отклонения в опытах с сосудами указанных
объемов [96] можно объяснить различными удельными поверхно¬
стями охлаждения (в приборе Гартмана поверхность охлаждения
20 раз больше, чем в сосуде емкостью 5 м3) и различными
условиями образования аэрозоля и зажигания.
В большем сосуде зажигание происходило в более гомогенной
пылевоздушной смеси по сравнению с зажиганием в приборе
Гартмана, в котором смесь продували через.искровой промежу¬
ток. Сопоставление максималь-
150
100
!«
3 L+0
%
10
\\
\ V7
и
\
д \
л\\
V4
/0'>чч
\
WV
ч\\
\
У'
Ш
\\
\ \
и
\\v
V \ >
д \
V
д\\
л
Д\/
\ V
\ Чч
Ж
1
Дч
10
20
30
ЬО
ных значений кривых (см.
рис. 47) показывает, что в лабо¬
раторном приборе пылевоздуш¬
ная смесь по концентрации близ¬
ка к стехиометрической. В сосу¬
де же емкостью 5 м3 максималь¬
ное значение достигается при
концентрации, примерно в 3 раза ^ 30
превышающей стехиометриче- ^
скую. |
Это явление, наблюдаемое и | 15
для других пылей, дает основа¬
ние полагать, что при больших
скоростях нарастания давления
взрыва в лабораторном сосуде
с сильным источником зажига¬
ния получаемые величины мини¬
мальной взрывоопасной концент¬
рации кислорода в аэрозоли, так
же как и классификационные па¬
раметры, являются достаточно
надежными. Наибольшее давле¬
ние при взрывах в лабораторных
условиях, как указывалось выше,
составляет около 1,1 МПа для
наиболее активных порошков
(например, алюминия). Однако
по имеющимся сведениям [26], при экспериментальном взрыве
угольной пыли в штольне давление взрыва превышало 3 МПа на
расстоянии 200 м от очага взрыва. Это обусловлено различным
характером протекания взрыва в резервуарах и трубопроводах [71].
Не во всех случаях такое различие проявляется. Так, иссле¬
дование воспламенения угольной пыли в горных угольных гале¬
реях диаметром 1 м и длиной 100 м показало соответствие полу¬
ченных результатов лабораторным данным [80].
Давление в трубопроводах и каналах может превышать дав¬
ление в сосудах, полученное в лабораторных условиях, при нали¬
чии перепада скоростей в турбулентном потоке, значительного ус¬
корения сгорания массы пыли и последующей детонации газодис¬
Удельная площадь разгрузочного от-
дере та?], мг/100 мэ
Рис. 44. Влияние открытых разгру¬
зочных отверстий на развиваемое
давление при сильных взрывах пыли
в камере объемом 28 л:
/ —лигносульфонат натрия; 2 — порошок
какао; 3—древесная мука; 4-^ц|з1Ль питтс-
бургского углЯ; 5—сахар; 6—соевый белок;
7 —пробковая пыль; 8 — ацета^ целлюлозы;
9 — крахмал; 10— магний; //-^-мелкодисперс¬
ный алюминий.
109
персной системы вследствие воспламенения смеси по длине трубо¬
провода, вызванного ударной волной.
Рис. 45. Протекание взрывов в сосудах различной величины:
а —газовоздушные смеси; / — водород; 2— светильный газ; 3—пропан; 4 — метан; б —пыле¬
воздушные смеси; / — алюминий; 2 —органический краситель; 3—декстрин; 4— угольная
пыль.
Перепад скоростей возникает при изменении конечного давле¬
ния, вызванного дефлаграционным горением и пропорционального
начальному давлению несгоревшей смеси, и последующем ее под-
12
15
\ 10
5
100 200 '300 т 500
Концентрация аэрозоля, г/м3
н—
/ /
1
1 '
р
-1
150
100
50.
(00 200 300 Ц00 500
Концентрация аэрозоля, г/м3
Рис. 46. Соотношение давлений Рмакс/Рд при взрыве аэрозоля полиакрилни-
трила в сосудах различных объемов в зависимости от концентрации (рМакс —
максимальное давление взрыва, рА — начальное давление распыления):
/ — расчетные данные для адиабатических условий; 2— V*=5 м3; <3 — 7 = 0,25 м3; 4—V = 1,2 X
X Ю~3 м3; 5 —стехиометрическая смесь.
Рис. 47. Максимальные скорости нарастания давления взрыва аэрозоля поли-
акрилнитрила в сосудах различных объемов в зависимости от концентрации:
/ — К—5 м3; 2— К«=*1,2 • 10”3м3; 3—стехиометрическая смесь.
жатии при распространении взрыва по коммуникациям и сосудам
с изменяющимся объемом.
Эксперименты в открытых трубах диаметром 75 см позволили
установить, что при взрывах, вызванных струей пламени из всш>
110
могательного сосуда, развиваются более высокие давления и ско¬
рости нарастания давления, чем при взрывах, вызванных неболь¬
шим источником нагрева, расположенным в самих трубах [97].
Этот эффект следует учитывать при использовании сообщающихся
емкостей, так как при загорании в одной емкости в другой может
произойти более мощный взрыв.
3.1. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ АЭРОГЕЛЕЙ
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
3.1.1. Склонность к возгоранию
Этот показатель используют для классификации твердых ве¬
ществ и материалов по группам горючести. Существуют три
основные группы горючести веществ и материалов: негорючие (не¬
сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и горючие (сго¬
раемые).
К негорючим относятся вещества и материалы, не способные
к горению в обычных условиях воздушной среды. Следует учиты¬
вать, однако, что среди негорючих твердых веществ встречается
много пожароопасных, например окислители (бертолетова соль,
хромовый ангидрид, перманганат калия, перекись натрия и др.),
вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии
с водой или друг с другом (карбид кальция, разбавленные кислоты
с металлами и др.)» вещества, взаимодействие которых с водой
сопровождается загоранием образующихся горючих продуктов
(натрий, калий и др.) или выделением большого количества тепла
(негашеная известь) и др.
К трудногорючим относятся вещества и материалы, способные
возгораться под воздействием источника зажигания, но не способ¬
ные самостоятельно гореть после его удаления. Те же вещества и
материалы, для которых характерен процесс самостоятельного го¬
рения после удаления источника зажигания, относятся к группе
горючих. В последней выделяются подгруппы, различающиеся
способностью к воспламенению (легкая и трудная воспламеняе¬
мость).
К легковоспламеняемым относятся вещества и материалы по¬
вышенной пожарной опасности, способные возгораться при крат¬
ковременном воздействии таких малокалорийных источников за¬
жигания, как пламя спички, искра, горящая папироса, и распро¬
странять горение в неблагоприятном для развития этого процесса
направлении. К легковоспламеняющимся материалам относятся,
например, целлулоид, некоторые сорта резины, торфоплиты, пено-
полистирол и др. К трудновоспламеняющимся относятся вещества
и материалы, не способные возгораться при воздействии малокало¬
рийных источников зажигания. Они загораются только от сравни¬
тельно мощного источника, способного нагреть одновременно
большую часть материала до температуры воспламенения. Труд-
невоспламеняемыми веществами являются, например, полихлорви-
ниловая смола, мочевина и др.
Необходимость выделения веществ и материалов с такими свой¬
ствами в особую подгруппу определяется тем, что примерно до
80% пожарбв возникает от действия малокалорийных источни¬
ков зажигания. Применение трудновоспламеняемых веществ и ма¬
териалов может способствовать самолокализации очага горения и
предотвращению пожара.
Для горючих (сгораемых) пылей показатель склонности к воз¬
горанию определяется визуально по характеру пламенного горе¬
ния и тлению их образцов при воздействии пламени спички, газо¬
вой горелки, паяльной лампы и других малокалорийных источ¬
ников зажигания.
Склонность к возгоранию образцов, не загорающихся легко
в этих качественных опытах, оценивают по соотношению
(см. стр. 36).
Использование зависимости (89) позволяет сравнительно про¬
сто классифицировать пыли по горючести в соответствии с требо¬
ваниями строительных норм и правил:
k
Негорючие (несгораемые) 0,1
Трудногорючие (трудносгораемые) . ^0,5 >0,1
Горючие (сгораемые) >0,5
Трудновоспламеняемые ^2,1 >0,5
Методы определения склонности пылей к возгоранию
Для лабораторных испытаний применяют методы: а) метод
огневой трубы; б) метод распространения пламени (метод РП)
и в) метод калориметрии.
Методы огневой трубы и РП позволяют установить способ¬
ность испытуемого материала, расположенного вертикально
в трубе или горизонтально, самостоятельно гореть, распростра¬
нять пламя или тлеть при определенной продолжительности дей¬
ствия источника зажигания.
Эти методы предназначены для определения группы горючих
и подгруппы легковоспламеняющихся пылей.
Метод калориметрии позволяет определять все перечисленные
группы горючести пылей, хотя предназначается главным образом
для определения трудногорючих и трудновоспламеняемых мате¬
риалов.
Указанные методы дают наиболее надежные результаты при
исследовании неплавких пылей и пылей с температурой плавле¬
ния выше 300 °С. Для оценки их горючести целесообразно в пер¬
вую очередь использовать метод огневой трубы, позволяющий
наиболее просто и быстро выявить группу горючих веществ. Го¬
рючесть плавких пылей с температурой плавления ниже 300 °С
112
оценивают по методике, применяемой для жидких веществ [98].
По этой методике склонность исследуемого образца (10 г) к само¬
стоятельному горению (более 5 с) устанавливают после выдержки
в тигельной печи при 900 °С в течение 3 мин. Описание методов
огневой трубы, РП и калориметрии приведено в ГОСТ 17088—71.
Следует учитывать, что в указанном описании (для методов
огневой трубы и РП) приведена максимальная продолжитель¬
ность действия источника зажигания. Ее используют в том случае,
если при меньшем времени не удается наблюдать горение образца.
Это объясняется тем, что для ряда материалов избыточное время
действия источника зажигания не позволяет обнаружить фазу
самостоятельного горения, особенно если материал содержит не¬
большое количество органического вещества, выгорающего за
меньший промежуток времени.
Для обеспечения большей надежности получаемых по методу
калориметрии максимальных значений применяют графический ме¬
тод. На основе экспериментальных данных строятся графически
следующие зависимости:
где G — масса образца, г;
Gn — потеря массы образца после испытания, г.
Из графиков зависимостей (90) и (91) находят для различ¬
ных потерь массы образцов (% масс.) значения q^G и qJG
и по их соотношениям определяют величину &Макс*
Пример графической обработки экспериментальных данных
для фенольного пенопласта ФРП-1 объемной плотностью 180 кг/м3
приведен в работе [99].
К числу температурных показателей пожарной опасности пы¬
лей, подлежащих определению, относятся температура воспламе¬
нения, температура самовозгорания (тления и самовоспламенения)
и температура самонагревания (см. гл. 2).
Практическое значение температур воспламенения, тления при
самовозгорании и самовоспламенения заключается в том, что они
характеризуют минимально опасные температуры среды, при ко¬
торых сравнительно быстро загорается пыль любой массы. При бо¬
лее низких температурах среды пыль активно разлагается внутри
своей массы в местах, способствующих накоплению тепла и раз¬
витию процесса самонагревания. В этих условиях подготовка ма¬
териала к горению зависит от размеров его массы и протекает
с возрастающим (по мере снижения температуры среды) замед¬
лением.
(90)
(91)
3.1.2. Температурные показатели пожарной
опасности пылей
113
Анализ условий, при которых тепловой импульс может воздей¬
ствовать на пылевидный материал, позволяет оценивать его по¬
жарную опасность исходя из трех областей температур, лежащих
выше температуры самовозгорания материала, между температу¬
рами самовозгорания и самонагревания и ниже температуры
самонагревания.
В области температур, соответствующих температуре самовоз¬
горания материала, не допускается работа с ним в сухом состоянии
независимо от размеров массы материала и времени нагрева.
В пределах температур второй области работа с материалом воз¬
можна, однако необходимо знать склонность его к тепловому са¬
мовозгоранию, определяемую по нижеприводимой методике и
характеризуемую зависимостью между температурами окружаю¬
щей среды, приводящими к самовозгоранию, массой пылевидного
материала и временем его нагревания.
Руководствуясь указанной зависимостью, определяют допусти¬
мые температуры (80% от величины, определенной из экспери¬
ментальных данных) для работы с материалом. В области тем¬
ператур, лежащих ниже температуры его самонагревания,
возможность самовозгорания материала под влиянием только
теплового импульса полностью исключается.
Методы определения температурных показателей
пожарной опасности пылей
Для определения этих показателей используют следующие
методы: а) определения температур воспламенения, тления при
самовозгорании, самовоспламенения пылей; б) определение тем¬
пературы самонагревания пылей и в) определение температуры
воспламенения пылей в приборе ТВ.
Первый метод применяют главным образом для определения
температур воспламенения, тления при самовозгорании и само¬
воспламенения наплавящихся или высокоплавких (£Плав > 300 °С)
пылевидных материалов. Для этого находят минимальные темпера¬
туры среды в реакционной камере прибора-печи, при которых на¬
блюдается воспламенение, тление при самовозгорании и самовос¬
пламенение образцов исследуемого материала. Описание метода
приведено в [100].
Метод применяют для получения минимальных температурных
показателей пожарной опасности веществ. Он позволяет сущест¬
венно упростить и сократить само определение.
При необходимости получения уточненных данных проводят
серию опытов, в которых изменяют температуру реакционной ка¬
меры t° и определяют время т, необходимое для возгорания или
самовозгорания образца. Построенные графики зависимости /° =
=/(т) представляют собой монотонные кривые, которые выпрям¬
ляются при использовании координат lg(l/t)—ось ординат и
1/(/° + 273)—ось абсцисс. Искомые температуры воспламенения,
114
тления при самовозгорании и самовоспламенения определяются
по точкам перегиба выпрямленных кривых (см. рис. 5—8).
Температуру тления материала /тл (а для материалов, не спо¬
собных к тлению, — температуру самовоспламенения) можно вычис¬
лить из зависимости (28) [8], полагая удельную поверхность 5
равной поверхности образца, используемого при определении тем¬
пературы тления или самовоспламенения. При диаметре образца
пыли 35 мм и высоте 10 мм соответствующая расчетная формула
будет иметь вид
1& ^тл == Ар -f- 2,5/2р (92)
Метод определения температуры самонагревания распростра¬
няется на твердые несублимирующиеся вещества в воздушно-сухом
состоянии. Сущность методики сводится к определению наиболее
низкой температуры, при которой обнаруживается экзотермиче¬
ский эффект, связанный с разложением материала при нагреве.
Описание метода приведено в [101].
Темперутуру самонагревания tcн образца пыли можно вычис¬
лить по уравнению (28), принимая 5 = 1 м-1 [8]. Тогда
lg ^сн “ (93)
Метод определения температуры воспламенения в приборе ТВ
применяют для плавящихся веществ (/Плав<300°С) с тем, чтобы
классифицировать их по группам горючести. Если вещество имеет
температуру воспламенения, то его относят к горючим. Сущность
метода сводится к определению самой низкой температуры нагре¬
ваемого вещества, при которой в условиях испытаний выделение
горючих паров и газов достигает скорости, достаточной для под¬
держания устойчивого самостоятельного горения после их воспла¬
менения под воздействием источника зажигания. Описание метода
приведено в [102].
3.1.3. Склонность к самовозгоранию
Как указывалось выше (см. гл. 2), в зависимости от вида
импульса можно выделить три вида самовозгораний: тепловое, хи¬
мическое и микробиологическое. Наиболее подробно отработана
методика определения склонности веществ к тепловому самовоз¬
горанию [40]. Она позволяет установить зависимость между тем¬
пературой, при которой происходит тепловое самовозгорание ве¬
щества, его размерами и временем от начала нагрева до возник¬
новения горения (тления) вещества (индукционный период). Для
определения применяют несколько корзиночек разного размера
(от 35X35X35 мм до 200X200X200 мм), изготавливаемых из ла¬
тунной или медной сеток и заполняемых исследуемым веществом.
Для каждого размера корзиночки с веществом устанавливают, вы¬
держивая ее в термостате, минимальные температуру среды и
время, при которых вещество самовозгорается. На основе построен¬
ных графически зависимостей получают уравнения прямых (27)
115
й (28). Эти уравнения выражают условия теплового самовозго¬
рания исследуемого вещества. Как отмечалось выше (стр. 52),
методику определения склонности веществ к тепловому самовоз¬
горанию можно упростить, применяя метод подобия физико-хими¬
ческих свойств веществ [42].
В этом случае нужно определить по две экспериментальные
точки для каждого параметра, входящего в зависимости (27) и
(28) и соответствующего исследуемому веществу, и знать условия
соблюдения этих зависимостей для вещества, принятого в качестве
стандартного.
Связь между экспериментальными данными, получаемыми для
исследуемого вещества и вычисляемыми из зависимости для стан¬
дартного вещества, характеризуется следующими уравнениями:
Ся =с« (94)
lgSg + a s lg Sg + a s
lg t'k lg t''
= C* \...n ... =Ct (95)
= Ct (96)
lg*'B + * \gt'b + b
lgTg+а, lgtg + a\
где t'A и /д — температуры среды, °С, при которых в течение времени Тд и
Тд (г) происходит самовозгорание стандартного материала, имею¬
щего соответственно удельные поверхности 5д и 5д, м-1;
tfi и /g — температуры среды, °С, при которых в течение временит^ и т^(ч) про¬
исходит самовозгорание исследуемого материала, имеющего, соответ¬
ственно, удельные поверхности 5Б и Sg, м-1.
Пример расчета склонности к тепловому самовозгоранию материала с ис¬
пользованием метода подобия. Исследуемый материал — сосновые опилки. Стан¬
дартный материал — хлопок.
1. Из опытов по приведенной выше методике для корзиночек размером
50X50X 50 мм (Sg = 120 м-1) и 100 X 100 X 100 мм (Sg = 59,5 м-1) полу-
чены соответственно температуры среды, при которых самовозгораются опилки:
/' = 204°С и /g= 176 °С.
2. Соответственные точки для хлопка, рассчитываемые из зависимости *
lg / — 1,996 + 0,148 lg S (97)
s'A = 120 м-1 <д = 201,3 °G
Sa = 59,5 m-1 /д= 181,4 °Q
* Установлена при обработке экспериментальных данных для хлопка, полу¬
ченных по описанной методике [40].
116
3. Подставив логарифмы соответственных точек в уравнения (94) и (95),
получаем:
2,0792 1,7745
^ О 1 П'-Г А С I Г '“'С
2,0792 +а 5 1,7745 +а 5
2,3037 __ „ 2,2586
^ О ОЛU
2,3096 + b 1 2,2455 + b
откуда а = 0; b = 0,9645; Cs = 1; С* = 0,7036.
Уравнение, устанавливающее связь между логарифмами температур окру¬
жающей среды при самовозгораний хлопка tA и опилок /Б и выводимое из
(95),можно выразить в виде
lgfA— 0,6786
Ig = 0,7036
Для проверки степени расхождения между величинами ^б» полученными из
расчета по методу подобия и эксперимента, сопоставим дополнительно данные
для образцов опилок, испытывавшихся в корзиночках 150 X 150 X 150 мм
(5^ = 40 м~1) и 125 X 125 X 125 мм (s" == 48 м_1). Экспериментально опреде¬
ленные tft соответственно равны 164 и 168 °С.
Для указанных размеров корзиночек = 40 м-1 и SA = 48 м-1) вычи¬
сляем по формуле (97) lg tA; lg^ = 2,2331 и lg = 2,2448. Из формулы (98)
имеем: \gt'B = 2,2094; t'b= 161,9 °С; lg = 2,2260; 168,3 °С.
Расхождение между экспериментальными данными и рассчитанными по ме¬
тоду подобия для tB составляет 1,28% и для составляет 0,18%.
Данные, получаемые по методике определения склонности ве¬
ществ к тепловому самовозгоранию, можно использовать при
разработке профилактических мероприятий по сушке веществ и
материалов и при работе с ними в условиях нагрева. Поскольку
развитие процесса самовозгорания во всех трех рассмотренных
случаях определяется экзотермическим эффектом, указанную мето¬
дику можно применять в той или иной мере и для установления
зависимостей между температурой среды, вызывающей самовоз¬
горание твердого вещества, его размерами и временем индукци¬
онного периода при воздействии химического (особенно при кон¬
такте с воздухом) и микробиологического импульсов. В этих слу¬
чаях, однако, необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
а) для химического самовозгорания — температура самонагре¬
вания исследуемого вещества была ниже 50 °С, что служит изве¬
стным указанием на его склонность к этому процессу, или име¬
лись бы данные качественного порядка о существовании такой
склонности;
б) для микробиологического самовозгорания — сведения о склон¬
ности вещества к этому процессу и данные о температуре, при
которой начинается чисто тепловой процесс в веществе.
Для качественного определения склонности к химическому
самовозгоранию веществ при контакте одного с другим разрабо¬
тана специальная экспресс-методика. Описание этой методики при¬
ведено ниже.
117
К микробиологическому Самовозгоранию склонны вещества,
являющиеся питательной средой для микроорганизмов, что можно
установить специальными биологическими исследованиями. Для
процесса, связанного с микробиологическим самовозгоранием, ха¬
рактерны две стадии самонагревания. Одна связана с жизнедея¬
тельностью термофильных бактерий, а вторая является результа¬
том начавшегося процесса саморазложения вещества. Температура
самонагревания, соответствующая как раз второй стадии процесса,
составляет примерно 70—75 °С. Эту температуру самонагревания
можно определить по методике, описанной ранее [101].
Экспресс-метод определения совместимости веществ
Этот метод [ЮЗ] предназначен для качественного определения
совместимости веществ *. Отсутствие такой совместимости, обнару¬
живаемое по экзотермическому эффекту, указывает на склонность
веществ к химическому самовозгоранию. Количественно проверить
этот эффект для многих случаев можно по методике оценки склон¬
ности веществ к тепловому самовозгоранию [40]. Для проведения
опытов необходимы термостат на 100 °С или водяная баня; потен¬
циометр или милливольтметр с точностью определения темпера¬
туры 0,5 °С; дифференциальная термопара малой инерционности,
защищенная от коррозионного воздействия исследуемых веществ;
фарфоровые тигли № 5 высокой формы; мерные стеклянные ци¬
линдры емкостью на 2,8 и 10 мл.
К пробе исследуемого пылевидного материала объемом до 1 мл,
помещенной в фарфоровый тигель, осторожно приливают по
капле или присыпают понемногу при помешивании стеклянной
палочкой изучаемое на совместимость вещество. Если при этом
наблюдается энергичное взаимодействие веществ, обнаруживаемое
визуально (сильное разогревание, вспышка, самовозгорание), то
такие препараты при контакте склонны к химическому самовозго¬
ранию. При отсутствии заметного взаимодействия между указан¬
ными веществами проводят опыты с термостатированием.
Эти опыты проводят в двух фарфоровых тиглях, в которые
помещают по 10 мл исследуемых продуктов. Тигли с продуктами
термостатируют при 20 °С. В один из тиглей, в котором намечают
смешивать продукты, помещают один из спаев дифференциальной
термопары. Второй спай закрепляют в термостате или водяной
бане для фиксации температуры нагревающей среды. После вырав¬
нивания температур в тиглях и термостате смешивают продукты
пересыпанием или перемешиванием из одного тигля в другой,
причем в качестве ручного перемешивающего устройства исполь¬
зуют термопару. Перемешивание проводят в течение 10—15 с,
а затем в течение 1 ч наблюдают за температурой массы смешан¬
* Под совместимыми понимают вещества, которые в условиях естественного
хранения и контакта не реагируют одно с другим с экзотермическим эффектом.
118
ных продуктов с помощью термопары и потенциометра. Если в те¬
чение этого времени температура не повышается, то опыт прекра¬
щают.
Аналогичные опыты с исследуемыми продуктами проводят при
соотношении по объему 18 : 2 и 2: 18 (общий объем смеси 20 мл).
Для каждого соотношения проводят не менее трех опытов. В слу¬
чае отсутствия экзотермического эффекта при 20 °С опыты про¬
водят при температуре кипящей воды (100+2 °С).
Если во всех опытах температура смеси повышается не более
чем на 0,5 °С (величина погрешности измерительных приборов), то
принимают, что исследуемые продукты совместимы и, следова¬
тельно, не склонны к химическому самовозгоранию. При повыше¬
нии температуры более чем на 0,5 °С хотя бы в одном опыте, свой¬
ства продуктов проверяют в условиях, позволяющих установить
влияние массы вещества на процесс самонагревания (см. мето¬
дику определения склонности веществ к тепловому самовозгора¬
нию). Взаимодействие некоторых веществ может быть весьма энер¬
гичным и сопровождаться выделением токсичных веществ и даже
взрывом. Поэтому в таких опытах следует руководствоваться пра¬
вилами техники безопасности, предусмотренными для проведения
подобных реакций.
3.2. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНОСТИ АЭРОЗОЛЕЙ
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
К основным показателям пожаро- и взрывоопасности аэрозо¬
лей относятся: нижний концентрационный предел воспламенения,
максимальное давление взрыва и скорость его нарастания, мини¬
мальное взрывоопасное содержание кислорода и минимальная
энергия зажигания. Для горючих плавких веществ (/пл°в < 300°С|,
кроме того, должны определяться температурные пределы их вос¬
пламенения *. Если плавкие вещества имеют температуру воспла¬
менения, то для классификации производств по пожаро- и взрыво^
опасности достаточно определить только их температуру вспышки *
Необходимо помнить, что нижний температурный предел вос¬
пламенения или температуру вспышки нельзя использовать в ка¬
честве классификационного параметра горючего плавкого пыле¬
видного вещества при получении для него соответствующих темпе¬
ратурных показателей, лежащих выше 61 °С. В этом случае при
категорировании производств по пожаро- и взрывоопасности сле¬
дует ориентироваться на классификационные параметры по пылям,
характеристика которых приведена ниже.
Существующие методики дают возможность определять пара¬
метры пожаро- и взрывоопасности пылей при обычных темпера¬
турах.
* Методы определения температурных пределов воспламенения и темпера¬
туры вспышки жидких и плавких твердых веществ приведены в [8, 102, 104].
119
Поскольку при определениях приходится иметь дело с горением
веществ в состоянии аэрозоля, необходимо соблюдать меры предо¬
сторожности: работающую под давлением взрыва аппаратуру
необходимо подвергнуть испытательному давлению, превышаю¬
щему в 2 раза максимальное, создаваемое при сгорании испытуе¬
мых пылевоздушных смесей. После проведения каждого опыта
следует очищать аппаратуру от твердых продуктов сгорания и не¬
сгоревшей пыли, а затем продуть ее воздухом при работающей
вентиляции. Перед проведением последующего опыта необходимо
убедиться в отсутствии продуктов распада несгоревшей пыли,
влияющих на результаты опыта. Обслуживающий персонал при
работе с токсичными веществами и чистке аппаратуры должен
иметь индивидуальные средства защиты.
3.2.1. Нижний концентрационный предел воспламенения
Нижний концентрационный предел воспламенения используют
для классификации производств по пожаро- и взрывоопасности
в соответствии с СНиП и ПУЭ [74, 75]. Поскольку концентра¬
ция аэрозолей непостоянна и они легко переходят в состояние
аэрогеля или обратно, не рекомендуется пользоваться значениями
пределов воспламенения аэрозолей для расчета допустимых взры¬
вобезопасных концентраций пылевидных веществ в помещениях,
технологических аппаратах, пневмотранспортных устройствах, вен¬
тиляционных системах, а также при работах с применением огня.
Разное отношение к источникам зажигания большинства органи¬
ческих и металлических пылей и отличающиеся условия их распы¬
ления позволили пока рекомендовать для практического примене¬
ния разные методики определения нижнего предела воспламенения
этих пылей.
Использование отдельной методики для определения нижнего
предела воспламенения органических пылей оправдывается
также и тем, что по этой методике получено большое количество
данных, дающих возможность сравнительно оценивать свойства
других веществ. Поэтому данную методику применяют для клас¬
сификации пылей по взрывоопасности. В дальнейшем целесооб¬
разно унифицировать методики, тем более, что это возможно.
Метод определения нижнего концентрационного предела вос¬
пламенения аэрозолей органических веществ описан в [105].
Его применяют в основном для хорошо распыливающихся органи¬
ческих пылей. Если распылить навеску вещества полностью не
удается и нижний предел воспламенения получается выше 65 г/м3,
то отрабатывают условия, способствующие удовлетворительному
распылению таких веществ. Для этого вводят, например, добавки
минеральных и антистатических веществ, не влияющие на воспла¬
менение аэрозоля.
Сущность метода заключается в определении минимальной
концентрации аэрозоля, создаваемого в цилиндрическом сосуде
120
объемом 4 л (распыление навески вещества воздухом под давле¬
нием 0,2 МПа) и способного воспламеняться от источника зажи¬
гания (нагревательной пластины из керамики) мощностью около
400 Вт, с температурой 1000 °С.
Для металлических порошков, обладающих электрической про¬
водимостью, нижний концентрационный предел воспламенения
можно определять методом электростатического взвешивания
[106, 107]. В этом методе используется эффект движения частиц
в однородном электрическом поле. Как показали результаты изме¬
рения концентрации частиц в объеме пылевоздушной смеси, способ
шщЩЯ'
Рис. 48. Принципиальная схема установки электростатического взвешивания
металлических порошков:
1, 2 — электроды; 3 —цилиндр; 4— изолятор; 5 —высоковольтный источник питания АИИ-70:
6 — пластина; 7 —понижающий трансформатор; 8—поджигающая таблетка; .9—автотрансфор¬
матор; /0—кнопка-контакт.
электростатического взвешивания обеспечивает равномерное рас¬
пределение частиц во всем объеме, которое не зависит от времени
существования аэрозоля. Принципиальная схема установки для
электростатического взвешивания приведена на рис. 48.
Металлические электроды (1 и 2) из нержавеющей стали
диаметром 120 мм имеют конфигурацию электродов Роговского.
К нижнему электроду 2, укрепленному на штативе из диэлектри¬
ческого материала 4, подводится напряжение от высоковольтного
источника 5 питания АИИ-70. Верхний электрод 1 заземлен.
В середину его заподлицо с плоскостью электрода вмонтирована
электрически изолированная от него пластина 6 из листовой
нержавеющей стали толщиной 0,1 мм и рабочей поверхностью
15X20 мм. На пластину 6, служащую для крепления и поджига¬
ния таблетки с пиротехнической смесью, подается напряжение
121
И В от автотрансформатора 9 и понижающего трансформатора 7.
Аэрозоль создается в объеме цилиндра 3, изготовленного из орга¬
нического стекла; высота цилиндра 88 мм, внутренний диаметр
77 мм, толщина стенки 6 мм.
Установку помещают в вытяжной шкаф. Для обеспечения без¬
опасности экспериментатора от поражения током высокого напря¬
жения дверцу вытяжного шкафа снабжают блок-контактом БК,
который отключает напряжение при открывании дверцы шкафа.
Для приготовления пиротехнической смеси, используемой в ка¬
честве воспламенителя аэрозоля, тщательно смешивают 1,8 г
перекиси бария, 0,2 г порошка магния дисперсностью менее
100 мкм и 1,6 г жидкого стекла плотностью 1440 кг/м3 и модулем
2,65. Смесь можно использовать в течение 2 ч (не более). Каплю
приготовленной смеси наносят на пластину 6 и просушивают
в течение 3 мин, используя для этого тепло электрической лампы
мощностью 100 Вт. Навеску порошка 0,01 г, что соответствует
концентрации аэрозоля в цилиндре 25 г/м3, помещают на нижний
электрод 2. На него ставят цилиндр, а затем верхний электрод 1
с поджигающей таблеткой внутри цилиндра. После этого опускают
дверцу вытяжного шкафа и включают вентиляцию.
При включении прибора 5 АИИ-70 на электроды подается на¬
пряжение 50 кВ, под действием которого проводящий порошок
переходит в аэрозоль. Через 2 с (время, необходимое для равно¬
мерного распределения порошка в объеме цилиндра 3) на пластину
6 подают электрический ток, нажав кнопку-контакт 10. От тепла
нагретой пластины зажигается пиротехническая смесь, которая
служит воспламенителем аэрозоля.
При воспламенении аэрозоля с распространением горения
на весь объем пламя перекрывает межэлектродное пространство
и происходит автоматическое отключение прибора АИИ-70. В от¬
сутствие воспламенения прибор отключают вручную.
Меняя навеску испытуемого порошка, находят ту наименьшую
концентрацию, при которой еще происходит воспламенение аэро¬
золя с распространением пламени на весь объем. Определение
нижнего предела воспламенения считается законченным, если при
меньшей на 0,5 мг навеске испытуемого порошка наблюдается
пять последовательных отказов. Условия и результаты опытов ре¬
гистрируются в протоколе, пример заполнения которого приведен
в [107].
При работе на установке следует выполнять основные требо¬
вания техники безопасности, предъявляемые к установкам с на*
пряжением выше 1000 В.
Определение нижнего концентрационного предела воспламене*
ния аэрозолей металлических порошков, по условиям аналогичное
определению для органических веществ, проводится в аппаратуре,
описание которой приведено в п. 3.2.2.
Для качественного определения воспламеняемости аэрозолей
органических порошков применяют прибор ПКО-1М, в стеклян¬
122
ной трубке которого наблюдают распространение пламени в аэро¬
золе, образовавшемся методом распыления. Результаты опытов
служат весьма убедительным доказательством потенциальной
опасности пыли и позволяют получить качественное представление
об интенсивности возможного взрыва.
Прибор ПКО-1М предназначен для определения в лаборатор¬
ных условиях качества осланцевания горных выработок и взрыво¬
опасных свойств угольной пыли [108]. Однако, как показали
исследования, этот прибор можно использовать и для быстрого
качественного определения воспламеняемости аэрозолей многих
опасных мелкодисперсных органических порошков и оценки их
взрывоопасных свойств. Прибор непригоден для исследования
Рис. 49. Прибор ПКО-1М:
/—основание прибора; 2, 5— стойки; 3 — труба из тугоплавкого стекла; 4—злгктроспираль;
6 — индикаторные лампы; 7 —механизм для распыления пыли; 8 — автотрансформатор; 9— пор¬
шень; 10 — сопло; // — стопор; 12 — воронка.
металлических пылей, веществ волокнистого происхождения, ма¬
териалов, содержащих относительно крупные частицы и имеющих
высокую плотность, а также для материалов со свойствами, затруд¬
няющими образование пылевого облака.
Прибор (рис. 49) состоит из основания 1, на котором смонти¬
рована на стойках 2 труба 3 из тугоплавкого стекла с нанесен¬
ными на ней рисками для определения длины пламени. Внутри
трубы диаметром 40 мм и длиной 418 мм установлена электроспи¬
раль 4 из нихромовой проволоки, навитой на кварцевую трубку;
температура накаливания составляет 1150±50°С. На направляю¬
щей, которая прикреплена к одной из стоек, установлен меха¬
низм 7 для распыления навески пыли. Он состоит из корпуса,
поршня 9 с пружиной, передней и задней крышек, сопла 10, сто¬
порного механизма 11. Для очистки трубы от копоти и налета
пыли предусмотрена возможность отодвигать механизм распыле¬
ния по направляющей с поворотом его в сторону. Для закрепления
механизма распыления имеется стопорный винт.
На основании 1 прибора установлена также стойка 5, на
которой закреплены патроны с индикаторными лампами МН-3 6,
123
потенциал зажигания которых достигает 65 В. Лампы служат
индикатором напряжения, позволяя контролировать температуру
нагрева спирали. Сопротивления в цепи подобраны так, что когда
напряжение в цепи соответствует заданной температуре, загора¬
ется одна лампа, когда температура поднимается выше верхнего
предела, загорается другая лампа.
Автотрансформатор 8 (до 250 В) служит для регулирования
напряжения, подаваемого на спираль и индикаторные лампы.
Панель с электросхемой прибора (рис. 50) закреплена в специ¬
альном углублении с нижней стороны основания прибора.
Для проведения испытаний включают автотрансформатор,
соединенный с прибором, в электросеть и, медленно поворачивая
его рукоятку, увеличивают постепен¬
но напряжение на спирали до появ¬
ления свечения индикаторной лам¬
пы, сигнализирующей о достижении
нормальной температуры нагрева
спирали. Если зажигается вторая
лампа, указывающая на перегрев,
то, регулируя напряжение, добива¬
ются выключения этой лампы. Че¬
рез 30—60 с устанавливается нор¬
мальная температура спирали, пос¬
ле этого приступают к испытанию.
При проведении испытаний пор¬
шень 9 механизма распыления (см.
рис. 49) оттягивают в крайнее поло¬
жение до щелчка фиксирующего его
стопора 11. Мерной чашечкой отби¬
рают пробу пыли (~ 0,6 г) и засы¬
пают через воронку 12 в сопло 10
механизма распыления. Верхнее
отверстие его после этого плотно закрывают пробкой. Оттягивая
стопор механизма распыления, выбрасывают пробу пыли на спи¬
раль. Каждый образец пыли испытывают на воспламенение 5 раз.
Появление пламени с распространением по трубе хотя бы в одном
из опытов характеризует пыль как взрывоопасную.
3.2.2. Максимальное давление и скорость его
нарастания при взрыве аэрозолей
Максимальное давление и скорость его нарастания используют
для классификации пыли по взрывоопасности. С учетом поправоч¬
ного коэффициента * эти данные применяют для расчетов аппара¬
* Поправочный коэффициент, устанавливающий связь между данными ла¬
бораторных опытов и практическими условиями, определяется на основе спе¬
циальных исследований.
Рис. 50. Электрическая схема при¬
бора ПКО-1М:
1 — электроспираль; 2— индикаторная
лампа; 3—конденсатор; 4—переменный
резистор; 5 —автотрансформатор.
124
тов на прочность; размеров взрывных мембран, разгрузочных
отверстий в ограждающих конструкциях, предохранительных кла¬
панов.
На рис. 51 показана схема установки для определения макси¬
мального давления и скорости его нарастания при взрыве аэро¬
золей [109]. Взрывной цилиндр 1 в отличие от прибора, описан¬
ного в [105], имеет видоизмененную верхнюю крышку 2, которая
служит корпусом распылителя.
Она соединена винтовой резьбой
с эжекционной форсункой 3. Для
создания в цилиндре равномер¬
ной концентрации аэрозоля в
распылительном устройстве уста¬
новлены конусы 4. Воспламени¬
телем служит электрическая спи¬
раль 5, закрепленная на нижней
крышке цилиндра 6 стойками 7.
Внутренний диаметр витка спи¬
рали равен 8 мм, длина витка со¬
ставляет 55 мм, число витков 33.
Изготовляют спираль из нихро-
мовой проволоки диаметром
0,8 мм и длиной 1 м. Температу¬
ру спирали контролируют и регу¬
лируют хромель-копелевой термо¬
парой 8, связанной с потенцио¬
метром 9, понижающим транс¬
форматором 10 и автотрансфор¬
матором 11. Для труднозажигае-
мых электроспиралью веществ в
приборе предусмотрен пиротехни¬
ческий воспламенитель.
Измерительный блок 12 со¬
стоит из тензометрического уси¬
лителя 13 типа ТУ-4М, стабили¬
затора напряжения 14 для усили¬
теля 13, электрического фильтра
15, лучевого электронного осцил¬
лографа 16 типа С1-18, питающе¬
го устройства 17 и пульта управ¬
ления взрывным цилиндром 18.
Для преобразования давления, возникающего в цилиндре 1
при взрыве аэрозоля, в электрический сигнал использован тензо-
метрический датчик давления типа ДТ-60М. Получаемый сигнал
усиливается тензометрическим усилителем 13 и поступает на
электрический фильтр 15 (рис. 52), отфильтровывающий высоко¬
частотную составляющую сигнала, что устраняет «размытость»
лучей осциллографа.
Рис. 51. Схема установки для опре¬
деления максимального давления и
скорости его нарастания при взрыве
аэрозолей твердых веществ:
/ — взрывной цилиндр; 2—верхняя крышка;
3 —-эжекционная форсунка; 4 —конусы рас¬
пылительного устройства; 5—электрическая
спираль; 5 —нижняя крышка цилиндра;
7 —стойки для закреплгния электроспирали;
8 — термопара; 9— потенциометр; 10— пони¬
жающий трансформатор; И—автотрансфор¬
матор; 12 — измерительный блок; 13—тензо-
метрический усилитель; 14 — стабилизатор
напряжения; /5—электрический фильтр;
/5 —осциллограф; 17— питающее устрой¬
ство; 18 — пульт управления; 19 — воздуш¬
ный ресивер; 20 — электромагнитный клапан;
21 — люк.
125
Для повышения чувствительности усилителя и осциллографа
16 подбирают индуктивность L и емкость С\ фильтра. Полезный
сигнал снимается с сопротивления R и подается на первый луч
осциллографа, фиксирующий изменение давления при взрыве
аэрозоля. Емкость С2 фильтра служит для дифференцирования по¬
лученного сигнала по времени; производная давления по времени
(скорость нарастания давления) записывается вторым лучом
осциллографа.
Пульт управления взрывным цилиндром 18 (см. рис. 51) ис¬
пользуется для автоматического управления процессом распыле¬
ния навески (регулирования времени работы электромагнитного
клапана) и синхронизации момента воспламенения аэрозоля с за¬
пуском ждущей развертки
осциллографа. Описание
принципиальной электриче¬
ской схемы пульта приведе¬
но в [109].
Воздушный ресивер 19
представляет собой сталь¬
ной цилиндр объемом 1 л,
снабженный образцовым
манометром. Электромаг¬
нитный клапан 20 типа
ЦВМ с рабочим напряже¬
нием обмотки электромаг¬
нита 220 В служит для регулирования времени подачи сжатого
воздуха из ресивера во взрывной цилиндр.
При подготовке к испытаниям проверяют,герметичность закры¬
того взрывного цилиндра 1, нагнетая в него через форсунку 3 сжа¬
тый воздух давлением до 1 МПа. Давление измеряют образцовым
манометром, устанавливаемым на люке 21 цилиндра *. Удовлет¬
ворительной считается герметичность, при которой падение давле¬
ния в течение 1 мин не превышает 10 кПа. Работу приборов изме¬
рительного блока 12 проверяют в соответствии с инструкцией.
Измерительную систему тарируют под воздействием статиче¬
ского давления. Луч / осциллографа устанавливают у нижнего
края шкалы, нанесенной на экране. Подбирая чувствительность
осциллографа и регулируя степень усиления, добиваются смеще¬
ния луча на экране осциллографа на величину, равную 60% от
высоты шкалы, при нагрузке мембраны датчика давлением
0,8 МПа. После этого устанавливают зависимость между измеряе¬
мым давлением в цилиндре и величиной отклонения луча в мил¬
лиметрах. По тарировочной прямой, характеризующей графически
эту зависимость, пересчитывают величину отклонения луча на дав¬
ление, развиваемое в цилиндре при взрыве пыли.
* После окончания подготовки к испытаниям образцовый манометр сни¬
мают и на люк 21 ставят заглушку.
«о-
£
В-
3
3*
to
о
Рис. 52. Схема электрического фильтра.
126
Луч 11 помещают в рабочую часть экрана осциллографа на
расстоянии 2 см от луча I. Временный масштаб горизонтальной
развертки устанавливают равным 50 мс/см.
Для охлаждения взрывного цилиндра в рубашку и нижнюю
крышку подают воду со скоростью ~ 1 л/мин, затем включают
источник зажигания, температуру которого устанавливают 1000°С,
и контролируют термопарой через потенциометр.
Для выбора диапазона измеряемых давлений и времени за¬
пуска ждущей развертки осциллографа проводят ряд пробных
опытов. В форсунку 3 (рис. 51) помещают 2 г исследуемой пыли,
распыляемой воздухом, нагнетаемым в ресивер 19 до давления
250 кПа. Время работы электромагнитного клапана устанавливают
равным 1 с, а первоначальное время запуска ждущей развертки
0,2 с. При проведении опытов на¬
блюдают за кривой давление —
время на экране осциллографа
0 по максимальному отклонению
луча осциллографа выбирают
диапазон измерения давления.
Воспроизведения кривой давле¬
ние— время в центре экрана
осциллографа добиваются подбо¬
ром времени запуска развертки.
Поскольку на изучаемые пара¬
метры влияют величина навески
пыли, давление распыляющего
воздуха и время распыления, ни¬
же приведено описание специальных опытов по определению этих
оптимальных величин.
Определение оптимальной навески пыли. Опыты начинают
с навески 0,5 г с последующим ее увеличением на 1 г при неизмен¬
ном давлении воздуха в ресивере (250 кПа) и времени работы
электромагнитного клапана 1 с. Таким образом определяют диа¬
пазон навесок, в котором наблюдаются максимальные амплитуды,
соответствующие давлению взрыва р и скорости его нарастания р\
Для каждой навески пыли принимают давление и скорость его
нарастания как среднеарифметическое из трех опытов. В выяв¬
ленном диапазоне, изменяя навеску на 0,25 г, находят оптималь¬
ную навеску, при которой давление взрыва наибольшее. Анало¬
гично находят навеску пыли при определении скорости нарастания
давления.
Определение оптимального давления распыляющего воздуха.
Опыты проводят с оптимальной навеской пыли при неизменном
времени работы магнитного клапана (1с). Начальное избыточное
давление воздуха в ресивере составляет 100 кПа (1 ат), затем
его постепенно увеличивают на 50 кПа. Для каждого давления
распыляющего воздуха проводят по три опыта и рассчитывают
среднеарифметическую величину давления взрыва. Наибольшее
Рис. 53. Осциллограммы изменения
давления р и скорости нарастания
давления dpjdx при взрыве аэрозоля.
127
давление взрыва соответствует оптимальному давлению распыляю¬
щего воздуха.
Определение оптимального времени распыления. При оптималь¬
ных навеске пыли и давлении распыляющего воздуха изменяют
время распыления через 0,2—0,3 с. Для каждого значения вре¬
мени распыления проводят по три опыта и определяют средне¬
арифметическую величину давления взрыва. Наибольшее давле¬
ние взрыва соответствует оптимальному времени распыления.
Определение максимального давления взрыва и скорости нара¬
стания давления. В этом случае проводят 10 опытов при оптималь¬
ных навеске пыли, давлении и времени распыления. Из получен¬
ных осциллограмм выбирают те, которые отвечают максимальным
давлению и скорости его нарастания (по амплитудам кривых р
и dp/dx). Эти данные представлены на рис. 53.
Максимальное давление взрыва рассчитывают по формуле
Vx
Рмакс ^ (Ро)макс у~ APl (99)
где (ро)макс “- наибольшее давление взрыва по осциллограмме, Па;
Vi и V2 — объем ресивера и цилиндра, л;
A pi — уменьшение давления в ресивере в момент распыления навески,
фиксируемое по максимальному отклонению стрелки образцового
манометра от положения перед опытом, Па.
Среднюю скорость нарастания давления находят по формуле
(-£).-^
где рк —* конечное давление в цилиндре, Па;
рн — начальное давление в цилиндре, Па;
х — время, в течение которого достигается давление рк, с.
Максимальная скорость нарастания давления (dp/dx) макс со¬
ответствует
(1Г) = ~Г~ (101)
\ dx /Макс Ат
где Ар — наибольшее приращение давления, определяемое на прямолинейном
участке осциллограммы давление — время, Па;
Ат — время указанного приращения, с.
Для определения величин А/? и Ат из точки, соответствующей
наибольшему значению dp/dx на осциллограмме, нужно провести
перпендикуляр на ось времени до пересечения с кривой давления р
(см. рис. 53). На этой кривой выбирается прямолинейный участок
и строится прямоугольный треугольник, позволяющий вычислить
указанные величины. Условия и результаты опытов регистриру¬
ются в протоколе, пример заполнения которого приведен в [109].
3.2.3. Минимальное взрывоопасное содержание
кислорода (МВСК) в аэрозолях
Показатель МВСК используют в расчетах взрывобезопасных
концентраций кислорода для обеспечения безопасных режимов
работы технологических аппаратов, установок и пневмотранспорта,
а также учитывают при разработке систем взрывоподавления и
взрывозащиты.
Взрывобезопасная концентрация кислорода Сб [в % (об.)]
определяется по формуле
Сб=1,2Смин-4,2 (102)
где Смин —величина МВСК, % (об.)-
При определении МВСК пылевоздушные смеси разбавляют
азотом, двуокисью углерода и другими газами, флегматизирую-
щими горение (флегматизаторами). Описание метода определения
МВСК для органических веществ приведено в [110]. Опыты про¬
водят на приборе, служащем для определения нижнего концентра¬
ционного предела воспламенения аэрозолей [105], устанавливая
дополнительно смеситель емкостью 25 л для приготовления газо¬
вой смеси заданного состава, баллон с флегматизатором и газо¬
анализатор. Отличительной особенностью этого метода определе¬
ния МВСК от метода определения нижнего концентрационного
предела воспламенения является использование в 5 раз большей
навески исследуемой пыли и ее распыление зафлегматизированной
газовой смесью. Уменьшая в ней содержание кислорода, находят
минимальную его концентрацию, при которой воспламеняется
аэрозоль.
Для определения МВСК в аэрозолях металлических порошков
пользуются установкой, показанной на рис. 51, снабженной допол¬
нительной системой, обеспечивающей приготовление смеси кис¬
лорода с газом-флегматизатором, ее контроль и подачу во
взрывной цилиндр [.111]. Подготовка аппаратуры к работе и по¬
рядок проведения эксперимента остаются теми же, что и при опре¬
делении максимального давления и скорости его нарастания в аэро¬
золях. Отличие заключается лишь в том, что изменяющимся
параметром в опытах является содержание кислорода во взрывном
цилиндре, а для воспламенения аэрозоля применяют пиротехни¬
ческий воспламенитель (масса таблетки 0,6 г) вместо электро¬
спирали.
Для улучшения свойств воспламенителя в качестве связую¬
щего вместо жидкого стекла используют нитроклетчатку (3% от
массы перекиси бария), растворенную в ацетоне. Смешением по¬
рошкообразных компонентов с раствором нитроклетчатки приго¬
товляют пиротехнический состав консистенции густотертой масля¬
ной краски. Эту смесь формуют, заливая в хлорвиниловые трубки
диаметром 5 мм и длиной 10 мм, предварительно смазанные
трансформаторным маслом. С торца в эти трубки вводят медные
проволочки диаметром 0,6 мм и длиной 120 мм, служащие для
крепления воспламенителя во взрывном цилиндре и подачи на него
напряжения. Заготовки сушат 12 ч и после удаления из трубок
получают готовые для использования таблетки.
Перед испытаниями определяют оптимальное время срабаты¬
вания пиротехнического воспламенителя. Для этого при давлении
5 Зак. 62
129
распыления в ресивере 250 кПа, времени распыления i с и на¬
веске исследуемого вещества 2 г устанавливают напряжение
тока на воспламенителе, при котором достигается наибольшее
давление взрыва. Эта зависимость характеризует оптимальное
для исследуемого порошка время срабатывания пиротехнического
воспламенителя.
При проведении испытаний используют оптимальные пара¬
метры (давление распыления, время работы электромагнитного
клапана, навеска порошка), найденные в опытах по определению
максимального давления взрыва. При этих параметрах, исклю¬
чая навеску исследуемого порошка, определяют давление в хо¬
лостых опытах (давление холостого хода), возникающее при
сгорании только пиротехнического воспламенителя и подаче сжа¬
того газа из ресивера во взрывной цилиндр. Среднеарифметиче¬
скую величину из пяти таких опытов принимают за давление холо¬
стого хода. После этого проводят опыты с оптимальной навеской
порошка и изменяющимися по составу газовыми смесями (их при¬
готовление описано в [111]) с начальным содержанием кисло¬
рода в них 10—12% (об.) и последующим уменьшением (если есть
воспламенение) или увеличением его на 1%.
После определения для оптимальной навески вещества пре¬
дельного содержания кислорода в газовой смеси, при котором
еще наблюдаются взрывы, проводят серию опытов с изменением
навески вещества. При этом устанавливают зависимость между
ней и взрывоопасным содержанием кислорода в газовой смеси.
Минимальное значение в этой зависимости принимают за МВСК.
Условия и результаты опытов регистрируются в протоколе, пример
заполнения которого приведен в [111].
3.2.4. Минимальная энергия зажигания аэрозолей
Этот показатель учитывают при оценке чувствительности аэро¬
золей к зажигающему действию электрических разрядов и при
разработке связанных с ними мероприятий по искробезопасности.
Предельно допустимая энергия электрического разряда №доп не
должна превышать 40% от минимальной энергии зажигания
Описание метода определения минимальной энергии зажигания
аэрозолей приведено в [62, 112].
Сущность метода сводится к созданию в приборе с помощью
вибрационного устройства «столба» аэрозоля определенного
объема и концентрации, зажигаемого искровым конденсаторным
разрядом. При найденных оптимальных значениях концентрации
аэрозоля, добавочной индуктивности, разрядного промежутка и
изменении емкости рабочего конденсатора устанавливают зависи¬
мость Pz=zf(W), где Р — вероятность воспламенения. За мини¬
мальную энергию зажигания принимают энергию, соответствую¬
щую Р = 0,01«
130
3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЫЛЕЙ ПО ПОЖАРО-
И ВЗРЫВООПАСНЫМ СВОЙСТВАМ
Для проведения в промышленных условиях мероприятий,
исключающих или ослабляющих проявление опасных свойств пы¬
лей, необходимо их классифицировать по определенным призна¬
кам. Такая классификация должна основываться на данных иссле¬
дований свойств пылей.
Изучение пожароопасных свойств пылей по приведенным выше
методикам позволило получить характеристики, классифицирую¬
щие пыли по группам горючести в соответствии с существующими
нормами. Эти методики дают возможность установить также об¬
ласти работы с пылевидными материалами при различных тем¬
пературах нагрева и определить склонность их к самовозгоранию,
опасную с точки зрения возможности возникновения в системе
источника зажигания и горения. Определение по другим методи¬
кам способности пыли образовывать аэрозоли, воспламеняющиеся
и распространяющие горение со скоростями, приводящими
к взрыву, дают возможность сделать следующие выводы.
Если при одних и тех же условиях испытаний исследуемая
пыль, по сравнению с другим пылевидным материалом, воспла¬
меняется при более низкой минимальной концентрации, распро¬
страняя горение на весь объем аэрозоля, то следует считать
такую пыль более опасной в производственных условиях. Ее пре¬
дельные концентрации, как правило, легче достигаются в поме¬
щении при загрузке, выгрузке и разгерметизации аппаратов.
Поэтому предусмотренная в строительных нормах и правилах
(СНиП) [74] и правилах устройства электрооборудования (ПУЭ)
[75] классификация пылей с учетом нижнего концентрационного
предела воспламенения * имеет известные основания. Однако раз¬
деление пылей на взрыво- и пожароопасные с использованием
только этого показателя является недостаточно обоснованным.
Пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения более
65 г/м3 могут представлять серьезную опасность с точки зрения
взрыва. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в табл.
21 [5, 92].
Отмеченный недостаток становится еще более очевидным, если
учесть, что в ряде стран [53] пыли по взрывоопасности класси¬
фицируют без использования количественного показателя. Для
отнесения того или иного пылевидного материала к классу взры¬
воопасных достаточно получить в испытательном приборе воспла¬
менение его аэрозоля.
Из результатов испытаний по указанным методикам и данным
табл. 21 следует, что для более правильной классификации пы¬
лей по взрывоопасности необходимо наряду с нижним концентра-
* Согласно СНиП и ПУЭ, пыли относятся к взрывоопасным при нижнем
концентрационном пределе их воспламенения до 65 г/мЗ. При величине более
65 г/мЗ пыли относят к пожароопасным.
5*
131
Таблица 21. Данные о взрывоопасности аэрозолей некоторых веществ
ВеществЪ
Влаж¬
ность,
%
Содержание
частиц
размером
менее
74 мкм, %
Минимальная
взрывоопа¬
сная
концентра¬
ция,
г/м3
Максималь¬
ное
давление
взрыва,
МПа
Максималь¬
ная
скорость
нарастания
давления
взрыва,
МПа/с
2-Ацетиламино-5-нит-
ротиазол
160
0,96
63,0
Витамин С (аскорби¬
новая кислота) . .
70
0,62
33,6
Гидрид тория (со¬
держит 0,94% Но)
80
0,57
84,0
4,4'-Динитро-симди-
фенил мочевина . .
0,3
100
95
0,71
17,5
Калийная соль сор-
биновой кислоты
0,2
100
120
0,49
66,5
Пектин (из размо¬
лотой сухой яблоч¬
ной массы) ....
75
0,92
56,0
Ферротитан (19% Ti,
74,1% Fe, 0,06% С)
_
140
0,39
66,5
4-Хлор-2-нитроанилин
0
100
750
0,86
24,5
ционным пределом воспламенения GH. п дополнительно пользо¬
ваться характерными для этого процесса параметрами: максималь¬
ными давлением взрыва /?Макс и скоростью его нарастания
(dp/dx)
макс*
Указанные параметры используются, например, в методе клас¬
сификации пылей по пожаро- и взрывоопасности, рекомендуемом
в работе [5]. Метод основан на сопоставлении соответствующих
показателей исследуемой пыли и эталона. Используя в качестве
эталона угольную пыль Питтсбургского месторождения (размер
частиц 74 мкм), получают обобщающие характеристики — чувст¬
вительность пыли к зажиганию (А), жесткость взрыва (Б) и пока¬
затель взрывоопасности (В), выражаемые следующим образом:
Рмакс
tCBW G н.п
‘сУо'ъп
(dp_ у
акс I Иг )
\ ах /ма
(АН)
К dx Л
(103)
(104)
'макс
В = АБ (105)
где /Св — температура самовоспламенения аэрозоля для
эталона, равная 610 °С;
W —- минимальная энергия зажигания для эталона,
равная 0,06 Дж;
^н. п ~ нижний концентрационный предел воспламене¬
ния для эталона, равный 55 г/м3}
132
Рмакс — максимальное давление взрыва для эталона,
равное 0,58 МПа;
(dp/dx)MSiKC — максимальная скорость нарастания давления для
эталона, равная 16 МПа/с;
/ „г / / dp V
*гв> ^ > GH, п’ ^макс1 'XT ) — т0 же> для исследуемой пыли.
\ ит /макс
Пыли с пожаро- и взрывоопасными свойствами, соответствую¬
щими питтсбургскому углю, характеризуются показателями А,
Б, В, равными единице. По показателям, полученным для иссле¬
дуемой пыли, можно дать относительную количественную оценку
ее потенциальной опасности (табл. 22).
Таблица 22. Классификация пылей по взрывоопасности
Тип взрыва
Чувствитель¬
ность
к зажиганию А
«Жесткость»
взрыва Б
Показатель
взрывоопасности
в
Слабый
< 0,2
< 0,5
<0,1
Умеренный
0,2-1,0
0,5-1,0
р
Т
о
Сильный
1,0-5,0
1,0-2,0
0
1
о
Мощный
> 5,0
>2,0
> 10
К недостаткам предлагаемой классификации пылей на взрыво¬
опасность относятся: неоднородность и специфичность вещества
(питтсбургского угля), используемого в качестве эталона; приме¬
нение параметров (^Св, W), недостаточно полно характеризующих
пожароопасность пыли; необоснованность формул, используемых
для расчета показателей; большая дифференциация по типам
взрыва, не увязываемая с ассортиментом рекомендуемых профилак¬
тических мероприятий.
Учитывая тот факт, что максимальная скорость нарастания
давления {dp/dx)uwc является одним из определяющих показа¬
телей в характеристике свойства взрыва, в одной из методик [43]
рекомендуют использовать только этот показатель в расчете
специальной константы пыли, применяемой для классификации.
Константу k рассчитывают по формуле (88), выражающей куби¬
ческий закон.
Таблица 23. Классификация пылей по взрывоопасности
Класс
Критерий оценки
к
0
Не взрывается
0
1
Слабо взрывается
1 — 1000
2
Взрывается
1001-2000
3
Сильно взрывается
> 2000
133
Исходя из значений fe, пыли подразделяют по взрывоопасности
на четыре класса (табл. 23).
Существенным недостатком методики является использование
только одного параметра, не заменяющего, однако, другие показа¬
тели: максимальное давление взрыва и нижний концентрацион¬
ный предел воспламенения. Если учесть, что данные для расчета
величины k получены на приборе объемом ~ 1 л, то простое
сопоставление по (dp/dr) Макс для слабовзрывающихся пылей (до
100 МПа/с по табл. 23) и питтсбургского угля (16 МПа/с) пока¬
зывает весьма сильную зависимость указанного параметра от типа
прибора и условий проведения опытов.
Для классификации пылей по пожаро- и взрывоопасности, не
имеющей указанных недостатков, предлагается исходить из сле¬
дующих соображений.
Давление, вызывающее разрушение ограждающих конструкций
здания, соответствует примерно 7 кПа [80, 95]. Учитывая, что
расхождение между максимальными давлениями взрыва в лабо¬
раторном приборе и сосудах объемом более 1 м3 достигает 170%
[96], можно принять в качестве показателя, разделяющего пожа¬
роопасные и взрывоопасные пыли, давление, равное 4 кПа. Этот
показатель, однако, в лабораторных опытах по определению GH. m
основанных на оценке получаемых значений по наличию взрыва,
отмечаемого на осциллограмме, обычно превышает 4 кПа. Поэтому
в качестве классификационных параметров целесообразно исполь¬
зовать лишь нижний концентрационный предел воспламенения и
максимальную скорость нарастания давления, для которой в каче¬
стве граничной величины можно принять 2, МПа/с.
Известным подтверждением правильности выбора этой вели¬
чины являются данные испытаний образцов пыли трис-2-гидро-
ксиэтилизоцианурата, приведенные в табл. 17. Они показывают,
что взрывоопасные свойства теряются при скорости нарастания
давления, меньшем 2,4 МПа/с.
Применяя указанные классификационные параметры, можно
более правильно распределить пыли по взрывоопасности (табл. 24).
Таблица 24. Классификация пылей по пожаро- и взрывоопасности
Группа
Характеристика пыли
Значение классификационных
параметров
^н. п’
г/м3
(dp/dt)MaKC,
МПа/с
I
Наиболее взрывоопасная
<65
Для классификации
не определяется
II
Взрывоопасная
> 65
>2
III
Пожароопасная
>65
<2
134
Рекомендуемая классификация пылей основана на параметрах,
определение которых не представляет большой сложности. Для
выявления I группы пылей достаточно определить лишь нижний
концентрационный предел воспламенения, который должен быть
меньше или равен 65 г/м3. Это обстоятельство обосновано дан¬
ными исследований [5], показывающими для всех пылей с GH.
^ 65 г/м3 высокие значения рМакс и {dpjdx)udiKC.
Приведенной классификацией пылей можно пользоваться на
практике, руководствуясь в основном действующими норматив¬
ными документами с уточнением лишь относительно II группы
пылей *.
* Предложения по уточнению приведены в гл. б.
ГЛАВА 4
ПОЖАРО» И ВЗРЫВООПАСНОСТЬ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
К технологическим процессам переработки пылей относятся
измельчение и размол материалов, сушка, транспортирование, хра¬
нение и затаривание измельченной продукции, аспирация пыли
и очистка воздуха, шлифовка поверхностей, механическая обра¬
ботка горючих материалов, составление порошковых композиций
и их прессование.
Из всех этих процессов, связанных с переработкой пылевид¬
ных материалов, наиболее характерными по возможному прояв¬
лению опасных свойств перерабатываемой продукции являются:
измельчение, сушка и пневмотранспортирование, что наглядно
подтверждает приводимое ниже распределение числа взрывов по¬
рошков (1952—1963 гг.) по технологическим процессам [2]:
Измельчение (производство порошков) .... 26
Пылеулавливание 13
Сушка 10
Транспортирование 7
Хранение 4
Сжигание 2
Прочие процессы 16
Подробный анализ пожаровзрывоопасности процессов измель¬
чения, сушки и пневмотранспортирования позволяем составить
представление об особенностях пожаро- и взрывоопасности и дру¬
гих перечисленных выше процессов, включающих аналогичные опе¬
рации.
4.1. ПРОЦЕСС ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
4.1.1. Общие сведения о процессе измельчения
и оборудовании для его реализации
Измельчением называется процесс уменьшения размеров кус*
ков (зерен) материала разрушением под действием внешних сил.
Известны различные способы измельчения. Самым простым и по¬
этому наиболее распространенным является механическое измель¬
чение твердых тел: раздавливанием, раскалыванием, истиранием,
ударом и различными комбинациями этих методов (рис. 54).
Измельчение широко применяют в химической технологии, так
как от величины поверхности твердых материалов зависит интен¬
сивность многих гетерогенных процессов. Мировое производство
порошков достигает 1 млрд. т в год.
136
Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения
i, т. е. соотношением максимальных размеров кусков материала
до измельчения и после него.
Многообразие требований, предъявляемых к порошкам и спо¬
собам их получения, привело к созданию самых разнообразных
устройств для измельчения. Их обычно подразделяют на дробилки
и мельницы. Дробилками называют машины для крупного, сред¬
него и мелкого измельчения (дробления) материалов, а мельни¬
цами— машины для их размола. Такое деление является весьма
а 6 6 г
Рис. 54. Основные способы механического измельчения материалов:
а —раздавливание; б—раскалывание; в —истирание; г—удар.
условным, так как в некоторых случаях одну и ту же измельчаю¬
щую машину можно использовать для получения порошков раз¬
личной дисперсности. В химической промышленности чаще всего
применяют мельницы четырех типов: барабанные, вибрационные,
ударноцентробежные и струйные.
Барабанные мельницы (рис. 55) наиболее широко применяют
для тонкого измельчения материалов в многотоннажных производ-
Рис. 55. Схема барабанной мельницы:
/ — цапфа питания; 2, 4 —торцовые крышки; 3—барабан; 5—выводная цапфа; 6 — стойка
с подшипником; 7 —мелющие тела; 8 — приводная шестерня.
ствах. Они состоят из пустотелого барабана (помольной камеры) 3
диаметром до 4—5 м и длиной до 24—30 м, имеющего торцовые
крышки 2 и 4 с полыми цапфами 1 и 5, которые установлены
в подшипниках 6. Помольная камера на 35—40% ее объема за¬
полняется мелющими телами 7 (шарами, стержнями и др.) и из¬
мельчаемым материалом.
При вращении барабана, число оборотов которого находится
в пределах 16—28 об/мин, мелющие тела под воздействием цен¬
137
тробежных сил и сил трения поднимаются на некоторую высоту,
затем падают или скатываются вниз, измельчая материал (ударом
при падении, раздавливанием и истиранием при скатывании). Сте¬
пень измельчения материала в барабанных мельницах составляет
/ = 50—100.
Малая энергонапряженность * этих мельниц предопределила
создание вибромельниц, в которых мелющие тела движутся с уско^
рениями, значительно превышающими ускорение силы тяжести.
Принципиальная схема инерционной вибромельницы приведена
на рис. 56. Она состоит из корпуса 4, загруженного на 75—85%
объема мелющими телами (стальными и фарфоровыми шарами,
стальными роликами) и опирающегося на пружины 5. В трубе,
проходящей по оси корпуса, установлен на подшипниках вал 3
Рис. 56. Схема вибромельницы:
/ — электродвигатель; 2 —эластичная муфта; 3 — вал с дебаланс.ом; 4 — корпус; 5—пружина.
с дебалансом (в гирационных мельницах используется эксцентри¬
ковый вал), который соединен с электродвигателем 1 эластичной
муфтой 2.
Неуравновешенные массы вала при его вращении вызывают
круговые колебания корпуса вибромельницы в плоскости, перпен¬
дикулярной оси вибратора. Соударение и взаимное перемещение
мелющих тел, возникающее при этом, обусловливают интенсивное
измельчение материала, находящегося в пустотах между ними.
В зависимости от типа и назначения мельницы ее корпус совер¬
шает от 1000 до 3000 колебаний в 1 мин с амплитудой 1,5—4 мм.
В ударно-центробежных машинах в отличие от мельниц, за¬
полненных мелющими телами, материал подвергается воздействию
быстро вращающихся ударных тел разнообразной формы. К из¬
мельчителям, работающим по этому принципу, относятся в первую
очередь молотковые дробилки (мельницы), основными рабочими
элементами которых являются ротор 4 с молотками (билами) 5
и статор — корпус 1 (рис. 57).
* Под энергонапряженностью понимают мощность мельницы, приходящуюся
на единицу объема ее помольной камеры,
138
Материал, подлежащий измельчению, подается в машину
сверху и дробится на лету ударными телами, крайние точки кото¬
рых имеют окружную скорость 30—55 м/с. Дополнительное из¬
мельчение материала происходит при ударе о броневые плиты 2
корпуса дробилки. Продукт удаляется из машины через отверстия
колосниковой (подовой) решетки 6, размерами которых опреде¬
ляется дисперсность его частиц.
Скорость крайних точек ударных тел в молотковых мельницах
в 2—3 раза выше, чем в дробилках этого же типа, и составляет
обычно 75—85 м/с, а в новых конструкциях она может достигать
260 м/с. Высокоскоростные ударно-центробежные мельницы (кре¬
стовые мельницы) часто конструируют с жестким креплением бил
в отличие от молотковых дробилок, в
которых ударные тела шарнирно при¬
креплены к ротору. Степень измельче¬
ния материала в этих мельницах мо¬
жет изменяться от 20 до 500 в зависи¬
мости от их конструкции, режима
работы и свойств измельчаемого мате¬
риала.
Ударно-центробежными машинами
являются также штифтовые (дисковые)
мельницы — дезинтеграторы и дисмем-
браторы. Дезинтегратор (рис. 58) со¬
стоит из двух роторов (дисков, корзи¬
нок) 4 и 5, которые закреплены на
соосных валах 3 и 8. На дисках рото¬
ров по концентрическим окружностям
установлены пальцы (штифты) 6,
связанные для большей прочности
кольцами. Каждый ряд пальцеводного
диска расположен с небольшим зазо¬
ром между рядами пальцев другого
диска. Для повышения относительной скорости удара материала
о пальцы при его измельчении роторы вращаются в противополож¬
ные стороны. Они заключены в разъемный кожух 1, в нижней час¬
ти которого предусмотрено отверстие для разгрузки продукта.
Материал, подлежащий измельчению, поступает через воронку
7 в центральную часть одного из роторов и, продвигаясь к его
периферии через ряды пальцев, подвергается их многократным
Ударам. Интенсивность измельчения при таком движении частиц
материала нарастает, так как уменьшается шаг между ударными
телами (пальцами) и возрастает их окружная скорость. Степень
измельчения материала в дезинтеграторе, изменяющаяся от 10
До 40, определяется скоростью вращения дисков, их диаметром,
числом, расположением, размерами и формой пальцев.
Дисмембраторы работают по принципу дезинтеграторов, но
в отличие от них имеют один вращающийся диск. Второй диск
139
Рис. 57. Схема молотковой
дробилки (мельницы):
1—корпус; 2—броневые плиты;
3 — вал; 4— ротор; 5—молоток;
6— колосниковая решетка.
L
неподвижен; его роль выполняет крышка мельницы, на внутренней
поверхности которой укреплены по концентрическим окружностям
ряды пальцев. Роторы дисмембраторов вращаются со скоростью
от 3000 до 6000 об/мин, при этом окружная скорость внешнего
концентрического ряда пальцев достигает 60—120 м/с. Такая же
относительная окружная скорость внешних рядов пальцев роторов
в дезинтеграторах достигается при значительно меньшем числе
оборотов.
К числу измельчителей, в которых разрушение материала осу¬
ществляется высокоскоростным ударом, относятся также и струй-
. ные мельницы различной конструк-
I Исхопныи
6 у материал ции. Частицы измельчаемого мате¬
риала в этих аппаратах приобре¬
тают высокие скорости за счет кине¬
тической энергии струи газа, выте¬
кающей из сопел в рабочую камеру
мельницы со скоростью 300—500 м/с,
и разрушаются при соударениях
друг с другом и о стенки (отбойной
плитой) камеры. В качестве энер¬
гоносителя в струйных мельницах
обычно используют сжатый воздух
давлением 0,7—0,8 МПа или пере¬
гретый пар давлением 0,7—3,5 МПа.
Перегрев пара до 260—370°С
необходим во избежание его конден¬
сации при расширении в помольной
камере мельницы и прохождении
пылегазового потока через сухие
пылеуловители.
Струйные мельницы позволяют
получать продукт, содержащий
90—95% (масс.) частиц размерами
менее 10 мкм. По устройству по¬
мольных камер современные газо¬
струйные измельчители делятся на
три группы: с плоской горизонталь¬
ной камерой, трубчатой вертикальной камерой н с противоточной
камерой. Рассмотрим в качестве примера конструкцию и принцип
действия мельницы с плоской помольной камерой (рис. 59). Энер¬
гоноситель из распределительного коллектора 1 через сопла 2 по¬
ступает в помольно-разделительную камеру <?. Материал, подавае¬
мый в эту камеру на измельчение инжектором 4, увлекается
струями газа и разрушается в точках их пересечений. Возникаю¬
щая при этом пылегазовая смесь приобретает вращательное дви¬
жение, так как струи газа входят в зону измельчения под углом.
При этом частицы материала попадают в поле центробежных сил
и разделяются им на фракции.
Рис. 58. Схема дезинтегратора:
/—кожух; 2— шкив; 3, 8 — валы; 4,
5—диски; 6— пальцы (штифты); 7—за¬
грузочная воронка; 9— решетка.
140
Более крупные частицы сосредоточиваются в периферийной
зоне помольной камеры, а частицы средней величины перемеща¬
ются к ее центру и с нисходящим вихрем, двигающимся в трубе 6,
попадают в пылесборник 7. Более мелкие частицы уносятся вос¬
ходящим потоком через трубу 5 и улавливаются в циклонах и
матерчатых фильтрах.
Измельчение в рассмотренных измельчителях может прово¬
диться по открытому и замкнутому циклам. При измельчении в от¬
крытом цикле куски материала проходят через измельчающую
машину только один раз, не возвращаясь в нее. При измельчении
же в замкнутом цикле мате¬
риал подвергается этому про¬
цессу многократно, причем его
дисперсность регулируется
классифицирующими устрой¬
ствами.
4.1.2. Пожаро- и взрывоопас¬
ность измельчительных уст¬
ройств
Пожары и взрывы в измель¬
чительных устройствах, приме¬
няемых для получения порош¬
ков из горючих твердых мате¬
риалов, широко известны [1, 2,
113, 114]. Большая вероятность
аварийных ситуаций в этих
устройствах обусловлена не
только возможностью появле¬
ния в них пылевоздушных сме¬
сей взрывоопасных концентра¬
ций и источников зажигания, но
и высокой реакционной способ¬
ностью измельченных твердых
тел. При измельчении наряду с диспергированием и агрега¬
цией частиц материала происходит и изменение кристалличе¬
ской структуры и, как следствие, энергетического состояния
их поверхностных слоев (увеличивается свободная энергия)
[115, 116].
В процессе измельчения могут возникать также свободные
радикалы, оказывающие при благоприятных условиях существен¬
ное влияние на взаимодействие поверхностных слоев частиц из¬
мельчаемого материала с окружающей средой [116, 117].
Повышенная реакционная способность тонкоизмельченных
твердых тел обусловливает протекание различных механохимиче-
ских реакций в измельчительном устройстве. Например, при виб-
роизмельчении в нормальных условиях железо и молибден могут
прореагировать с окисью углерода с образованием карбонилов,
Рис. 59. Схема струйной мельницы
с плоской помольной камерой:
1—газораспределительный коллектор; 2— соп¬
ло; 3— помольная камера; 4— инжектор;
5—труба для вывода тонкой фракции; 6 — кор¬
пус сепаратора; 7— сборник крупной фракции.
141
которые ё отсутствие механического воздействия синтезируются
лишь при давлении около 20 МПа и температуре около 200 °С
[118]. Скорость механохимических реакций определяется приро¬
дой получаемого порошка и условиями его измельчения [118].
На рис. 60* в качестве примера приведены кривые зависимости
скорости окисления некоторых элементов в атмосфере кислорода
от продолжительности их виброизмельчения. Эти кривые имеют
характерные максимумы, положение и величина которых для мель¬
ниц различной энергонапряженности существенно различаются.
Так, отношение максимальных скоростей окисления никеля для
мельниц двух типов достигает десяти. Для большинства порошков
Т, мин Т, мин
а б
Рис. 60. Окисление некоторых элементов в высоко- (а) и низкоэнергонапряжен¬
ной (б) мельницах [116, 118] (количество измельчаемого материала 0,2 моля;
Fe (1) — порошок железа, полученный терморазложением карбонила; Fe (2) —
электролитическое железо с частицами диаметром ~ 50 мкм).
кривые скорости окисления в более напряженной мельнице отли¬
чаются не только положением максимума, но и крутизной.
Следствием механической деструкции полимеров, происходящей
при их измельчении, является снижение молекулярной массы,
образование новых концевых групп, выделение мономеров и дру¬
гих низкомолекулярных соединений, изменение конформации ма¬
кромолекул [115, 119].
Обнаружено также, что механическое измельчение полимеров
сопровождается рядом физических явлений: люминесценцией,
электронной эмиссией, изменением ИК-спектров [119].
В процессе измельчения твердых материалов сорбционные
свойства их свежеобразованных поверхностей настолько возра¬
142
стают, что при обычных давлении и температуре они поглощают
даже химически инертные газы (азот, аргон) [116].
Высокая реакционная способность свежеизмельченных порош¬
ков предопределяет их повышенную пожаро- и взрывоопасность,
которую не всегда удается заранее выявить. Это объясняется тем,
что пожаро- и взрывоопасные свойства этих порошков опреде¬
ляются не в процессе их получения измельчением, а через неко¬
торое время, в течение которого они успевают сорбировать из среды
различные пары и газы, и поэтому наиболее активные центры на их
частицах оказываются подавленными. Поскольку во многих слу¬
чаях затруднительно получить количественные показатели по¬
жаро- и взрывоопасности свежеизмельченных порошков, для пра¬
вильной оценки их свойств необходимо обращать особое внимание
на явления, сопровождающие процесс их получения и связанные
с самопроизвольным нагревом материала, его электризацией,
механохимическими превращениями и др. Предполагается, что
в результате указанных явлений могут возникать условия, способ¬
ствующие загоранию этих порошков при их самовозгорании, а
также под воздействием разряда статического электричества, тепла
трения, искр т удара и трения.
Самовозгорание измельчаемых материалов
в размольных устройствах
Измельчительные устройства имеют невысокий коэффициент
полезного действия, поэтому значительная часть потребляемой
ими энергии превращается в теплоту, которая нагревает измель¬
чаемый материал. Так, к. п. д. шаровых мельниц, считающихся
наиболее экономичными для грубого и тонкого измельчения, со¬
ставляет лишь доли процента [117, 120]. Рабочие температуры
в помольных камерах мельниц с мелющими телами достигают
100 °С [120, 121] и зависят от многих факторов: степени измель¬
чения материала; мощности, потребляемой мельницей; ее режима
работы (периодический или непрерывный); размеров корпуса
мельницы, способа его охлаждения и др.
В помольных камерах струйных мельниц, в которых кинети¬
ческая энергия передается частицам измельчаемого материала
потокам воздуха, температура составляет 15—20 °С [122]. Срав¬
нительно низкие рабочие температуры в помольных камерах раз¬
личных по типу мельниц, отсутствие в них мертвых зон, где мог
бы скапливаться измельчаемый материал, весьма небольшие Массы
материала, заключенного между измельчающими поверхностями,
движение его, способствующее отдаче им тепла, — все это не со¬
действует процессам самовозгорания большинства измельчаемых
материалов. Однако особочувствительные вещества (сера, поро-
форы и др.), реакционная способность которых при измельчении
значительно возрастает, могут самовозгораться в размольных
агрегатах.
Опасность электризации материалов при их помоле
Частицы порошков, получаемых сухим измельчением твердых
тел, обладающих диэлектрическими или полупроводящими свой¬
ствами, электризуются, т. е. приобретают электрический заряд,
величина которого определяется в первую очередь интенсивностью
процесса, условиями его реализации и природой измельчаемого
материала. Электростатические заряды на частицах тонкодисперс¬
ных порошков обусловливают их адгезию к футеровке и мелющим
телам, а также агломерацию, уменьшающую эффективность про¬
цесса измельчения [123].
Несмотря на то, что во многих случаях источником зажигания
измельчаемого материала предположительно считают разряд ста¬
тического электричества [114], публикаций, в которых рассмат¬
ривалось бы формирование этого разряда в измельчительных
устройствах и его воспламеняющая способность, обнаружить не
удалось. Отсутствие же обоснованных данных об условиях фор¬
мирования и воспламеняющей способности разрядов статического
электричества с измельчаемого материала не позволяет правильно
оценить степень опасности электризации в процессах измельчения
без проведения специальных исследований. Можно, однако, пола¬
гать, что процесс измельчения в барабанных, вибрационных и
ударно-центробежных мельницах при условии их надежного
заземления безопасен в отношении проявлений статического элек¬
тричества, так как весьма небольшие массы измельчаемого мате¬
риала находятся между мелющими проводящими поверхностями.
Поскольку характер движения измельчаемого материала в струй¬
ных мельницах с плоской помольной и трубчатой камерами
аналогичен характеру движения сепарируемого материала в цик¬
лонных аппаратах и пневмотранспортных линиях, степень опас¬
ности процесса измельчения в этих мельницах можно оценить
так же, как для циклонов (см. стр. 178).
Искры удара и трения, теплота трения как возможные
источники зажигания измельчаемого материала
Наиболее вероятной причиной пожаров и взрывов в измель¬
чительных устройствах, как показывает статистика, является
попадание в рабочие органы измельчителей инородных предметов:
кусков металла или камней. При соударении или трении твердых
тел одно о другое, например постороннего предмета с ротором
и статором ударно-центробежной мельницы, от них отрываются
частицы, которые нагреваются и становятся светящимися, что
обусловлено превращением части кинетической энергии механиче¬
ского взаимодействия в теплоту и экзотермическими реакциями
их окисления. Такие частицы по способу их возникновения назы¬
вают фрикционными искрами или искрами удара. Они могут слу¬
144
жить источником зажигания как газо-, паровоздушных горючих
смесей, так и пылевоздушных. Зажигающая способность искр, по¬
лученных при механическом воздействии, зависит не только от по¬
жароопасных свойств измельчаемых материалов, но также и
от условий их возникновения.
Возникновение искр при ударе можно объяснить с позиций
молекулярно-механической теории трения, так как существенная
часть кинетической энергии расходуется на преодоление сопротив¬
ления усилию сдвига, возникающему между соударяемыми телами
[124, 125]. Согласно этой теории, два твердых тела, приведенных
в соприкосновение, контактируют друг с другом лишь микровыс¬
тупами их поверхностей, высота которых даже для тщательно
полированной плоскости составляет не менее ста ангстрем [125].
При скольжении одного из этих тел относительно другого энергия
трения превращается главным образом в теплоту, которая кон¬
центрируется в точках их дискретного контакта.
Экспериментально доказано, что максимальная температура
этих точек (очагов разогрева) ограничена температурой плавле¬
ния более легкоплавкого материала трущейся или соударяемой
пары тел, если при их взаимодействии не возникают экзотерми¬
ческие превращения [124]. При тангенциальном смещении кон-
тактируемых тел происходит также разрушение их взаимовнед-
ренных микровыступов и выброс нагретых частиц металла («искр»)
с поверхности трения.
В общем случае дисперсность этих частиц, их количество и
энергетические параметры определяются скоростью приложения
нагрузки и ее величиной, физико-механическими свойствами мате¬
риалов взаимодействующих тел и их поверхностных покрытий.
Частицы металла, вырванные из твердых тел при соударении и
трении, имеют, как указано выше, определенную начальную тем¬
пературу. Дальнейший разогрев этих частиц происходит за счет
тепла экзотермических процессов их окисления.
Почти все металлы (за исключением благородных) вступают
во взаимодействие с кислородом воздуха при комнатной темпера¬
туре, причем с ее повышением скорость их окисления резко воз¬
растает. При окислении на поверхности металлов образуются
окисные пленки, которые начинают лимитировать скорость этого
процесса. При разогреве частицы до температуры плавления
окисла металла происходит резкое увеличение скорости окисления,
так как диффузия в жидкостях протекает намного быстрее, чем
в твердых телах.
При определенной температуре, когда количество тепла, выде¬
ляющегося вследствие окисления, превышает количество тепла,
отводимого в окружающую среду, самоускорение реакции окис¬
ления приводит к воспламенению металлической частицы. Установ¬
лено, что температура воспламенения частичек стали существенно
зависит от их величины, — она тем ниже, чем меньше их размеры
[126]. С увеличением размера для воспламенения стальной ча-
L
145
стиды требуется более высокая начальная температура. Из этого
следует, что [127]:
1) при соударении или трении со сталью металлов, имеющих
более низкую температуру плавления, искрообразование затруд¬
няется, так как при прочих равных параметрах взаимодействия
начальная температура вырванных из стали частиц уменьшается.
Так, при соударении латуни, температура солидуса которой 885 °С,
с чистой сталью искры не образуются;
2) углеродистые стали, образующие при ударе или трении
мелкодисперсные частицы, более склонны к искрообразованию.
Это объясняется тем, что частицы небольших размеров могут ра¬
зогреваться до температуры их воспламенения при низкой началь¬
ной температуре. Экспериментальные данные также подтверждают
это положение. Установлено, что полностью окисленные частицы,
полученные при соударении стали о сталь с энергией 1350 Дж5
имеют диаметр сферы порядка 0,2 мм. Частицы сфериче¬
ской формы большего диаметра частично остаются неокислен-
ными.
Крупные частицы стали порядка 1 мм и выше уже не имеют
сферическую форму, что свидетельствует об их сравнительно не¬
высокой температуре. Стальные частицы, вырванные из твердого
тела при соударении или трении, могут «взрываться», т. е. распа¬
даться на большое количество мелких частиц, так как их оболочки,
состоящие из окисной пленки, прогреты неравномерно и внутри
них создается избыточное давление продуктов окисления углерода
[127, 128]. Частицы окисляются до более высоких температур, чем
исходная частица стали, так как начальная температура их обра¬
зования значительно выше. Подобные «взрывы» наблюдались
также при горении частиц титана [129].
Частицы алюминия, образующиеся при соударении алюминия
с чистой (без ржавчины) сталью, окисляются незначительно, так
как начальная температура этих частиц ограничена сравнительно
низкой температурой плавления металла. Однако термитная реак¬
ция, возникающая между алюминием и ржавой сталью при их
механическом взаимодействии, способствует разогреву, окислению
и воспламенению возникающих при этом алюминиевых частиц.
Тип кристаллической решетки окиси железа играет в этих
процессах существенную роль, так как энергия у-¥е203 примерно на
25 кДж/моль больше, чем энергия а-Ре20з [128]. Интенсивность
искрения при ударе алюминиевых сплавов о ржавую стальную
плиту, предварительно нагретую до температуры более 500 С,
резко снижается [128, 130], что объясняется переходом у-Ре20з
в а-Ре20з. Искрообразование также незначительно при соударе¬
нии алюминиевых сплавов о сталь, покрытую старой ржавчиной,
которая представляет собой a-Fe203.
Количество искр и их яркость резко увеличиваются, если
покрыть одну из соударяемых деталей (алюминий или сталь)
слоем сильного окислителя, например хлората калия. При соуда¬
Ш
рений же стали о сталь, покрытую слоем этого окислителя, или
о ржавую сталь искрообразование незначительно, так как тер¬
митной реакции в этих случаях не происходит [128].
Искры возникают не только при соударении металлов? но &
при ударе их о породу или породы о породу, причем в основе
процесса искрообразования могут лежать не только химические
превращения. Так, яркое свечение при ударе различных металлов
(стали, бронзы и др.) о песчаник обусловлено пьезоэлектриче¬
скими свойствами содержащихся в нем кристаллов кварца [130].
Отсутствие четких представлений о механизмах образования,
окисления и воспламенения частиц металлов при их механическом
взаимодействии одной с другой или с неметаллическими телами
и зажигании ими различных горючих смесей не позволяет оценить
аналитическими методами их воспламеняющую способность; она
определяется лишь экспериментально. Однако изучению условий
зажигания пылевоздушных смесей искрами удара и трения уделя¬
ется пока сравнительно мало внимания. Воспламеняющая способ¬
ность искр, возникающих при механических воздействиях, исследо¬
валась прежде всего для газо-паровоздушных смесей, при этом
установлено следующее:
1) минимальная температура искры, необходимая для ее вос¬
пламенения, должна быть тем выше, чем меньше она по разме¬
рам [131];
2) концентрационные пределы воспламенения горючих смесей
при их зажигании искрами удара и трения значительно уже, чем
при зажигании этих же смесей электрическими искрами [131, 132].
С ростом энергии соударения и повышением температуры плавле¬
ния более легкоплавкого из соударяющихся материалов, а также
в присутствии окислов на их поверхности, эти пределы расширя¬
ются [127];
3) с понижением содержания кислорода в горючих смесях
воспламеняющая способность искр, производимых механически,
резко падает, так как снижается скорость их окисления [130, 131].
Поэтому бедные горючие смеси зажигаются искрами удара и
трения легче, чем богатые;
4)' при взаимном трении и быстрочередующеМся соударении
металлических деталей горючие смеси могут зажигаться не только
искрами, как, например, при одиночном ударе, но и нагретыми
в результате механического взаимодействия поверхностями этих
деталей [127];
5) искры, образующиеся при соударении или трении алюми¬
ниевых сплавов с ржавой сталью, обладают значительно большей
воспламеняющей способностью, чем искры от механического вза¬
имодействия этих же сплавов с незаржавленной сталью [127, 128];
6) искры удара и трения углеродистых сталей и сталей, со¬
держащих марганец (свыше 1%), наиболее опасны для горючих
газо-паровоздушных смесей [133]. Легирование же сталей крем¬
147
нием, хромом и молибденом повышает их искробезопасные свой¬
ства [133].
Рассмотренные выше особенности воспламенения искрами
удара и трения газо-паровЪздушных смесей представляют интерес
и при оцейке опасности их возникновения в пылевых средах. Од¬
нако имеющиеся в литературе весьма ограниченные данные по
чувствительности твердых дисперсных материалов к искрам, про:
изводимым механическим путем, носят главным образом качест¬
венный характер.
Так, в работе [131] показано, что искры, возникающие при
шлифовании стали, зажигают аэрозоли титана, циркония, маг¬
ния, алюминия, карбонильного железа, цинка и серы. Аэрозоли
же большинства органических пылей этими искрами воспламенить
не удалось. Однако при добавлении к ним небольшого количе¬
ства магния их способность к
зажиганию резко возрастала.
х Аэрогели некоторых дисперс¬
ных органических материалов
(дерева, бурого угля, пробко¬
вой и пшеничной муки), как и
Т \ металлических порошков, все
же зажигались фрикционными
Рис. 61. Схема, показывающая траек- искрами без ВСЯКИХ добавок,
торию движения ударяющего молотка, Chpttvpt ПТМРТИТт пттямя
расположение места удара и образца ^л^Дует отметить, ЧТО пламя,
пыли: возникающее при горении аэро-
1 —траектория движения молотка; 2 — площадь Г6ЛЯ, В СВОЮ ОЧереДЬ МОЖеТ
удара, 3 пыль, 4 плита из ржавой малоугле* qягппянир ы тюпт-лтз ггт/л
родистой стали; 5-место загрязнения алюми- ВЫЗВаТЬ Загорание И ВЗрЫВ ЛЮ-
нием. бой горючей пылевоздушной
смеси.
Чтобы определить, являются ли потенциальным источником
зажигания термитные реакции, возникающие при ударе, проведены
исследования с воспроизведением этих реакций в среде аэрозолей
95 веществ, относящихся к взрывоопасным пылям [134]. Методика
опытов заключалась в создании скользящего удара молотком ве¬
сом 14 Н из нержавеющей стали по плите из ржавой малоуглеро¬
дистой стали, «загрязненной» по всей длине контакта с молотком
(жЗ см) алюминием (рис. 61). «Загрязнение» алюминием дости¬
галось трением под давлением руки куска алюминиевой прово¬
локи (содержание 99,5% А1) поперек ржавой стальной поверх¬
ности до получения «загрязнения», содержащего максимальное ко¬
личество приставшего алюминия. Маленькую конусообразную
кучку исследуемой пыли помещали на плите у края площади удара
(рис. 61). Молоток, двигаясь по дуге и ударяя по «загрязнению»
алюминием, вызывал термитную реакцию с выбрасыванием вперед
(по движению) горящих частиц алюминия и образование аэро¬
взвеси при последующем ударе по кучке пыли.
Несмотря на то, что приведенный метод образования аэрозоля
далеко несовершенный, 77% от всего количества испытанных ве¬
148
ществ фактически загорались от термитных реакций, создаваемых
в опытах. Таким образом, результаты опытов наглядно показали,
что термитная реакция, являющаяся результатом удара металла
о ржавую поверхность малоуглеродистой стали, покрытую алюми¬
нием, может вызвать зажигание аэрозоля, образующегося в про¬
изводственных агрегатах.
При трении и быстрочередующихся соударениях металлических
деталей следует считаться с возможностью зажигания горючих
твердых дисперсных материалов не только искрами, но и нагре¬
тыми в результате механического взаимодействия поверхностями
этих деталей.
Проведенными исследованиями возможности загорания хлоп¬
ка-волокна только от трения стальной проволоки о проволоку
установлено [135], что температура, возникающая при трении,
зависит от интенсивности удельной работы трения А, которая мо¬
жет быть выражена следующим уравнением:
A = pfv (106)
где р — удельная нагрузка;
f — коэффициент трения;
v — скорость трения.
-
Удельная работа трения, при которой возможно, например, за¬
горание хлопка-волокна, соответствует 4,42 кН/(мм-мин).
Для веществ, склонных к взрывчатому разложению, представ¬
ляет повышенную опасность трение и соударение частиц в потоке.
Однако анализ возможности загорания в струйной мельнице чис¬
того перхлората аммония с частицами размером 2—200 мкм пока¬
зал, что если исходить из сопоставления скоростей движения
продукта: критической — 300 м/с, при которой может быть заго¬
рание, и максимально достигаемой в мельнице — 260 м/с, то
имеется основание сделать вывод об отсутствии такой опасно¬
сти [136].
При эксплуатации измельчительных агрегатов необходимо учи¬
тывать, что через неплотности корпусов мельниц и сепараторов,
трубопроводов и транспортирующих устройств в производственное
помещение может проникать пыль. При работе ударно-центробеж-
ных мельниц этому способствует некоторое избыточное давление,
возникающее в помольных камерах при быстром вращении ро¬
тора [117].
Следует отметить, что пожаровзрывоопасность размоль¬
ных агрегатов, работающих по различным схемам, определяется
пожаро- и взрывоопасностью как мельницы, так и вспомогатель¬
ного оборудования (циклонов, фильтров и др.), которое рассмот¬
рено в разд. 4.2.2.
149
4.2. П НЕВМОТРА НС ПОРТИ РОВ АНИ Ё
4.2.1. Некоторые сведения из теории и практики
эксплуатации пневматического транспорта
Пневматический транспорт (пневмотранспорт) служит для
перемещения частиц твердого материала потоком транспортиру¬
ющего газа по вертикальным, горизонтальным, наклонным и кри¬
волинейным трубопроводам (линиям). Наиболее распространенным
транспортирующим агентом является воздух. Его движение обес¬
печивается разностью давлений в начале и конце пневмолинии,
причем в системах пневмотранспорта оно характеризуется разви¬
тым турбулентным режимом. При таком режиме течение газа
можно рассматривать как случайно изменяющееся во времени
движение вихревых масс, совершающих поступательное и враща¬
тельное движение, причем в каждой фиксированной точке потока
непрерывно меняются его скорости и давление [137].
Средней скоростью потока в какой-либо его точке называют
величину, полученную усреднением по времени мгновенного зна¬
чения скорости потока в этой же точке [138]. Разность между
мгновенным значением скорости в данной точке и ее средним зна¬
чением называют пульсационной скоростью потока.
Нерегулярное, беспорядочное изменение скорости потока со
временем в каждой его точке вызывает аналогичное изменение
скорости частиц транспортируемого материала. Их движение скла¬
дывается из основного движения вдоль оси трубопровода и бес¬
порядочных колебательных движений в плоскостях, перпендику¬
лярных этой оси и ограниченных стенками трубы. При ударах
о внутреннюю поверхность трубопровода частицы теряют часть
своей энергии, отталкиваются от поверхности уже с меньшей ско¬
ростью, соударяются с другими частицами, движущимися быстрее,
и приобретают от них часть энергии.
Твердые частицы, введенные в поток движущегося газа, при¬
обретают на начальном участке (участке разгона) трубопровода
так называемую равновесную скорость, которая меньше скорости
этого газа, причем разность этих скоростей представляет собой
скорость скольжения частиц. Явление отставания (скольжения)
частиц транспортируемого материала объясняется влиянием сил
инерции: оно больше для высоких частот спектра пульсации газа
и крупных частиц [137].
Градиент усредненных скоростей в поперечном сечении потока
и скольжение частиц обусловливает вращательное движение ча¬
стиц, которому способствует их неправильная форма, периодиче¬
ское касание ими стенок трубы и др.
Предельное значение скорости скольжения частиц при устано¬
вившемся восходящем потоке газовой взвеси равно их скорости
витания. Таким образом, для перемещения полидисперсной смеси
твердых частиц материала по вертикальному трубопроводу ско-
150
* Г* •
• J. •j
• •
••••к*.
• • • f .• Н
1.Г
«
т
•е
• •
• •И
1
tt
рость газа должна быть больше скорости витания самой крупной
частицы этой смеси [139, 140].
При высоких скоростях потока мелкодисперсные твердые час¬
тицы равномерно распределяются по сечению трубопровода (рис.
62, а). Недостаточное превышение скорости газа над скоростью
витания твердых частиц приводит к нарушению их устойчивого
восходящего движения [141]. При высоких концентрациях пере¬
мещаемого материала и низких скоростях несущего газа режим
сквозного потока нарушается и насту¬
пает завал (захлебывание, закупори¬
вание) вертикальной пневмолинии.
В работе [142] явление объясняется
тем, что с повышением концентрации
материала расстояние между части¬
цами взвеси сокращается настолько,
что летящие сзади частицы попадают
в аэродинамический след впереди ле¬
тящих частиц, при этом лобовое сопро¬
тивление первых резко снижается, ско¬
рость витания их соответственно уве¬
личивается и они начинают выпадать
из потока.
Соударяясь с соседними частицами,
они образуют агрегаты (рис. 62,6),
скорость витания которых в несколько
раз может превышать скорость вита¬
ния составляющих их частиц. Увели¬
чиваясь в размерах, эти агрегаты
образуют пробки (поршни) на опреде¬
ленной высоте пневмотрубы (рис. 62, в).
Если скорость газового потока ока¬
зывается недостаточной для их под¬
держания во взвешенном состоянии, то
они выпадают из потока, закупоривая
трубопровод.
На частицы, находящиеся в горизонтальном потоке, действуют
силы тяжести, которые обусловливают их неравномерное распре¬
деление по сечению трубопровода. Скорость, * необходимая для
устойчивого перемещения (рис. 63, а) частиц во взвешенном со¬
стоянии горизонтальным пневмотранспортом, всегда выше скорости
их витания в восходящем потоке.
Снижение скорости несущего газа усиливает неравномерность
распределения твердых частиц по сечению трубы и приводит к вы¬
падению отдельных из них на ее дно, где они перемещаются в на¬
правлении потока [141, 143] (рис. 63,6). При дальнейшем умень¬
шении скорости газа в нижней части трубы образуется неподвиж¬
ный слой (отложение) материала, по которому могут перемещаться
частицы, выпавшие из потока (рис. 63,в). Уменьшение свободного
тЬ
Рис. 62. Характерные формы
движения материала в верти¬
кальном трубопроводе:
а—в виде аэрозоля; б —агрегатами;
в —поршнями.
151
сечения трубопровода приводит к увеличению скорости газа в ме¬
сте отложения материала, что в свою очередь начинает способ¬
ствовать его перемещению в направлении движения потока. Од¬
нако дальнейшее уменьшение скорости несущего газа или повы¬
шение в нем‘концентрации твердых частиц приводит к увеличению
объема их отложений на дне трубы, что в свою очередь приводит
к ее закупориванию.
При пневмотранспорте мелкодисперсных материалов, склонных
к агломерации, закупоривание различных участков трубопровода
объясняют также недостаточной скоростью потока для агломера-
. ^ тов частиц различной величины,
I •• •••
rf
-н
« « « * • ■ *1
• • • • • • Л
■ у i у to*; ^у гi • i-i • j- j- ri
mr
количество и частота образова¬
ния которых возрастают с увели¬
чением концентрации материала
в потоке [141].
Существенную роль в образо¬
вании завалов в пневмолиниях
играет адгезия частиц перемещае¬
мого материала к стенкам трубо¬
провода [144].
В коленах пневмолинии на
материал действует центробежная
сила, прижимающая большую
часть его частиц к их наружным
стенкам. Одновременно некото¬
рые частицы перемещаемого ма¬
териала участвуют в движении,
обусловленном вторичным вихре¬
вым течением в плоскости попе¬
речного сечения изгиба трубы.
При прохождении через колено
скорость материала уменьшается [140], что может приводить в не¬
которых случаях к его закупорке.
Частицы сыпучего материала, соударяясь одна о другую,
а также со стенками и конструктивными элементами линий и аппа¬
ратов пневмосистем, измельчаются (деградируют) [137, 141]. Так,
интенсивное уменьшение размеров гранул аммиачной селитры
марки В (ГОСТ 2—57) при перемещении по трубе диаметром
50 мм начинается уже при скорости воздуха 10 м/с [137].
В общем случае степень измельчения пневмотранспортируемых
сыпучих материалов зависит от их физико-механических характе¬
ристик, параметров потока, главным образом его скорости, диа¬
метра труб, шероховатости их внутренней поверхности, качества
монтажа и др.
В пневмотранспортных системах наряду с истиранием и раз¬
рушением твердых частиц происходит абразивный износ стенок и
конструктивных элементов линий и аппаратов пневмосистем [137,
141]. Наиболее сильно изнашиваются трубопроводы у фланцевых
Рис. 63. Характерные формы движе¬
ния материалам горизонтальном тру¬
бопроводе:
а — в виде аэрозоля; б — в виде аэрозоля и
жгута; в —в виде аэрозоля и жгута по уже
неподвижному материалу; / — аэрозоль;
2 — жгут; 3 — неподвижный материал.
152
соединений, наружные стенки их колен и сепарационные часФй
циклонов. При пневмотранспортировании грубодисперсных частиц
(или гранул) материала с низкой температурой плавления на
стенках и конструктивных элементах линий и аппаратов пневмо¬
установок образуется покрытие (пленка) из этого материала
[144, 145].
Это явление наблюдается при перемещении порошкообразных
и гранулированных пластиков, серы, органических красителей,
глюкозы, инсектицидов. Объясняется оно тем, что соударение
крупных частиц указанных материалов с элементами оборудования
сопровождается переходом части кинетической энергии в тепловую
и, как следствие, оплавлением этих частиц в их зоне деформации
уже при скоростях потока 1 —10 м/с.
Частицы мелкодисперсных материалов при транспортировании
налипают на внутреннюю поверхность трубопроводов и аппаратов
пневмотранспортной установки (образуется «шуба»), что обус¬
ловлено различными по своей природе силами: молекулярными,
электрическими, капиллярными и др. [144]. В случае пневмо¬
транспортирования диэлектрических материалов, интенсивно за¬
ряжающихся в этом процессе, электростатическая компонента
силы адгезии превалирует над остальными ее составляющими.
Вещества, обладающие большой сорбционной активностью, напри¬
мер аммиачная селитра, оседая на стенках пневмолинии при
перемещении, образуют при высокой влажности воздуха адгезион¬
ные покрытия большой толщины («корки»), которые нарушают
нормальную работу пневмосистемы.
Установки пневматического транспорта состоят, как правило,
из следующих основных элементов:
1) воздуходувных машин (вентиляторов, воздуходувок, ком¬
прессоров), создающих требуемый для транспортирования перепад
давления;
2) загрузочных устройств (сопел, питателей) для подачи ма¬
териала в пневмосистему;
3) транспортных коммуникаций (трубопроводов) с переклю¬
чателями направлений транспортирования и необходимой армату¬
рой (фланцами, перемычками, болтами крепления и др.);
4) аппаратов (разгрузителей, циклонов, фильтров), служащих
для отделения перемещаемого материала от транспортирующего
газа;
5) устройств, выводящих материал из этих аппаратов (кла-
панов, затворов и др.).
Пневмотранспортные установки подразделяются на нагнета¬
тельные (рис. 64) и всасывающие (рис. 65), причем давление га*
за в трубопроводе первых больше атмосферного (0,8 МПа), а вто¬
рые работают под разрежением (до 500 Па) [140]. Компоновка
всасывающей и нагнетательной систем дает смешанную систему
пневмотранспорта.
163
По максимальной величине избыточного давления или разре¬
жения установки пневмотранспорта делятся на низконапорные
(с вентиляторами), средненапорные (с воздуходувками) и высоко¬
напорные (с компрессорами) [140]. По величине объемной кон¬
центрации твердой фазы, т. е. величине отношения объемных рас¬
ходов перемещаемого материала и транспортирующего потока,
различают пневмотранспорт низкой (0,04 м3/м3), средней (0,05—
0,15 м3/м3) и высокой (>0,15 м3/м3) концентрации твердой
фазы [141].
По компоновке системы пневматического транспорта подразде¬
ляются на открытые и закрытые. В первом случае транспорти¬
рующий газ засасывается из атмосферы и после перемещения ма¬
териала выпускается наружу, а во втором случае он непрерывно
циркулирует в системе.
Рис. 64. Схема нагнетательной пневмотранспортной системы [140]:
/ — воздуходувная машина; 2 — питатель; 3 —смеситель; 4— пневмолиния; 5 —отделитель;
6—бункер; 7 —пылевой затвор.
Рис. 65. Схема всасывающей пневмотранспортной системы [140]:
/—загрузочная воронка (или дозатор); 2— смеситель; 3— пневмолиния; 4— отделитель;
5—бункер; 6 — пылевой затвор; 7 —воздуходувная машина.
При классификации пневмотранспортных установок учитывают
также направление транспортирования (вертикальное, наклонное,
горизонтальное), размер перемещаемых частиц (гранулы или
пыль), характеристики процесса транспортирования по его перио¬
дичности и др. [141].
Для выделения частиц перемещаемого материала из транспор¬
тирующего газа и их улавливания широко применяют циклоны и
фильтры.
Сепарация пылевидных материалов
в циклонных аппаратах
Циклон представляет собой простейшее пылеотделительное
устройство (рис. 66), в котором используется принцип центро¬
бежной сепарации. Запыленный газ через входной патрубок 1 вво¬
дится с определенной скоростью в верхнюю (обычно цилиндри¬
ческую) часть 4 циклона тангенциально и, закручиваясь (по
154
внешней спирали), опускается из кольцевого пространства, обра¬
зуемого корпусом 4 и выхлопной трубой 3 аппарата, в его конус¬
ную часть 5. По мере движения вниз циклона часть потока газа
постепенно отделяется и направляется к выхлопной трубе, а взве¬
шенная в нем пыль отбрасывается к стенке аппарата, по которой
она продолжает двигаться вместе с оставшейся частью газового
потока к пылевыпускному отверстию 6. В бункер 7 циклона попа¬
дает лишь незначительная
часть газового потока (5—
10% от его общего расхода)
[146], который меняет в нем
свое направление и теряет
скорость, поэтому из него
выпадают твердые частицы.
Очищенный газ двига¬
ется по восходящей (внут¬
ренней) спирали к выхлоп¬
ной трубе и выводится из
аппарата либо через улитку
11, преобразующую его спи¬
ралеобразное движение в
прямолинейное, либо через
газоход 12.
Пыль из бункера цикло¬
на удаляется через пылевой
затвор 8, который должен
обеспечивать его герметич¬
ность. В противном случае
при избыточном давлении в
бункере может произойти
выброс пыли в окружаю¬
щую среду, а при разреже¬
нии может резко снизиться
коэффициент очистки газа.
Так, при подсосе воздуха
в бункер в количестве 15%
от его общего расхода в циклоне к. п. д. последнего падает прак¬
тически до нуля [147],
Периферийный ввод, центральный вывод и вращение газа
в циклоне обусловливают весьма сложное поле его скоростей, глав¬
ный вектор которого в любой точке сепарационного пространства
аппарата может быть разложен на три составляющие: окружную
(тангенциальную) vt, осевую (расходную) Vh и радиальную vR
скорости [146].
Тангенциальный подвод газа к корпусу циклона предопреде¬
ляет его вихревое движение в поперечном сечении аппарата.
Осевую скорость газа, определямую как отношение его объемного
расхода к площади поперечного сечения цилиндрической части
12 11
Рис. 66. Схемы циклона «НЙИОГАЗ»
и движения газа в нем [147]:
/ — входной патрубок; 2 — винтообразная крышка;
3 — выхлопная труба; 4, 5—цилиндрическая и
конусная части корпуса; 6 — пылевыпускное отвер¬
стие; 7—бункер; 8—пылэвой затвор; 9, 10 — вну¬
тренняя и внешняя спирали; Л— улитка для вы¬
вода газа; 12— газоход обеспыленного газа.
155
аппарата, выбирают для циклонов НИИОГАЗ (ЦН-15, ЦН-15у,
ЦН-24 и ЦН-11) в пределах 2,5—3,5 м/с [147]. При < 2,5 м/с
возможно забивание циклона пылью. Отношение окружной ско¬
рости газа к осевой характеризует степень закручивания его
потока, от которой существенно зависят сепарационные возмож¬
ности циклонных аппаратов.
Радиальный сток, а следовательно, и радиальная составляю¬
щая скорости газа в циклоне обусловлены выхлопной трубой,
расположенной по оси аппарата.
Взвешенные в газе твердые частицы, равновесные* траектории
которых больше или равны радиусу циклонного аппарата, дости¬
гают стенки его корпуса за весьма небольшое время и перемеща¬
ются по ней вниз в виде жгута. С увеличением скорости входа
газа в циклон, его закрученный поток может нести большее коли¬
чество твердого материала, но для каждого режима сепарации
имеется предельное значение запыленности, при превышении
которого жгут начинает распадаться.
Принимая во внимание поршневой характер движения пыли
в циклоне [148] и условие неразрывности жгута, можно его ос¬
новные параметры связать следующим уравнением [149]:
Q}k — Л - 1 I — Fж/рж “ ЛтС (107)
где (?ж — масса материала в жгуте, кг;
ц - к. п. д. циклона;
G — расход материала, кг/с;
vu — скорость материала в жгуте, м/с;
Fm — площадь поперечного сечения жгута, м2;
I — длина жгута, м;
Рж — объемная плотность материала в жгуте, кг/м3;
т — время пребывания материала, с.
Величины, указанные в уравнении (107), можно определить
лишь экспериментально.
При криволинейном движении потока в результате многократ¬
ных ударов о стенки или скольжения частиц по ним силы трения
проявляются в большей степени, чем в прямолинейном потоке,
поэтому скорость материала в циклонах с увеличением скорости
газа возрастает незначительно (рис. 67), гораздо меньше, чем
в прямой пневмотранспортной линии [263]. Скорость материала
в циклонных аппаратах диаметром более 100 мм при скорости
газа 15 м/с и выше практически остается постоянной (рис. 67),
что подтверждается работами других авторов [148, 149].
Гранулированные материалы в отличие от мелкодисперсных
при сепарации в циклонах жгут не образуют [145]. Это можно
объяснить следующим образом. Массы воздуха, момент количества
движения которых уменьшается при торможении гранул о стенки
* Под равновесной понимают траекторию частицы сепарируемого материала
в циклоне, когда действующие на нее центробежная сила и сила радиального
стока взаимно уравновешены.
156
циклона, двигаясь к центру аппарата, не в состоянии «стянуть»
гранулы в жгут (как это происходит при сепарации мелкодис¬
персных материалов), так как они до и после удара имеют боль¬
шую кинетическую энергию.
Следует отметить, что теория циклонного процесса до сих
пор недостаточно разработана. Поэтому в расчетах пользуются
пока эмпирическими выражениями.
Фильтрация аэрозолей
Фильтрацией называется процесс разделения аэродисперсных
систем при их движении через пористые среды (фильтры), спо¬
собные задерживать взвешенные частицы (дисперсную фазу) и
пропускать газ (дисперсионную сре¬
ду). Улавливание аэрозольных ча¬
стиц в зависимости от их размеров,
параметров фильтрующих матери¬
алов, скорости и направления газо¬
вого потока может происходить по
одному или одновременно несколь¬
ким механизмам (зацеплением,
инерционным столкновением, гра¬
витационным и электростатическим
осаждением, а также в результате
броуновского движения).
Движущей силой процесса филь¬
трования является разность давле¬
ний перед фильтрующей перего¬
родкой и после нее. Принципиаль¬
ная схема газового фильтра изоб¬
ражена на рис. 68. Он представ¬
ляет собой емкость 1, разделенную
пористой фильтрующей перегородкой 2 на две части, в одну
из которых поступает запыленный газ. Мелкодисперсные час¬
тицы, накапливаясь в порах перегородки фильтра, образуют
на ней пылевой слой и становятся сами частью фильтрующей
среды. Однако по мере накопления частиц общая пористость
фильтра уменьшается, возрастает сопротивление движению газа
и, как следствие, падает скорость процесса фильтрации. Поэтому
в определенный момент возникает необходимость разрушения и
удаления пылевого осадка с фильтрующего материала, т. е. его
периодической регенерации, которую на практике осуществляют
двумя основными способами: встряхиванием фильтрующих эле¬
ментов и их обратной продувкой очищенным газом. В большинстве
фильтров сочетают оба эти способа регенерации.
Пористые перегородки могут иметь различную форму (пло¬
скую, цилиндрическую и др.) и выполняться из тканых, нетканых,
волокнистых, зернистых и других материалов. Многообразие тре¬
157
vB, м/с
Рис. 67. Зависимость скорости
материала »м от скорости воз¬
духа рв [263]:
1 — циклон. £)= 100 мм; 2—то же,
D — 200 мм; 3 - то же, D =300 мм;
4— труба — сушилка.
бований, предъявляемых к очистке газов от различных твердых
частиц, обусловило создание фильтрующих аппаратов разнообраз¬
ных конструкций, различающихся следующими признаками:
1) формой тканевых фильтровальных элементов (рукавные,
плоские и др.) и опорными устройствами (каркасные и с кольцами
жесткости);
2) местом расположения вентилятора относительно фильтра
(всасывающие, работающие под разрежением; нагнетательные, ра¬
ботающие под давлением);
3) методом регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной
продувкой);
< 4) формой корпуса для размещения ткани (прямоугольные,
цилиндрические, открытые — безкамерные);
5) числом секций в установке (однокамерные и многосек¬
ционные) ;
Рис. 68. Принципиальная схема пористого фильтра для очистки газов [161]:
1 — корпус фильтра; 2 —пористая фильтрующая перегородка.
6) видом используемой ткани (например, стеклотканевые).
Очистка технологических газов и аспирационного воздуха
в тканевых фильтрах является эффективным и надежным методом
улавливания сухих промышленных пылей. Устройство и принцип
действия таких фильтров рассматриваются на примере рукавного
фильтра типа ФРКН [150], предназначенного для очистки взрыво¬
опасных материалов.
Фильтр (рис. 69) состоит из корпуса, разделенного на камеры
запыленного 1 и очищенного газа 3; фильтровальных рукавов 2,
надетых на каркасы; воздухораспределительных труб 5 с электро¬
магнитными клапанами <5, управляющие электромагниты которых
заключены в вентилируемые короба 7. Последние находятся под
избыточным давлением воздуха. Рукава изготовлены из лавсана
(Л-2, арт. 136), химически покрытого тончайшей медной пленкой.
Запыленный воздух поступает в фильтр через патрубок 11, а очи¬
щенный воздух выходит через патрубок 4.
Регенерация фильтрующей ткани достигается импульсной по¬
дачей струи сжатого воздуха высокого давления, выходящей из
сопла 6, внутрь рукавов. Необходимые продолжительность
(0,1—0,5 с) и периодичность продувки каждого рукава обеспечи¬
ваются электронным реле времени (типа ВЛ-17) и шаговым иска¬
телем (типа ИШ-11), включаемых как датчиком перепада давле¬
ния (типа ДпД-1-05), так и командным прибором (типа КЭП-12).
158
ныи i
Запыленный
Воздух
Пыль, ссыпающаяся в бункер, удаляется из него через шлюзовый
затвор 10.
Камеры фильтров ФРКН с фильтрующей поверхностью пло¬
щадью 30 м2 и более разделены на секции, соединенные с коллек¬
тором очищенного газа патрубками с дроссельными заслонками
(на рис. 69 они не показаны). В этих же патрубках размещены
полированные стержни щупов, позволяющие определять повреж¬
дение рукава (изношенность ткани, разрыв или срыв рукава) по
величине налета пыли. При обнару¬
жении частиц пыли на стержне одно- . 4 5
го из щупов секцию фильтра с дефект- ошшн\
ным рукавом отключают дроссельной —
заслонкой.
4.2.2. Пожаро- и взрывоопасность
пневмотранспортных установок
Широкое применение пневмотран¬
спортных установок объясняется про¬
стотой их конструкции, компактностью,
незначительностью затрат на изготов¬
ление и эксплуатацию, надежностью
работы и сравнительно высокой про¬
изводительностью. Наряду с отмечен¬
ными достоинствами пневмотранспорт-
ные установки имеют серьезный недо¬
статок— они пожаро- и взрыво¬
опасны при перемещении горючих ма¬
териалов. Взрывы в аппаратах (ци¬
клонах и фильтрах), установленных
в конце пневмотранспортной линиу,
орисаны в литературе [114, 151, 152].
Причем импульсом воспламенения
частиц транспортируемого продукта
во многих случаях считают разряд ста¬
тического электричества, теплоту тре¬
ния, искры удара и трения. При соударении частиц материалов,
весьма чувствительных к механическим воздействиям, с конструк¬
тивными элементами транспортирующего оборудования также
возможно воспламенение материала. Условия возникновения
Источников зажигания в соответствующих аппаратах ниже рас¬
смотрены более подробно.
Самовозгорание материалов может происходить в пневмо¬
транспортных установках, главным образом в отложениях, скапли¬
вающихся в воздуховодах, а также в сборниках-хранилищах.
Условия, при которых возникает самовозгорание, рассмотрены
ниже, а также в п. 2.2.3.
Пыль
Рис. 69.
Схема фильтра
ФРКН [150]:
/—камера запыленного газа.; 2-ру¬
кав фильтра; 3 —камера очищеннбгр
газа; 4— выходной патрубок; 5 — воз¬
духораспределительная труба;
6 — сопло; 7 —вентилируемый короб;
8 — электромагнитный клапан; 9 — ре¬
сивер; 10— шлюзовой затвор;
//—входной патрубок.
159
Электростатический разряд как возможная причина
аварийных ситуаций в пневмотранспортных установках
Известно, что частицы сыпучих материалов, контактируя со
стенками и конструктивными элементами линий и аппаратов
пневмосистем, заряжают их и сами приобретают электростатиче¬
ский заряд (электризуются) противоположного знака. Вероят¬
ность появления разряда статического электричества с заряженных
материала и элементов оборудования определяется прежде всего
величиной избыточного электростатического заряда, приобретае¬
мого частицами при перемещении, сепарации и фильтрации.
Поэтому закономерности электризации сыпучих материалов в тру¬
бопроводах, циклонах и фильтрах пневмосистем представляют не¬
сомненный интерес.
Электризация сыпучих материалов в трубопроводах пневмо¬
транспортных установок. Для оценки уровня электризации сыпу¬
чих материалов в зависимости от физических свойств их частиц
и материала пневмолиний, режима транспортирования и других
факторов пользуются методикой, основанной на измерении силы
тока электризации (утечки) с поверхности трубопроводов [ 153—
155].
Как известно, перемещение твердых частиц газовым потоком
по трубопроводу сопровождается возникновением электрического
тока в цепи трубопровод—земля, величина которого равна сумме
токов, обусловленных процессами разделения контактов этих
частиц со стенкой трубы. Перенос электрических зарядов транс¬
портируемым материалом называют «током потока» [131, 154].
Он численно равен сумме электрических зарядов, переносимых
в единицу времени через поперечное сечение трубы. Ток электри¬
зации участка трубопровода равен разности токов потока, прохо¬
дящих через его входное и выходное сечения.
Зная силу тока электризации со всех участков установки,
можно определить избыточный весовой удельный заряд материала
q, Кл/кг, приобретаемый или теряемый им в процессе его переме¬
щения [131, 154]:
2/
? = — (108)
где 2 / — сумма сил токов электризации одного знака (т. е. сумма сил токов
заряда или разряда материала), А;
G — расход материала, кг/с.
Для измерения силы тока электризации на участках пневмо¬
транспортной установки их электрически изолируют один от дру¬
гого и соединяют съемными металлическими перемычками. При
включении измерителя тока в цепь «участок установки — земля»
перемычки, соединяющие его с соседним участком, снимают.
Как показали эксперименты, в пневмотранспортной установке
(как и в любой другой установке, перерабатывающей сыпучие
диэлектрические материалы) имеются зоны генерирования и зоны
160
рассеяния (диссипации) зарядов, причем силы токов в этих зо¬
нах равны по величине и обратны по знаку [153, 154]. Диэлектри¬
ческие материалы заряжаются преимущественно в эжекторах, тру¬
бопроводных линиях, т. е. на тех участках установки, на которых
они энергично взаимодействуют со стенками оборудования:, а раз¬
ряжаются в циклонах и бункерах-накопителях. Однако такое
четкое разграничение зон генерирования и рассеяния электроста¬
тических зарядов характерно лишь для пневмотранспорта грубо¬
дисперсных (например, гранулированных) материалов с высоким
удельным электрическим сопротивлением [156].
В процессе же транспортирования мелкодисперсного продукта
его разряд происходит на тех участках установки (например, на
поворотах линии, в циклонах), на которых резко изменяется аэро¬
динамика потока: падает скорость газа, увеличивается концентра¬
ция материала, изменяется характер его контакта со стенками
оборудования. Так, при пневмотранспортировании сахарной пудры
электризация ее частиц происходит в эжекторном питателе,
а в трубопроводе и циклоне происходит их разряд [153].
Адгезионные покрытия, возникающие на стенках оборудова¬
ния, о чем говорилось выше, изменяют расположение зон гене¬
рирования и рассеяния зарядов в пневмосистеме, а также резко
снижают электризацию частиц перемещаемого материала, способ¬
ствуя симметричному заряжению и, как следствие, коагуляции и
ухудшению истечения этих частиц из разгрузочных отверстий ап¬
паратов при их опорожнении.
Следует учитывать, что пленочное покрытие, возникшее на
стенках пневмолинии и аппаратов при транспортировании одного
материала, может представлять известную опасность при переме¬
щении по этим же трубам другого диэлектрического материала.
Большой интерес представляют разрабатываемые аналитиче¬
ские методы расчета силы тока электризации (или плотности
тока) по параметрам, характеризующим физические свойства ма¬
териала труб и транспортируемых частиц, режим их транспорти¬
рования, так как исследование электризации сыпучих материалов
на натурных установках и их моделирование связаны со значи¬
тельной трудоемкостью.
Сила тока электризации, возникающего при пневмотранспор¬
тировании сыпучих пластиков в горизонтальных и вертикальных
участках трубопровода, определялась [157, 158] по следующей мо¬
дели процесса электризации.
Величина заряда q частицы перемещаемого материала про¬
порциональна ее площади контакта (соударения) S со стенкой
трубопровода и плотности заряда о на этой площади
q=*Sc7
Тогда плотность тока /, возникающего на единице внутренней
поверхности пневмотранспортного трубопровода, равна
j = Nq = NSa (109)
где — N число соударений частиц на единицу длины трубопровода в единицу
времени, м-1*с-1.
Рассчитывая площадь контакта частицы (площадь единичного
соударения) со стенками пневмолинии по формулам классической
теории удара и определяя число соударений через амплитуду
пульсационной скорости частиц и их число в единице объема
потока, получаем выражение для расчета плотности тока электри¬
зации на участке трубы пневмолинии:
/ = 0>36 [(6Ч + &г) Рм]0,4 ikn d 07 [ jg (Re/8) ] ОЮ)
где бч, бт — постоянные материала частицы и стенки трубы в теории контакта
Герца, м2/Н;
рм — плотность материала, кг/м3;
i — коэффициент скольжения твердой фазы относительно несущего газа
на длине трубопровода;
ки— объемная концентрация транспортируемого материала в потоке,
м3/м3;
d — диаметр транспортируемых частиц, м;
G — отношение амплитуды пульсационной скорости и транспортируемых
частиц к амплитуде пульсационной скорости газового потока;
v — скорость транспортирующего газа, м/с;
Re — число Рейнольдса, отнесенное к диаметру трубопровода.
Плотность зарядов о на площади единичного соударения
частицы материала со стенкой трубопровода определяется по ее
гипотетической зависимости от радиуса контактного пятна 6, по¬
строенной на основании предположения, что при отрыве этой ча¬
стицы от стенки трубы и расстоянии между ними, равном радиусу
6, электрическая прочность воздуха будет минимальной.
Зная /, можно определить силу тока электризации /э
/9 = jnDL (111)
где D — диаметр трубопровода, м;
L — длина трубопровода, м.
Подставляя в уравнение (111) выражение (110), получаем
/э= 1,12 [(дч + 6Т) рм]0-4Lika<J [ jg^e/8) ]1’8 (112)
Авторы [157, 158] не указывают, при каких размерах пнев¬
молинии (L и D) можно использовать эту формулу, однако оче¬
видно, что ее можно применять лишь для коротких и небольших
по диаметру труб. В противном случае удельный весовой избы¬
точный заряд материала, рассчитываемый по формуле (108),
может превысить максимально возможное значение (^макс), огра¬
ниченное пробивной прочностью воздуха.
Приведенные выше аналитические уравнения для расчета силы
тока электризации и его плотности подтверждаются эксперимен¬
тальными данными не для всех материалов. Так, эксперименты,
проведенные при транспортировании гранулированных полипро¬
пилена и полистирола, а также эмульсионного полипропилена в го*
162
ризонтальных трубопроводах, показали удовлетворительное со¬
ответствие между рассчитанными и опытными значениями токов
электризации [154].
Плотность тока электризации, измеренная при пневмотран¬
спортировании эмульсионных сополимера ЛП-9 и полипропилена
по вертикальным трубопроводам, существенно отличалась от рас¬
четных данных [157]. Это можно объяснить тем, что при выводе
формулы для расчета силы тока электризации принята весьма
упрощенная модель процесса электризации, при этом не был уч¬
тен ряд существенных факторов (поле потока заряженных частиц,
поверхностная плотность зарядов на внутренней поверхности ди¬
электрических трубопроводов и др.), влияющих на этот процесс.
Следует отметить, что явление электризации — весьма слож¬
ный процесс, зависящий от метеорологических условий, характера
протекания технологического процесса и ряда трудно учитывае¬
мых обстоятельств (загрязнение аппарата и материала, дополни¬
тельное его измельчение в процессе переработки и его коагуляция,
возникновение адгезионных покрытий на стенках аппарата и др.).
Поэтому точно рассчитать заряд материала на любом участке
пневмотранспортной установки по его физическим свойствам и па¬
раметрам технологического процесса с учетом геометрии оборудо¬
вания пока не представляется возможным.
Электризация сыпучих материалов в циклонных аппаратах.
Для оценки уровня электризации сыпучих материалов в циклон¬
ных аппаратах в работе [145] использовали метод измерения
силы тока электризации, возникающего в цепи «измерительный
участок — земля». Измерения заряда материала и его знака по вы¬
соте аппарата проводили на экспериментальном циклоне (ЦН-15
НИИОГАЗ), который был изготовлен из диэлектрического мате¬
риала и выложен внутри металлическими обкладками, имеющими
наружные выводы, соединенные через измеритель тока и самописец
с землей [159].
К измерителю тока также могли быть подключены любые
участки пневмотранспортной установки, концевым аппаратом ко¬
торой был исследуемый циклон. По величине тока электризации
всех участков этой установки рассчитывали по формуле (108)
средний удельный заряд материала, приобретаемый или теряемый
им в процессе сепарации.
В предварительных опытах в качестве экспериментального
материала использовали суспензионный полистирол, как наиболее
сильно электризующийся материал из числа широко применяемых
в промышленности полимеров. Однако было установлено, что этот
продукт легко образует на стенках аппарата пленку, которая
препятствует накоплению заряда на его частицах. Поэтому основ¬
ные исследования выполнили на эмульсионном (средний размер
частиц 140 мкм) и гранулированном (средний размер гранул
~3 мм) полипропилене, проявлявших в меньшей степени указан¬
ное выше отрицательное свойство.
6*
163
Исследования [145, 160] показали, что эмульсионный поли¬
пропилен приобретает основной заряд в пылевпускной трубе и
улитке циклона; разряжается же, как правило, в конусе аппарата
и его бункере. Резкое увеличение концентрации заряженного ма¬
териала, происходящее при его попадании из пылевпускной трубы
в циклон, т. е. в результате образования жгута, приводит к воз¬
никновению электрического поля.
Рассматривая жгут в виде тонкого слоя равномерно заря¬
женного материала с шириной Ь, которая намного больше его
толщины d, можно найти распределение в нем этого поля, решая
уравнение Пуассона при следующих граничных условиях: л: = 0,
Ф = 0, так как корпус циклона заземлен
-к ,Ш|
где ф — потенциал» В\
Р — ~ объемная плотность заряда в жгуте, Кл/см3;
рж — объемная плотность материала в жгуте, г/см3;
q — удельный весовой заряд материала, Кл/г;
8 — диэлектрическая постоянная аэрозоля жгута;
е0 — диэлектрическая постоянная вакуума, Кл/(В-см);
Bj = 8,854-Ю-12 Ф/м « 10-13 Кл/(В - см);
х — текущая координата (рассматривается одномерное поле), см;
G = pd— поверхностная плотность зарядов, Кл/см2;
Е — напряженность электрического поля в жгуте материала, В/см.
Решение уравнения (113) имеет следующий вид:
Е ^ p(d — x) ^ рж*7 (d — х)
ее0 ее0 ' '
При х = 0 получим выражение для расчета напряженности поля
на стенке аппарата:
с P^dq /1 • р'\
Ест 71
ооо
Из формулы (107) находим, что
G
Рж ~vjT
Учитывая выражение (115), получаем:
Е -
ст vMbe0B
Максимальная напряженность электрического поля на стенке
аппарата:
Емак°= <£в (117)
где Ев — электрическая прочность воздуха.
Из уравнения (117) можно получить выражение для расчета
предельного заряда материала в жгуте:
<?макс = ее°£“а*с°м6 (Ц8)
(116)
164
Таким образом, если заряд материала q < #макс, то материал
заряжается в циклоне, если q > дМакс, то он разряжается.
Скорость движения материала в жгуте вычисляли по формуле
(107), предварительно определив количество этого материала ме¬
тодом «отсечек» (т. е. одновременным прекращением подачи и
выхода пылегазового потока из аппарата и последующим взве¬
шиванием оставшихся в нем твердых частиц) и длину жгута из¬
мерением его траектории в циклоне из светопрозрачного мате¬
риала. Эта величина, начиная с определенного содержания твер¬
дых частиц в воздухе (~ 160 г/м3), оставалась постоянной,
независимо от концентрации материала в потоке и скорости его
входа в аппарат.
Рис. 70. Зависимость предельного заряда q порошка полипропилена от его
расхода G для различных скоростей воздуха на входе в циклон:
/ — 15 м/с; 2 — 20 м/с; 3—25 м/с.
Рис. 71. Зависимость плотности тока электризации j гранулированного поли¬
пропилена в циклоне от его содержания в газовом потоке С при различных
скоростях входа воздуха в аппарат:
/ —ивх=15 м/с; 2 —ивх=20 м/с.
Ширина жгута при значениях запыленности газового потока
меньше граничного (при котором происходит разрушение жгута)
также практически не изменялась.
Таким образом, параметры, входящие в числитель выражения
(118), в условиях проведенного эксперимента имели постоянные
значения. На рис. 70 показана зависимость q = f(G), полученная
экспериментально при различных скоростях входа потока в циклон.
Из графика видно, что на величину удельного заряда материала,
при котором начинается его разряд в аппарате, существенно
влияет расход этого материала, что качественно подтверждает
правильность формулы (118).
Отсутствие жгута при сепарации гранулированного полипропи¬
лена (см. стр. 156), а следовательно, и отсутствие локального уси¬
ления электрического поля, влияет на процесс электризации: ма¬
териал только заряжается в сепарационной части циклона, а раз¬
ряжается в его бункере. Как показал эксперимент, зона разряда
165
этого материала не зависит от технологических параметров про¬
цесса сепарации.
На рис. 71 представлена зависимость плотности тока электри¬
зации гранулированного полипропилена от его содержания в га¬
зовом потоке. График показывает, что между вышеуказанными
параметрами в определенных пределах существует пропорциональ¬
ная связь. Перегиб прямой можно объяснить тем, что при опре¬
деленной концентрации материала в потоке не все его гранулы
участвуют в создании тока электризации.
Электризация дисперсной фазы и фильтрующей ткани в ру¬
кавных фильтрах. Частицы твердых материалов, улавливаемых
рукавным фильтром, уже до контакта с фильтрующей тканью не¬
сут на себе электростатический заряд, приобретенный ими при
пневмотранспортировании и сепарации в циклонах, а также при
взаимодействии с внутренней поверхностью самого фильтра. Они
также заряжаются, отделяясь от фильтрующей ткани, при ее ре¬
генерации; сама же ткань получает заряд противоположного знака.
Рис. 72. Изменение электрического поля в рукавном фильтре [264].
Закономерности электризации частиц улавливаемого материала
и фильтрующей ткани практически не изучены, однако известно,
что их электростатические заряды, а также скорость диссипации
этих зарядов оказывают существенное влияние на весь процесс
фильтрации [161].
С ростом электростатической составляющей силы адгезии твер¬
дых частиц к волокнам фильтрующей ткани эффективность ее
регенерации падает, но одновременно увеличивается к. п. д.
фильтра [161]. Электрическое поле (рис. 72), создаваемое в фильт¬
рах зарядами твердых частиц и ткани рукавов, обусловливает
в ряде случаев появление электростатических разрядов, виды и
воспламеняющая способность которых рассмотрены ниже.
Разряды с изолированных (незаземленных) проводящих эле¬
ментов оборудования. Проводящие изолированные элементы обо¬
рудования (кольца жесткости рукавов фильтров, пеналы термо¬
метров и термопар, перегородки аппаратов, крепежные детали
и др.) могут приобретать электростатический заряд, контактируя
с движущимся дисперсным материалом, а также по индукции
[162, 163]. Потенциал проводника, имеющего электрическую ем¬
и
Фильтр . Время О
отключен Фильтр работает
Конец. Начало
регенерации
166
кость С и сопротивление утечки на землю R и находящегося в по¬
токе заряженных частиц, можно определить по формуле [164]
где / — сила тока проводника, возникающего при ударе о него частиц;
т — время пребывания проводника в потоке.
Таким образом, при большом времени заряжения т потенциал
изолированного проводника определяется величиной зарядного
тока, а также сопротивлением и электрической прочностью его
изоляции.
Выравнивание этого потенциала может происходить в резуль¬
тате искровых разрядов между изолированными и заземленными
частями установки. Так, в рукавном фильтре ФВК [165] изоли¬
рованное кольцо жесткости рукава может разряжаться как на
стенку корпуса этого фильтра, так и на другие кольца жесткости.
Энергию электростатических разрядов с изолированных проводя¬
щих элементов оборудования можно рассчитать по уравнению
где W — энергия разряда, Дж;
С — емкость проводника, Ф;
U — потенциал проводника, В;
Q — количество зарядов, Кл.
Эти разряды характеризуются большой воспламеняющей спо¬
собностью. Так, в искровом разряде с проводника размером
с трехкопеечную монету (емкость 1,25 пФ) при напряжении 20 кВ
выделяется энергия в 0,25 мДж, достаточная для зажигания многих
газо-паровоздушных смесей [166]. Разряды с проводников, имею¬
щих большую емкость при том же потенциале, могут воспламенить
пылевоздушиые смеси многих горючих материалов.
Следует учитывать, что электростатические разряды с изоли¬
рованных проводников, расположенных на внешней стороне аппа¬
ратов из диэлектрических материалов и заряжающихся в резуль¬
тате электростатической индукции, могут представлять серьезную
опасность для пылевоздушных смесей, имеющихся в помещении,
где расположена пневмотранспортная установка.
Разряды с человека (оператора). Все сказанное о разрядах
с незаземленных проводящих элементов оборудования можно от¬
нести и к разрядам с человека, являющегося проводником с ем¬
костью 100—350 пФ, как правило, изолированным от земли
непроводящей обувью [163, 167]. Человек может заряжаться при
ходьбе, а особенно сильно при контакте с заряженной поверх¬
ностью оборудования и по индукции. Электростатические разряды
с человека могут быть источником воспламенения пылевидных
материалов, чувствительных к искровому разряду.
Электростатические разряды с поверхности диэлектрических
пластин и пленок. Емкости из стеклопластиков все шире исполь¬
(119)
1 1 о2
w = JCU2 = lQU = W
(120)
167
зуют в качестве бункеров в системах пневмотранспорта или сило-
сов для складирования различных дисперсных материалов: гранул
или порошков пластмасс, кормов, муки и др. Они коррозионно¬
устойчивы и имеют малый вес. Для защиты от коррозии аппаратов
из металлов их футеруют также полимерными материалами.
Интенсивное заполнение или опорожнение емкостей сыпучими
материалами обусловливает электризацию их стенок, выполненных
(или футерованных) из пластмассы и, как следствие, электроста¬
тические разряды с них на различные конструктивные элементы:
болты, загрузочные желоба, пеналы термометров, ребра жесткости
и другие детали, находящиеся внутри этих емкостей.
Экспериментальное изучение разрядов статического электри¬
чества с поверхности заряженных трением полимерных пленок и
листов показало, что их геометрия (конфигурация), яркость све¬
чения, число ветвей и параметры импульсов тока существенно за¬
висят от размеров и формы электрода — разрядника [168—170].
Так, разряд с полипропиленовой пленки толщиной 30 мкм, наэлек¬
тризованной трением до плотности зарядов 12—43 мкКл/м2, на
иглообразный электрод представляет собой узкий, исходящий
из его острия, слабо светящийся нитевидный канал, а на электроды
с радиусами 0,1—2,5 мм — слабое свечение вблизи их поверх¬
ности [168]. Для сферических электродов диаметром 10—30 мм
характерен разряд с ярко светящимся коротким стеблем, перехо¬
дящим в крону слабосветящихся нитевидных образований. Элек¬
тростатический разряд на электроды большего диаметра имеет
уже двухступенчатый стебель, тонкие ярко светящиеся каналы и
крону слабосветящихся нитей. Эти разряды, достигая поверхности
заряженного диэлектрика, распространяются вдоль его поверх¬
ности, образуя на ней фигуры, подобные фигурам Лихтенберга.
Поверхность диэлектрика, охваченная разрядом, по своей кон¬
фигурации приближается к окружности с центром, расположенным
по «оси» разряда [170]. Заряд, реализованный в разряде с диэлек¬
трика, увеличивается с ростом плотности зарядов на его поверх¬
ности, причем при 0 = 2,5* 10-8 Кл/см2 на ней возникает новый вид
электростатического разряда — скользящий разряд, в который
стекает большая часть заряда этого диэлектрика [171].
Так, в разряде с полиэтиленовой пленки (толщина 0,25 мм,
размеры 0,62 X0,32 м), имеющей металлическую подложку и за¬
ряженной электрической короной до а = 1,5 • 10~7 Кл/см2, на элект¬
род диаметром 50 мм переносилось 80% от общего количества
зарядов на ее поверхности *.
Таким образом, энергия поля наэлектризованного плоского
диэлектрика при разряде на заземленный электрод выделяется
как в самом разрядном промежутке, так и у поверхности этого
диэлектрика, причем ее объемная концентрация в различных точ¬
* В работе принимали участие Н. М. Кармазинов и С. Е. Малинин.
168
ках области разряда существенно меняется, принимая максималь¬
ное значение в его стебле [170].
Осциллографирование токов разряда показало, что единичный
разряд с поверхности полиэтиленовой пленки, наэлектризованной
трением до а=1,6—1,7 нКл/см2, на электрод диаметром 40 мм
фактически представляет собой серию одиночных импульсов с дли¬
тельностью порядка 1 мкс, следующих один за другим с некоторой
скважностью. Второй импульс тока следует через 80—130 мкс
после первого, а все последующие проходят с большей часто¬
той [170]. Объем зоны ионизации при электростатическом разряде
в промежутке между плоским заряженным диэлектриком и за¬
земленным сферическим электродом можно аппроксимировать
объемом конуса, высота которого определяется радиусом кривизны
электрода [172]
/ = 22г0’864 (121)
где г — радиус кривизны электрода, м.
Заряд, переносимый единичным импульсным разрядом стати¬
ческого электричества, и его энергия также растут с увеличением
радиуса электрода. Это можно объяснить тем, что разряд на элек¬
трод большего диаметра происходит при больших потенциалах
поверхности диэлектрика, так как поле в промежутке в этом слу¬
чае более равномерно, чем при разряде на электрод меньшего
размера [170].
Величина заряда в электростатическом разряде при прочих
равных условиях зависит от размеров поверхности заряженного
диэлектрика. Например, с увеличением диаметра пленки полипро¬
пилена от 11 до 37 см заряд в разряде возрастает с 0,09—0,15
до 0,44—0,49 мкКл [454].
Воспламеняющая способность электростатических разрядов
с заряженных даэлектрических пластин и пленок на заземленные
электроды исследовалась на газо-паровоздушных смесях различ¬
ной чувствительности к искровому разряду, т. е. имеющих различ¬
ную ГМ1га [168, 169, 171, 172].
Так, разрядами с полиэтилена толщиной 6,3 мм, заряжаемого
трением о шерстяную ткань, были воспламенены с 50%-ной вероят¬
ностью метан и пары растворителей (ацетона, метанола, толуола,
циклогексана и диоксана), т. е. те горючие среды, минимальная
энергия зажигания которых не превышает 0,7—0,8 мДж [169].
Разрядами с пленок полиэтилена и полипропилена толщиной
0,03—0,1 мм, заряжаемых также трением, удалось воспламенить
газо-паровоздушные смеси с минимальными энергиями зажигания
не свыше 10 мДж, хотя их энергия достигала 36 мДж [154, 168].
Следует отметить, что приведенные данные относятся к элект¬
ростатическим разрядам с отрицательно заряженных диэлектри¬
ческих поверхностей, имеющих более высокую воспламеняющую
способность, чем разряды с поверхностей положительно заряжен¬
ных диэлектриков [171]. Публикаций о зажигании пылевоздуш¬
169
ных смесей (ПВС) электростатическими разрядами с диэлектри¬
ческих пластин и пленок в конкретных условиях эксперимента не
обнаружено. Однако имеются сообщения о том, что разряды типа
диэлектрик — газ (промежуток) —заземленный электрод (кисте¬
вые разряды) не могут воспламенить ПВС таких материалов, как
корма, мука, порошки пластмасс [173], но они, несомненно, пред¬
ставляют опасность в емкостях при хранении сыпучих пластиков,
выделяющих горючие газообразные вещества.
Возможность же воспламенения ПВС в работе [171] связы¬
вают с появлением на диэлектрике скользящих разрядов. Однако
возможность заряжения диэлектрических стенок бункеров и си-
лосов до а^2,5-10~8 Кл/см2 (т. е. до той плотности зарядов, при
которой появляются эти разря¬
ды) при их опорожнении и на¬
полнении сыпучими диэлектри¬
ками требует эксперименталь¬
ного уточнения.
Электростатические разряды с
поверхности осевшего сыпучего
материала. Сыпучий материал,
наэлектризованный при транс¬
портировании и сепарации, попа¬
дая в бункера пневмотранспорт-
ных систем, заряжается, причем
разряд за счет его проводимости
неопасен для технологического
процесса. Возможность же вос¬
пламенения горючих пылевоздуш¬
ных смесей связана с возникно¬
вением одного из видов газового
разряда на заземленные стенки
и конструктивные элементы (пеналы термометров и термопар,
ребра жесткости и др.) этих аппаратов, несмотря на то, что их
защита выполнена в соответствии с правилами [174].
Величину электрического заряда, участвующего в единичном
импульсном разряде с поверхности наэлектризованного и осевшего
в бункере пневмотранспортной установки сыпучего материала
[175, 176], определяли осциллографированием [177]. Для этого
металлический электрод, на который формировался этот разряд,
заземляли через интегрирующую RC-цепочку, подключенную па¬
раллельно входу катодно-лучевого осциллографа (рис. 73). По зна¬
чениям напряжений U на обкладках конденсатора интегрирующей
цепочки RC, регистрируемым осциллографом, рассчитывали ве¬
личину зарядов Q в импульсных электростатических разрядах:
Q = CU (122)
По балансу сил токов, измеренных на всех участках экспери-:
ментальной пневмотранспортной установки, и расходу исследуе-;
Рис. 73. Принципиальная схема из¬
мерения зарядов в импульсных раз¬
рядах с поверхности наэлектризо¬
ванного сыпучего материала:
1 — бункер; 2—материал; 3 —электрод;
4— резистор; 5 —конденсатор; 6—осцилло¬
граф.
170
мого материала, в качестве которого использовались гранулиро¬
ванный полипропилен (dCp~3 мм), эмульсионный полипропилен
(#ср — 142 мкм) и суспензионный полистирол (dcp = 400 мкм),
определяли величину удельного заряда [см. уравнение (108)],
с которым этот материал поступал в бункер установки. Экспери¬
ментом показано, что наибольшие по величине заряды наблюда¬
ются в импульсных разрядах с заряженного гранулированного
полипропилена на заземленный сферический электрод, располо¬
женный над его поверхностью в центре бункера.
Электростатические разряды на сферические электроды, вне¬
сенные в электрическое поле, созданное заряженными гранулами
полипропилена в бункере пневмотранспортной установки, харак¬
теризуются светящимся каналом (стеблем), от которого к поверх¬
ности пластика распространяют¬
ся тончайшие светящиеся нити
ветвистой формы. Сфотографи¬
ровать полностью эту картину
разряда, которая наблюдалась
визуально в полной темноте при
длительной адаптации глаза,
вследствие очень слабого свече¬
ния нитевидных образований не
удалось. На фотографии (рис. 74)
получились лишь стебли разря¬
дов, имеющие более яркое свече¬
ние. Большое количество светя¬
щихся каналов на электроде объ¬
ясняется длительной ^выдержкой
лри фотографировании разрядов и высокой частотой их следова¬
ния. Разряды с заряженного гранулированного полипропилена на¬
поминают по своей геометрии разряды с поверхности листовых
диэлектриков, однако их сечение значительно слабее, что гово¬
рит о меньшем количестве энергии, выделяемой в этих раз¬
рядах.
Величина напряжения U на цепочке /?С, определяемая по осцил¬
лограмме, и соответственно количество заряда в импульсном раз¬
ряде с исследуемого наэлектризованного материала, связанное
с U зависимостью (122), являются случайными или статистиче¬
скими величинами. Статистической обработкой полученных экспе¬
риментальных данных установлено, что U и Q подчиняются ло¬
гарифмически нормальному закону распределения (ЛНР) с плот¬
ностью вероятности, определяемой равенством [178]
Рис. 74. Фотография разрядов с по¬
верхности гранулированного поли¬
пропилена на электрод диаметром
20 мм.
Ф (*):
1
(lg x-\g £)г
2 О2
ст Y 2п
(123)
ГДе lg I — математическое ожидание логарифмического ряда;
а — его среднеквадратичное отклонение.
171
Зная закон распределения исследуемой величины, можно найти
вероятность ее попадания в заданный интервал или определить
с заданной вероятностью появление максимального значения этой
величины..
Так, вероятность того, что отклонение случайной величины
(в данном случае величины заряда в импульсном разряде), рас¬
пределенной по JIHP, от математического ожидания не превзойдет
по абсолютной величине а>0, равна [178]
P{|lg*-lgE|<a}=<D (-£) (124)
Таким образом, определив значение а и lgg статистического
распределения Q, полученного экспериментально, можно найти
Рис. 75. Кривые плотности ЛНР напряжения на интегрирующей цепочке при
импульсных разрядах с поверхности гранулированного полипропилена при
различных диаметрах D бункера:
1 '—D = 250 мм; 2 — £> = 150 мм; 3—D= 100 мм; 4—D = 80 мм.
максимальное значение заряда QMaKc в разряде с заданной вероят¬
ностью. Сравнивая QMaKc с допустимым значением заряда в раз¬
ряде, можно оценить возможность появления аварийной ситуации
в бункере [179].
Полученные кривые распределения напряжения на интегрирую¬
щей RC-цепочке, фиксируемого осциллографом при разрядах
с гранулированного полипропилена в бункерах различного диа¬
метра, наглядно показывают уменьшение вероятности появления
больших зарядов в разрядах с уменьшением поперечного сечения
аппарата (рис. 75). По средним значениям этих распределений
построена графическая зависимость величины заряда, стекающего
в импульсном электростатическом разряде, от площади попереч¬
ного сечения бункера (рис. 76).
Проведенные опыты показали отсутствие импульсных электро¬
статических разрядов (с зарядом более 10~и Кл) с поверхности
172
наэлектризованных эмульсионного полипропилена и суспензион¬
ного полистирола, несмотря на то, что их удельный заряд, состав¬
лявший соответственно 45 и 37 мкКл/кг, намного превышал удель¬
ный заряд (1,2 мкКл/кг) гранулированного полипропилена. Ана¬
логичные результаты получены также при измерении величины
заряда в разрядах с размолотой серы [180].
Импульсный разряд с заряженного гранулированного мате¬
риала и его отсутствие с мелкодисперсного можно предположи¬
тельно объяснить различным поведением их частиц в электриче¬
ском поле, созданном ранее осевшим в бункере материалом. Это
предположение (поскольку весьма сложно количественно описать
процессы, происходящие при осаждении заряженных частиц ма¬
териала в бункере) можно под¬
твердить лишь качественно, де¬
лая при этом ряд допущений:
1) считаем, что твердая час¬
тица падает в бункере со ско¬
ростью витания, т. е. силы со¬
противления воздуха и тяжести,
действующие на нее, взаимно
уравновешены;
2) рассматриваем два случая
движения частицы:
а) в вертикальном однородном
электрическом поле (рис. 77,а),
когда полный вектор напряжен¬
ности поля направлен навстречу
движения частицы. В свободном пространстве существование та¬
кого «внезапно падающего» однородного поля противоречило бы
теории потенциала, однако мы принимаем его для рассмотрения
качественного различия движения крупных и мелких частиц над
осевшим в бункере материалом. Подобным образом задается элек¬
трическое поле при некоторых расчетах в электронной оптике;
б) в горизонтальном однородном поле (рис. 77,6), когда его
полный вектор напряженности перпендикулярен начальному на¬
правлению движения частиц;
3) рассматриваем частицы в виде сферы;
4) не учитываем влияние сил, действующих между заряжен¬
ными частицами [181], на характер их движения в бункере.
Учитывая эти допущения, рассмотрим движение заряженной
частицы в вертикальном однородном электрическом поле
(рис. 77,а). Для определения напряженности этого поля, при ко¬
торой частица будет им уравновешена, используем теорему
о кинетической энергии материальной точки [182]: изменение ки¬
нетической энергии движущейся материальной точки равно работе
приложенной к ней силы на пройденном этой точкой пути. Равен¬
ство, выражающее эту теорему, выглядит следующим образом:
Г2~Г! = Л (125)
173
Рис. 76. Зависимость величины за¬
ряда в разряде с гранулированного
полипропилена от площади F попе¬
речного сечения бункера.
mv0 л
где Т2 = — “ кинетическая энергия частицы в точке Л;
_ mv2 D
Г j = — кинетическая энергия частицы в точке В\
Vo* —ее начальная скорость;
m — масса частицы;
v — скорость частицы в точке В\
А — работа сил электрического поля;
УАв — ПУТЬ> проходимый частицей в поле;
q4 — заряд частицы;
Е — напряженность электрического поля;
Uв — UА — разность потенциалов между точками А и В.
Таким образом, заряженная частица, попадая в бункер, дости¬
гает поверхности ранее осевшего в нем материала, если ее
кинетическая энергия больше работы, которую необходимо затра¬
тить, чтобы перевести частицу из точки А поля в точку В
(см. рис. 77, а).
Решим уравнение (125). Примем, что частица остановится
в точке В, не достигнув точки С, т. е. поверхности осевшего
в бункере материала. Тогда и = 0, Тi = 0 и
Определив массу и скорость витания частиц известными ме¬
тодами [14], а их заряд по удельному весовому заряду мате¬
риала, получим: для частиц dcр = 142 мкм
Таким образом, частицы эмульсионного полипропилена урав¬
новешиваются полем при его напряженности, много меньшей той,
которая необходима для уравновешивания гранул.
Рассмотрим движение заряженной частицы материала в гори¬
зонтальном однородном поле (рис. 77,6). Согласно второму закону
Ньютона, дифференциальные уравнения движения частицы, обла¬
дающей зарядом q4 в пространстве, где имеется вышеуказанное
поле, будут следующими [183]:
а для гранул dcР = 3,3 мм
(127)
(128)
174
Вычислим угол 0, на который отклонится полем частица до ее
соприкосновения с поверхностью осевшего в бункере материала
dy
1^ = -" = У0 = const
Интегрируя уравнение (128), получаем
vx:
где С — постоянная интегрирования.
■■■3^-Et + C
т
Рис. 77. Схема движения заряженной частицы материала в вертикальном (а) и
горизонтальном (б) однородных электрических полях:
1 — частица; 2 —осевший материал* 3 — стенка аппарата.
При t = 0 и vx = 0 постоянная С = О
тогда
dx
Vx ' dt
— Et
где t время пребывания частицы в электрическом поле.
Тогда
tg 0 = — = — * dy — q4 Е 1
dy dt dt tn Уд
а отклонение частиц по горизонтальной оси
дчЕ12
х = I \
mv\
Подставляя в последнее выражение значения q4, т и а0, полу¬
чаем для частиц эмульсионного полипропилена л: = 2,32-10-4 ЕР м,
а для гранул х = 2,78 * 10-8 Е12 м.
Таким образом, мелкодисперсные частицы будут отклоняться
одним и тем же электрическим полем от направления своего пер¬
воначального движения приблизительно в 104 раз сильнее, чем
гранулы.
175
В реальных условиях в любой точке электрического поля бун¬
кера на заряженную частицу действуют как выталкивающая сила,
так и сила, перпендикулярная ее движению, обусловленные со¬
ставляющими полного вектора напряженности этого йоля. Кроме
того, при оседании заряженных частиц происходит их электроста¬
тическое рассеяние [18]: электрические силы, действующие между
ними в униполярно заряженном аэрозоле, препятствуют их оса¬
ждению в одно и то же место бункера, т. е. образованию в нем
локального усиления электрического поля. Таким образом, в бун¬
кере, в который попадает заряженный мелкодисперсный материал,
идут два процесса: «саморегуляция» поля, т. е. отклонение осе¬
дающих частиц от той части поверхности, где уже осел материал
и поле усилено, и разряд слоя частиц, обусловленный их проводи¬
мостью. Эти процессы препятствуют образованию в аппарате полей
высоких напряженностей.
При оседании же гранул саморегуляции поля не происходит;
некоторое количество гранул, попавших в одно и то же место
бункера, создают в нем «перенапряжение», которое предопреде¬
ляет возникновение импульсного разряда с их поверхности.
Электростатические разряды с диэлектрических пневмотранс-
портных труб. Внутренние поверхности пневмотранспортных труб
и смотровых вставок из диэлектриков электризуются в процессе
перемещения по ним частиц сыпучих материалов. Величина мак¬
симальной плотности зарядов ai на этих поверхностях определя¬
ется электрической прочностью £Пр и относительной диэлектри¬
ческой проницаемостью е материала стенок труб
or i = ее0£Пр (129)
Так, 01 для трубы из стекла марки 13В, имеющего 8 = 5, a Euv =
= 48 кВ/мм, равна 2120 мкКл/м2. Действительная величина по¬
верхностной плотности заряда на внутренней поверхности трубы
зависит от диэлектрических свойств материала этой трубы и
перемещаемого продукта, его дисперсности и режима транспорти¬
рования, внешних условий (влажности и температуры) и от мно¬
гих других трудноучитываемых факторов.
Плотность зарядов о2 на внешней поверхности трубы, возни¬
кающих при ее коронировании, отличается от на величину,
соответствующую электрической прочности воздуха [184, 185]
|oj|>|or2|>|ori — е0£в|
где Ев — электрическая прочность воздуха.
Электростатические заряды, возникающие на внутренней и на¬
ружной поверхностях трубы, способствуют при определенных
условиях формированию на них разрядов статического электри¬
чества: поверхностных разрядов, разрядов на заземленные пред¬
меты, а также электрического пробоя стенок трубы.
При плотности зарядов оПр па трубе, создающей в ее стенках
электрическое поле с пробивной напряженностью, возникают раз¬
176
ряды противоположной полярности одновременно по внешней и
внутренней поверхностям этой трубы или пробой ее стенок [184].
Последний сопровождается появлением сквозных отверстий в стен¬
ках трубы, а при использовании стеклянных труб — их растрески¬
ванием и разрушением.
Поверхностные разряды, возникающие при пневмотранспорти¬
ровании муки по трубам из полиэтилена, имели следующие пара¬
метры: длину до 1,6 м, силу тока в разряде до 2,5 А, длительность
импульса тока 50—100 мкс, количество электричества в разряде
порядка МО-4 К л, энергию до 10,6 Дж [156].
При плотности заряда на трубе меньше опр скользящие раз¬
ряды возникают лишь при введении в эту трубу заземленных
Рис. 78. Разряд по поверхности трубы из стекла 13В при внесении в нее
заземленного электрода.
предметов. Величина заряда в разряде с поверхности диэлектри¬
ческой пневмотранспортной трубы существенно зависит от плот¬
ности зарядов на ее внутренней поверхности. При Oi=anp в сколь¬
зящий разряд стекает практически весь заряд, накопленный на
трубе [184]
Рмакс ^ 0^1*5 = Jteeo DLEUp (130)
где QMaKc — максимальный заряд в разряде;
S — поверхность трубы;
L — длина трубы;
D — диаметр трубы.
При 01<0Пр в разряд реализуется лишь часть общего заряда
трубы; эта часть увеличивается с увеличением (5\. Величина заряда
в разряде (рис. 78) со стеклянной трубы (стекло 13В), заряжен¬
ной в поле коронного разряда до 10-4 К л, на сферический электрод
Диаметром 50 мм составляла не более 6 -10-5 Кл.
Следует отметить, что возникновению электростатических раз¬
рядов с диэлектрических пневмотранспортных труб способствуют
177
их дефекты: закрытые полости и пузыри, инородные включения
и др. В соответствии с ГОСТ 8894—58, регламентирующим техно¬
логические требования к трубам из стекла, допускаются: откры¬
тые пузыри на наружной поверхности труб, если их глубина не
превышает одной трети толщины стенки; нережущие, оплавленные
инородные включения (неразваренные частицы шихты, закристал¬
лизовавшееся стекло) — не более 2 мм. Указанные дефекты в тру¬
бах (особенно закрытые полости и пузыри) способствуют их про¬
бою при плотностях заряда меньших оПр.
Разряды статического электричества в облаке (аэрозоли)
заряженного дисперсного материала. Еще в 1925 г. были выска¬
заны предположения о том, что разряды, подобные молнии («мол¬
ния в пыли»), могут возникать и в облаках наэлектризованного
дисперсного материала в промышленных условиях. Однако это
явление до сих пор не удалось осуществить экспериментально.
По мнению ряда авторов [186—188], «молния в пыли» не
должна рассматриваться как возможная причина взрыва пыли, ]
в то время как другие утверждают [7, 189—191], что этот источ¬
ник зажигания нельзя не принимать во внимание. По результа¬
там исследований возможности возникновения молниеподобных
разрядов в аэрозолях [189, 192, 193], к сожалению, нельзя опре¬
делить критические условия их появления в аппаратах. Однако
в ряде работ имеются указания о том [190, 193], что они наибо¬
лее вероятны при больших диаметрах аппарата (>5800 мм), вы¬
сокой концентрации пыли в облаке (более 1000 г/м3) и сильных
турбулентных потоках в аппарате.
Оценка воспламеняющей способности разрядов статического
электричества. Для оценки воспламеняющей способности электро-
статических разрядов, возникающих при переработке дисперсных
материалов, пользуются различными методами.
Для проводящей изолированной системы с известной электри¬
ческой емкостью С, находящейся в аэрозоли горючего материала,
критическую величину потенциала £Укр, при которой возможен
разряд с энергией, равной минимальной энергии зажигания WMин
этого аэрозоля, определяют в некоторых методах по уравнению
Так, в работах [66, 194] соответствующее уравнение приме¬
няют для определения f/Kp проводящих аппаратов, содержащих
наэлектризованный сыпучий диэлектрик. Измеряя потенциал U
этих аппаратов относительно земли, оценивают безопасность про¬
водимого в них технологического процесса, основываясь на сле¬
дующем неравенстве: (7<{Укр. При этом предполагают следующее:
1) при U>UnV с заряженного сыпучего материала формиру¬
ется искровой разряд, воспламеняющий его аэрозоль. В действи¬
тельности электростатические разряды возникают только при пере¬
работке круикодисперсного материала, и эти разряды по своей
(131)
178
природе существенно отличаются от искрового разряда (см.
стр. 170);
2) в разряде реализуется заряд всего материала, попавшего
в аппарат емкостью С, хотя, как известно, в разряде с диэлектрика
реализуется только часть его заряда.
При таком методе оценки опасности электризации дисперсных
материалов условия и вероятность возникновения электростати¬
ческого разряда, а также его энергетические характеристики не
рассматриваются. Для оценки опасности электризации стенок
аппаратов, изготовленных из диэлектрических материалов, этот
метод вообще неприменим.
В ряде работ [7, 131, 189] за критерий оценки опасности раз¬
рядов статического электричества принимают величину электри¬
ческой прочности газовой среды в технологическом оборудовании.
Процесс переработки дисперсных материалов считается безопас*
ным, если напряженность электрического поля в аппаратах Е ниже
пробивной £Пр, т. е. Е<Епр. Однако использовать это неравенство
на практике трудно по следующей причине.
Электрические поля в технологическом оборудовании, созда¬
ваемые заряженным сыпучим материалом, находящимся в нем,
являются неоднородными. Развитие электрического разряда в та¬
ких полях начинается в местах их наибольшей напряженности:
около пеналов термометров и термопар, ребер жесткости и других
выступающих внутрь аппарата конструктивных элементов. При ло¬
кальном усилении поля разряд может происходить при весьма
малом значении его средней напряженности.
Таким образом, если измеряемая напряженность поля на стенке
аппарата (наиболее удобное место для установки датчика при¬
бора) значительно меньше пробойной, то это еще не означает, что
формирование электростатических разрядов в объеме этого аппа¬
рата невозможно. Они могут возникать, как уже отмечалось выше,
в местах наибольшей напряженности поля.’Измерение же локаль¬
ных усилений электрического поля на конструктивных элементах,
выступающих внутрь аппарата, сопряжено со значительными
трудностями. Таким образом, установить допустимую (безопасную)
границу напряженностей электрических полей, возникающих в тех¬
нологическом оборудовании, довольно сложно. Поэтому при оценке
опасности электризации дисперсных материалов по указанному
методу считают, что любой электрический разряд в аппарате опа¬
сен для этих материалов. Их чувствительность к искровому раз¬
ряду вообще не учитывают.
Недостатки рассмотренных методов оценки опасности различ¬
ных технологических процессов, сопровождающихся электризацией
перерабатываемых материалов и веществ, могут способствовать
необоснованному ограничению интенсивности этих процессов,
'а в ряде случаев вообще исключать их практическое использо¬
вание.
179
Во многих работах воспламеняющую способность электроста¬
тических разрядов оценивают по их энергии [154, 156]. При этом
в соответствии с уравнением (132) считают, что разряды, энергия
W которых меньше минимальной энергии зажигания WMин горю¬
чей среды* безопасны для нее:
^<6ГМИН (132)
где k — коэффициент безопасности.
Необходимо отметить, что использовать приведенное условие
безопасности в практических расчетах не представляется возмож¬
ным, что обусловлено трудностью оценки энергии электростати¬
ческих разрядов с наэлектризованных диэлектриков.
В существующих рекомендациях для практического использо¬
вания [174, 179] воспламеняющая способность разрядов статиче¬
ского электричества определяется экспериментально: сравнением
заряда в импульсе дМакс> возникающего в производственном про¬
цессе с вероятностью 10_6, с допустимым значением заряда ^доп
для перерабатываемой горючей смеси. В этом случае при удовле¬
творении условия
*7макс < #доп (. 33) '■
разряды статического электричества считаются безопасными.
Допустимый заряд импульса определяется по следующей фор¬
муле:
№мин /тл\
<7доп “ тЖ (134)
где d — длина разрядного промежутка в установке для определения №Мин5
Е — средняя напряженность поля в канале разряда;
k — коэффициент безопасности.
Учитывая, что оптимальная длина искрового промежутка при
определении WMim для пылевоздушных смесей составляет 4 мм
[63], и принимая среднюю напряженность поля в канале разряда
3 МВ/м, а коэффициент безопасности равным 2,5, мы можем фор¬
мулу (134) привести к виду
*7доп == 3,3 • 10 ЭД^мин (135)
Величина заряда в униполярном импульсе разряда статического
электричества определяется по формуле
q = CU
где U — напряжение, измеренное осциллографом на емкости интегрирующей це¬
почки (см. рис. 73).
Исходя из того, что определяемые величины заряда в разряд¬
ном импульсе подчиняются логарифмически-нормальному (J1HP)
закону распределения [145, 179], находят их максимальное зна¬
чение с вероятностью Р= 10~6 по формуле
<7MaKc=10lg9'+4,9S (136)
где lg q — среднее арифметическое логарифмов выборочной совокупности заря¬
дов в разрядных импульсах;
5 — среднее квадратическое отклонение логарифмического ряда.
180
При оценке степени опасности разрядов статического электри¬
чества в горючей среде по неравенствам (132) и (133) представ¬
ляется возможность использовать только значения ее минимальной
энергии зажигания. Необходимо отметить, что на эту величину
существенно влияют параметры разрядного контура L, R и длина
искрового промежутка d.
При найденных оптимальных условиях опыта за минимальную
энергию принимают величину, которую линия графика P = f(W)
отсекает на оси W при вероятности Р=10-2. Величину абсолютно
безопасной энергии, соответствующую принятой условной вероят¬
ности воспламенения (границе безопасности), определяют продол¬
жением прямолинейной вероятностной зависимости P = f(W) в не¬
подтвержденную экспериментом область низких значений энергии.
Этот прием недостаточно обоснован при определении такого
рода параметров, поэтому предлагается для оценки минимальной
энергии зажигания вводить определенный коэффициент запаса
[156, 64].
При экстраполяции, проводимой в предположении, что во всех
случаях сохраняются неизменными прямолинейность и угол на¬
клона вероятностной зависимости P = f(W), не учитывается тот
факт, что предметом математической статистики является фор¬
мальная математическая сторона статистического метода, безраз¬
личная к специфической природе изучаемых объектов [195].
Поэтому граница безопасности требует обоснования с позиций
физических представлений о процессе воспламенения пылевоз¬
душных смесей, так как во всех случаях существует определенный
предел, ниже которого не удается получить воспламенения даже
при значительном увеличении числа искрений [196]. Так, в работе,
проведенной еще в 1956 г. [197], показано, что для определенных
условий опыта вероятностная зависимость при незначительном
снижении силы тока * против значения, соответствующего вероят¬
ности воспламенения Р=10-6, стремится к нулю. Нестабильный
характер воспламенения горючих смесей искровым разрядом обу¬
словливается также несовершенством «аппаратных условий» при
экспериментировании, а поэтому полученные в условиях опыта
статистические зависимости P = f(W) справедливы лишь для этих
условий (их изменение может приводить к изменению и статисти¬
ческой зависимости воспламенения) [196].
Используемое в неравенстве (133) сопоставление величины
заряда, реализуемого в электростатических разрядах любого вида
(скользящих, разрядов с поверхности диэлектриков на электроды
различной формы и размеров), с зарядом в разряде, формируемым
разрядным контуром установки для определения Гмин, не явля¬
* Воспламенямость газо- и паровоздушных смесей от электрических искр
применительно к искробезопасному электрооборудованию оценивается по ве^
личинам воспламеняющих токов и напряжений [198, 199].
ется достаточно обоснованным также по следующим соображе¬
ниям:
1) разряд статического электричества многоканален [168, 170,
176], в отличие от искры в 3—5-миллиметровом разрядном про¬
межутке. ‘В случае выделения одинакового количества энергии
в этих разрядах ее линейная плотность для электростатического
разряда будет, очевидно, меньше, чем для искрового;
2) объемная концентрация энергии электрического поля в раз¬
личных точках области разряда статического электричества суще¬
ственно меняется [170], что нельзя сказать о распределении энер¬
гии в канале искрового разряда, формируемого в разрядном про¬
межутке длиной 3—5 мм;
3) электростатический разряд с заряженного диэлектрика на
заземленный электрод (в отличие от искрового) представляет со¬
бой серийный разряд, т. е. он наблюдается в виде нескольких
дискретных импульсов [154]; об этом свидетельствуют паузы в то¬
ках разряда. Следовательно, энергия, выделяющаяся в разрядном
промежутке за время одного импульса, составляет только часть
от всей выделившейся за разряд энергии. За время между им¬
пульсами, составляющее 100 мкс и более, горючая среда, в кото¬
рой происходит разряд, может отклониться от оптимального для
воспламенения состояния [170];
4) электростатические разряды возникают, как правило, в раз¬
рядных промежутках, значительно превышающих межэлектродное
расстояние. С увеличением разрядного промежутка энергия, необ¬
ходимая для зажигания горючих сред, существенно возрастает
[63, 200]. Так, энергия зажигания взвеси полиэтилена (средний
диаметр частиц 40 мкм) в 12-сантиметровом разрядном проме¬
жутке равна 1—3 Дж [200], т. е. на три порядка превышает ми¬
нимальную энергию зажигания этой же взвеси, определенную для
коротких промежутков. При увеличении энергии искры до 6 Дж
возгорание пылевоздушных смесей полиэтилена происходило с ве¬
роятностью 0,2 и только при энергии искры 9 Дж указанная взвесь
возгоралась при каждом пробое.
Возрастание энергии зажигания с увеличением разрядного
промежутка можно, предположительно, объяснить увеличением по¬
терь на предпробойную («холодную») стадию разряда, что изме¬
няет баланс энергии разряда не в пользу его тепловой составляю¬
щей [196]. Перечисленные отличия разрядов статического электри¬
чества от искровых разрядов, используемых для определения WMmh
обусловливают и их меньшую воспламеняющую способность, что
наглядно показывает и следующий пример.
При пневмотранспортировании муки по трубам из полиэтилена
и стекла на их поверхности происходили весьма мощные электро¬
статические разряды с ярко светящимися, четко сформированными
каналами длиной до 1,6 м [184]. Энергия, выделяемая в этих раз¬
рядах, составляла 10 Дж, однако муку, для которой Гмин равна
11,5 мДж, они не зажигали.
182
Следует отметить, что в просмотренной литературе отсутствуют
экспериментальные данные о воспламенении пылевоздушных сме¬
сей разрядом статического электричества с диэлектрика.
В работе [156]сделана попытка использовать электростатиче¬
ский разряд, возникающий на поверхности полиэтиленовой трубы
при пневмотранспортировании по ней муки, для зажигания аэрозо¬
лей порошков пластмасс. Для этого на поверхность трубы устано¬
вили коллекторы (металлические кольца), которые способствовали
«отрыву» разряда от стенки трубы и попаданию его в искровой
промежуток установки для определения WMim.
Несмотря на то, что в этих опытах аэрозоли полистирола, по¬
липропилена и фталевого ангидрида воспламенялись, нет достаточ¬
ных оснований считать, что это воспламенение вызывалось воз¬
действием разряда статического электричества, так как и в этом
случае разряд, возникавший между металлическими электродами,
существенно отличался от разряда статического электричества кон¬
центрацией энергии.
В работе * исследовалась также возможность воспламенения
аэрозоля продукта (WMnн = 5,8 мДж) электростатическими разря¬
дами с трубы из стекла 13В и полиэтиленовой пленки. Разряды
также направлялись в межэлектродный промежуток установки
(ИУ-1М) [112] для определения WMWн. Эксперименты проводили
по следующей методике.
Внутреннюю поверхность стеклянной трубы (наружный диаметр
92 мм, длина трубы 1 м, толщина стенки 6 мм) подвергали элек¬
тризации в поле коронного разряда, возникающего между корони-
рующим электродом и наружной металлической обкладкой этой
трубы длиной 0,8 м, равноудаленной от ее торцов. Максимальная
плотность заряда на трубе при напряжении на коронирующем
электроде 60 кВ составляла 5• 10-4 Кл/м2.
В заряженную таким образом стеклянную трубу вдоль ее оси
вводили электрод — металлический шар диаметром 50 мм, который
соединяли с разрядным промежутком установки ИУ-1М, где созда¬
вали оптимальную для зажигания конденсированным искровым
разрядом пылевоздушную смесь (рис. 79). Экспериментами обна¬
ружено, что при движении электрода внутри стеклянной трубы
вдоль ее оси возникает 2—3 скользящих разряда, причем первый
и, как правило, самый мощный разряд (см. рис. 78) происходит
при перемещении шара от торца трубы на расстояние 70—150 мм,
последующие же разряды возникают при его попадании во вторую
половину трубы. Максимальная величина заряда, реализованного
с трубы в единичном электростатическом разряде, составляла
0, 6 мкКл. Эта величина определена по напряжению на емкости
в цепи разряда. Аэрозоль исследуемого продукта не воспламенялся
разрядом такой величины, пропускаемым между металлические
электродами установки ИУ-1М. Величина же заряда в контрол? -
* Б работе принимали участие Н. М. Кармазинов и С. Е. Малинин.
183
ных опытах по воспламенению конденсированным разрядом была
в 5 раз меньше, т. е. составляла 0,12 мкКл.
Таким образом, хотя в электростатических разрядах с по¬
верхности стеклянной трубы выделялся значительно больший за¬
ряд, чем в воспламеняющих разрядах с конденсатора ИУ-1М,
электростатическими разрядами исследуемая пылевоздушная смесь
не зажигалась. Для ее воспламенения использовали электростати¬
ческие разряды с большим зарядом в импульсе, возникающие с на¬
электризованной полиэтиленовой пленки толщиной 0,25 мм на ме¬
таллический электрод диаметром 50 мм, также соединенный
с межэлектродным расстоянием уста¬
новки ИУ-1М. Лист пленки распо¬
лагали на заземленном металличе¬
ском листе размером 0,62 X 0,32 м
(при этом поверхность пленки рав¬
нялась внутренней поверхности
стеклянной трубы над металличе¬
ской обкладкой) и заряжали в поле
коронного разряда. Максимальный
заряд в электростатическом разряде
с этой пленки, при котором зажи¬
гался исследуемый аэрозоль меж¬
ду металлическими электродами
ИУ-1М, составлял 2,4-10-4 Кл, т. е.
превышал заряд воспламеняющего
конденсированного разряда в 20 раз.
Повышенный коэффициент запа¬
са при оценкё воспламеняющей спо¬
собности разрядов статического
электричества по неравенствам (132)
и (133) обусловлен не только суще¬
ственным различием параметров (и
как следствие различной воспламе¬
няющей способности), сравнивае¬
мых электростатических и конденсаторных искровых разрядов, но
и методикой [179] определения ^доп и максимального ^Макс зарядов.
Так, величина допустимого заряда ддоп, найденная по формуле
(134), отличается в 7,6—10,6 раза от величины заряда (эмпири¬
ческой) в разряде, воспламеняющего аэрозоль [201], что объяс¬
няется большими значениями средней напряженности поля в меж-
электродном промежутке и коэффициента безопасности, принятых
для расчета.
Как известно [202], с наступлением главноканальной стадии раз¬
ряда градиенты напряжения в межэлектродном промежутке состав¬
ляют всего 800—900 В/см, т. е. величина средней напряженности поля
в канале разряда существенно меньше принятой в формуле (134).
Для расчета величины ^доп в разряде коэффициент безопасно¬
сти принят по аналогии с ПИВЭ равным 2,5 [203], что обеспечивает,
Рис. 79. Принципиальная схема
для исследования воспламеняю¬
щей способности разрядов стати¬
ческого электричества с трубы из
стекла 13В:
1 — металлическая обкладка; 2 — труба-
3 — металлический шар диаметром 50 мм;
4 —-ручка из диэлектрика; 5— вибра¬
ционный распылитель; 6—электроды.
134
по мнению авторов методики, соответствие величины ^доп услов¬
ной вероятности воспламенения меньше ~10-6 [156, 179]. Такой
сравнительно большой коэффициент искробезопасности установ¬
лен ПИВЭ с учетом весьма низкой чувствительности испытатель¬
ных камер и плохой воспроизводимости результатов испытаний
[196]. В 1967 г. с введением ПИВРЭ [199] вместо ПИВЭ этот
коэффициент был принят равным 2.
По-видимому, и для оценки безопасности электростатических
разрядов соответствующий коэффициент можно пересмотреть, тем
более, что значительный запас заложен и условием безопас¬
ности (133).
По методике [179], максимально возможный заряд в разряде
<7макс — это заряд, который может появиться с вероятностью 10-6,
a qдоп — это заряд в таком разряде, который может зажечь горю¬
чую смесь лишь с вероятностью ~10~6. Таким образом, вероят¬
ность появления воспламеняющего разряда статического электри¬
чества (при условии, что он по своей воспламеняющей способности
адэкватен конденсированному искровому разряду) будет опреде¬
ляться произведением указанных вероятностей, т. е. величи¬
ной 10~12. Следует дополнительно учитывать, что вероятность вос¬
пламенения пылевоздушной смеси, определяемая еще и вероят¬
ностью появления ее взрывоопасной концентрации, будет еще
меньше.
Наиболее объективными методами оценки воспламеняющей
способности разрядов статического электричества, а следовательно,
и оценки опасности технологических процессов, в которых они воз¬
никают, могут быть методы, в которых определяется чувствитель¬
ность горючих смесей к разрядам статического электричества,
формируемым в условиях, воспроизводящих реальную производ¬
ственную обстановку.
Вопрос о критерии воспламеняющей способности электростати¬
ческих разрядов применительно к пылевоздушным смесям оста¬
ется и будет оставаться спорным до тех пор, пока не будут прове¬
дены эксперименты по зажиганию аэрозолей электростатическими
разрядами и определены их критические (обеспечивающие зажи¬
гание) параметры.
Анализируя существующие методы оценки опасности электро¬
статических разрядов, возникающих при переработке дисперсных
материалов, следует отметить, что методика, изложенная в работе
[179], является пока наиболее объективной: в ней статистически
учитывается характеристика (заряд в импульсе) самих электро¬
статических разрядов, возникающих (а не гипотетически предпо¬
лагаемых) в реальных условиях. Кроме того, в этой методике
используется весьма важный параметр — чувствительность к искро¬
вым разрядам перерабатываемого горючего материала. Методика
проста и универсальна, она позволяет оценивать воспламеняющую
способность разрядов статического электричества с заряженных
изолированных проводящих элементов оборудования, с рабочих,
185
электризующихся при проведении производственных операций,
с поверхностей заряженных диэлектрических пластин, пленок и
сыпучих тел, с взвешенных в воздухе заряженных частиц. Реко¬
мендуемая для практического применения методика не исключает,
однако, необходимость дальнейшего ее совершенствования с учетом
рассмотренных выше замечаний.
Воспламенение частиц транспортируемого материала
при их соударении со стенками и конструктивными
элементами линий и аппаратов пневмосистем
Соударение частиц транспортируемого материала со стенками
и конструктивными элементами линий и аппаратов пневмосистем
может служить при определенных условиях источником их зажи¬
гания. Критическую скорость транспортирования дисперсного мате-
От
компрессора
Рис. 80. Принципиальная схема установки для определения критической ско¬
рости транспортирования продукта [136]:
./—камера; 2 —отбойная плита; 3— пылевпускная труба; 4— навеска исследуемого мате-*
риала; 5 —устройство для загрузки таблетки исследуемого материала; 6—быстрооткрываку-
щийся электромагнитный клапан; 7—манометр; 8—ресивер; 9 — линия подачи воздуха для
распыления.
риала, т. е. скорость, при которой он может возгореться или взор¬
ваться, ударяясь о преграду, в одной из работ [136] предлагают
определять на специальной установке (рис. 80).
Установка представляет собой пневмосистему, в которой иссле¬
дуемый материал может перемещаться с известной скоростью и
соударяться с отбойной плитой 2, расположенной в камере 1.
Навеску этого материала 4 в виде порошка загружают в камеру,
а таблетку (порошок, спрессованный до определенной плот¬
ности) — в загрузочное устройство 5. Компрессором создается не¬
обходимое давление в ресивере 8, из которого через клапан 6
отбирается воздух для создания пылевоздушной смеси материала
в камере.
Быстрым открыванием электромагнитных клапанов 6 обеспечи¬
вают импульсную подачу воздуха в загрузочное устройство 5 и
186
камеру 1. Воздухом таблетка материала проталкивается в ка¬
меру 1, в которой одновременно образуется аэрозоль исследуемого
материала необходимой концентрации. Эффект, возникающий при
ее ударе об отбойник, фиксируется визуально или специальным
датчиком. Допустимая скорость пневмотранспортирования мате¬
риала должна быть меньше его критической скорости, определяе¬
мой по приведенной выше методике.
Ударом таблетки материала об отбойник камеры имитируется
удар пробки этого материала, часто возникающий при продувке
пневмосистемы. Определение чувствительности к соударению необ¬
ходимо прежде всего для дисперсных материалов, весьма чувст¬
вительных к таким механическим воздействиям, как удар и трение.
К ним относятся различные смеси окислителей с органическими
веществами.
Для чистых окислителей указанная критическая скорость ха¬
рактеризуется весьма большими величинами. Так, для перхлората
аммония она превышает 350 м/с [136].
Теплота трения, искры удара и трения как возможные
источники зажигания материала
в пневмотранспортных установках
Соударение инородных предметов (металлических деталей, кам¬
ней), попавших в пневмотранспортную установку, со стенкамц и
конструктивными элементами ее линий и аппаратов может при¬
вести при определенных условиях к появлению искр от удара и
трения. Оценить их опасность для транспортируемого материала
аналитически не представляется возможным (см. стр. 148). Однако
при перемещении легковоспламеняющихся материалов искры
удара и трения необходимо рассматривать как возможный источ¬
ник их зажигания и принимать соответствующие меры (см. раз¬
дел 5.1).
Выход из строя подшипниковых узлов питателей и затворов ап¬
паратов пневмосистем или попадание в них инородных предметов
может вызвать заклинивание вращающихся элементов. Возникаю¬
щее при этом проскальзывание приводных ремней относительно ве¬
домого шкива, ставшего неподвижным, приводит к их перегреву
; и загоранию. Пламя горящих ремней может попасть в вакуум-
транспортную систему через неплотности и вызвать возгорание
транспортируемого материала.
Попадание инородных предметов в питатели и затворы, мощ¬
ность к которым передается от электродвигателя через редуктор и
обычную (не предохранительную) муфту (а не через приводные
ремни), вызывает быстрочередующиеся удары и трение о них
- вращающихся элементов, разогрев мест трения и удара до высо->
ких температур, опасных для транспортируемого материала.
187
4.3. СУШКА ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.3.1. Общие сведения о сушке
Сушку широко применяют в химической промышленности. Она
обычно является завершающим процессом при получении многих
химических продуктов. Большое разнообразие процессов химиче¬
ской технологии и требований, предъявляемых к готовой продук¬
ции, обусловливают применение различных способов сушки и кон¬
струкций сушилок.
Наибольшее распространение в химической промышленности по¬
лучили сушильные установки непрерывного действия. Сушилки
периодического действия применяют только в тех случаях, когда
требуется весьма тонкое изменение режима сушки [204].
В последние годы в химической технологии для сушки мелко¬
дисперсных материалов широко используют пневмосушилки (трубы-
сушилки) и сушилки с кипящим слоем (КС), а для сушки жид¬
ких и пастообразных материалов — распылительные сушилки.
Принципиальные особенности этого оборудования рассмотрены
ниже. Значительное увеличение температурного напора и размера
поверхности контакта сушильного агента с высушиваемым мате¬
риалом, а также улучшение условий обтекания элементов поверх¬
ности в указанных сушильных установках позволили значительно
интенсифицировать процесс сушки и получить наилучшие техноло¬
гические свойства готового продукта. Так, поливинилбутираль
обычно сушат в полочных сушилках при температуре воздуха
около 65 °С в течение 20—30 ч [205]. Время сушки этого же
продукта в пневмосушилках сократилось до 4 с, однако необхо¬
димая температура процесса повысилась до 130 °С. Производи¬
тельность труб-сушилок на 1 м3 объема приблизительно в три раза
больше производительности барабанных сушилок и к тому же они
более компактны [205]. Процесс сушки в сушилках КС протекает
также значительно интенсивнее, чем в барабанных установках.
Объемный коэффициент теплообмена, отнесенный к слою кипя¬
щего материала, равен 21—42 МДж/(м3-ч-°С), в то время как
для барабанных сушилок он составляет на весь объем не более
2,1 МДж/(м3-ч*°С) [204]. Распылительные сушилки в свою оче¬
редь более эффективны, чем вальцевые, и после высушивания
в них материала не требуются дополнительные технологические
операции, например измельчение. Наряду с отмеченными достоин¬
ствами, пневмосушилки, сушилки КС и распылительные сушилки
имеют серьезный недостаток — они пожаровзрывоопасны при
сушке горючих материалов [206—213].
В литературе приводятся многочисленные данные по исследо¬
ванию и интенсификации тепло- и массообмена процессов сушки
различных материалов, а также обобщен опыт создания, промыш¬
ленного освоения и эксплуатации новых сушильных устройств.
188
Однако их пожаро- и взрывобезопасности уделено мало внимания.
Ниже этот вопрос рассматривается для сушилок КС, пневмосуши¬
лок и распылительных сушилок.
Условия протекания процесса сушки
влажных материалов
Тепловая сушка или просто сушка представляет собой процесс
удаления влаги из твердых влажных материалов ее испарением и
отводом образующихся паров,
осуществляемый двумя основны¬
ми способами:
1) нагреванием высушиваемых
материалов теплоносителем через
твердую непроницаемую пере¬
городку (контактный способ
сушки).
2) нагреванием влажных ма¬
териалов газовым теплоносите¬
лем (воздухом, топочными газами
и др.), контактирующим непо¬
средственно с ними (конвектив¬
ный способ сушки).
Конвективную сушку воздухом
или газом наиболее широко при¬
меняют в химической промыш¬
ленности. К конвективным сушил¬
кам относятся пневмосушилки, сушилки с кипящим слоем и рас¬
пылительные.
Сушка влажного материала возможна лишь при разности дав¬
лений паров жидкости (воды) над ее поверхностью и в окружаю¬
щей среде, а также при разности температур, обеспечивающей
подвод тепла от среды к этому материалу для изменения агре¬
гатного состояния влаги. При омывании частиц влажного мате¬
риала (частиц раствора в распылительных сушилках) в пневмо-
• сушилках и сушилках КС потоком нагретого газа они подогре¬
ваются, в результате этого повышается упругость паров жидкости
над их поверхностью и начинается ее испарение. В начальный
период интенсивность процесса сушки увеличивается с повышением
температуры частиц до температуры мокрого термометра /м, соот¬
ветствующей данному состоянию окружающей среды. Этот период
сушки называют периодом прогрева (рис. 81), участки кривых АВ
и А'В'. Далее процесс сушки протекает в так называемом периоде
постоянной скорости сушки (участки кривых ВС и В'С'), который
характеризуется тем, что давление паров испаряющейся жидкости
над поверхностью испарения равно давлению насыщенных паров
этой жидкости при температуре высушиваемого материала.
Интенсивность испарения в этом периоде не зависит от влажности
189
период суши период суши
Рис. 81. Изменение влагосодержа-
ния W и температуры на поверх¬
ности tn и в центре /ц влажного ма¬
териала при его сушке воздухом
с постоянными температурой tz и
влажностью [204].
частиц материала, а определяется в основном внешними условиями
тепло- и массообмена (температурой и влажностью среды, аэро¬
динамическими условиями обтекания частиц).
Температура частиц высушиваемого материала в периоде посто¬
янной скорости сушки равна температуре адиабатного испарения
жидкости с соответствующими поправками на влияние растворен¬
ных в ней веществ. Этот период сушки, при котором неизменны ее
скорость и температура материала, называют первым периодом
сушки (периодом прогрева материала, который обычно длится не¬
значительное время, пренебрегают).
За периодом постоянной скорости следует период убывающей
скорости, который обычно называют вторым периодом сушки (уча¬
стки кривых СД и С'Л'). Он наступает тем раньше, чем больше
интенсивность сушки и величина частиц высушиваемого материала.
Второй период сушки характеризуется тем, что процесс лими¬
тируется массопроводностью внутри влажного материала, а кон¬
вективная диффузия паров жидкости от поверхности раздела фаз
в поток теплоносителя не оказывает на него существенного влия¬
ния. В этом периоде давление паров жидкости над поверхностью
испарения непрерывно уменьшается и зависит от влажности, тем¬
пературы и размера частиц. Температура же высушиваемого ма¬
териала постепенно возрастает и достигает температуры теплоно¬
сителя tc, когда парциальное давление паров испаряемой жидкости
над поверхностью частиц становится равным ее парциальному
давлению в окружающей среде, т. е. когда процесс сушки прекра¬
щается и влагосодержание материала достигает некоторой вели¬
чины Wp.
Сушка в кипящем слое
Слой дисперсного материала, твердые частицы которого приоб¬
ретают подвижность одна относительно другой вследствие обмена
энергией с потоком газа (ожижающим агентом), называется псев-
доожиженным или псевдокипящим (часто называют просто кипя¬
щим) слоем, так как он обнаруживает свойства, аналогичные
свойствам жидкостей. Сушка в кипящем слое в последние годы
получила широкое распространение в различных отраслях хими¬
ческой промышленности, что обусловлено преимуществами этого
способа по сравнению с другими видами сушки: интенсивное пе¬
ремешивание твердых частиц и теплоносителя, большая поверх-1
ность контакта фаз и простота конструкции сушилки [205].
Механизм процесса псевдоожижения заключается в следующем
[214]. Через слой дисперсного материала, расположенного на под-j
держивающей его перфорированной решетке аппарата, пропускают j
газовый поток. В зависимости от его скорости состояние слоя ока¬
зывается различным. При плавном увеличении скорости газа от j
нуля до некоторого критического значения возникает обычный,
процесс фильтрации газа через слой материала, который незначи¬
тельно разбухает, но частицы остаются неподвижными (рис. 82, я)*
190
При дальнейшем повышении скорости ожижающего потока слой
твердых частиц переходит во взвешенное состояние, т. е. стано¬
вится кипящим (рис. 82,6). Скорость газа, которой соответствует
этот переход, называется скоростью начала псевдоожижения или
первой критической скоростью.
Неоднородная система газ — твердый материал в условиях взве¬
шенного слоя характеризуется постоянным и непрерывным изме¬
нением скоростей движения газовых струй и твердых частиц. Для
области существования взвешенного слоя перепад давлений равен
весу частиц мелкозернистого материала, приходящемуся на еди¬
ницу площади поперечного сечения аппарата. С ростом скорости
газа в слое возникают газовые пузыри, которые разрывают по¬
верхность слоя (рис. 82, в) и выбрасывают вверх группы твердых
Газ
Рис. 82. Возможное состояние системы газ — дисперсный твердый материал [214];
а—неподвижный слой: 1 — корпус аппарата; 2 —распределительное устройство; 3 —материал;
б —взвешенный слой; в—взвешенный слой с газовыми пузырями; г —«поршни» во взвешенном
слое; д — каналы во взвешенном слое; е — фонтанирующий слой.
частиц. При этом наблюдаются значительные пульсации статиче¬
ского и динамического напора псевдоожижающего агента. Слой
с такой гидродинамикой называют неоднородно кипящим, так как
концентрация частиц в различных местах слоя различна и меня¬
ется во времени. При псевдоожижении твердых материалов газом,
как правило, возникает неоднородный кипящий слой.
При сравнительно высоких скоростях газа (чаще всего в слоях
большой высоты) газовые пузыри сливаются по горизонтали, за¬
полняют все сечение аппарата, разрывая слой и образуя «поршни»,
т- е. части слоя, перемещающиеся вверх по аппарату (рис. 82, г).
Поршни твердой фазы сравнительно медленно перемещаются вверх,
Распадаясь на комки или агрегаты частиц в верхней части аппа¬
рата. В это же время над газораспределительной решеткой обра-
3Уются новые поршни. Для промышленных установок такой режим
Не имеет практического значения, .
I, При достижении некоторого второго критического значения ско-
Рости газа, называемой скоростью уноса, твердые частицы начи¬
нают выноситься из слоя й их количество в аппарате уменьшается.
Порозность слоя при скорости уноса стремится к единице.
Псевдоожижение твердых частиц весьма малого размера, а
также частиц, склонных к слипанию, характеризуется образова¬
нием сквозных каналов (рис. 82, д). Для предотвращения канало-
образования слои перемешивают, используя для этого мешалки.
В конических плавно расширяющихся и коническо-цилиндрических
аппаратах возникает так называемый фонтанирующий слой
(рис. 82, в). Твердые частицы взаимодействуют с потоком газа
сначала в фонтанирующей струе, движущейся вдоль вертикальной
оси аппарата, затем начинается осаждение частиц, так как скорость
газа уменьшается при переходе из конической части аппарата в ци¬
линдрическую и полет частичек тормозится действием силы тя¬
жести. Частицы сползают, двигаясь спиралью, по стенкам ап¬
парата, перемещаются по конической поверхности к газорас¬
пределительной решетке, где снова подхватываются потоком
газа.
Во взвешенное состояние можно перевести различные твердые
материалы с частицами размером в пределах 0,001—65 мм. Твер¬
дая фаза распределена неравномерно по объему кипящего слоя,
гшичем последний можно разделить на три основные зоны [214].
Первая зона, прилегающая к решетке, называется зоной гидроди¬
намической стабилизации, она характеризуется уменьшением по-
розности по мере удаления от решетки. Для второй зоны харак¬
терна практически постоянная порозность. В третьей зоне кон¬
центрация частиц материала уменьшается.
Определенную закономерность изменения локальной пороз-
ности твердой фазы в кипящем слое установить сложно, поскольку
порозность зависит от множества факторов (конструкции газо¬
распределительной решетки, величины и плотности частиц и др.).
В надслойном пространстве при возрастании скорости газа пороз¬
ность материала уменьшается, что объясняется увеличением его
уноса из кипящего слоя.
Твердая фаза и псевдоожижающий поток в кипящем слое пере¬
мешиваются в осевом (по направлению потока газа) и продольном
направлениях, причем интенсивность и область их перемешивания
также обусловлены многими факторами. Так, повышение скорости
газового потока способствует увеличению интенсивности смеше¬
ния твердой фазы.
Существенное влияние на рассматриваемый процесс оказывает
конструкция газораспределительной решетки. Например, при боль¬
шом шаге между ее отверстиями отдельные струи псевдоожижаю-
щего потока, воздействуя на сыпучую среду в пространстве рас¬
крытия этих струй, не охватывают всю твердую фазу у решетки,
поэтому вблизи нее могут создаваться непродуваемые объемы
твердого материала. Повышение интенсивности перемешивания
в прирешеточной зоне достигается увеличением числа отверстий,
приходящихся на единицу площади решетки.
192
Интенсивное перемешивание зерен твердого материала при не*
прерывной организации процесса приводит к неравномерному пре¬
быванию по времени отдельных частиц в аппарате. Часть частиц
может быть быстро выведена из слоя, а другая, наоборот, может
находиться в нем больше среднего времени пребывания, которое
определяется как частное от деления массы материала на его
расход. Поэтому аппараты с кипящим слоем по движению твер¬
дой фазы занимают промежуточное положение между аппаратами
идеального вытеснения * и идеального смешения* [204].
Большая скорость и пульсационный характер движения твер¬
дых частиц в прирешеточной зоне аппаратов с кипящим слоем
способствуют их сильному измельчению [141]. В прирешеточной
зоне сыпучий материал испытывает значительные динамические
воздействия газовых струй, выходящих из отверстий решетки. Эти
воздействия приводят к тому, что в отдельных частицах возникают
напряжения, превышающие предел прочности их материала, и они
раскалываются. В остальной части слоя, где энергия газовых
струй уже погашена, дальнейшее измельчение твердых частиц
происходит их истиранием.
В полидисперсном псевдоожиженном слое истиранию и износу
подвергаются главным образом частицы размером более 50 мкм
[141]. Для определения количества пыли, возникающей при исти¬
рании и износе материала в процессе его псевдоожижения, в ли¬
тературе приведены экспериментально полученные зависимости
[141].
В аппаратах с кипящим слоем наряду с разрушением и исти¬
ранием твердых частиц сильно изнашиваются стенки и другие кон¬
структивные элементы. Попадание пыли из аппарата в помеще¬
ние цеха при нарушении целостности его стенок в результате из¬
носа может привести к аварийным ситуациям. Это следует учи¬
тывать при конструировании и эксплуатации аппаратуры,
В эксплуатации находится большое число разнообразных по
конструкции сушилок с кипящим слоем, которые подразделяются
на непрерывно и периодически действующие, с направленным и не¬
направленным движением материала, однокамерные и многокамер¬
ные и др. Однако все они состоят из следующих основных эле¬
ментов: сушильной камеры с газораспределительными устройст¬
вами, топки со смесительной камерой или калорифером, пылеулав¬
ливающих устройств (циклонов, фильтров, скрубберов), тяго-дутье-
вого оборудования, питателя и разгрузочного устройства.
В качестве примера рассмотрим схему и принцип действия одно¬
камерной сушильной установки с кипящим слоем (рис. 83). Влаж¬
ный материал из бункера 3 шнековым питателем 4 непрерывно
* В аппарате идеального (полного) вытеснения температура материала
Плавно меняется по его длине (высоте), что обусловливается несмешиваемостью
объемов материала, проходящих через этот аппарат. В аппарате идеального
(полного) смешения последующие и предыдущие объемы материала идеально
смешаны, поэтому их температура постоянна и равна конечной величине.
]/27 Зак, 62
193
подается в сушильную камеру 6 в слой кипящего материала. В ка¬
честве агента сушки используются топочные газы, получаемые
в топке /, работающей под давлением. Они в смеси с воздухом по¬
даются турбогазодувкой или вентилятором 2 под газораспредели¬
тельную решетку 5. Высушенный продукт разгружается через па¬
трубок 11, расположенный над решеткой. Отработанные газы очи¬
щаются в циклонах 7 и фильтре (или скруббере) 8.
Рис. 83. Схема однокамерной сушильной установки с кипящим слоем [204]:
/—топка; 2—дутьевой вентилятор; 3—бункер; 4 — шнек; 5—газораспределительная решетка*,
6—сушильная камера; 7—циклоны; 8— фильтр; 9— вытяжной вентилятор; 10— лопастной
затвор; // — разгрузочный патрубок.
Рассмотренная сушильная установка используется для сушки
многих горючих материалов, в том числе угля и пластиков (поли¬
этилена, полипропилена).
Сушка распылением
Сушку распылением широко применяют в химической промыш¬
ленности для обезвоживания концентрированных растворов ве¬
ществ. Готовый продукт получают в виде порошка или гранул.
Схема распылительной сушилки показана на рис. 84.
Раствор высушиваемого материала поступает в сушильную ка¬
меру <?, в которой диспергируется распылителем 4 на капли раз¬
мером 10—60 мкм. Поверхность их контакта с нагретым воздухом,
который подается в сушилку вентилятором 1 и подогревается нагре¬
вателем 2 (паровым, газовым, электрическим), достигает 300 000м2
194
на 1 м3 материала. В этих условиях процесс сушки протекает прак¬
тически мгновенно: время сушки составляет сотые доли секунды.
Сухой продукт в виде порошка осаждается в нижней части
камеры, из которой непрерывно удаляется специальными приспо¬
соблениями. Отработанный сушильный агент, в качестве которого
наряду с нагретым воздухом могут использоваться дымовые и
инертные газы, отсасывается из сушильной камеры вентилятором
Рис. 84. Схема распылительной сушилки [205]:
/, 5—вентиляторы; 2—нагреватель: 3 —сушильная камера; 4— распылитель; 5—циклон.
5 и выбрасывается в атмосферу через пылеосадительное устрой¬
ство 6.
Частицы высушенного материала в большинстве случаев имеют
сферическую форму и в зависимости от молекулярной структуры,
свойств раствора и режима сушки бывают сплошными, пустоте¬
лыми и губчатыми.
Технико-экономические показатели распылительного метода
сушки растворов, качество получаемого продукта и, как будет по¬
казано ниже, пожаро- и взрывобезопасность сушильной установки
во многом определяются процессом диспергирования растворов.
В распылительных сушилках растворы распыляют механиче¬
скими и пневматическими форсунками, а также центробежными
дисками. При механическом распылении необходимая энергия
сообщается раствору в виде избыточного давления, величина ко¬
торого варьируется в пределах 5—20 МПа в зависимости от его
свойств и требуемой тонкости распыла [204, 205]. При пневмати¬
ческом распылении жидкости используется сжатый воздух или
водяной пар давлением 0,15—0,7 МПа.
Центробежное дисковое распыление наиболее широко приме-
няют в распылительных сушилках, поскольку этот метод обладает
несомненными преимуществами перед другими: он позволяет полу¬
чать более равномерное распыление, более надежен в работе и
пригоден для диспергирования высоковязких растворов и паст
[204, 215].
195
Несмотря на то что конструктивное исполнение центробеж*
ных распылителей весьма разнообразно, принцип их работы —
один и тот же: на диск, вращающийся с большой окружной ско¬
ростью (100—200 м/с), подается раствор, который в виде пленки
перемещается под действием центробежной силы с возрастающей
скоростью к периферии диска и сбрасывается с него. Растворы
диспергируются в сушильной камере, имеющей, как правило,
форму цилиндра. Скорость падения в ней частиц распыленных
растворов не является постоянной, так как по мере высыхания
размер и плотность частиц, а также физические параметры среды
изменяются. На характер движения этих частиц влияют также
Рис. 85. Схемы движения потоков в сушильных камерах [204, 221]:
а —прямоточная; б—противоточная; в—смешанный ток; 1 — корпус сушильной камеры;
2 —распылительный диск; 3 — форсунка; 4 — скребки (грабли) для выгрузки продукта;
5—лопастной затвор.
аэродинамические параметры камеры, неравномерность сушки по
ее объему, а также соударения частиц. Весьма сложная динамика
движения частиц распыленного раствора в сушильной камере не
позволяет точно определить время их пребывания во взвешенном
состоянии.
Существующие распылительные сушилки можно разделить по
принципу движения газа и частиц раствора в сушильной камере
на три типа: прямоточные, прогивоточные и со смешанными по*
токами.
Наиболее распространены сушилки с прямотоком, т. е. парал*
лельным движением газа и частиц раствора (рис. 85, а). При
работе сушилок по этой схеме применяют теплоноситель с более
высокой температурой, чем при противоточной (рис. 85,6).
196
В сушилках, работающих по смешанной схеме, раствор и газ
могут подаваться сверху сушильной камеры, причем последний
вводится по периферии камеры тангенциально. Высушенный про¬
дукт выделяется на дне камеры, имеющей форму усеченного ко¬
нуса, а отработанный газ отводится через выхлопную трубу
(рис. 85, в).
Аэродинамика таких сушильных камер аналогична аэродина¬
мике центробежных циклонов пылеуловителей. Основным достоин¬
ством сушилки, работающей по принципу смешанного тока, явля¬
ется возможность получения высокой степени насыщения отра¬
ботанных газов. Пожаро- и взрывоопасность и экономические
показатели распылительных сушилок существенно зависят от эф¬
фективности вывода из них уже высушенного продукта и его сбора.
В промышленных установках обычно применяют два основных
способа удаления порошка из сушильной камеры [204].
По первому способу порошок ссыпается по конусному днищу
камеры прямо в приемный бункер или попадает в пневмотранспорт-
ную систему, которой подается в пылеотделительные аппараты
(рис. 85, а). При этом угол конусности днища выбирают в зави¬
симости от сыпучих свойств сухого порошка. Второй способ за¬
ключается в удалении порошка специальными приспособлениями
(скребками, щетками) со дна камеры, которое делается плоским
(рис. 85,6). Это позволяет значительно снизить необходимую вы¬
соту сушильной камеры.
Независимо от способа удаления сухого продукта его мель¬
чайшие частицы, уносимые из камеры отработанным теплоносите¬
лем, улавливаются в пылеотделителях: циклонах, матерчатых
фильтрах и скрубберах.
Распылительные сушилки широко используют для сушки кра¬
сителей, кормовых дрожжей, антибиотиков, некоторых пластиков
и других веществ.
Сушка дисперсных твердых материалов
в пневматических трубах-сушилках
При переработке тонкодисперсных материалов, для которых
требуется небольшая глубина сушки, во многих случаях использу¬
ются пневмосушилки (трубы-сушилки) вместо установок с кипя¬
щим слоем, так как в первом случае обеспечивается более интен¬
сивная и экономичная сушка. Схема трубы-сушилки приведена на
рис. 86.
Влажный материал шнековым питателем 4 непрерывно пода¬
ется в сушильную камеру 5, в которую вентилятором 2 нагнетается
воздух (или топочные газы), нагреваемый до требуемой темпера¬
туры в калорифере 3. Теплоноситель, поступающий в трубу-су¬
шилку со скоростью, превышающей скорость витания наиболее
крупных частиц материала, подхватывает и транспортирует его по
трубе. При этом происходит интенсивная сушка материала, кото¬
7 Зак. 62
197
рый отделяется от теплоносителя в циклонах 6 и собирается в их
бункере. Отработанный теплоноситель очищается дополнительно
в скруббере 7 или рукавном фильтре и выбрасывается в атмосферу.
Вследствие малого времени пребывания материала в сушиль¬
ной камере процесс удаления влаги не распространяется в глубь
частиц. Для более глубокой сушки применяют рециркуляцию про¬
дукта, т. е. частичный возврат его в сушилку.
По гидродинамическому режиму трубы-сушилки близки к ап¬
паратам идеального вытеснения [204]. Так как в этих сушилках
Рис. 86. Схема пневматической трубы-сушилки [204]:
/ — фильтр для очистки воздуха; 2 — вентилятор; 3 — калорифер; 4 — шнек-питатель; 5—труба-
сушилка; 6— циклон; 7—фильтр; 8 — лопастной затвор.
частицы материала движутся с ускорением от места загрузки до
зоны выгрузки, их концентрация уменьшается по высоте сушиль¬
ной камеры до определенного установившегося значения.
При работе труб-сушилок необходимо учитывать, что сниже¬
ние скорости сушильного агента или увеличение количества высу¬
шиваемого материала могут привести к его провалу в нижнюю
часть трубы.
С повышением скорости сушильного агента напряжение объема
трубы-сушилки по испаренной влаге значительно возрастает. Однако
при высоких скоростях движения теплоносителя в трубе не только
интенсифицируется сушка материала, но и происходит его измель¬
198
чение, что в свою очередь увеличивает пожарную опасность су¬
шильной установки.
При сушке в пневматических трубах-сушилках пылеотдели¬
тельные устройства (циклоны, рукавные фильтры и скрубберы)
работают со значительно большей нагрузкой, чем при сушке в рас¬
пылительных сушилках или сушилках КС, так как через них про¬
ходит весь высушиваемый материал.
В практике широко применяют пневмосушилки, в которых
сушка совмещена с измельчением материала в ударных мельницах:
дезинтеграторах или дисмембраторах. Непрерывное обновление и
увеличение поверхности частиц материала при размоле способст¬
вует повышению эффективности сушки. Пневмосушилки широко
применяют в химической промышленности для сушки антрацена,
гидрохинона, дициандиамида, винифлекса (поливинилформаль-
этилаля), полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида, поливи-
нилбутираля, салициловой кислоты и др.
4.3.2. Пожаро- и взрывоопасность сушильных
установок
Рассмотренные типы сушильных установок имеют весьма серь¬
езный недостаток — они пожаро- и взрывоопасны при сушке горю¬
чих материалов. В этих сушилках всегда, даже при нормальных
условиях эксплуатации, содержатся пылевоздушные смеси взры¬
воопасных концентраций и нужен лишь источник зажигания, чтобы
произошел их взрыв. Возможность попадания смазочных масел
в распылительные сушильные установки существенно повышает их
пожаро-и взрывоопасность. Такая возможность обусловливается
следующими обстоятельствами.
В распылительных сушилках дисковый распылитель приво¬
дится во вращение специальным приводом, который выполняется
по одной из следующих схем [216]: от высокооборотного электро¬
двигателя, питаемого током высокой частоты, ротор которого
укреплен на одном валу с распылительным диском; от электро¬
двигателя через клино- или плоскоременную передачу к валу рас¬
пылительного диска; от электродвигателя через редуктор к валу
распылительного диска; от паровой или пневматической турбины,
ротор которой укреплен на одном валу с распылительным диском
Для смазки деталей привода, работающих в относительно тя¬
желых условиях (высокие числа оборотов), применяют минераль¬
ные масла: индустриальное 12 (веретенное 2), цилиндровое 24
легкое (вискозин), компрессорное 19 (Т) и др. Они представляют
собой горючие жидкости с различными показателями пожарной
опасности.
Так, масло индустриальное 12 (веретенное 2) плотностью
914,8 кг/м3 имеет температуру вспышки 164 °С, температуру само¬
воспламенения 280 °С и следующие температурные пределы вос¬
пламенения: нижний 125 °С и верхний 175 °С [58].
7
199
При попадании смазочных масел в сушильную камеру (напри¬
мер, при износе уплотнений или выходе из строя вакуум-насоса,
откачивающего масло из картера редуктора распылительного меха¬
низма) в зависимости от их показателей пожарной опасности и
температуры сушки могут возникать условия, благоприятствующие:
а) самопроизвольному загоранию масел и взрыву, если темпера¬
тура в сушильной камере получается выше величины, составляющей
80% от стандартной температуры самовоспламенения масел
[217, 218]; б) образованию горючей паровоздушной смеси, более
чувствительной к источникам зажигания, чем аэрозоль высуши¬
ваемого материала, если температура сушки будет ближе к тем¬
пературе вспышки масел, чем это допускается практическим коэф¬
фициентом безопасности At *.
При сушке активных окислителей, например перхлората аммо¬
ния или аммиачной селитры, попадание масла в сушильную ка¬
меру приводит к образованию в ней взрывчатых композиций, бо¬
лее чувствительных к различным видам начального импульса, чем
высушиваемые материалы. В сушильных установках рассмотрен¬
ных типов могут возникать источники зажигания, связанные с са¬
мовозгоранием высушиваемого материала, выделением пламени и
искр топочных устройств, теплотой трения, искрами удара и тре¬
ния, разрядом статического электричества.
Ниже рассматриваются возможные отклонения в режимах экс¬
плуатации сушилок, которые способствуют возникновению в них
источников зажигания и, как следствие, пожаров и взрывов.
Самовозгорание высушиваемого материала
в сушильных установках
При разборе общих условий протекания процесса сушки влаж¬
ных материалов (см. 4.3.1) было показано, что в первом ее пе¬
риоде температура высушиваемого материала равна температуре
мокрого термометра. Это обстоятельство обеспечивает в большин¬
стве случаев благодаря содержащейся влаги в продукте извест¬
ную безопасность процесса даже при температуре теплоносителя,
близкой температуре самовозгорания высушиваемого материала
Однако во втором периоде сушки сохранение соответствующих тем¬
пературных условий создает реальную угрозу возникновения
пожара и взрыва сушильной установки.
Эти особенности иногда не учитываются при интенсификации
процесса сушки, связанного с повышением начальной температуры
теплоносителя, тем более, что изменение других параметров не
всегда оказывается возможным.
Так, производительность аппаратов с кипящим слоем суще¬
ственно зависит от температуры газов и их скорости. Однако ис¬
* Практический коэффициент безопасности At рассчитывают по инструкции
[219]. Вычитанием Дt из температуры вспышки вещества получают безопасную t
температуру его нагрева.
200
пользование последнего параметра ограничивается условиями
обеспечения нормального кипения (без образования каналов и
«поршней») высушиваемого материала [214]. Следует учитывать,
что температура газов, допускаемая при сушке, зависит от свойств
высушиваемого материала и условий сушки. Она может в условиях
соприкосновения этих газов с сухим продуктом принимать значе¬
ния от 80% температуры его тления при самовозгорании (или
температуры самовоспламенения при отсутствии тления) до мень¬
ших величин, исключающих возможность самовозгорания веще¬
ства в образующемся при его сушке слое.
Условия концентрации тепла в материале (его самонагревание),
имеющие основное значение для процесса самовозгорания, зависят
от способа и режима сушки. Рассмотрим их для каждого типа
сушилок отдельно.
Самовозгорание высушиваемого материала в сушилках с кипя¬
щим слоем. Интенсивный теплообмен между твердыми частицами
и газовым потоком в псевдоожиженном слое приводит к выравни¬
ванию температуры во всем объеме этого слоя, за исключением зон,
расположенных у стенок аппарата и газораспределительного уст¬
ройства (~10% объема слоя).
Измерения температуры газа по высоте кипящего слоя пока¬
зали, что теплообмен между ним и частицами высушиваемого ма¬
териала практически завершается на небольшом расстоянии от га¬
зораспределительной решетки. Высота этой активной зоны, обычно
не превышающая 10—20 мм, растет с увеличением размера частиц
и скорости газа [204, 220].
При сушке горючих материалов, склонных к самовозгоранию,
следует принимать во внимание так называемый входной тепло¬
вой эффект Е, заключающийся в том, что часть тепла частицы
получают при соприкосновении с решеткой [220]
Qpern *вх —*о
Ь==~П— 7 (137)
^2 вых Ч)
где Qpem — тепло, переданное материалу решеткой;
Qs — общее количество тепла, переданного материалу;
to, tBX, tBblx — температуры среды соответственно под решеткой, при входе в слой
и выходе из него.
Входной тепловой эффект понижается с увеличением диаметра
частиц, скорости газа, свободного сечения решетки и с уменьше¬
нием толщины и теплопроводности решетки. По результатам опы¬
тов [220], представленных на рис. 87, видно, что на металличе¬
ских перфорированных решетках величина Е может достигать
значений, соизмеримых с количеством тепла, передаваемого в са¬
мом слое.
Таким образом, для сушилок с кипящим слоем наиболее опас¬
ной является зона, прилегающая к газораспределительной решетке,
т. е. зона активного теплообмена. Анализ причин пожаров и взры¬
вов, имевших место в сушилках с кипящим слоем, это полностью
201
подтверждает. Так, на всех обследованных 29 установках по сушке
угля самовозгорание его происходило на газораспределительных
решетках [210].
Самовозгоранию могла способствовать повышенная темпера¬
тура среды, при которой определенный слой материала за время
пребывания в этой зоне аппарата успевал подвергнуться самона¬
греванию, приводящему к его самовозгоранию.
Нарушения режима сушки, связанные с образованием в су¬
шилках слоя материала увеличенной толщины, для самовозгора¬
ния которого требуются более низкие тем¬
пературы среды, приводят к повышению
опасности процесса.
Так, при внезапном прекращении по¬
дачи газа (выходе из строя вентилятора)
или недостаточной скорости его движе¬
ния в аппарате (засорение рукавного
фильтра и др.) весь кипящий слой мате¬
риала оседает на нагретую газораспре¬
делительную решетку. В случае сниже¬
ния температуры газа по сравнению с
расчетной (например, при нарушении ре¬
жима работы топки) его влагоемкость
уменьшается, и водяные пары, содержа¬
щиеся в нем, частично конденсируются.
Связанное с этим некоторое увлажнение
высушиваемого материала приводит к
увеличению слипаемости его частиц и
как следствие к нарушению режима их
псевдоожижения; при этом материал мо¬
жет также осесть на решетку [210]. Та¬
кому процессу способствует и неравно¬
мерное распределение теплоносителя в
сушильной камере, возникающее, напри¬
мер, при забивании отдельных отверстий
решетки, неправильном выборе их раз¬
мера и расположения, перекосе решетки.
Возникновение на решетке аппарата неподвижного слоя материала
значительно большей высоты, чем зона его активного теплообмена
в псевдоожиженном слое, для которой отработаны безопасные
условия, создает аварийную ситуацию в сушильной установке, ко¬
торую всегда надо учитывать с целью ее предотвращения.
При этом надо помнить, что процессу самовозгорания для
многих высушиваемых веществ, осевших по какой-либо причине
на газораспределительном устройстве, благоприятствуют опреде¬
ленные условия фильтрации нагретого воздуха через их непод¬
вижный слой.
В сушилках с кипящим слоем значительная часть высушивае¬
мого сыпучего материала уносится из сушильной камеры потоком
о,з
Скорость воздуха,, м/с
Рис. 87. Зависимость вели¬
чины входного теплового
эффекта от скорости воз¬
духа для решеток из раз¬
личных материалов и с раз¬
личным живым сечением
/св [220]:
/ — сатин; 2— плексиглас, -f =
- 9,3%; 3—то же, fCB=5,2%;
4—нержавеющая сталь, fCB —
= 9,3%; 5—то же, fCB=5,2%:
£ — медь, fCB=9,3%; 7—то же,
fCB=5,2%
202
отработанных газов, причем величина уноса зависит от ряда фак-
торов: физико-химических свойств сухого продукта (его истирае¬
мости в процессе сушки, гранулометрического состава, когезион¬
ных свойств и др.), а также от конструкции сушилки и аэродина¬
мических условий ее работы [204, 214]. При этом на внутренних
поверхностях сушильной камеры, газоходов и пылеуловителей су¬
шильной установки осаждается наиболее дисперсная (поэтому и
легко уносимая из слоя) часть высушиваемого материала. Возмож¬
ность самовозгорания этих отложений также следует учитывать
при оценке безопасности процесса сушки. Если температура слоя
пыли, определяемая температурой отходящих газов, становится
выше температуры ее самонагревания, то в нем возникают экзо¬
термические процессы окисления, которые могут вызвать самовоз¬
горание этой пыли и, как следствие, взрыв всей сушильной уста¬
новки.
Температура газа на выходе из сушилки с кипящим слоем яв¬
ляется функцией следующих параметров [214]:
*2 = /(*ь U Фь G, /3, Wt)
где t2 — температура газа на выходе из сушилки;
t\ — температура газа на входе в сушилку;
L — расход воздуха в единицу времени;
ф! — относительная влажность поступающего воздуха;
G — подача материала в единицу времени;
— температура поступающего материала;
W\ — начальное влагосодержание материала.
Опыт эксплуатации сушильных установок и материалы рассле¬
дования их аварий показывают, что наиболее часто аварийные си¬
туации в результате повышения температуры отходящих газов воз¬
никают с изменением температуры газа на входе в сушилку и
производительности питающих устройств по влажному материалу.
Повышение t\ связано с нарушением режимов эксплуатации или
выходом из строя тягодутьевого оборудования или топочных
устройств.
Так, при неисправности вентилятора воздухоподогревателя
температура воздуха, подаваемого им в сушильную камеру, будет
даже при нормальной работе топки выше расчетной. При сушке
в кипящем слое весьма опасна недогрузка сушильных камер высу¬
шиваемым материалом, которая часто возникает при слеживае-
мости или зависании его в бункерах-питателях, а также различных
неисправностях самих питателей [210].
Уменьшение количества влаги, вносимой в сушилку вместе
с материалом при изменении его подачи, приводит к значительному
повышению температуры газа (а значит, и сухого материала)
в различных частях сушильной установки и, как следствие, к са¬
мовозгоранию этого материала и взрыву его пылевоздушных
смесей.
В сушилках с кипящим слоем температура отходящих газов
определяется также режимом кипения взвешенных частиц. Так, при
203
250°С
LI чЬ
■^ПТГ7П1^ЯмР==
83,0°С 85?5 ее,5 85,0 83,5
_г_гг_гл
83,5
Т~
8Ь,0
т
83,5
Т~
ш
85,5 86,5 85,5
m
86,0 8Ь,0
' I
т
85,0
86,0
Г
83,5
Т
8k,О
Т“
т
85,5 85,0 83,5
ТП7Т~
330щ
83,5 8Ь,5 84,0 83,0°С
образовании каналов во взвешенном слое она значительно Повы¬
шается, поскольку через них проходит значительная часть газа,
не контактирующего с частицами материала.
При высушивании в кипящем слое термочувствительных тонко¬
дисперсных материалов с небольшой плотностью газы уже не могут
служить единственным теплоносителем, так как с ними не удается
подвести необходимое количество тепла [214]. Поэтому, чтобы
обеспечить необходимую производительность установки по съему
влаги, предусматривают дополнительный подвод теплоносителя
к высушиваемому материалу с помощью теплообменников, уста¬
навливаемых внутри взвешенного
слоя. Дисперсные частицы мате¬
риала, осевшие и длительно пре¬
бывающие на поверхностях этих
теплообменников, могут самовоз¬
гореться. Весьма опасно также
проваливание частиц горючего
материала через отверстия газо¬
распределительной решетки в
подрешеточное пространство, т. е.
в зону высоких температур.
Опасность эта усугубляется при
расположении сушильной камеры
над камерой смешения топки.
Самовозгорание высушиваемо¬
го материала в распылительных
сушилках. Исследование темпера¬
турного поля распылительной су¬
шильной камеры и определение
влажности продукта на выходе
его из факела распыла показы¬
вает, что сущка раствора проис¬
ходит в основном в объеме этого
факела [215, 221]. В нем наблю¬
дается интенсивный тепло- и влагообмен между распыленными
каплями и теплоносителем, который обусловливает резкое паде¬
ние температуры газа за пределами факела распыла. Так (рис. 88),
при сушке суспензии красителя кубового голубого К в прямо¬
точной дисковой сушилке (производительность по суспензии с со¬
держанием твердой фазы 22,2% составляла 35 кг/ч, расход газа
с температурой 250 °С был равен 1300 м3/ч) температура газа за
пределами факела распыла была меньше его начальной темпера¬
туры приблизительно в 3 раза [221].
Такое распределение температуры в объеме сушильной камеры
и сравнительно невысокая температура частиц высушиваемого ма¬
териала в зоне интенсивного теплообмена (она близка температуре
адиабатного испарения чистой жидкости) позволяют использовать
для сушки многих горючих материалов газы с высокой температурой.
?359
135
J35
335
330
Рис. 88. Температурное поле в ка¬
мере прямоточной дисковой распы¬
лительной сушилки при сушке сус¬
пензии красителя кубового голу¬
бого К [221].
204
При низких температурах сушки габариты установки резко
возрастают и она становится малоэкономичной. Выбор темпера¬
турного режима сушки водных растворов определяется, так же как
и в сушилках КС, склонностью к самовозгоранию продукта, полу¬
чаемого в процессе сушки.
При сушке термочувствительных материалов с применением
схем движения противотоком и смешанным током создаются более
опасные условия работы, чем при сушке с параллельным током
распыленного раствора и газа. Одним из основных достоинств
этой схемы работы сушильной установки является, как уже ука¬
зывалось выше, возможность применения для сушки теплоносителя
с высокой температурой при меньшей опасности перегрева полу¬
чаемого продукта. Кроме того, при прямоточной схеме по сравне¬
нию с другими схемами меньше вероятность попадания частиц на
стенки сушильной камеры, где они могут перегреваться.
Весьма опасной зоной сушильной камеры при прямоточном дви¬
жении в ней газа и частиц раствора сверху вниз является ее верх¬
няя часть. При попадании в этой зоне частиц раствора на стенки
и потолок сушильной камеры, что происходит при неправильно
отрегулированном или спроектированном распылительном устрой¬
стве (особенно центробежных дисков), возможно самовозгорание
сухого вещества в слое определенной толщины. С увеличением
диаметра и окружной скорости диска его вентиляционный эффект
настолько возрастает, что факел распыла поднимается вверх и до¬
стигает перекрытия сушильной камеры [204].
Опыт работы распылительных сушильных установок показы¬
вает, что для предотвращения отложений продукта на стенках
камеры (при нормально работающем распылителе) радиус факела
распыла не должен превышать 0,8 радиуса этой камеры [215].
Возможность попадания раствора и частиц уже высушенного
материала на стенки и потолок сушильной камеры в значительной
степени определяется также ее аэродинамическими характеристи¬
ками, т. е. условиями ввода, вывода и распределения газового
потока в объеме камеры. Влияние аэродинамики сушильной ка¬
меры на пожаро- и взрывоопасность установки можно проследить
на примере дисковой распылительной сушилки (рис. 89), широко
применяемой для сушки кормовых дрожжей.
Теплоноситель (как правило, воздух) в этой сушилке засасы¬
вается вентилятором 1 через фильтр тонкой очистки 12, проходит
паровой (или газовый) калорифер 2 и направляется в распреде¬
лительное устройство — диспергатор 6, установленный под рас¬
пылительным диском 4 в центре камеры 5. Он представляет собой
конус с поворотными жалюзями, позволяющими регулировать
размер щелей для прохода теплоносителя в камеру и величину
его «закрутки». Изменением скорости истечения газа из жалюзей
диспергатора регулируют положение факела распыла, создавае¬
мого диском, делающим ~ 18 000 об/мин.
205
Высушенный продукт выпадает в конусной части сушильной
камеры, откуда ссыпается через шлюзовый затвор 7 в воздухо¬
вод 8 пневмотранспорта. Наиболее дисперсные частицы продукта
сепарируются из отработанного теплоносителя в двух последова¬
тельно смонтированных циклонах 9. Сухой продукт подается
пневмотранспортом в третий циклон 9, после которого он идет
на упаковку, а воздух возвращается в систему пылеотделения.
Общим недостатком рассмотренного типа распылительных су¬
шилок является неудовлетворительная аэродинамика их сушиль-
Рис. 89. Схема дисковой распылительной сушилки с подачей теплоносителя
в сушильную камеру через диспергатор [204, 215]:
/ — дутьевой вентилятор; 2—калорифер; 3— привод диска; 4—диск; 5 —сушильная камера;
6—диспергатор; 7 —лопастной затвор; 8 —воздуховод; 9 — циклон; /0—вентилятор пневмо¬
транспорта; // — вытяжной вентилятор; 12 — фильтр тонкой очистки.
ных камер. Теплоноситель, закрученный диспергатором, образует
в камере циркуляционные вихри, что способствует подсосу и отло¬
жению распыленных частиц материала на его лопатках [215].
Частичная забивка распределительной головки диспергатора высу¬
шиваемым материалом, неправильная регулировка зазоров (не¬
равномерные зазоры) между его жалюзями, высокие скорости теп¬
лоносителя на выходе из них и несоосность диспергатора и диска
также приводят к налипанию капель распыленного раствора на
стенки и потолок камеры. Эти отложения бывают весьма значи¬
тельными.
20§
Так, на распылительной установке Для сушкй дрожжей про*
йзводительностью 1,5 т/ч по испаренной влаге за 36 ч работы
толщина отложений на стенках и потолке достигала 50—60 мм
[215]. При сушке антибиотиков в одной из распылительных суши¬
лок производительностью 20 л/ч на стенках ее распылительной
камеры отлагалось до 10% продукта [215].
Присутствие продукта, отложившегося на головке дисперга¬
тора, потолке и стенках камеры, в зоне высоких температур спо¬
собствует его самовозгоранию. Этот процесс в свою очередь вызы¬
вает при определенных условиях взрыв пылевоздушных смесей
в различных частях сушильной установки.
Так, при сушке дрожжевой суспензии на одном из гидролиз¬
ных заводов произошло самовозгорание кормовых дрожжей, кото¬
рые находились в виде отложений на головке диспергатора [209].
Пламя из сушильной камеры по воздуховоду пневмотранспорта по¬
пало в циклоны, в которых и произошел первичный взрыв пылевой
взвеси кормовых дрожжей. Ударная волна этого взрыва взвих¬
рила отложение дрожжей в сушильной камере, в которой про¬
изошел вторичный и более разрушительный взрыв. Сушильная
установка была полностью выведена из строя. Давлением взрыва
была сорвана крыша сушильной камеры, были разрушены цик¬
лоны и повреждены воздуховоды.
При надежном способе предотвращения образования отложений
продукта на стенках и перекрытии сушильной камеры опасность
его самовозгорания в других местах сушильной установки, рабо¬
тающей по принципу параллельного тока, определяется главным
образом температурой отходящих газов. Чем выше их темпера¬
тура, тем более высокую температуру имеет порошок после сушки.
Этому способствует также меньшая конечная влажность полу¬
чаемого продукта. Температура газов на выходе из сушильной
камеры существенно зависит от ее аэродинамических характери¬
стик и эффективности распылительного устройства.
Как указывалось выше, при хорошем смешении теплоносителя
с факелом распыла температура газов резко падает во всем объ¬
еме сушильной установки. Однако если даже небольшое количе¬
ство теплоносителя проходит мимо факела, то возникают нежела¬
тельные локальные повышения температуры в отдельных зонах
сушилки, что приводит к опасному перегреву продукта. Чем выше
дисперсность распыла, тем интенсивнее протекает процесс тепло- и
массообмена и тем ниже температура газов вне зоны факела рас¬
пыла.
Температура отходящих газов (а следовательно, и температура
материала) весьма чувствительна к изменению производитель¬
ности распыливающего аппарата по раствору, а также изменению
количества газов и их начальной температуры [204]. Любые
отклонения этих переменных вызывают быстрое изменение темпе*
ратуры отходящих газов, так как среднее время пребывания
частиц раствора во взвешенном состоянии в сушильной камере
207
исчисляется секундами. Поэтому распылительные сушилки авто
матизируют по схеме, в которой температура отходящих газов ре¬
гулируется изменением подачи раствора на распыление.
Прекращение же поступления раствора в сушильную камеру
вследствие различных неисправностей в системе его подачи и
диспергирования (срез пальцев муфты, соединяющей электродви¬
гатель с редуктором распыливающего механизма, засорение и за-
липание форсунок и диска, выход из строя насоса для подачи
раствора и др.) при отсутствии или неисправности системы авто¬
матической блокировки, включающей, например, подачу пара или
воды вместо раствора, часто приводило к быстрому самовозгора¬
нию материала и взрыву его пылевоздушных смесей. Повышение
температуры газа на выходе из сушильной камеры и, как след¬
ствие, самовозгорание отложений материала связано, так же как
и в сушилке с кипящим слоем, с нарушением режимов эксплуата¬
ции или выходом из строя тягодутьевого оборудования или топоч¬
ных устройств.
Поддержание режима сушки по конечной температуре газов,
которая ниже температуры самонагревания сухого порошка, позво¬
ляет предотвратить самовозгорание высушиваемого материала
в сушильной установке, если отсутствуют его отложения в верхней
части камеры, на ее перекрытии, стенках и в диспергаторе.
Для безопасного проведения процесса сушки, при котором
температура отходящих газов выше температуры самонагревания
сухого продукта, необходимо знать высоту слоя его возможных
отложений, температуру самовозгорания слоя продукта этой вы¬
соты и время, необходимое для достижения критической темпера¬
туры от начала действия теплового импульса. Время пребывания
материала в сушильной установке в этом случае должно быть су¬
щественно меньше времени, за которое он самовозгорается в слое.
Самовозгорание высушиваемого материала в пневматических
трубах-сушилках. Количество испарившейся влаги по длине трубы-
сушилки неодинаково [204, 212]. Интенсивность сушки макси¬
мальна на ее начальном (разгонном) участке, где относительная
скорость газового потока и частиц высушиваемого материала наи¬
большая (рис. 90).
Установлено, что температура газов и влажность материала
изменяются по длине трубы по экспоненциальному закону, при¬
чем максимальное снижение температуры газов происходит на раз¬
гонном участке сушильной камеры. Оптимальная рабочая длина
трубы (расстояние от места загрузки материала до входа в цик¬
лон) равна 8—10 м [204]. При большей ее длине интенсивность
сушки существенно снижается, так как значительно уменьшается
относительная скорость между газом и частицами материала,
а также потенциал переноса тепла.
Использование пневматических труб-сушилок для переработки
главным образом тонкодисперсных материалов, а также их пыле¬
отделительных устройств (циклонов, рукавных фильтров) со зна¬
208
чительно большей нагрузкой, чем в других сушилках, способствует
увеличению пожаро- и взрывоопасности установок этого типа.
Между тем кратковременность пребывания высушиваемого про¬
дукта в трубе и прямоточная схема его движения с теплоносителем
позволяют в ряде случаев в меньшей степени опасаться перегрева
материала и допускать более высокие начальные температуры га¬
зов при сушке.
Нарушения режима работы труб-сушилок происходят главным
образом при снижении скорости сушильного агента или увеличе¬
нии количества высушиваемого материала, что приводит к его
провалу в нижнюю часть трубы. Скопление в ней продукта и дей¬
ствие горячих газов способствуют его самовозгоранию. К этому же
приводит выход из строя устройств (например, заклинивание
шлюзового затвора), служащих для быстрого удаления материала
(«провала»), попавшего в нижнюю часть сушильной камеры.
Рис. 90. Изменение влажности угля (/) и температуры газов (2) по длине
трубы-сушилки [212].
При уменьшении или полном прекращении подачи влажного
материала в сушилку, что возможно при нарушении режима ра¬
боты питателей, температура отходящих газов значительно повы¬
шается, а это может вызвать самовозгорание отложений на внут¬
ренних стенках установки и в ее «мертвых» зонах.
Аварии пневмосушилок, связанные с самовозгоранием высуши¬
ваемого материала и взрывом его пылевоздушных смесей, воз¬
можны также при резком изменении качественных показателей
(начального влагосодержания, дисперсности, температуры) этого
материала [207]. Отклонение одного из этих показателей от нормы
вызывает быстрое изменение температуры отходящих газов, что
обусловлено кратковременностью пребывания частиц материала
во взвешенном состоянии в трубе-сушилке.
Температура отходящих газов в пневмосушилке, так же как
и в распылительной сушилке и сушилке с кипящим слоем, может
повышаться при нарушении работы тягодутьевого оборудования
и топочных устройств.
209
Наиболее часто пожары и взрывы в рассмотренных выше су¬
шильных установках возникают в периоды их пуска и остановок.
Основной причиной этих аварийных ситуаций является самовозго¬
рание материала, оставшегося внутри сушилки после завершения
процесса его сушки [207, 212].
Внутренние поверхности сушилки длительное время после оста¬
новки сохраняют еще высокую температуру, так как все ее
конструктивные элементы покрыты теплоизоляцией. Если эта тем¬
пература выше температуры самонагревания высушиваемого ма¬
териала, то в нем возникают экзотермические процессы окисления
и разложения, которые по мере накопления тепла и продуктов
реакции протекают автокаталитически. Время от момента оста¬
новки сушилки до появления пламенного горения или тления
материала зависит от температуры в сушилке до завершения про¬
цесса сушки, а также от толщины слоя материала, оставшегося
в установке. Взрывы в сушилках после их остановки обычно про¬
исходят тогда, когда над очагом -горения материала возникает
по каким-либо причинам его пылевоздушная смесь, например при
включении вентилятора или при осыпании отложений этого мате¬
риала с конструктивных элементов сушильной установки с -их
взвихрением.
Следует отметить, что подобные аварийные ситуации в сушил¬
ках могут возникать и при сушке материалов, трудногорючих
в обычных условиях. Так, поливинилхлорид, осаждаясь на стенках
сушильной камеры и подвергаясь ежедневно воздействию тепла,
способен самовозгораться уже при 180°С, так как при длительном
нагреве из него выделяется хлористый водород, который играет
роль антипирена в его структуре [15].
Анализ аварий сушилок показывает, что тяжелые последствия,
вплоть до разрушения здания сушильного отделения, возможны
в тех случаях, когда в производственном помещении допускалось
скопление пыли высушиваемого материала [207]. Пыль может
скапливаться по различным причинам, в том числе при нарушении
пыленепроницаемости сушильной установки. Следует отметить, что
многие пожары и взрывы сушильного технологического оборудо¬
вания связаны с нарушением технологических регламентов и ин¬
струкции по технике безопасности.
Пламя и искры топочных устройств как причины пожаров
и взрывов в сушильных установках
Пожаро- и взрывобезопасность сушильных установок определя¬
ются правильностью расчета и эксплуатации, как сушильной ка¬
меры, так и вспомогательного оборудования, и в первую очередь
топочных устройств и калориферов. В качестве теплоносителя при
сушке обычно применяют нагретый воздух или продукты сгорания
топлива, реже — перегретый пар или инертные газы (азот, угле¬
кислый газ и др.).
210
Для нагревания воздуха до 200—300 сС используют газовые
(огневые) подогреватели (калориферы) рекуперативного типа,
т. е. в которых теплообмен между топочными газами и воздухом
происходит через теплопроводные стенки из стали или чугуна,
выполняемые трубчатыми, пластинчатыми, игольчатыми и
ребристыми.
Газовые калориферы часто снабжают индивидуальной топкой,
которую обычно выполняют без специальных золо- или искроуло¬
вителей [204]. Отсутствие этих устройств или их малая эффектив¬
ность, а также неисправность приводят к загрязнению по¬
верхности нагрева подогревателей сажей или золой и, как
следствие, к их прогоранию при перегревах. Частицы топлива
(искры), несгоревшие полностью в топке, попадают через прого¬
ревшие трубы калорифера в сушильную камеру, где вызывают
возгорание высушиваемого материала. Искры из топки могут
также попадать в сушильную камеру через неплотности между
опорной рамой и воздухоподогревателем и в местах заделки труб
в трубную решетку, а также через трещины в боровах [211].
Воздух, забираемый в калориферы, должен быть тщательно
очищен. В противном случае пыль горючих материалов, собираясь
в них (например, при отсутствии или неисправности фильтрацион¬
ных сеток на всасывающих отверстиях заборного трубопровода),
может самовозгореться и в виде горящих частиц (искр) попасть
с нагнетаемым воздухом в сушильную камеру.
При высоких температурах сушки в качестве теплоносителя
используют топочные газы, образующиеся при сжигании твердого,
жидкого или газообразного топлива в печах или топках различ¬
ной конструкции. Состав этих газов зависит как от физико-хими¬
ческих свойств сжигаемого топлива, так и от условий его горе¬
ния. Для получения теплоносителя требуемой температуры
топочные газы разбавляют воздухом.
Топочные устройства сушильных установок должны обеспечи¬
вать наиболее полное сгорание в них топлива без образования
сажи, а продукты сгорания не должны содержать частицы золы.
Раскаленные частицы сажи и золы, попадая вместе с теплоно¬
сителем в сушильную камеру, служат источниками возможного
возгорания высушиваемого материала. Аналогичными источниками
могут быть раскаленные минеральные частицы, отскочившие от
футеровки топок и занесенные топочными газами в сушильную
камеру [15].
Большую опасность представляет собой сажа, осевшая в газо¬
ходах. Она может возгораться от искр, летящих вместе с топоч¬
ными газами, или самовозгораться при повышении температуры
газов, что связано с нарушением режима работы топки или неис¬
правностями тягодутьевого оборудования. Во избежание осажде¬
ния сажи и золы в газоходах, а также попадания их в сушильную
камеру, топки оборудуют различными искроулавливающими и
искр'оотделительными устройствами: осадочными камерами, ка¬
211
мерами догорания, отражательными плоскостями и циклонами.
Однако проблема очистки газов, имеющих высокую температуру,
от золы и несгоревших частиц топлива в топках современных
конструкций еще полностью не решена. Поэтому для сушки горю¬
чих материалов рекомендуется использовать топочные газы, по¬
лучаемые при сжйгании жидкого или газообразного топлива. Сжи¬
гание топлива этих видов дает ряд преимуществ по сравнению
с сжиганием твердого топлива: продукты сгорания не загрязнены
летучей золой, топочные устройства компактны и просты в эксплуа¬
тации, легко автоматизируются [204, 222]. Тем не менее наруше¬
ния режимов эксплуатации и неисправности топок, работающих
на жидком или газообразном топливе, также могут приводить
к аварийным ситуациям в сушильных установках.
Так, опасность взрыва в этих топочных устройствах часто воз¬
никает при их пуске, поскольку в объеме остывшей топки при
утечке топлива могут образоваться паро-газовоздушные смеси,
воспламеняющиеся при розжиге горелок или форсунок [222, 223].
Утечка топлива может происходить через неплотности во фланце¬
вых соединениях, клапанах, сварных швах, а также через тре¬
щины, образовавшиеся на трубопроводах в процессе их холодной
гибки.
Весьма опасно случайное прекращение горения топлива (отрыв
пламени), которое, продолжая поступать в топку, испаряется
(если это жидкое топливо) за счет тепла ее нагретых стенок и,
смешиваясь с воздухом, создает горючую смесь, взрывающуюся
при последующем розжиге топки без ее вентиляции. Отрыв пла¬
мени в большинстве случаев происходит при нестабильности ра¬
боты вентиляторов, перебое в подаче топлива, неисправности вен¬
тилей, отсутствии устройств для спуска воды из топливопровода
и т. п.
Теплота трения, искры удара и трения как причины
загорания материала в сушильных установках
Для загрузки материала в сушильные установки и регулиро¬
вания скорости его подачи применяют питатели различного типа:
тарельчатые, секторные, шиберные, плунжерные, шнековые и
др. [205]. В качестве загрузочного устройства для пневмосушилок
применяют также специальные забрасыватели, которые подают
материал в поток теплоносителя, распыляя его и создавая тем
самым более благоприятные условия для сушки на начальном
участке трубы-сушилки.
Питатели служат одновременно и затворами, если давление
в сушилке отличается от атмосферного. Так, для ликвидации под¬
сосов воздуха в местах выгрузки сухого материала из сушильной
камеры, циклонов и фильтров распылительных сушилок и сушилок
КС, а также пылеулавливающих устройств пневмосушилок приме¬
212
няют устройства, аналогичные секторным и шнековым питателям,
а также клапаны-мигалки.
Для создания направленного движения теплоносителя через
сушильную установку используют осевые и наиболее часто цент¬
робежные вентиляторы.
В сушильных установках используются и другие движущиеся
конструктивные элементы: рыхлители, мешалки, вращающиеся
радиальные перегородки, грабли для выгрузки продукта и др.
Надежность этих устройств, от которой в значительной степени
зависит безопасность всей сушильной установки, обеспечивается
в первую очередь безотказной работой их подшипниковых узлов.
Неправильный выбор подшипников для заданных нагрузок и ско¬
ростей вращения, нарушение режима их работы, неправильный
монтаж подшипниковых узлов приводят к преждевременному вы¬
ходу их из строя. При износе подшипника или его разрушении
сильно нагревается подшипниковый узел, так как увеличиваются
силы трения, а это может привести к загоранию горючего мате¬
риала, контактирующего с его поверхностью.
Нарушение взаимного положения подвижных деталей меха¬
низмов относительно неподвижных, возникающее при выходе из
строя подшипника, приводит к их соударению, что в свою очередь
способствует образованию искр удара и трения. Искры, попадая
в высушиваемый материал, могут стать источником его зажига¬
ния. Так, выход из строя подшипника центробежного вентилятора
может привести к ударам его лопастного колеса о входной патру¬
бок кожуха, зазор между которыми для уменьшения непроизводи¬
тельных потерь давления составляет менее 1 % диаметра колеса.
Удары подвижных деталей механизмов о неподвижные, а сле¬
довательно, образование искр удара и трения, возможно также
при недостаточном креплении деталей, их деформации и разба-
лансировке. При несовпадении центров тяжести колес вентиля¬
торов с осями их вращения, что возможно при их загрязнении, на
валах возникают беспрерывно меняющие свое направление изги¬
бающие моменты, что весьма отрицательно влияет на прочность
всей конструкции. При попадании инородных примесей (металли¬
ческих деталей или камней) в устройства, имеющие движущиеся
конструктивные элементы, также возможно искрообразование.
Заряды статического электричества как источник
аварийных ситуаций в сушильных установках
Сыпучие материалы при сушке в сушильных установках при¬
обретают электростатические заряды. Вопросы электризации вы¬
сушенного материала, двигающегося вместе с отработанным
теплоносителем по трубопроводам сушилок, а также при его
улавливании в циклонах и фильтрах, и воспламеняющая способ¬
ность возникающих при этом электростатических разрядов рас¬
смотрены выше.
91Я
Процесс электризации высушиваемого материала в сушильных
камерах наиболее подробно изучен для сушилок с кипящим слоем.
При сушке в кипящем слое частицы сыпучих материалов, обла¬
дающих хорошими диэлектрическими свойствами, приобретают
электростатические заряды (электризуются) в результате их вза¬
имного контакта и взаимодействия со стенками аппарата и дру¬
гими конструктивными элементами.
Разделение соприкасающихся одна с другой частиц материала,
возникающее при прохождении через его слой ожижающего
агента, обусловливает их симметричное заряжение. Величина за¬
ряда, возникающего таким образом на отдельных частицах, опре¬
деляется прежде всего их физико-химическими свойствами, числом
и площадью единичных контактов частиц между собой, скоростью
их разделения и рядом других факторов.
Частицы, возникающие при измельчении высушиваемого мате¬
риала, также заряжены симметрично. При таком заряжении коли¬
чество частиц, заряженных положительно, равно числу частиц, за¬
ряженных отрицательно, т. е. суммарный заряд всего объема
частиц равен нулю (электростатические заряды симметрично за¬
ряженных частиц взаимосвязаны в объеме аппарата).
Асимметричное заряжение сыпучего материала в кипящем слое
возможно при ударах (или скольжении) частиц о стенки аппарата
и его решетку с последующим отрывом. В этом случае конструк¬
тивные элементы сушилки приобретают заряды одного знака,
а контактирующие с ними частицы — заряды противоположного
знака, т. е. в объеме сушильной установки возможно образование
избыточного заряда. Величина и знак его определяются физико¬
химическими свойствами обрабатываемого продукта и материала
аппарата, а также силой и числом соударений, длиной пути и
скоростью скольжения частиц вдоль конструктивных элементов
аппарата, зависящих в свою очередь от технологических парамет¬
ров процесса кипения материала.
Большой избыточный заряд в камере сушилки с кипящим
слоем обусловливает появление в ней сильных электрических
полей, определяющих опасность образования электростатических
разрядов со стенок и других конструктивных элементов (пеналов,
термометров и термопар, ребер жесткости и др.) сушильной уста¬
новки.
Существующие теоретические представления о механизмах
возникновения электростатических зарядов на твердых телах еще
не позволяют аналитически количественно оценить процесс элект¬
ризации дисперсных материалов при их обработке в кипящем
слое. Поэтому при изучении электризации в кипящем слое приме¬
няют различные методы измерения электростатических зарядов и
полей, возникающих в объеме аппарата. В большинстве работ
уровень электризации различных материалов в кипящем слое и
его изменение оценивают по показаниям статического вольтметра
(или электрометра), соединенного со сферическим или стержневым
214
"1
У
/
г-
г
Рас
ход Во
здуха
л/мин
Ю
60
70
2'
з-
зондом, погруженным в слой псевдокипящего материала [224,
225]. При измерениях по такой схеме регистрируется лишь потен¬
циал зонда (а не потенциал какой-либо точки электрического
поля в объеме аппарата), который он приобретает, будучи поме¬
щенным в ту или иную область объема кипящего слоя [226].
Исследованиями, носившими в основном экспериментальный
характер, установлено, что в кипящем слое могут возникать боль¬
шие потенциалы (до 10—15 кВ), причем величина, знак и ско¬
рость их нарастания во времени зависят от многих факторов, ко¬
торые упоминались выше. Рассмотрим их
более подробно.
Влияние времени и скорости фильтра¬
ции газа. При неизмененных параметрах
процесса псевдоожижения потенциал зонда
приобретает установившееся значение, при- ^ Q5
чем время, необходимое для его стабилиза- "
ции, в опытах изменяется [224, 225, 227].
Увеличение скорости фильтрации ожижаю¬
щего газа способствует росту зарядов на
частицах, возникающих при их контактиро-
вании с решеткой и стенками аппарата, а
следовательно, и увеличению потенциала
электрода — зонда (рис. 91).
Влияние материала стенок аппарата. На
знак и величину потенциала электрода су¬
щественно влияют физико-химические свой¬
ства материалов, из которых изготовлены
стенки аппарата и его решетка (рис. 91).
Это объясняется тем, что преобладаю¬
щим видом заряжения частиц в аппаратах
с кипящим слоем является асимметричное
заряжение [228].
Таким образом, именно в результате
трения и ударов частиц ожижаемого мате¬
риала о стенки и газораспределительную решетку аппарата воз¬
никают избыточные заряды, обусловливающие сильное электри¬
ческое поле в его объеме. Оно представляет собой результирую¬
щее электростатическое поле объемного заряда частиц и по¬
верхностного заряда стенок сушильной камеры, если они выпол¬
нены из диэлектрика [224].
Влияние рода ожижающего газа. В работе [224] исследовалось
влияние рода псевдоожижающего газа на потенциал зонда. В про¬
веденных опытах для псевдоожижения стеклянных шариков (до¬
вольно узких фракций: 190—200 и 750—800 мкм) использовали
гелий, азот и воздух. Установлено, что зонд приобретает наимень*
ший потенциал при псевдоожижении частиц гелием. Полученный
результат объясняется тем, что электростатические заряды частиц
в КС лимитируются электрическим разрядом между ними и стенкой
1,5
-1,0
•1,5
Рис. 91. Влияние расхода
воздуха и материала
стенок аппарата на ве¬
личину потенциала зонда
при псевдоожижении
кварцевого песка с ча¬
стицами диаметром
0,25 мм [226].
/—резина: 2 —латунь; 3 — ор¬
ганическое стекло.
215
(или другим конструктивным элементом) аппарата, так как разряд
легче формируется в среде с более низкой электрической проч¬
ностью, т. е. в гелии (пробивная прочность гелия составляет 30%
пробивной прочности воздуха).
Влияние влажности псевдоожижающего газа. Влажность среды
является одним из основных параметров, значительно влияющих
на удельное электрическое сопротивление контактирующих мате¬
риалов, от которого в свою очередь существенно зависит потен¬
циал зонда.
Так, при снижении^ влажности воздуха до определенного кри¬
тического значения (рис. 92) поверхностная проводимость псевдо-
ожижаемых частиц уменьшилась и, как следствие, повысился
потенциал зонда [227]. Дальнейшее по¬
нижение влажности ожижающего аген¬
та привело к агломерации частиц, а
также к налипанию их на стенки ко¬
лонны и зонд; при этом интенсивность
взаимодействия частиц с поверхностью
этих конструктивных элементов аппа¬
рата уменьшилась и потенциал зонда
резко упал (рис. 92).
Влияние влажности ожижаемого
воздуха на процесс псевдоожижения
ряда сыпучих материалов оценивалось
в работе [227] по изменению критиче¬
ской скорости этого процесса. Значе¬
ния этого параметра существенно воз¬
растали с понижением влажности воз¬
духа, что было связано со значитель¬
ным увеличением электростатических
сил между частицами, а также между
частицами и конструктивными элементами аппарата (стенками,
его решеткой), которые начинали преобладать над аэродинами¬
ческими силами.
При псевдоожижении частиц поливинилацетата воздухом
с влажностью ~1 г/кг электростатические силы становятся столь
значительными, что поток ожижаемого агента уже не в состоянии
диспергировать слой на отдельные движущиеся частицы и про¬
ходит через него отдельными струями. Повышение температуры
ожижающего газа при его постоянном влагосодержании (а зна¬
чит, при уменьшении относительной влажности газа) приводило
к увеличению критической скорости псевдоожижения частиц поли¬
винилацетата и полистирола.
Поэтому применение сушилок с кипящим слоем для сушки
материалов, имеющих высокие диэлектрические свойства, не всегда
оправдано.
Влияние температуры слоя. Вопрос о влиянии температуры
материала на интенсивность его электризации при сушке в кипя¬
Влажность 8оэдуха,г1нг
Рис. 92. Влияние влажности
ожижающего воздуха на по¬
тенциал зонда при псевдоожи¬
жении поливинилацетата /,
полистирола 2 и кварцевого
песка 3 с частицами размером
0,49-0,75 мм [227].
216
18000
I
* mo
/
\
р
\
л
\
\
г2
V
щем слое представляет практическим интерес, однако ему в лите¬
ратуре уделено мало внимания. В работе [224] изучалась лишь
зависимость потенциала зонда от температуры псевдоожиженного
слоя речного песка (280 мкм) и стеклянных шариков (190—
200 мкм). Для псевдоожижения этих материалов использовали
колонну из кварцевого стекла с внутренним диаметром 64 мм.
В процессе исследования слой материала подогревали двумя спо¬
собами: электрической спиралью, намотанной на кварцевую трубу,
и нагреванием ожижающего воздуха перед входом в кипящий
слой. Характер зависимости потенциала электрода от температуры
слоя (рис. 93), полученной в эксперименте, объясняется двойст¬
венным влиянием этой температуры на поверхностную проводи¬
мость ожижаемых частиц. При ее повышении до 100 °С интенсив¬
ность электризации частиц пе¬
ска и стеклянных шариков уве-
личивалась, что обусловлено с§6000
ростом их поверхностного со¬
противления в результате уда¬
ления с их поверхности адсор¬
бированной влаги.
Дальнейшее повышение тем¬
пературы вызывало . уже уве¬
личение поверхностной прово¬
димости ожижаемых материа¬
лов, что и приводило к сниже¬
нию их электризуемости. Ха¬
рактер зависимости потенциа¬
ла электрода от температуры
не менялся от способа нагре¬
ва слоя.
Процессы электризации дисперсных материалов в кипящем
слое во многих деталях остаются пока неясными, хотя явления,
связанные с ними, изучались многими авторами. Это объясняется
несовершенством наших знаний в области механизмов статиче¬
ской электризации твердых тел, а также сложностью аэродина¬
мики кипящего слоя и обилием факторов, влияющих на электри¬
зацию в нем различных материалов. Значения потенциала зонда
в зависимости от многих факторов, полученные в рассмотренных
работах, характеризуют лишь качественно процесс электризации
в кипящем слое и не позволяют оценить его опасность.
Учитывая немоделируемость процессов псевдоожижения,
а также сложность и малую изученность процессов электризации
дисперсных материалов в кипящем слое, можно рекомендовать
для оценки их опасности в полномасштабных технологических ап¬
паратах методику, описанную в работе [179]. При проведении
испытаний по этой методике необходимо снять спектр зарядов
в разрядных импульсах (если они возникают) не только при нор¬
мальных параметрах технологического процесса, но и при тех ано¬
Ц> 80 120 160 200 240 280
Температура,°С
Рис. 93. Зависимость потенциала элек¬
трода от температуры кипящего слоя
речного песка с частицами размером
280 мкм (/) и стеклянных шариков диа¬
метром 190—200 мкм [224].
217
малиях, которые могут возникнуть при его проведении в реаль*
ных условиях.
Есть основания предполагать, что с высушиваемого материала,
при псевдоожижении которого силы электростатического взаимо¬
действия между частицами превышают аэродинамические силы
(а это возможно, если тонкодисперсный материал интенсивно за¬
ряжается при небольших скоростях ожижающего агента), импульс¬
ные электростатические разряды не будут формироваться на кон¬
структивных элементах сушильной камеры (см. разд. 4.2.2). Это
связано с тем, что частицы материала, имеющие заряд одного
и того же знака, должны выталкиваться электростатическими си¬
лами из тех объемов кипящего слоя, в которых электрическое поле
начинает усиливаться при напряженности, много меньшей элект¬
рической прочности воздуха. Однако эти положения, подтвержден¬
ные экспериментом на модельных установках, необходимо прове¬
рить при электризации материалов в реальных (полномасштаб¬
ных) технологических аппаратах.
Следствием заряжения материала при его псевдоожижении
является не только возникновение электростатических разрядов,
но и существенное изменение структуры самого кипящего слоя.
Возникновение на частицах электрических зарядов противопо¬
ложного знака вызывает, как отмечалось выше, их агрегирование,
которое ухудшает равномерность распределения ожижающего
газа в слое и способствует образованию сквозных каналов. Все
это приводит к нарушению технологического режима работы су¬
шильной установки, повышению температуры отходящих газов,
осаждению материала на газораспределительной решетке и, как
следствие, к его возгоранию или самовозгоранию.
ГЛАВА 5
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГОРАНИЙ И ВЗРЫВОВ
ПЫЛЕЙ (ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ)
Чтобы предотвратить загорания и взрывы в процессе эксплу¬
атации зданий и технологических установок, необходимо прини¬
мать соответствующие меры уже на первых стадиях проектирова¬
ния. Целесообразность такого подхода можно проиллюстрировать
рис. 94, характеризующим возрастание стоимости, продолжитель¬
ности разработок и внедрения мероприятий по предупреждению
возможных аварий на различных стадиях освоения технологиче¬
ского процесса [136].
Безопасность производств обеспечивается главным образом
конструктивным оформлением процесса. Поскольку наибольшая
опасность создается при развитии пожара и взрыва в производ¬
ственном помещении, разработку профилактических мероприятий
обычно начинают с ; категорирования помещений по степени по¬
жаро- и взрывоопасности. Для этого технологический процесс раз¬
бивают на отдельные стадии и рассматривают их согласно компа-
новочной схеме для каждого помещения.
Опасность каждой стадии определяется прежде всего присут¬
ствием горючей системы и источника зажигания. Для оценки этой
опасности собирают подробные данные о пожаро- и взрывоопасных
свойствах применяемых веществ и материалов, особенностях про¬
цесса, в котором они обращаются и могут изменяться, возможных
нарушениях процесса и авариях оборудования.
Для оптимизации производства с точки зрения безопасности
и его экономики общие данные о пожаро- и взрывоопасных свой¬
ствах веществ могут быть уточнены применительно к условиям
технологического процесса, что требует проведения специальных
исследований.
Специфическая особенность производств, связанных с перера¬
боткой горючих пылей, заключается в том, что по содержанию
пыли в помещении нельзя оценивать степень его пожаро- и взры¬
воопасности. Это объясняется зависимостью опасных концентраций
пыли от ее физических свойств, в частности от дисперсного состава.
Физические свойства пыли, образующейся в оборудовании, могут
отличаться от свойств взвешенной или осевшей пыли в производ¬
ственном помещении. Определить количество аэрогеля практически
не представляется возможным, так как оно в первую очередь
зависит от случайного фактора — качества уборки помещения.
Кроме того, трудно учесть количество пыли, скопившейся на по¬
верхностях конструктивных элементов здания, в щелях, углах и др.
219
При рассмотрении особенностей взрыва пылей (гл. 2) указыва¬
лось, что местная вспышка аэрозоля в этих условиях может при¬
вести к повторному взрыву разрушительной силы в результате
взвихрения аэрогеля с образованием пыли взрывоопасной концен¬
трации в большом объеме воздуха. Простой расчет показывает
[229], что для этого достаточно сравнительно небольшое коли¬
чество аэрогеля. Так, для образования пыли взрывоопасной кон¬
центрации (с нижним пределом воспламенения 10 г/м3) слой ее
на полу при объемной плотности 500 кг/м3 должен составлять
всего 0,1 мм. Указанные обстоятельства вынуждают пока катего-
рировать производственные помещения по степени пожаро- и
взрывоопасности, основываясь только на соответствующей класси¬
фикации пылей, приведенной в СНиП и ПУЭ [74, 75]. Недостатки
этой классификации отмечены
выше (см. гл. 3). Рассмотренные
в гл. 3 предложения по уточне¬
нию классификации пылей позво¬
ляют более надежно категориро-
вать производства, что особенно
важно в условиях их укрупне¬
ния, а следовательно, возросшей
пожаро- и взрывоопасности.
При категорировании произ¬
водств на основе предлагаемой
классификации следует учиты¬
вать в отличие от требований су¬
ществующих нормативных доку¬
ментов [74, 75] взрывоопасность
пылей с нижним пределом вос¬
пламенения более 65 г/м3. В свя¬
зи с этим предлагается относить
производственные помещения, опасность которых определяется
такими* пылями, к категории Б по СНиП и B-II или В-Па
по ПУЭ при объеме, занимаемом установкой, в которой
образуется пыль, более 10% всего объема помещения. При мень¬
шем занимаемом объеме на этом участке должны предусматри¬
ваться эффективные мероприятия по улавливанию пыли, пре¬
дупреждению ее взрыва и распространению пожара. Остальное
помещение согласно свойствам этой пыли не категорируется.
Для анализа пожаро- и взрывоопасности стадий производства
и выбора способов защиты все более активно начинают применять
математические методы [230—233]. В одной из таких работ [230]
для определения пожаро- и взрывоопасного индекса / производст¬
венного процесса предлагается следующая эпмирическая формула:
О+тягН'+тягХ'+тяг) (138)
* [dp/dx)макс ^ 2 МПа/с.
Производственная
установка -
Опытная
'установка
ер Во на ча льные
'''' разработки
Вероятность
аварии
Время
Рис. 94. Изменение стоимости, про¬
должительности разработок и ве¬
роятности аварии на различных ста¬
диях освоения технологического
процесса.
220
где а — коэффициент, учитывающий пожаро- и взрывоопасные свойства наиболее
опасного вещества, присутствующего в достаточном количестве; числен¬
ные значения коэффициента колеблются в зависимости от чувствитель¬
ности вещества к горению и взрыву от 1—20; значения принимаемых
коэффициентов для некоторых твердых веществ и материалов приведены
в табл. 25;
Ъ — коэффициент, характеризующий опасность, дополнительно * возникаю¬
щую в специфических условиях процесса и зависящую от химических
свойств участвующих в нем веществ. Коэффициент b подсчитывают как
сумму показателей свойств, которые могут проявиться в рассматривае¬
мом процессе.
с — коэффициент, учитывающий общую опасность процесса. Коэффициент с
подсчитывают как сумму показателей для тех опасностей, которые могут
проявиться в рассматриваемом процессе;
d — коэффициент, учитывающий специфическую опасность процесса; коэффи¬
циент d подсчитывают как сумму показателей для тех специфических
опасностей, которые могут проявиться в рассматриваемом процессе.
Таблица 25. Значения коэффициентов а для твердых веществ и материалов
Характеристика твердых веществ
и материалов
Примеры веществ и материалов
Коэффи¬
циент
Кремнезем
Древесина, сахар, зерно, бу¬
мага, полиэтилен
Каучук, резина, камфара,
адипиновая кислота
гидросуль-
Негорючие; не относятся к окисли¬
телям
Горючие; тушатся водой
По воспламеняемости и горючести
. сходны с жидкостями, имеющими
высокую температуру вспышки;
при использовании плавких ве¬
ществ и материалов в усло¬
виях, соответствующих их
температуре вспышки;
при температуре, превышающей
величину 0,8/ (/ — темпера¬
тура вспышки)
Легковоспламеняемые или склон¬
ные к самовозгоранию или быст-
рогорящие; тушатся водой
В тонкоразмельченном состоянии;
способны образовывать пыли,
чувствительные к воспламенению
и взрыву
Склонны к самовозгоранию; быстро
распространяют горение; нельзя
тушить водой, так как с водой
реагируют с образованием восп¬
ламеняющихся или взрывоопасных
паров и газов
Показатели (коэффициент Ь), применяемые для характери¬
стики дополнительной опасности, обусловленной ж химическими
свойствами веществ, следующие:
Нитроцеллюлоза,
фид натрия
Крахмал, сера, порошки маг¬
ния, алюминия, полиэтилена,
сахара, древесные опилки
Натрий, литий, карбид каль¬
ция, изопропилперкарбонат
1
3
5
10
7,5
10
10
16
Не учитываемую при определении коэффициента а,
221
Реагирование с водой и образование горю¬
чего газа 0—30 *
Окислительное действие 0—20 *
Склонность к взрывчатому разложению . . . 125
Склонность к детонации 150
Склонность к химическому самовозгоранию 30
Показатели (коэффициент с), принимаемые для характери¬
стики общих опасностей процесса, приведены ниже:
1. При физическом изменении вещества ..... г . 0—50
В том числе
процесс в закрытой системе непрерывного дей¬
ствия (без загрузки и выгрузки веществ) ... 0
процесс в закрытой системе периодического дей¬
ствия (с загрузкой и выгрузкой веществ) . . 25
процесс с применением веществ, возгорающихся
в окружающей их атмосфере и нагретых до
t < 0,8/в Ub — температура вспышки) 25
то же, но нагретых до t > 0,8/в 50
2. При непрерывном протекании реакций 25—50
В том числе
для экзотермических реакций в условиях, га¬
рантирующих поглощение тепла . 25
то же, в условиях, не гарантирующих поглоще¬
ние тепла 50
3. При периодически возникающих реакциях (к пока¬
зателям, определенным по вариантам 2, дополни¬
тельно приплюсовывается 10 баллов — возможность
ошибки оператора) 35—60
4. При разных реакциях, протекающих в одном
и том же оборудовании (к показателям, определя¬
емым по этому пункту, дополнительно приплюсовы¬
вается до 50 баллов для учета опасных примесей,
появляющихся в оборудовании при переходе
от одной реакции к другой) 0—50
Показатели (коэффициент d), принимаемые для характери¬
стики специфических опасностей процесса, следующие:
Трудноуправляемые экзотермические реакции или
процессы 50—100
Высокие давления, МПа:
1,75—2,1 30
>21 60
Высокая температура 10—30
В том числе при температуре, превышающей 0,8/Св
(/св — температура самовоспламенения) 30
Работа вблизи или в пределах радиуса взрыва . . До 150
Образование взрывоопасных аэрозолей 30—60
при нарушениях простых механических операций
с материалом (выгрузка, загрузка) 30
возможно в условиях технологического про¬
цесса 50
постоянная возможность в условиях технологи¬
ческого процесса 60
Повышенная взрывоопасность процесса 60—100
* Показатель увеличивается с возрастанием количества вещества, опреде^
ляющего рассматриваемое свойство.
Ц22
Недостатком приведенного метода расчета является весьма
большая его условность, связанная с выбором коэффициентов
для определения пожаро- и взрывоопасного индекса. Однако под¬
робный анализ производственных условий для подбора коэффи¬
циентов способствует (в этом достоинство расчета) большей тща¬
тельности проработки опасностей того или иного узла и состав¬
лению более надежных профилактических мероприятий. Более со*
вершенными, но и более сложными являются вероятностные рас¬
четы определения возможности создания аварийной ситуации на
той или иной стадии технологического процесса. Для составления
вероятностной модели аварии в одном из предлагаемых вариантов
расчета [231] необходимо выявить:
1) пожаровзрывоопасные операции технологического процесса
и предельно допустимые параметры (температуру, концентрацию
и др.), при превышении которых создается аварийная ситуация;
2) элементы технологической схемы и схемы защиты *, при
отказе которых опасный параметр у может превысить предельно
допустимую норму Удоп-
Принимается, что пожар и взрыв возникают при нарушении
технологического режима (при отказе технологической схемы),
а схема защиты не обнаруживает и не ликвидирует аварийную
ситуацию.
Таким образом, важной характеристикой работы технологиче¬
ской схемы является частота ее отказов. Суммарную частоту от¬
казов Хот определяют по формуле
п
Лот = X (139)
1
где п — число элементов технологической схемы, при отказе которых опасный
параметр может выйти за пределы, нарушающие неравенство у < г/доп*,
Я/ — частота отказов i-ro элемента, ч-1.
Для простейшего потока отказов период между ними соответ¬
ствует
Т от “ (140)
Лот
а средняя частота следования импульсов отказов для технологи¬
ческой схемы Ai
Л1 = 7ТГ~ (141)
Т1 1 от
для схемы защиты
= TZW (142)
Т+ Та
от,
* К элементам технологической схемы относятся дозирующие’ регулирующие,
перемешивающие, перемещающие и другие устройства. К элементам схемы за¬
щиты относятся приборы — преобразователи информации, сигнализационные
устройства, исполнительные механизмы.
223
где fi и f2 — среднее время соответственно отказа технологической схемы и
схемы защиты, ч;
т'от и Т"т — средний период между отказами соответственно технологической
схемы и схемы защиты, ч.
В соответствии с отмеченными выше особенностями вероят¬
ность аварии определяется из вероятности совпадения импульсов
отказов технологической схемы и схемы защиты. Выражение, учи¬
тывающее это условие, имеет вид
Р(Т) = 1-еЛГ (143)
где р (Т) — вероятность аварии, связанной с пожаром или взрывом, за время
технологического цикла Т, ч;
А — частота следования импульсов совпадения отказов;
Л = (Т] + т2) Л(Л2е (144)
б — длительность периода совпадения отказов, приводящая к аварии, ч.
Приводимые зависимости дают возможность определить с из¬
вестной степенью приближения требования к работе защитного
устройства, которое должно обеспечить пожаро- и взрывобезопас¬
ные условия работы определенного узла технологического про¬
цесса. Как отмечалось выше, обязательным условием расчета за¬
щитных устройств и разработки профилактических мероприятий
является знание опасных участков производства, определяемы*
наличием горючей системы и возможным появлением источников
зажигания. Для этого необходимо также знать пути предотвра¬
щения загораний пылей и взрывов их смесей с воздухом.
5.1. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГОРАНИЯ АЭРОГЕЛЕЙ
Если в соответствии с данными лабораторных исследований по
методикам, рассмотренным в гл. 3, пыли относятся к горючим
материалам и их невозможно заменить негорючими или трудно-
горючими, то следует помнить, что в воздушной среде они могут
образовывать системы, склонные к возгоранию и при определен¬
ных свойствах материалов к самовозгоранию.
Возгорание аэрогеля происходит при температуре источника
зажигания выше температуры тления, а при отсутствии тления —
выше температуры самовоспламенения пылей. К наиболее вероят¬
ным источникам зажигания, возникающим при переработке пыли,
относятся искры от удара, теплота трения и статическое электри¬
чество. Случайными источниками, связанными с нарушениями
правил пожарной безопасности, являются искры сварки, окурок
папиросы, открытое пламя, нагретая поверхность и искра неис¬
правного электрического оборудования. Небезынтересны в этом
отношении приводимые данные о температурах, развиваемых на
поверхности открытых электрических ламп мощностью 100 и
500 Вт при различном их положении и температуре окружающего
воздуха 25 °С (рис. 95) [5]. При этих температурах многие горю-
224
чие пыли в состоянии аэрогеля могут загореться. Необходимо учи¬
тывать, что пыли, оседая на поверхности ламп, создают теплоизо¬
лирующий слой, который способствует повышению ее температуры.
Поскольку аэрогели имеют развитую поверхность, они легко
загораются от искры. Однако активное горение аэрогелей затруд¬
няется во многих случаях тем, что в их слое недостаточно воз¬
духа. Поступлению же воздуха извне препятствуют газообразные
продукты разложения, скапливающиеся в каналах отложившейся
пыли. Поэтому горение большинства аэрогелей вследствие малой
скорости окисления крупных частиц и большой степени компакт¬
ности слоя, содержащего мелкие частицы, характеризуется про¬
цессами тления, которые не всегда можно обнаружить. Это
95°С
6
Рис. 95. Температура нагрева поверхности лампы в различных положениях:
а—100 Вт; 6 — 500 Вт.
обстоятельство повышает опасность производства, связанного
с переработкой пыли, так как трудно обнаружить ее загорание
и полностью его ликвидировать. При создании условий для пере¬
хода аэрогеля в аэрозоль не потушенные очаги горения отложений
пыли могут послужить причиной взрыва. Такие случаи д >вольно
часто наблюдаются на практике.
Тепловое самовозгорание аэрогеля толщиной слоя до 5 мм
может возникнуть при температурах источников зажигания соот¬
ветствующих температуре тления при самовозгорании материала
(или температуре самовоспламенения при отсутствии склонности
пыли к тлению). Весьма важной особенностью теплового самовоз¬
горания твердых веществ является то, что с увеличением толщины
слоя материала требуемая температура источника зажигания сни¬
жается до температуры самонагревания.
225
Поэтому в зонах технологических установок, особенно суши¬
лок, где возможно скопление сухого пылевидного материала,
допустимые температура теплоносителя и время пребывания
продукта должны определяться из общей зависимости между
температурой среды, толщиной слоя материала и временем до
его самовозгорания. Зная максимально возможную толщину слоя
скапливающегося продукта, из этой зависимости можно опреде¬
лить допустимые температуру и время пребывания продукта
в зоне, значения которых должны не превышать 80% от найден¬
ных экспериментальных величин.
К наиболее вероятным источникам, вызывающим тепловое
самовозгорание материалов и возникающим в производственном
процессе, относятся нагретые до опасных температур газы с до¬
статочным содержанием кислорода и поверхности, с которыми
соприкасается аэрогель. Поэтому для интенсификации процессы,
связанные с нагревом (например, сушку), следует проводить
в несколько стадий с тем, чтобы не повышать их пожаро- и взры¬
воопасность. Так, при сушке горючих материалов в кипящем
слое (КС) используют многозонные сушилки, в которых жесткие
режимы сушки выдерживают в первых зонах, где высушиваемый
материал имеет повышенную влажность и менее склонен к само¬
возгоранию, а в последующих зонах применяют более мягкий
режим сушки. В некоторых случаях используют комбинированные
сушильные установки, например, пневмосушилку в сочетании с су¬
шилкой КС [204].
Технологические параметры процессов, конструктивное испол¬
нение соответствующих установок и режимы их чистки должны
исключать появление на внутренних поверхностях оборудования
неконтролируемых отложений горючего сухого материала. Контакт
с несовместимыми веществами создает условия для химического
самовозгорания аэрогеля, которое может возникать и при обычных
температурах.
Так, недопустимое совместное хранение в одном из производств
марганцовокислого калия (окислителя) и жидкого продукта, со¬
держащего 85% подсолнечного масла (лечебная мазь для нати¬
рания), послужило причиной пожара и взрыва на производстве.
Возможность их взаимодействия не учитывалась в предусмотрен¬
ных правилах хранения.
Зная особенности возгорания и самовозгорания аэрогелей,
можно определить основные технические мероприятия, необходи¬
мые для предотвращения загораний пыли. Эти мероприятия
направлены главным образом на предупреждение возможности
появления в производственном процессе потенциальных источни¬
ков зажигания.
Возможность появления случайных источников предупрежда¬
ется выполнением организационных мероприятий, предусмотрен¬
ных ч общих правилах, регламентирующих работу в пожаровзры¬
воопасных производствах [234].
226
Опасность воспламенения от искр ударов возникает во вра¬
щающемся рборудовании, где возможны многократные удары
в одно и то же место (вентиляторы, центрифуги, дробилки, мель¬
ницы и др.). Следует отметить, что и одиночный удар способен
вызвать зажигание пыли, если соударяющиеся поверхности обра¬
зуют пару сильного искрения (например, алюминий и сталь,
покрытая ржавчиной). Для устранения указанной опасности
конструкция элементов вращающегося оборудования должна
исключать возможность их сдвига, отрыва или образования «ско¬
лов», также приводящих к искрообразованию. Использование
сварных конструкций и систематический осмотр позволяют снизить
вероятность такого рода нарушения.
Для исключения чередующихся ударов и трения измельчаю¬
щих органов ударно-центробежных мельниц о инородные пред¬
меты, попавшие случайно в помольные камеры, предлагается
использовать специальные защищающие устройства: предохрани¬
тельные фрикционные муфты, легкосрезаемые элементы и др.
[235].
Очистка в производственном потоке пылевидных материалов
от металлопримесей, вызывающих искры при ударе, достигается
пневматической и магнитной сепарацией. Пневматическая сепара¬
ция позволяет также избежать попадания абразивных материалов
в поток пыли, образующийся, например, при работах на шлифо¬
вальных станках [236]. При магнитной сепарации материал, по¬
ступающий в измельчитель, пропускают предварительно через ме¬
таллоискатель, а затем через электромагнитный сепаратор (железо-
отделитель) [237].
Существует большое число схем и конструкций металлоиска¬
телей, которые в простейшем случае состоят из трех элементов:
индукционной катушки-датчика, находящейся в магнитном поле;
гальванометра с контактной системой и исполнительного реле.
Такая схема металлоискателя, принцип действия которого основан
на применении постоянного магнитного потока, представлена
на рис. 96.
Верхняя ветвь конвейерной ленты У, по которой в измельчи¬
тель подается материал, окружена ярмом магнитной системы 2,
выполненным в виде пакета из намагниченных пластин. Магнит¬
ный поток, пронизывающий конвейерную ленту с транспортируе¬
мым материалом, создается полюсными наконечниками 3 к 4.
На верхнем полюсе 3 магнитной системы размещена индукционная
катушка 5, выходные концы которой соединены с милливольтмет¬
ром 6 типа МРЩ Пр-54. Милливольтметры этого типа снабжены
позиционным регулирующим устройством, которое обеспечивает
включение выходных ртутных контактов при отклонении стрелки
прибора за пределы подвижного задатчика.
При прохождении посторонних ферромагнитных предметов,
попавших в транспортируемый материал, под полюсными нако¬
нечниками металлоискателя на выходе индукционной катушки 5
227
наводится электродвижущая сила, срабатывает контактная си¬
стема милливольтметра, включается сигнализация и конвейер
останавливается.
Железоотделители обычно представляют собой электромаг¬
ниты, специально приспособленные для улавливания из перера¬
батываемого материала посторонних стальных предметов. Кон¬
структивно их выполняют в виде подвесных электромагнитных
сепараторов или электромагнитных шкивов (рис. 97). Основные
недостатки железоотделителей — это ненадежность действия
магнитов, обусловленная их нечувствительностью к слабомагнит¬
ным и немагнитным металлам и недостаточная подъемная сила
магнитов, не обеспечивающая извлечение более тяжелых металли¬
ческих предметов. Применение металлоискателей в комплекте
Рис. 96. Схема металлоискателя с постоянным магнитом:
1 —конвейерная лента; 2— ярмо магнитной системы; 3, 4 — полюсные наконечники; 5—индук¬
ционная катушка; 6 — милливольтметр МРЩ Пр-54; 7—магнитный пускатель; 8 —электро¬
двигатель конвейера.
с железоотделителями позволяет в значительной степени устранить
эти недостатки и сделать защиту измельчителей более надежной.
Трущиеся элементы оборудования, предназначенного для обра¬
ботки пылевидных материалов и его транспортирования, могут
быть, как указывалось выше, генераторами тепла, что приводит
к нагреванию поверхностей до опасных температур. Поэтому
необходимо выявлять указанные элементы оборудования и прини¬
мать меры, исключающие возможность такого нагрева. Так, при
шлифовании в производстве фанеры температура в местах шли¬
фовки в результате сильного трения повышается до 400 °С, что
приводит к загоранию древесной пыли. Поэтому места шлифовки
сильно охлаждают, используя для этого пылеотсасывающее
устройство. Чтобы обеспечить нужный режим работы устройства,
устанавливают датчики потока или измерители давления, отклю¬
чающие привод шлифовальной ленты при сокращении расхода
воздуха [238].
В производственных условиях для определения степени
нагрева в ряде случаев применяют электроконтактные термо¬
метры [239], окрашивание поверхностей термочувствительными
красками, изменяющими цвет при критической температуре, де¬
текторы тепла, связанные с сигнализационными и регулирующими
механизмами.
Изолированные проводящие части аппаратуры, заряжаясь
при контакте с наэлектризованным сыпучим материалом, способ¬
ствуют формированию искровых разрядов на заземленные части
установки, от которых могут воспламениться аэрозоли многих
горючих веществ и материалов. Для защиты от разрядов стати¬
ческого электричества все конструктивные элементы, изготовлен¬
ные из металла, надежно заземляют в соответствии с требова-
Рис. 97. Схемы установки подвесных (а) и шкивных (б) электромагнитных
сепараторов:
/—подвесной электромагнитный сепаратор; 2—электромагнитный шкив; 3—материал;
4—металлические предметы.
ниями правил защиты от статическогб электричества [174].
Однако прошивка, например, металлической проволокой рукавов
фильтров опасна, так как проволока может сломаться и отдель¬
ные части могут оказаться незаземленными. Поэтому считается
более надежным применять эти рукава без металлической прово¬
локи [43]. Принятие мер предосторожности, исключающих элект¬
рическую изоляцию металлических частей установки, позволяет
предотвратить накопление на ней опасных зарядов, хотя пыль
сама по себе и будет их удерживать.
Для снижения энергетических характеристик импульсных
разрядов статического электричества с поверхности осевшего,
например, в бункере наэлектризованного материала или их пре¬
дотвращения рекомендуется [240] на уровне материала устанав¬
ливать заземленную электропроводящую решетку с ячейками
произвольной формы. Размеры ячеек решетки выбирают так, чтобы
разряд с материала, находящегося внутри их, не представлял
опасности для его аэрозоля.
229
Следует учитывать, что применение подобных конструктивных
мер нецелесообразно в тех зонах технологического оборудования
(пневмолинии, сушильная камера КС и др.), гДе перерабатывае¬
мый материал находится в движении и активно взаимодействует
с его стенками, что усиливает электризацию частиц этого мате¬
риала [228, 241]. Предотвращение разрядов статического электри¬
чества или ограничение их энергетических характеристик в раз¬
личных технологических установках, перерабатывающих сыпучие
электризующиеся материалы, достигаются также следующими
методами: нанесением электропроводных покрытий на диэлектри¬
ческие конструктивные материалы, увлажнением воздуха, увели¬
чением поверхностной и объемной проводимости диэлектриков,
использованием различных нейтрализаторов и др. [154, 163, 238].
Для обеспечения утечки зарядов с рабочих рекомендуется приме¬
нять антистатическую обувь, а в зоне рабочих мест — электропро¬
водящие полы [174].
В работе [80] сообщается, что особенно склонны к воспла¬
менению от статического электричества те пыли, минимальная
энергия зажигания которых менее 25 мДж. При переработке
или транспортировании в электропроводящем оборудовании ве¬
ществ с минимальной энергией зажигания более 100 мДж обос-
нование’электростатической искробезопасности не требуется [242].
Используемое электрооборудование должно быть пыленепрони¬
цаемого исполнения, при котором исключается возможность заго¬
рания пыли и взрыва аэрозоля от искр электрических дуг или
нагретых поверхностей как при нормальной работе электрообору¬
дования, так и при его поломке. Применение взрывобезопасного
оборудования, которое устанавливают при работе с горючими па¬
рами и газами, не обязательно. Такое оборудование необходимо
в том случае, если выделяются горючие газы и пары, которые
загораются легче, чем пыли, и могут послужить для них воспламе¬
няющим источником.
Чтобы исключить возможность самовозгорания аэрогеля,
нужно исключить его контакт с несовместимыми веществами, а
также с нагретыми поверхностями и кислородсодержащими га¬
зами с температурой выше величины 0,8/ (/ — температура, при
которой может произойти тепловое самовозгорание аэрогеля
с максимально возможной для рассматриваемых условий толщи¬
ной слоя).
В нормативной литературе [74] указывается допускаемая тем¬
пература нагретых поверхностей оборудования для опасных про¬
изводств, равная 140 °С. При этом не учитываются свойства пылей
и толщина их отложившегося слоя; загорание некоторых веществ,
с одной стороны, может возникнуть и при более низких темпе¬
ратурах. Так, порофор ЧХЗ-57 (2,2-азо-бис-изобутиронитрил
C8Hi2N4) самовоспламеняется при температуре выше 60 70 °С
[58]. С другой стороны, такое ограничение затрудняет использо-
230
ванне процессов, где допустимы более высокие температуры
нагрева поверхностей.
Специальные исследования [243], например, показали, что
пыль полипропилена не самовозгорается при 250 °С и толщине
слоя 70 мм. Это позволило изготавливать грануляторы для поли¬
пропилена (нижний концентрационный предел воспламенения аэро¬
золя 10 г/м3) с формующей головкой, нагреваемой до 250 °С.
Аэрогель, не склонный к химическому самовозгоранию, может
независимо от толщины слоя длительное время контактировать
с указанными выше газами и поверхностями, нагретыми до темпе¬
ратур *, лежащих ниже температуры самонагревания пыли.
Весьма опасен контакт плавящихся веществ, окисляющихся
кислородом воздуха, с теплоизоляционными материалами, которые
пропитываются ими. В этом случае расплавленные вещества дис¬
пергируются на поверхности изоляционных материалов и, контак¬
тируя с воздухом, содержащимся в их порах, могут самовозго¬
реться. Накоплению тепла, выделяющегося при экзотермической
реакции окисления и приводящего к самовозгоранию, способст¬
вуют эти же изоляционные материалы. Подобного рода загорания
наблюдались на практике, например, при попадании расплавлен¬
ного парафина на стеклоизоляцию. Эффективной мерой защиты
в таких случаях является применение металлического кожуха,
исключающего возможность пропитки изоляции и способствующего
образованию слоя вещества с небольшой поверхностью контакта
с воздухом и охлаждению слоя.
В производстве, связанном с образованием легковоспламеняю¬
щейся пыли и появлением источников зажигания (мельницы,
дробилки и др.), процесс необходимо проводить в условиях,
исключающих возможность загорания системы [70, 236]. Для этого
уменьшают содержание кислорода в такой системе до безопасной
концентрации, вводя флегматизирующие газы (азот, двуокись
углерода и др.).
Следует учитывать, что безопасная концентрация кислорода
для пыли в состоянии аэрогеля более низкая по сравнению с той,
которая определяется для аэрозоля. Во многих случаях она не пре¬
вышает 8% [190]. Безопасное содержание кислорода не одинаково
для различных пылей и зависит от свойств газа, применяемого для
флегматизации.
При тушении аэрогелей руководствуются следующими основ¬
ными правилами: для прекращения горения осажденной пыли
нельзя применять компактную струю огнетушащего средства, спо¬
собную взвихрить пыль; следует применять, например, тонкорас¬
пыленные струи воды со смачивателями или воздушно-механиче¬
скую пену, там где они совместимы ** с горящим продуктом [29].
* Температура нагрева должна быть не выше 90% от температуры само¬
нагревания пыли.
** Совместимость вещества с водопенными средствами тушения можно опре¬
делять по методике, приведенной в [8].
231
Можно применять также тушащие порошки. Для тушения горящей
пыли рекомендуется использовать оросительные системы [2].
Оборудование большого объема (бункера, коллекторы пыли и др.)>
особенно при использовании в нем ткани, защищают от огня авто¬
матическим спринклированием [5]. Для каждого конкретного про¬
цесса необходимо заранее определять эффективные средства туше¬
ния и их интенсивность. При этом следует учитывать также ток¬
сичность продуктов разложения.
Основное правило, которым нужно обязательно руководство¬
ваться при возникновении загорания на установке по перерабо*^#
пыли, — это немедленное ее отключение. Причем в первую очередь
нужно отключить аспирационную и вентиляционную системы. Этим
предотвращается возможность движения горящего материала и
возникновение взрыва на благоприятном для этого участке. Пуск
установки возможен лишь после тщательного осмотра и полного
устранения горящей пыли.
5.2. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЗРЫВОВ АЭРОЗОЛЕЙ
Основными направлениями защиты от взрывов пыли являются;
1) обеспыливание; 2) предотвращение опасности воспламенения
аэрозоля; 3) предотвращение взрыва аэрозоля; 4) ограничение и
подавление взрыва аэрозоля.
Необходимо учитывать, что взрыв, так же как и пожар, яв¬
ляются событиями случайными, т. е. они могут произойти или не
произойти. Возникновение этих событий обусловливается рядом
причин, вероятность появления которых пока еще не поддается
надежному расчету. Поэтому предотвращение пожара и взрыва
не должно зависеть от мероприятия, связанного только с одним
направлением защиты. Необходимы комплекс мероприятий, обеспе¬
чивающих безопасность людей, и разрабатываемых с учетом техни¬
ко-экономических показателей процесса. В этот комплекс должен
входить ряд вариантов защиты, связанных с исключением из про¬
цесса горючей системы или возможных источников зажигания,
а также с использованием способов ограничения и подавления
взрыва аэрозолей. Следует учитывать, что мероприятия по защите
от взрывов наилучшим образом осуществляются в оборудовании
наименьшего объема.
5.2.1. Обеспыливание
Как отмечалось выше, наиболее катастрофический характер
имеет взрыв пыли, происходящий в помещении, в котором прово¬
дится процесс. Причиной этого взрыва является пыль, скапливае¬
мая в различных местах производственного помещения и легко
образующая воспламеняющийся аэрозоль при какой-либо вспышке
(взрыве) местного характера. Обеспыливание, как мера предо-
232
ст рожности ймеет в этом случае решающее значение, так как
исключает возможность разрушительных вторичных взрывов.
Одним из путей реализации метода обеспыливания является
снижение количества производимой пыли. Когда технология про¬
цесса связана с получением пыли и количество ее возрастает
с ростом механизации и повышением производительности, целесо¬
образно разделить процесс на стадии (участки) и принимать меры
по обеспыливанию каждого участка.
Понижением летучести пыли можно также успешно противо-
’ ^гствовать образованию аэрозолей. Для этого увлажняют пыль
\^ли допустимо технологией) в местах ее образования или в ме¬
стах, где возможно возрастание содержания пыли в воздухе.
Увлажнение проводят до такого состояния пыли, при котором не
образуется аэрозоль. Только в этом случае указанный способ
является эффективным [5]. Замена пылесборников скрубберами
с увлажнением помогает решить эту задачу. Для улучшения сма¬
чивания к воде добавляют поверхностно-активные вещества.
Весьма важной проблемой, от решения которой зависит безо¬
пасность процесса, является своевременное удаление скоплений
пыли и обеспечение надежной герметизации соответствующего
оборудования. Очевидно, что указанная проблема решается тем
легче и экономически более выгодно, чем меньшее количество пыли
откладывается в процессе. Этому способствуют гладкие полы и
стены зданий, сведение к минимуму в них балок, ферм, выступов
и других конструкций с развитой поверхностью. Для облегчения
ее ссыпания угол наклона конструктивных элементов должен быть
больше угла естественного откоса сухого материала. Аналогичные
требования предъявляют и к оборудованию. Накоплению пыли
могут способствовать и ее адгезионные свойства. Поэтому в зави¬
симости от конкретных условий определяют мероприятия, противо¬
действующие проявлению этих свойств. К ним относятся подбор
антиадгезионных покрытий для стенок аппаратов, изменение влаж¬
ности материала, размеров его частиц, их обработка поверхностно¬
активными веществами и др. [144].
Для сушилок, в которых отложения пыли особенно опасны,
предусматривают дополнительные конструктивные мероприятия:
1) вводят внутрь сушильной камеры вращающийся вал со
щетками, очищающими осевшую пыль со стенок аппарата;
2) обмывают стенки башенных сушилок водой, тонкая пленка
которой препятствует самовозгоранию пыли, скапливающейся на
стенках аппарата;
3) ликвидируют мертвые зоны, где может скапливаться пыле¬
видный продукт.
Для устранения накапливания пыли можно использовать вен¬
тиляцию, непрерывно отсасывающую пыль в пылеуловители со
скоростью, превышающей скорость распространенйя пламени
в аэрозоле. Для угольной пыли эта скорость должна быть около
30 м/с [92]. С этой же целью процесс обеспыливания мельниц
g Зак. 62
233
совмещают с пневмоудалением йз них измельченного материала
[117, 244]. Для предотвращения недопустимого скопления про¬
дукта в узлах пневмотранспортной системы предусматривают бло¬
кировку контролирующей аппаратуры с механизмами его подачи.
Это позволяет в нужный момент автоматически прекратить по¬
ступление продукта в систему и очистить ее от скопившегося про¬
дукта.
Улавливать пыль рекомендуется фильтрами, имеющими при¬
способления для непрерывного автоматического ее удаления [234].
Если приходится отсасывать пыли, различающиеся свойствами,
определяющими их взрывоопасность (например, крупную и мел¬
кую пыль), то целесообразно с точки зрения безопасности произ¬
водства и меньшего ущерба от аварии предусматривать раздель¬
ные аспирационные системы с пылеуловителями.
Рекомендуется машины, производящие мелкодиспергирован-
ные порошки, также оборудовать отдельными пылеочистительными
установками [236]. Особенно важна эта рекомендация для несов¬
местимых пылей. Например, если пыль окиси железа и пыль
алюминия будут смешаны в одном и том же циклоне, то обра¬
зующаяся в нем термитная смесь окажется намного опаснее, чем
в отдельности взятые вещества. Исходя из указанных соображе¬
ний, не рекомендуется применять стальные воздуховоды для
транспортирования алюминиевой пыли. В производствах, где
общие вентиляционные системы оказываются недостаточно эффек¬
тивными или опасными в отношении распространения взрыва,
весьма целесообразно применять обеспыливающие устройства
с самостоятельными выводами из здания. Отсасывающие трубо¬
проводы от аппаратуры и оборудования должны прокладываться
в направлении выпуска по кратчайшим расстояниям без резких
изгибов с тем, чтобы не допустить падения давления и осаждения
пыли.
Рекомендуется собирать транспортируемую пыль в оборудова¬
нии (циклонах, фильтрах), размещаемом в безопасном месте, вне
производственного здания, и имеющем специальное ограждение,
защищающее окружающие предметы от взрыва. В качестве одного
из допустимых мест для такого оборудования указывается, на¬
пример, кровля здания [245]. Весьма необходимо для обеспечения
безопасности изолировать всю пневмотранспортную систему от
других производственных операций, связанных с образованием
пыли [92]. Вентиляторы, отсасывающие пыль, из тех же соображе¬
ний располагают за фильтрами в местах поступления обеспылен¬
ного воздуха.
При невозможности обеспечить очистку воздуха и необходи¬
мости по технологии монтировать вентилятор в производящем
пыль оборудовании его лопасти, крестовина и корпус должны
быть изготовлены из неискрящих материалов с достаточным зазо¬
ром между лопастями и кожухом [5]. Подшипники вентилятора
и мотор устанавливают снаружи в безопасном месте, если они не
234
удовлетворяют требованиям для использования в пылевой атмо¬
сфере. Эти условия должны выполняться для подшипниковых
узлов и моторов других различных устройств, связанных с пыле-
образованием. Следует исключать возможность попадания сма¬
зочных масел или масляных паров из подшипниковых узлов или
картера редукторов в нагреваемые аппараты с горючим аэрозолем
и, в частности, в сушильную камеру. Для этого, например, в рас¬
пылительных сушилках используют специальные уплотнения,
осуществляют поддув под них сжатого воздуха или отсасывают
масло из зоны уплотнений при помощи вакуума [205, 215, 216].
Для уменьшения возможности образования аэрозоля в произ¬
водственных помещениях стадии технологического процесса сле¬
дует располагать так, чтобы сократить до минимума число пере¬
мещений материала и расстояния между ними. Способы механи¬
ческого транспортирования следует предпочитать ручным способам.
Необходимо учитывать абразивность пыли, так как она может
способствовать более быстрому износу наиболее чувствительных
элементов оборудования, его разгерметизации и проникновению
пыли в помещение.
5.2.2. Предотвращение опасности воспламенения
аэрозоля
Практика показывает, что ряд взрывов зданий вызван случай¬
ным выделением большого количества пыли в производственное
или складское помещение при различных процессах выгрузки, за¬
грузки продукции и ее перетаривании *. Образовавшийся аэрозоль,
переносимый естественными и искусственно создаваемыми токами
воздуха, воспламенялся от случайных источников зажигания.
Поэтому необходимо еще раз подчеркнуть особую важность
устранения из помещений всех возможных случайных источни-
ников зажигания.
Системы сжигания, работающие на газообразном или жидком
топливе и используемые для нагрева теплоносителя, применяемого
для сушки пылевидных материалов или их нагрева, должны
снабжаться воздухом, отбираемым из безопасного места снаружи
технологического помещения. Всякое сообщение последнего с от¬
секом сжигания должно быть исключено. Системы сжигания, ра¬
ботающие на твердом топливе, можно использовать только для
нагрева теплоносителя, так как продукты его сгорания могут
содержать несгоревшие частицы топлива, обладающие зажигаю¬
щей способностью.
Приведенные в разд. 5.1 способы предотвращения загорания
аэрогелей позволяют исключить и воспламенение аэрозолей, тем
* При хранении горючих пылевидных материалов в мешках существует
большой риск уронить и разорвать мешки при транспортировании и разрушить
сложенные из мешков штабели, что также способствует образованию взрыво¬
опасных аэрозолей.
8*
235
более, что для этого требуются более высокие температуры источ¬
ников зажигания, а возможность самовозгорания аэрозолей пол¬
ностью исключается.
Для воспламенения аэрозоля требуется во многих случаях
обеспечить предварительный переход аэрогеля в состояние аэро¬
золя. Наибольшую опасность в этом отношении представляет
предварительная вспышка парогазовоздушных смесей, воспламе¬
няющихся при значительно меньшем расходе энергии, которая
может выделиться, например, при электростатическом разряде
с диэлектрических материалов [190]. Поэтому процессы, сопро¬
вождающиеся наряду с образованием пыли выделением горючих
паров и газов, требуют разработки в соответствии с имеющимися
правилами и нормами профилактических мероприятий, учитываю¬
щих в первую очередь их пожаро- и взрывоопасность.
Следует отметить, что при технологических операциях (на¬
пример, при сушке и др.), включающих испарение горючих паров
и образование паропылевоздушных смесей, взрывы могут проис¬
ходить более сильные, чем взрывы пылей и горючих паров
отдельно. Эти ситуации, если они встречаются, нуждаются в уси¬
ленных мерах безопасности [5]: разбавление смеси инертным
газом, установка оборудования, подавляющего взрыв, применение
больших разгрузочных отверстий и др.
6.2.3. Предотвращение взрыва аэрозоля
Взрыв аэрозоля можно предотвратить, если принять меры,
указанные п. 5.2.2., а также снизить концентрацию пыли в аэро¬
золе ниже минимального концентрационного предела воспламене¬
ния. Соответствующее мероприятие как профилактическое преду¬
смотрено некоторыми нормативными документами [246], которыми
концентрация взрывоопасной пыли в воздуховодах местных вы¬
тяжных и аспирационных систем разрешается не более 50% от
этого предела. Следует, однако, учитывать недостаточную надеж¬
ность указанного способа защиты, поскольку концентрация пыли
в аэрозоле является переменной величиной [5].
Как уже говорилось, нижний концентрационный предел вос¬
пламенения зависит от ряда факторов и, в частности, от дисперс¬
ности пыли, которая может сильно изменяться в технологическом
процессе. В практических условиях довольно трудно определить
правильное соотношение между пылью и воздухом, зависящее от
их скоростей, которые не остаются постоянными, от скапливания
осажденной пыли в воздуховодах, легко переходящей в состояние
аэрозоля, от геометрии воздуховодов и других факторов. Поэтому
ориентироваться на указанное мероприятие как на основное по
предотвращению взрыва не рекомендуется. Предлагается [245]
для предотвращения опасности взрыва уменьшать количество воз¬
духа в системе. В качестве примера безопасности подобных систем
236
рассматривается перекачка и транспортирование псевдоожиженных
порошков и твердых частиц с исключением излишнего свободного
пространства в соответствующих установках. Этими рекоменда¬
циями фактически предлагается работать в условиях, соответст¬
вующих концентрациям аэрозолей, лежащим выше верхнего пре¬
дела воспламенения.
Имеющиеся данные, однако, не исключают возможность обра¬
зования и в таких процессах (например, при остановке, пуске или
резком снижении нагрузок) аэрозолей с концентрациями, лежа¬
щими в пределах взрыва, чему способствует при переходном
состоянии обогащение аэрозолей более диспергированными части¬
цами. Поэтому предлагаемое мероприятие также нельзя рассмат¬
ривать как основное по предотвращению взрыва.
Особенно повышается опасность транспортирования пылевид¬
ного материала воздухом под давлением, когда материал подается
в резервуар без предварительного отделения от воздуха. В этом
случае свободный объем резервуара обычно заполняется взры¬
воопасным аэрозолем. Взрывы наблюдались и при неожиданном
разъединении секций трубопровода с транспортируемым под дав¬
лением воздуха продуктом, когда высыпавшаяся пыль воспламе¬
нялась [247]. Для снижения указанной опасности необходимо
транспортируемый взрывоопасный пылевидный материал направ¬
лять предварительно в циклон для отделения от воздуха, а затем
уже через регулирующий клапан ссыпать в резервуар, исключая
при этом пылеобразование или вводя флегматизатор. Следует
регулярно осматривать швы соединительных линий, чтобы вовремя
обеспечить их герметичность и целостность. Опоры для трубопро¬
водов пневмотранспорта должны исключать возможность их
сдвига.
Необходимо отметить, что система вакуумного транспортиро¬
вания пылевидных материалов является потенциально менее опас¬
ной, чем транспортирование под давлением воздуха. Это обуслов¬
ливается меньшей концентрацией кислорода в объеме, более
низкими скоростями транспортирования, меньшей возможностью по¬
падания пыли в помещение, облегченными условиями выделения
порошка из воздуха. Достаточно надежным способом, позволяю¬
щим избежать взрыва аэрозоля, является, как указывалось выше,
снижение концентрации кислорода в нем до безопасной (метод
инертизации). Для этого в вакуум-сушилки и другие подобные
им аппараты при сбросе вакуума вводят флегматизирующий
газ [190]. Такую же защиту применяют для мельниц, дробилок,
сборников пыли и др. [5].
Возможность применения метода инертизации определяется
надежностью и достаточностью снабжения производства флегма-
тизирующим газом. Количество требуемого флегматизирующего
газа и скорость его подачи зависят от допустимых концентраций
кислорода в системе и газе, от утечки газа, атмосферных условий,
условий производства, размеров и формы оборудования, подлежа¬
237
щего защите, от применяемого метода получения газа и принятого
фактора безопасности.
Возможность применения системы рециркуляции флегматизи-
рующего газа создает приемлемые технико-экономические пред¬
посылки и для его использования в пневмотранспорте [247]. Для
различных условий наиболее пригодны следующие флегматизирую-
щие средства: азот, двуокись углерода, очищенные топочные газы,
галоидированные углеводороды [71, 245]. Из этих средств наиболь¬
шее применение в промышленности, изготавливающей и перераба¬
тывающей взрывоопасные пыли, находит азот.
Предварительная добавка инертных твердых веществ к взры¬
воопасной пыли также позволяет предотвратить взрыв. Однако
во многих случаях их количество должно составлять 70—80% от
массы смеси [19], что делает указанное мероприятие малоэффек¬
тивным.
Важно отметить, что в опытах по предотвращению взрывов
пыли добавками инертных веществ особенно сильно проявилось
различие между данными, полученными в лабораторных и круп¬
номасштабных условиях. Так, пыль углей с выходом летучих на
горючую массу до 40% при добавке к ней 15—30% золы в лабо¬
раторных условиях не взрывалась, а в опытах большого масштаба
(в штольне) даже при добавке до 65% инертного вещества взрыв
происходил [79].
5.2.4. Ограничение и подавление взрыва аэрозоля
К числу мероприятий по обеспечению безопасности процессов
получения и переработки пылевидных материалов, связанных
с образованием воспламеняющихся аэрозолей и вероятным появ¬
лением источника зажигания, относятся ограничение и подавление
возможного взрыва. Опасность взрыва можно уменьшить, р;аботая
с пылевидным материалом, содержащим частицы размером более
500 мкм [92]. При этом следует учитывать физическую неоднород¬
ность пыли, возможность содержания в ней мелкодисперсной
фракции и ее влияние на общие свойства продукта.
Для снижения ожидаемого давления при взрыве до величины,
при которой не проявляется его разрушительное действие, предла¬
гается применять в аппаратах и трубопроводах автоматическую
блокировку с использованием тушащих средств. Подавление взрыва
проводят при определенных условиях, соответствующих корот¬
кому периоду, предшествующему развитию разрушающего дав¬
ления. Механизм подавления, как и в случае тушения пожара,
основан на охлаждении, инертизации и ингибировании горения.
Устройство, служащее для подавления взрыва, включает в себя
три основных элемента:
а) чувствительный датчик, реагирующий на определенный па¬
раметр взрыва (давление, температуру, тепловую радиацию);
238
б) исполнительный механизм, который под влиянием началь¬
ного импульса обеспечивает срабатывание устройства и дисперги¬
рование вещества, тушащего пламя. Скорость срабатывания
устройства должна быть больше максимальной скорости нараста¬
ния давления взрыва;
в) тушащее средство.
Период между временем воспламенения и достижением разру¬
шающего давления составляет примерно 30—40 мс. В течение бо^
лее короткого промежутка времени должна срабатывать автома¬
тическая блокировки с тушащим средством.
Для обнаружения начала возникновения
взрыва аэрозоля используют пьезоэлектриче¬
ские датчики давления. Эффективность их
действия в отличие от оптических и термо¬
электрических детекторов не зависит от сте¬
пени прозрачности аэрозоля и в меньшей
мере зависит от места расположения дат¬
чика.
Схема одного из устройств для подавле¬
ния взрыва приведена на рис. 98 [248]. Эф¬
фективность работы этого устройства суще¬
ственно зависит от характера разрушения
разрывной мембраны. Применение мощного
электродетонатора позволяет раскрыть мем¬
брану так, что сегменты ее разрыва распола¬
гаются параллельно оси отверстия клапана.
Это улучшает истечение средства тушения и,
естественно, повышает эффективность дей¬
ствия Есей системы подавления.
После срабатывания электродетонатора
под влиянием небольшого начального им¬
пульса, переданного датчиком, тушащее сред¬
ство выдавливается, например, азотом в за¬
щищаемый объем (давление азота 12 МПа).
В качестве состава для подавления взрывов пыли рекомендуется
применять тушащие порошки, которые считаются более эффек¬
тивными, чем газовые средства. Однако для каждого горючего
вещества надо подбирать наиболее подходящий для него тушащий
порошок. Так, для подавления взрыва угольной пыли в емкости
объемом 20 м3 при равномерном распределении тушащего сред¬
ства по оболочке защищаемого сосуда необходимо 6 пятилитро¬
вых баллонов (в каждом по 4 кг) с этим средством [248]. В ка¬
честве тушащего порошка в этом случае применяется фосфорно¬
кислый аммоний. Для подавления в емкости объемом 20 м3
взрыва аэрозоля декстрина требуется не менее восьми таких же
баллонов с бикарбонатом натрия, а для пыли органического
пигмента —не менее 10 баллонов с фосфорнокислым аммо¬
нием.
Рис. 98. Устройство
для подавления взры¬
ва пыли:
/—газ для выталкивания
средства тушения; 2—по¬
рошок для тушения;
3 — тонкая мембрана;
4 — вода; 5 —электродето-
натор; 6—разрывная мем¬
брана.
239
В опытах без подавления взрыва давление р й скорость нара¬
стания (dp/dx) макс для угольной пыли составляли соответственно
770 кПа и 3,1 МПа/с, а для декстрина 870 кПа и 7,3 МПа/с. Как
видно из рис. 99, при подавлении взрыва этих пылей уменьшается
не только давление, но и сильно снижается его скорость нара¬
стания. В работе [71] сообщается, что автоматическую блокировку
с тушащими порошками с успехом применяли для подавления
взрывов (скорость менее 200 м/с) метана и угольной пыли в тру¬
бопроводе с поперечным сечением 5 м2. При этом установили, что
с увеличением площади поперечного сечения трубопровода и ско¬
рости взрыва линейно увеличивает¬
ся расход средств тушения.
Автоматическая блокировка с
тушащим средством для опытного
трубопровода показана схематиче¬
ски на рис. 100 [248]. В качестве
примера использования системы по¬
давления взрыва на рис. 101 [5] по¬
казана схема установки размалы¬
вания, снабженной блокировкой.
На подобных установках воспламе¬
нение начинается при измельчении
в дробилке (мельнице) с последую¬
щим развитием опасных давлений
взрыва в циклоне. Поэтому циклон
следует в первую очередь обеспечи¬
вать необходимым устройством для
подавления взрыва.
Как видно из рис. 101, подав¬
ляющие устройства смонтированы
на циклоне, а также прикреплены ниже ротационного. затвора,
около днища и на входе в мешочный фильтр. Чтобы предотвратить
распространение фронта пламени и потушить его в случае про¬
никновения через перемычку, подавляющее устройство помещают
под клапаном. Такое же устройство располагают на входе про¬
дукта в мельницу, при этом подавляющий агент должен создавать
инертную среду в мельнице и трубопроводе, соединяющем ее
с циклоном. Чтобы обеспечить срабатывание всей системы, на цик¬
лоне устанавливают детектор и полусферический элемент.
Необходимо отметить, что системы для подавления взрыва
следует применять с учетом особенностей процесса и оборудова¬
ния. В каждом случае требуются специальные исследования для
выбора подходящего устройства и обеспечения его надежной ра¬
боты. Использование указанной системы, например, для размалы¬
вающего оборудования требует особенно тщательного подхода к ее
выбору, так как вибрация способствует разрушению материалов.
Поэтому для некоторых деталей устройства могут создаваться кри¬
тические условия, приводящие к отказу в работе.
Рис. 99. Подавление взрывов пыли
в сосуде объемом 20 м3 (рА — да¬
вление срабатывания датчика
устройства):
/—декстрин; 2—угольная пыль.
240
Для уменьшения опасности взрыва проводят следующие основ¬
ные мероприятия: оборудование для опасных операций или вы¬
носят на открытый воздух, или размещают в небольших обособ’
Рис. 100. Схема автоматической системы отсечки пламени:
/_Хруба; 2 —зонд для регистрации распространения пламени; 3— пьезоэлектрический дат¬
чик давления; 4—термоэлемент; 5 —усилитель; 5 —средство тушения; 7— мембрана из
фольги.
ленных зданиях, или сосредоточивают в разгружаемых частях
здания согласно СНиП. Это оборудование отделяют от другого
оборудования стеной, выдерживающей давление взрыва.
6
Рис. 101. Схема установки размалывания с системой подавления взрыва:
/ —загрузочный бункер; 2—ротационный затвор; 3—мельница; 4— баллоны с тушащиад
средством; 5—детектор взрыва; 6 — полусферический элемгнт; 7 — циклон; 8—конвейер;
9 — огнепреграждающий клапан; 10 — рукавный фильтр; 11—вентилятор.
Одним из важных мероприятий по предотвращению действия
давления взрыва в системе является сброс давления через вышиб-
ные проемы, к которым относятся остекленные части здания, двери,
распашные ворота, легкопанельные стены, легкие сбрасываемые
241
крыши (весом не более 1,20 кН/м2) [75] и разгрузочные отверстия
в аппаратах и трубопроводах, закрываемые предохранительными
клапанами и мембранам (взрыворазрядителями). Разгрузочные
отверстия должны проектироваться на такие давления, при кото¬
рых сооружение не разрушается. При этом следует учитывать, что
определенная скорость нарастания давления взрыва обусловливает
повышенные остаточные давления даже при открытых разгрузоч¬
ных отверстиях. Для максимального снижения этого давления при
использовании мембран и клапанов применяют детонаторы, позво¬
ляющие при взрыве открывать крышки разгрузочных отверстий
за короткий промежуток времени.
Механизм распространения пылевого взрыва в промышленных
аппаратах и зданиях еще недостаточно изучен, поэтому дать точ¬
ные рекомендации по разгрузке давления взрыва пока еще не
представляется возможным. Тем не менее из практики известно,
что невозможно обеспечить надежную защиту от взрыва опти¬
мальных смесей, заключенных в больших объемах, используя
только разгрузочные отверстия. Поскольку большинство взрывов
пылей, паров и газов происходит в меньшей части общего объема
сооружений и при концентрациях, близких к пределам воспламе¬
нения, такие взрывы относительно слабы. Поэтому рекомендуемые
правилами разгрузочные отверстия могут во многих случаях пре¬
дотвращать опасность взрыва. Разгрузка давления для каждого
процесса носит специфический характер, поэтому для разработки
профилактических мероприятий необходима подробная предвари¬
тельная информация о процессе. В связи с этим ниже даются лишь
общие рекомендации по этому вопросу.
Для наиболее эффективного действия клапанов и мембран
рекомендуется располагать разгрузочные отверстия по всей си¬
стеме равномерно (особенно на трубопроводах, транспортирующих
материалы, которые образуют взрывоопасные смеси с воздухом).
Разгрузочные отверстия размещают на одинаковых расстояниях
одно от другого по длине трубопроводов так, чтобы была обеспе¬
чена защита наиболее опасных участков. К последним относятся:
1) места наиболее вероятного образования источника зажига¬
ния и вблизи вентиляторов системы;
2) очаги наибольшего пыления и места возможного выделения
горючих газов и паров;
3) места, где поток аэрозоля меняет направление [249, 250].
На различного рода контейнерах взрыворазрядители чаще
всего устанавливают вверху. На высоких хранилищах, попереч¬
ное сечение которых не позволяет установить разгрузочное
отверстие требуемой площади, допускается ее уменьшение не бо¬
лее чем на 50% (см. стр. 247), если пыль относится к группе ве¬
ществ, характеризуемых небольшой максимальной скоростью на¬
растания давления. Для пылей относящихся ко второй группе
веществ (см. стр. 247), рекомендуется емкость хранилища разде¬
лить на секции с отдельными разгрузочными отверстиями [250].
242
При замене одного взрыворазрядителя несколькими равномерно
расположенными на защищаемом участке необходимо соблюдать
следующие условия:
а) суммарное сечение всех предохранительных устройств, об¬
служивающих данный агрегат, должно соответствовать расчетной
удельной площади разгрузочного отверстия [251];
б) разгрузочные отверстия предохранительных устройств
должны иметь одинаковые площади, так как при неблагоприятном
их расположении давление взрыва в агрегате может значительно
возрасти [250];
Рис. 102. Схема расположения разгрузочного устройства при повороте трубо¬
провода:
1 — мембрана из водонепроницаемой бумаги; 2 — режущее приспособление^ 3 обод; 4^ тонкий
металлический диск, защищающий мембрану от износа; 5—наружный защитный колпак.
Рнс. 103. Схема расположения разгрузочных устройств на трубопроводах си¬
стемы пневмотранспорта:
/—мельница; 2—противовзрывные мембраны; 3 — циклон; 4 — ротационный затвор; 5 — кровля.
Рис. 104. Схема расположения разгрузочных отверстий в бункере:
/—внешняя стена; 2 — противовзрывные мембраны; 3—вывод трубы.
в) площади закрытых мембранами и клапанами отверстий
должны быть больше площади незакрытых, чтобы обеспечить
эквивалентное распределение давления взрыва.
Преимущество противовзрывных клапанов перед мембранами
заключается в том, что они позволяют решать две задачи: страв¬
ливать давление взрыва и закрывать отверстие для стравливания.
Это особенно важно при взрыве пылей, так как приток свежего
воздуха в систему через открытое разгрузочное отверстие может
вызвать горение оставшейся в ней пыли и ее повторные взрывы.
Противовзрывные клапаны должны удовлетворять требова¬
ниям в отношении механической прочности и чувствительности их
разгружающего устройства, чтобы не противодействовать страв¬
ливанию давления взрыва. Разгрузка противовзрывных устройств
243
должна быть направлена в безопасное место, чтобы избежать
выброса пламени в рабочее помещение и повторного взрыва. Для
этого рекомендуется [245, 250] противовзрывные устройства снаб¬
жать трубами, площадь сечения которых должна быть не меньше
Рис. 105. Мембранное устройство, предотвращающее подсос воздуха:
1 —мембрана; 2 — створки; 3 —амортизатор.
Рис. 106. Устройство с автоматическим люком:
/ — упор; 2 —пружина; 3 — люк; 4— уплотнение; 5—мембрана; 5—зажимные кольца.
площади разгрузочного отверстия, а длина не более 3 м. Трубы
выводят наружу. Они должны быть по возможности прямыми;
изгиб должен не превышать 22,5° от направления трубы с разгру¬
зочным отверстием (рис. 103). Не допускается монтаж предохра¬
нительных устройств на конце тру¬
бы, выводящей продукты взрыва.
Устройства следует устанавли¬
вать на разгрузочных отверстиях
аппаратов. Расположение разгру¬
зочных устройств на оборудова¬
нии, собирающем горючую пыль,
показано на рис. 103 и 104 [5].
Достоинствами мембран яв¬
ляются меньшая инерционность,
сравнительно низкая стоимость и
простота изготовления. Поэтому
их применяют для защиты обо¬
рудования и от взрывов пылей.
Для предотвращения возможного подсоса воздуха и вторичного
взрыва пыли желательно закрыть образовавшееся отверстие после
разрыва мембраны. Для этого можно использовать устройства,
показанные на рис. 105 и 106 [252]. В промышленных условиях
иногда требуется, чтобы мембрана разрушалась при небольших
давлениях (ниже 7 кПа), т. е. она должна быть достаточна тонкой
на сравнительно большой площади. В этом случае особенно про¬
Рис. 107. Изменение давления при
взрыве (рл — давление распыления):
/—с разгрузкой; 2—без разгрузки.
244
являются серьезные йедосТаткй мембран, так как целостность их
может нарушаться по случайным причинам, а также в результате
усталости металла мембран на тех установках, нормальная ра¬
бота которых сопровождается колебаниями давления. Поврежде¬
ние противовзрывных мембран может привести к попаданию взры¬
воопасной пыли в производственное помещение.
Расчет предохранительных мембран и клапанов приведен
в специальной литературе [253, 254]. Более подробные данные
по применению мембран сообщены в работе [252]. Необходимые
параметры расчета — это максимальное давление взрыва и ско¬
рость его нарастания, используемые при определении площадей
разгрузочных отверстий. Чтобы рассчитать эти площади для про¬
изводственной аппаратуры, учитывают, применяя кубический за¬
кон, получаемые в опытных условиях данные о скорости нара¬
стания давления взрыва [96, 253].
В одном из методов расчета площадей разгрузочных отверстий
используются следующие теоретические предпосылки [96]. Пред¬
полагается, что при максимальном давлении стравливаемого
взрыва рс возникает равновесие между скоростями нарастания
(dpBJdfz)pc у и спада (dpldi)Pc V давления (рис. 107), выражаемое
условием
=(^~) (145)
\dx)pcv \dx)pcy
Временное понижение давления в сосуде, находящемся под из¬
быточным давлением, при истечении (сбросе давления) определя¬
ется из уравнения
-^=атл/тр{р-ра) (14б)
где F — площадь разгрузочного отверстия, м2;
V — объем сосуда, м3;
/? — универсальная газовая постоянная 8,32 Дж/(моль-К)5
Т —- абсолютная температура, К;
М — молекулярная масса аэрозоля;
р — давление в сосуде, Па;
ра — давление окружающей атмосферы, Па;
а — безразмерный коэффициент истечения (для отверстия, имеющего острые
края, а — 0,85 для сопла а = 1).
Подставляя уравнение (146) в (145) и решая относительно F,
получают уравнение (147), выражающее зависимость требуемой
площади разгрузочного отверстия от объема сосуда, допустимого
давления в нем (рс) и скорости нарастания давления взрыва, ха¬
рактерного для pG:
V
( dpBi \
V dT )r
F = 7 ±1= (147)
/ 2RT
О Д / -др рс (Рс ~ Ра)
245
В соответствии с кубическим законом определяется
тг <•*»
с. V 17-
где (-^вз-1 —скорость нарастания давления в лабораторном сосуде объ-
\ dx / р
1^л
емом Vn при давлении pi, Па/с.
Подставляя выражение (148) в (147) и принимая pi — pc, по¬
лучают:
1
V
з / dp вз Л
л \ dx )
(149)
Т /2RT .
а Д/ “Ж" Рс (Г7с “ Ра)
Для определения величины (dpB3id^)Pc v требуемой при рас¬
чете F, устанавливают в первую очередь поправочный коэффициент
k для групп пылей, различающихся максимальной скоростью на¬
растания давления взрыва (dpld^)uaKcV в закрытом лабораторном
приборе. Поправочный коэффициент k вычисляют из выражения
{-гг)
(—)
Vdx Л
Рп -
(150)
vn
dp
'макс Кл
Величину (dpB3/dv)Pc у определяют в этом случае по данным круп¬
номасштабных опытов (сосуд емкостью не менее 5 м3) из выраже¬
ния (147), затем пересчитывают по формуле (148), чтобы привести
к объему лабораторного прибора. После определения поправочного
коэффициента находят эту величину для дальнейших расчетов по
формуле (150), зная величину (^/?/^т)макск Для исследуемых ве¬
ществ.
Пример соответствующих расчетов с использованием лабора¬
торного прибора Гартмана для определения максимальной ско¬
рости нарастания давления взрыва приведен в работе [96].
В работе [250] предложен другой эмпирический подход
к определению удельных * площадей разгрузочных отверстий
в аппаратах. Это объясняется тем, что при сильной турбулизации
аэрозоля зависимость максимальной скорости нарастания давле^
ния от размера сосуда не подчиняется кубическому закону.
Об этом свидетельствуют опыты по определению зависимости
между максимальным давлением взрыва, удельными площадями
* Отношение площади разгрузочного отверстия к объему аппарата.
246
разгрузочных отверстий и объемом сосуда, проведенные с аэро¬
золями крахмала и ацетата целлюлозы. Опыты с крахмалом про¬
водили в сосудах кубической формы объемами примерно 0,03, 1,8
и 6 м3. В опытах с ацетатом целлюло¬
зы объем сосуда составлял примерно
0,03 м3. Концентрацию пыли варьиро¬
вали с таким расчетом, чтобы усло¬
вия взрыва были наиболее жесткими.
В качестве источника зажигания ис¬
пользовали открытое пламя газовой
горелки. Результаты опытов представ¬
лены на рис. 108, из которого видно,
что зависимость между давлением
взрыва, удельными площадями раз¬
грузочных отверстий и объемом сосуда
отсутствует. В соответствии со сде¬
ланным выше выводом рекомендует¬
ся при определении удельных площа¬
дей разгрузочных отверстий исходить
(для обеспечения безопасности произ¬
водственных аппаратов) из эмпириче¬
ских данных, устанавливающих связь
между лабораторными показателями,
полученными на приборе емкостью
около 1 л, накопленным практическим
опытом и результатами крупномас¬
штабных исследований [72, 80, 250,
255, 256].
Установленные таким образом за¬
висимости удельных площадей разгру¬
зочных отверстий от максимальной скорости нарастания давления
взрыва приведены ниже:
Максимальная скорость нара¬
стания давления*, МПа/с < 35 *2 35-70 *3 > 70 *4
Удельная площадь разгрузоч¬
ного отверстия, м-1 . . . . 0,167 0,222 0,332
* Максимальная скорость нарастания давления взрыва зависит
от условий опыта, поэтому метод ее определения для указанной зави¬
симости должен быть строго стандартизован. По методам, приведен¬
ным в гл. 3, получают более низкие максимальные скорости нарастания
давления взрыва для всех пылей, что объясняется главным образом
большими объемами реакционных сосудов (примерно в 4 раза) и мень¬
шими давлениями распыления (также примерно в 4 раза) [95]. Поэтому
без специального классификационного уточнения соответствующих вели¬
чин применительно к указанным методам пользоваться этими данными
для определения удельных площадей разгрузочных отверстий нельзя.
*2 Характерна для многих пылей растительного происхождения.
*3 Характерна для пылей -пластиков, химикалиев, фармацевтиче¬
ских продуктов, красителей [95].
*4 Характерна для пылей легких металлов (Al, Mg и др.)
Полезность данных, подобных приведенным выше, заключа¬
ется в том, что они рекомендуются для сосудов и трубопроводов
в'
С§
§
I
1
I
20
10
| I
о -/
1
х-2
• -J
»
Д
\\
д-4
ь
А N
\
i
Но
А 1?
Xs
}■
д
0,05 0,1 0,2 0,3 0,Ь
Удельная площадь разгру¬
зочного отверстия, м-i
Рис. 108. Зависимость мак¬
симального давления взрыва
пылей от удельной площади
разгрузочного отверстия и
объема сосуда:
/ — пыль крахмала, объем сосуда
0,03 м3; 7—то же, 1,8 м3; 3— то же,
б м3; 4— пыль ацетилцеллюлозы,
емкость сосуда 0,03 м3.
247
и позволяют осуществлять защитные мероприятия с учетом свойств
пылевидного материала.
На практике размер разгрузочных отверстий обычно умень¬
шают с увеличением объемов сосудов или помещений, имеющих
все три размера примерно одного порядка. На трубопроводы соот¬
ветствующая зависимость не распространяется [250]. Размеры
разгрузочных отверстий уменьшают в соответствии с объемами
аппаратов и помещений [252]:
Объем аппарата или по¬
мещения, м3 До 30 30—750 > 750
Удельная площадь раз¬
грузочного отверстия,
м-1 0,1-0,3 0,1-0,07 0,07-0,04
Примечания [5]. 1. Для емкостей объемом до 28 м3, ответст¬
венные конструктивные элементы которых характеризуются высокой
прочностью, допускается удельная площадь разгрузочного отверстия
0,1 м"1.
2. Для помещений объемом свыше 700 м3 допускаются удельные
площади разгрузочных отверстий 0,07-0,04 м-1, если объем взрыво¬
опасного оборудования по сравнению с объемом помещения небольшой.
3. Для помещений объемом более 700 м3 рекомендуются удельные
площади разгрузочных отверстий 0,33 — 0,07 м""1, если объем взрыво¬
опасного оборудования занимает большую часть объема помещения.
Уменьшение площадей разгрузочных отверстий с увеличением
объемов аппаратов и помещений обосновывается тем, что во всем
объеме больших емкостей (но не трубопроводов) затруднительно
образование сильно турбулизованных аэрозолей наиболее взры¬
воопасной концентрации. Однако возможность создания более
жестких условий в больших емкостях не исключается. Менее жест¬
кие условия могут создаться, например, при заполнении больших
емкостей пылью, падающей под воздействием сил гравитации,
когда образующийся аэрозоль характеризуется уменьшением кон¬
центрации пыли с увеличением расстояния от места ссыпки.
В современных пневматических системах образующееся облако
пыли может заполнить весь свободный объем коллектора, что бу¬
дет способствовать сильному взрыву и в больших сосудах. Это
подтверждается также приведенными выше результатами опы¬
тов. Для тех случаев, когда условия образования аэрозолей в боль¬
ших емкостях недостаточно изучены (новые процессы) и не исклю¬
чена возможность взрыва, площади разгрузочных отверстий реко¬
мендуется определять по данным, подобным приведенным на
стр. 247. Отсутствие пока еще единого подхода к определению
площадей разгрузочных отверстий видно хотя бы из того, что для
производственных помещений, категорируемых как взрывоопасные
по пыли (категории Б), СНиП [75] для любых пылей и объемов
необоснованно допускается более низкая площадь проема для
сброса давления (0,03 м-1), чем это предусмотрено вышеприведен¬
ными данными.
Случаи взрывов аэрозолей бисфенола А (характеристика по¬
рошка бисфенола А приведена ниже) в складских резервуарах
Ш
емкостью 126 м3 каждый при заполнении их под давлением воз¬
духа [247] показали, что разгрузочные отверстия размером
0,083 м-1 ослабляли взрыв. Разрушительное действие взрыва огра¬
ничивалось повреждением оборудования верхней части резервуара.
Полученные результаты подтверждают известную практическую
приемлемость приведенных выше данных (стр. 248). Руковод¬
ствуясь, однако, данными (стр. 247), можно обеспечить более
существенную защиту от взрыва при удельной площади разгру¬
зочного отверстия 0,22 м-1, поскольку максимальная скорость на¬
растания давления бисфенола А составила 59,6 МПа/с*. Ниже
приведены данные пожаро- и взрывоопасности пыли бисфенола А:
Взрываемость 10
Чувствительность к воспламенению 11,8
Сила взрыва . 2,5
Температура воспламенения аэрозоля, °С . 570
Минимальная энергия зажигания, мДж 15
Минимальная взрывоопасная концентрация, г/м3 ... 20
Минимальная взрывоопасная концентрация кислорода
(МВСК), % (об.) 12
Максимальное давление взрыва, МПа 0,63
Скорость нарастания давления взрыва, МПа/с
максимальная 59,6
средняя 16,8
Увеличение площади разгрузочных отверстий не всегда воз¬
можно, что обусловлено технико-экономическими соображениями.
Поэтому принимают компромиссное решение: уменьшают эти пло¬
щади, повышая при этом прочность установки. Однако в этих
случаях необходимо определить зависимость давления взрыва от
площади разгрузочных отверстий, используя данные крупномас¬
штабных опытов.
Применяя устройства по стравливанию давления в трубопро¬
водах, обращают внимание на то, чтобы давление, при котором
они срабатывают, было не слишком низким [71]. Если в момент
срабатывания устройства несгоревший аэрозоль будет беспрепят¬
ственно перемещаться перед фронтом пламени, то возникающая
скорость вытеснения потока возрастет, что приведет к турбули-
зации его, а следовательно, к увеличению скорости взрыва и тем
самым его давления.
При длинных трубопроводах, ответвлениях и коленах в них
создается повышенная опасность разрушения от взрыва. Иссле¬
дования в трубах диаметром от 200 до 700 мм показали, что
зажигание аэрозоля в закрытом конце трубы длиной 40 м, откры¬
той с другой стороны, вызывает пылевой взрыв детонационного
характера; скорость нарастания взрыва составляла 1400—2300 м/с,
а давление 2—2,5 МПа [257].
Установленные на конце трубопровода стравливающие устрой¬
ства не дают должного результата, так как частичное'стравливание
* Величина рассчитана по методике, на основании которой получены дан¬
ные, представленные на стр. 247.
249
давления приводило к отрыву и разрушению концевых соединений.
Разрушительная сила взрыва пыли зависит от скорости нараста¬
ния давления, максимального давления, продолжительности дей¬
ствия избыточного давления, степени ограничения объема взрыва,
концентрации кислорода. Существенное влияние на силу взрыва
оказывает, как отмечалось выше, характер распределения пыли
в объеме, в котором происходит взрыв. Чем однороднее распреде¬
лена пыль, тем более разрушительным является взрыв.
При быстром нарастании давления взрыва аэрозоля необхо¬
димо использовать более сильные меры защиты, чем разгружаю¬
щие отверстия. Для оценки взрываемости пылей в одном из
методов [5], как отмечалось выше, пользуются показателем «жест¬
кость» взрыва [формула (104)]. Когда жесткость взрыва харак¬
теризуется величинами, лежащими в интервале 2—4, требуются
большие разгрузочные отверстия. Кроме того, необходимо при¬
менять оборудование повышенной прочности. При «жесткости
взрыва» больше 4 рекомендуется применять защитные устройства,
подавляющие взрыв, или вводить в систему инертный газ.
В качестве общего правила защиты технологического процесса,
связанного с получением и переработкой пылей, выше рекомендо¬
валось разделить оборудование, в котором может произойти взрыв
на отдельные узлы. Между этими узлами следует размещать
устройства, ограничивающие его распространение. Наибольшее
применение для этих целей получили клапаны и мембраны.
По вопросам проектирования и применения разгрузочных
устройств имеется довольно обширная информация [258—260].
Однако надежность рекомендаций в значительной мере зависит
от опытных данных [92], полученных при применении разгрузоч¬
ных отверстий на установках различных типов, размеров и форм.
Особенно важное значение имеет проектирование разгрузочных
устройств в сообщающихся емкостях, поскольку в этом случае
взрыв может быть особенно разрушительным. Чтобы предотвра¬
тить распространение пожара в трубопроводах, соединяющих
аппараты с пылеотделителями, устанавливают противопожарные
заслонки или задвижки, которые автоматически перекрывают
трубопровод под влиянием импульса от извещателей, реагирующих
на характерные признаки загорания (дым, свет) в системе.
На рис. 109 показана схема расположения противопожарных
заслонок и противовзрывных мембран в оборудовании отсасы¬
вания пыли от шлифовального станка [236].
На транспортерах для ограничения развития горения ставят
так называемые заглушки. Они обеспечивают плотное заполнение
некоторой части установки транспортируемым материалом, пред¬
отвращающим распространение пламени из одной части установки
в другую. Подобного рода заглушка, представляющая собой ко¬
роткий наклонный шнек, установленный между горизонтальными
шнеками на различной высоте, препятствовала распространению
пламени при взрывах пыли крахмала [1]. Находят применение
250
также ротационные затворы, отделяющие пылеуловитель от пыле-
сборника *. Эти затворы применяют для герметизации и подачи
материала в аппарат или выгрузки из него. Ротационный затвор
более надежен, чем заглушка, если он после взрыва не приобретает
вращательное движение и тем самым не пропускает тлеющий ма*
териал в другие части установки, не затронутые взрывом.
Опытами установлено [250], что если в течение 0,5 с после
возникновения взрыва вращение затвора, установленного между
циклоном и бункером, прекращается и разгрузочное отверстие
обеспечивает давление взрыва в циклоне ниже 14 кПа, то пламя
из первого аппарата не проходит во второй аппарат. При повы¬
шении давления взрыва до 17,5 кПа пламя в течение 0,5 с про¬
скакивает в другой аппарат.
Рис. 109. Схема расположения противопожарных заслонок и противовзрывных
мембран в оборудовании отсасывания пыли от шлифовального станка:
1 — шлифовальный станок; 2—трубопровод для рециркуляции воздуха; 3 — противовзрывные
мембраны; 4 — противопожарные задвижки; 5—термочувствительные датчики.
Установка шнековых конвейеров или вращающихся питателей
в местах ссыпания пыли позволяет во многих производствах ими¬
тировать заглушку. Если же имеется еще и разгрузочное отверстие,
то развитие взрыва может быть прекращено.
Совершенно недопустима подача пыли из циклонов и коллекто¬
ров сразу в печи или другое оборудование, связанное с открытым
огнем. В этом случае необходимо предусматривать устройство,
предотвращающее обратный удар пламени из печи. Соответствую¬
щая защита может также достигаться дросселирующим питателем
или конвейером, которые обеспечивают необходимую отсечку.
Вдувание пара в трубопровод, питающий печь, в направлении
потока позволяет повысить безопасность установки.
На рис. 110 показана схема [5] для сжигания древесных отхо¬
дов в топке котла, при которой опасность взрыва и пожара сво¬
* Для повышения безопасности такое разделение необходимо, так как
исключается возможность попадания осажденной пыли в поток воздуха [152].
251
дится к минимуму. В трубопроводах, по которым транспортиру¬
ются взрывоопасные газы, эффективную защиту от распростране¬
ния пламени из одного резервуара в другой могут обеспечить
огнепреградители, принцип работы которых основан на так назы¬
ваемом явлении гашения пламени в узких каналах, которые фор¬
мируются в насадках из гофрированных лент, сферических гранул,
проволочных сеток.
Установка таких огнепреградителей в трубопроводах, по кото¬
рым транспортируется пыль, недопустима, поскольку они будут
создавать сопротивление прохождению пыли и быстро закупори¬
ваться ее частицами. Тем не менее эффективные огнепреградители
Рис. 110. Схема для сжигания древесных отходов в топке котла:
1 — топка котла; 2 —паровая форсунка для обработки отходов и предотвращения обратного
проскока пламени; 3— ротационный затвор; 4 — шнековый питатель; 5 —брандмауэр; £—-пи¬
тающий бункер с «разгрузочным отверстием в верхней части; 7—головки спринклеров;
8—малый циклон; 9—спринклеры воздушной системы; 10—разгрузочные отверстия; 11 — боль-*
шой циклон; 12—бункер—хранилище древесных отходов с дверью, ведущей наружу; 13 — легко-
сбрасываемая кровля, служащая разгрузочным отверстием; 14 — панели, действующие как
разгрузочные отверстия; 15 — всасывающая труба; 16— вентиляторы; 17—железобетонное
перекрытие; 18 — помещение строгания древесины с открытым разгрузочным отверстием.
и в этом случае могут найти применение, если их установить после
фильтров в системах рециркуляции воздуха в рабочем помеще¬
нии [1, 249].
Необходимо отметить, что рециркуляционная система возду¬
хообмена, предусмотренная для отопления помещений, способст¬
вует повышению их пожарной опасности, так как при недостаточ¬
ной очистке возвратного воздуха помещение загрязняется пылью,
а по воздуховодам может распространяться пламя. Поэтому
система рециркуляции воздуха в помещении допустима при условии
его надежной очистки и пропускании через огнепреградитель,
устраняющий распространение пожара при его возникновении
в воздуховодах или очищающей системе.
9
Испытания некоторых конструкций огнепреградителей (сетча¬
тых, гравийных) в мукомольной промышленности показали, что
в известной мере удовлетворяет предъявляемым требованиям ко¬
лонка со слоем гравия толщиной 100 мм и крупностью зерен
8—12 мм. Подробные сведения об этом виде огнепреградителя
приведены в работе [249]. Хорошую эффективность в качестве
огнепреградителя показали три сборки из проволочных сеток, ко¬
торые использовали в опытах с угольными и металлическими пы¬
лями в камере объемом 1,8 м3, ими закрывали разгрузочное отвер¬
стие [261]. Сборки из проволочных сеток отстояли одна от другой
на расстоянии 15—18 см. Каждая сборка состояла из трех пар
сеток, а пары были составлены из стальной сетки (на внешней
стороне) с ячейками размерами 6 отв./см2 и латунной сетки
(с внутренней стороны) с ячейками размерами 39 отв./см2.
Для предотвращения распространения пламени по линиям
пневмотранспортных установок, предназначенных для перемеще¬
ния горючих веществ и материалов, применяют также системы
пламеотсечения, например типа СПО-ПТЛ (система пламеотсече-
ния в пневмотранспортных линиях) [262]. Принцип действия этой
системы, срабатывающей в течение 0,1 с, основан на автоматиче¬
ском обнаружении загорания и быстром механическом перекрытии
трубопровода с одновременной подачей огнетушащего вещества.
СПО-ПТЛ монтируют на пневмолиниях. Она обеспечивает одно¬
временно пожарную защиту приемных бункеров, осадителей и др.
Ограничение взрыва может быть достигнуто также повыше¬
нием прочности оборудования. Так, прочность корпуса измельча¬
ющего оборудования (например, дробилки) является во многих
случаях достаточной для этих целей. Тем не менее размещение
его в одном помещении с другим оборудованием для получения
и переработки пылевидных материалов не может быть рекомен¬
довано по указанным выше причинам.
Следует еще раз подчеркнуть, что условия ограничения взрыва
нужно рассматривать с учетом его особенностей, свойств пылевид¬
ного материала, образующегося аэрозоля, источника зажигания
и характера оборудования. Если оборудование не имеет разгру¬
зочного отверстия для сброса давления, то в ряде случаев при¬
нимают меры для усиления его корпуса. Если имеется разгрузоч¬
ное отверстие, то принимают меры лишь по увеличению прочности
оборудования с тем, чтобы оно могло выдержать остаточное дав¬
ление при взрыве, увеличение которого обусловлено сопротивле¬
нием, оказываемым мембранами, клапанами и трубопроводами,
устанавливаемыми с внешней стороны оборудования для сброса
давления взрыва в безопасное место.
давления приводило к отрыву и разрушению концевых соединений.
Разрушительная сила взрыва пыли зависит от скорости нараста¬
ния давления, максимального давления, продолжительности дей¬
ствия избыточного давления, степени ограничения объема взрыва,
концентрации кислорода. Существенное влияние на силу взрыва
оказывает, как отмечалось выше, характер распределения пыли
в объеме, в котором происходит взрыв. Чем однороднее распреде¬
лена пыль, тем более разрушительным является взрыв.
При быстром нарастании давления взрыва аэрозоля необхо¬
димо использовать более сильные меры защиты, чем разгружаю¬
щие отверстия. Для оценки взрываемости пылей в одном из
методов [5], как отмечалось выше, пользуются показателем «жест¬
кость» взрыва [формула (104)]. Когда жесткость взрыва харак¬
теризуется величинами, лежащими в интервале 2—4, требуются
большие разгрузочные отверстия. Кроме того, необходимо при¬
менять оборудование повышенной прочности. При «жесткости
взрыва» больше 4 рекомендуется применять защитные устройства,
подавляющие взрыв, или вводить в систему инертный газ.
В качестве общего правила защиты технологического процесса,
связанного с получением и переработкой пылей, выше рекомендо¬
валось разделить оборудование, в котором может произойти взрыв
на отдельные узлы. Между этими узлами следует размещать
устройства, ограничивающие его распространение. Наибольшее
применение для этих целей получили клапаны и мембраны.
По вопросам проектирования и применения разгрузочных
устройств имеется довольно обширная информация [258—260].
Однако надежность рекомендаций в значительной мере зависит
от опытных данных [92], полученных при применении разгрузоч¬
ных отверстий на установках различных типов, размеров и форм.
Особенно важное значение имеет проектирование разгрузочных
устройств в сообщающихся емкостях, поскольку в этом случае
взрыв может быть особенно разрушительным. Чтобы предотвра¬
тить распространение пожара в трубопроводах, соединяющих
аппараты с пылеотделителями, устанавливают противопожарные
заслонки или задвижки, которые автоматически перекрывают
трубопровод под влиянием импульса от извещателей, реагирующих
на характерные признаки загорания (дым, свет) в системе.
На рис. 109 показана схема расположения противопожарных
заслонок и противовзрывных мембран в оборудовании отсасы¬
вания пыли от шлифовального станка [236].
На транспортерах для ограничения развития горения ставят
так называемые заглушки. Они обеспечивают плотное заполнение
некоторой части установки транспортируемым материалом, пред¬
отвращающим распространение пламени из одной части установки
в другую. Подобного рода заглушка, представляющая собой ко¬
роткий наклонный шнек, установленный между горизонтальными
шнеками на различной высоте, препятствовала распространению
пламени при взрывах пыли крахмала [1]. Находят применение
250
также ротационные затворы, отделяющие пылеуловитель от пыле-
сборника *. Эти затворы применяют для герметизации и подачи
материала в аппарат или выгрузки из него. Ротационный затвор
более надежен, чем заглушка, если он после взрыва не приобретает
вращательное движение и тем самым не пропускает тлеющий ма¬
териал в другие части установки, не затронутые взрывом.
Опытами установлено [250], что если в течение 0,5 с после
возникновения взрыва вращение затвора, установленного между
циклоном и бункером, прекращается и разгрузочное отверстие
обеспечивает давление взрыва в циклоне ниже 14 кПа, то пламя
из первого аппарата не проходит во второй аппарат. При повы¬
шении давления взрыва до 17,5 кПа пламя в течение 0,5 с про¬
скакивает в другой аппарат.
Рис. 109. Схема расположения противопожарных заслонок и противовзрывных
мембран в оборудовании отсасывания пыли от шлифовального станка:
/ — шлифовальный станок; 2—трубопровод для рециркуляции воздуха; 3— противовзрывные
мембраны; 4 — противопожарные задвижки; 5—термочувствительные датчики.
Установка шнековых конвейеров или вращающихся питателей
в местах ссыпания пыли позволяет во многих производствах ими¬
тировать заглушку. Если же имеется еще и разгрузочное отверстие,
то развитие взрыва может быть прекращено.
Совершенно недопустима подача пыли из циклонов и коллекто¬
ров сразу в печи или другое оборудование, связанное с открытым
огнем. В этом случае необходимо предусматривать устройство,
предотвращающее обратный удар пламени из печи. Соответствую¬
щая защита может также достигаться дросселирующим питателем
или конвейером, которые обеспечивают необходимую отсечку.
Вдувание пара в трубопровод, питающий печь, в направлении
потока позволяет повысить безопасность установки.
На рис. 110 показана схема [5] для сжигания древесных отхо¬
дов в топке котла, при которой опасность взрыва tf пожара сво¬
* Для повышения безопасности такое разделение необходимо, так как
исключается возможность попадания осажденной пыли в поток воздуха [152].
251
дится к минимуму. В трубопроводах, по которым транспортиру¬
ются взрывоопасные газы, эффективную защиту от распростране¬
ния пламени из одного резервуара в другой могут обеспечить
огнепреградители, принцип работы которых основан на так назы¬
ваемом явлении гашения пламени в узких каналах, которые фор¬
мируются в насадках из гофрированных лент, сферических гранул,
проволочных сеток.
Установка таких огнепреградителей в трубопроводах, по кото¬
рым транспортируется пыль, недопустима, поскольку они будут
создавать сопротивление прохождению пыли и быстро закупори¬
ваться ее частицами. Тем не менее эффективные огнепреградители
Рис. 110. Схема для сжигания древесных отходов в топке котла:
/ — топка котла; 2 —паровая форсунка для обработки отходов и предотвращения обратного
проскока пламени; 3— ротационный затвор; 4 —шнековый питатель; 5 —брандмауэр; 6— пи¬
тающий бункер с «разгрузочным отверстием в верхней части; 7—головки спринклеров;
8—малый циклон; 9—спринклеры воздушной системы; 10 — разгрузочные отверстия; 11 — боль¬
шой циклон; 12—бункер—хранилище древесных отходов с дверью, ведущей наружу; 13 — легко-
сбрасываемая кровля, служащая разгрузочным отверстием; 14 — панели, действующие как
разгрузочные отверстия; 15 — всасывающая труба; 16—вентиляторы; 17—железобетонное
перекрытие; 18 — помещение строгания древесины с открытым разгрузочным отверстием.
и в этом случае могут найти применение, если их установить после
фильтров в системах рециркуляции воздуха в рабочем помеще¬
нии [1, 249].
Необходимо отметить, что рециркуляционная система возду¬
хообмена, предусмотренная для отопления помещений, способст¬
вует повышению их пожарной опасности, так как при недостаточ¬
ной очистке возвратного воздуха помещение загрязняется пылью,
а по воздуховодам может распространяться пламя. Поэтому
система рециркуляции воздуха в помещении допустима при условии
его надежной очистки и пропускании через огнепреградитель,
устраняющий распространение пожара при его возникновении
в воздуховодах или очищающей системе.
10'
9
252
Испытания некоторых конструкций огнепреградителей (сетча¬
тых, гравийных) в мукомольной промышленности показали, что
в известной мере удовлетворяет предъявляемым требованиям ко¬
лонка со слоем гравия толщиной 100 мм и крупностью зерен
8—12 мм. Подробные сведения об этом виде огнепреградителя
приведены в работе [249]. Хорошую эффективность в качестве
огнепреградителя показали три сборки из проволочных сеток, ко¬
торые использовали в опытах с угольными и металлическими пы¬
лями в камере объемом 1,8 м3, ими закрывали разгрузочное отвер¬
стие [261]. Сборки из проволочных сеток отстояли одна от другой
на расстоянии 15—18 см. Каждая сборка состояла из трех пар
сеток, а пары были составлены из стальной сетки (на внешней
стороне) с ячейками размерами 6 отв./см2 и латунной сетки
(с внутренней стороны) с ячейками размерами 39 отв./см2.
Для предотвращения распространения пламени по линиям
пневмотранспортных установок, предназначенных для перемеще¬
ния горючих веществ и материалов, применяют также системы
пламеотсечения, например типа СПО-ПТЛ (система пламеотсече-
ния в пневмотранспортных линиях) [262]. Принцип действия этой
системы, срабатывающей в течение 0,1 с, основан на автоматиче¬
ском обнаружении загорания и быстром механическом перекрытии
трубопровода с одновременной подачей огнетушащего вещества.
СПО-ПТЛ монтируют на пневмолиниях. Она обеспечивает одно¬
временно пожарную защиту приемных бункеров, осадителей и др.
Ограничение взрыва может быть достигнуто также повыше¬
нием прочности оборудования. Так, прочность корпуса измельча¬
ющего оборудования (например, дробилки) является во многих
случаях достаточной для этих целей. Тем не менее размещение
его в одном помещении с другим оборудованием для получения
и переработки пылевидных материалов не может быть рекомен¬
довано по указанным выше причинам.
Следует еще раз подчеркнуть, что условия ограничения взрыва
нужно рассматривать с учетом его особенностей, свойств пылевид¬
ного материала, образующегося аэрозоля, источника зажигания
и характера оборудования. Если оборудование не имеет разгру¬
зочного отверстия для сброса давления, то в ряде случаев при¬
нимают меры для усиления его корпуса. Если имеется разгрузоч¬
ное отверстие, то принимают меры лишь по увеличению прочности
оборудования с тем, чтобы оно могло выдержать остаточное дав¬
ление при взрыве, увеличение которого обусловлено сопротивле¬
нием, оказываемым мембранами, клапанами и трубопроводами,
устанавливаемыми с внешней стороны оборудования для сброса
давления взрыва в безопасное место.
Литература
1. Brown К. С., James G. Т. Research Report, 1962, № 201, p. 1.
2. Вакадзоне И., Фунтай Когаку, 1969, т. 6, № 7, с. 80.
3. Strother Smith N. С., J. Chem. Eng., Symposium Series (Inst. Chem.
Eng., London), 1971, № 34, p. 24.
4. Fire Protection Handbook NFPA. 12th Edition. USA, 1962.
5. Fire Protection Handbook NFPA. 13th Edition. Boston, 1969.
6. N a t u r m a n L. J., SPE Journ., 1962, v. 18, № 9, p. 1133.
7. Miiller-Hillebrandt D., Tekn. tidskr., 1958, v. 88, № 48, p. 1261.
8. M о и a x о в В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.,
«Химия», 1972. 414 с.
9. DaeschnerH. W., Powder Technol., 1969, v. 2, № 6, p. 349.
10. Грин X., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы. Пер. с англ. Под
ред. Н. А. Фукса. M.-JL, «Химия», 1972. 427 с.
11. Андреев С. Е., Товаров В. В., П е р о в В. А. Закономерности измель¬
чения и исчисления характеристик гранулометрического состава. М., Метал-
лургиздат, 1959. 437 с.
12. Любошиц И. Л., С л об од кин Л. С., Пик у с И. Ф. Сушка дисперсных
термочувствительных материалов. Минск, «Наука и техника», 1969. 214 с.
13. Товар о-в В. В., Зав. лаб., 1953, т. 19, № 5, с. 620.
14. Павлов К. Ф., Роман ко в П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи
по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М. — Л., «Химия»,
1970. 624 с.
15. Z eh г J., «Staub-Reinhalt Luft», 1967, Bd. 27, № 2, S. 96.
16. Ч у д н о в с к и й А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных мате¬
риалов. М., Физматгиз, 1962. 456 с.
17. Davies С., Aulward Н., Leaccy D., Arch. Ind. Hyg. Oec. Med., 195!,
v. 4, p. 354.
18. Фукс H. А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955. 351 с.
19. Fiumara A., La Risistic du Combustibili, 1971, v. 25, N 12, p. 533.
20. Г о p б о в e ц М. Н. Автоматические устройства для регистрации уровня сы¬
пучих материалов в емкостях. М., Машгиз, 1962. 104 с.
21. Таубкин С. И. Основы огнезащиты целлюлозных материалов. М., изд.
Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1960. 347 с.
22. П а т а й С., Гофман Е., «Химия и химическая технология», 1952, № 9,
с. 324.
23. 3 а х а р о в Б. А., ДАН СССР, 1951, т. 81, № 3, с. 417.
24. 3 л о б и н с к и й Б. М., Иоффе В. Г., 3 л о б и н с к и й В. Б. Воспламеняе¬
мость и токсичность металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1972.
264 с.
25. Франк -Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической
кинетике. М., «Наука», 1967. 491 с.
26. Н е д и н В. В. и др. Взрывоопасность металлических порошков. Киев, «Нау-
кова думка», 1971. 140 с.
27. Hartmann J., Ind. Eng. Chem., 1948, v. 40, p. 4.
28. Б a p а т о в A. H. Пожарная профилактика, М., ЦНИИПО, 1961, с. 3, 72.
29. Справочник. Пожарная опасность веществ и материалов. Ч. 1. Под ред.
И. В. Рябова. М., Стройиздат, 1966. 242 с.; ч. 2, 1970. 337 с.
30. Таубкин С. И., Монахов В. Т. В кн.: Пожарная профилактика и ту¬
шение пожаров. Вып. 2, М., ВНИИПО, 1964, с. 77.
31. Fire Eng., 1949, v. 102, N 11, p. 862.
32. Никитина H. С. В кн.: Пожарная профилактика. М., ЦНИИПО, 1961.
с. 93.
33. Bulmer G. Н., Fire, 1956, v. 48, p. 609.
34. Т а у б к и н С. И., Колганова М. Н., Афанасьева Л. С. Пожаро-
взрывоопасность аммиачной селитры при хранении и транспортировке. Ин-
форм. письмо ВНИИПО. М., 1970. 18 с.
35. П у з ы р е в с к и й В. И., Макаров Г. В., Хотин В. Г. В кн.: Про¬
цессы горения и проблемы тушения пожаров. М., ВНИИПО, 1972. 74 с.
36. Lee P. R., J. Appl. Chem., 1969, v. 19, N 12, p. 345.
37. Thomas P. H., Transactions of the Faraday Soc., 1958, Pt. 1, v. 54, p. 421.
38. Walker J. K., Harrison W. J., J. Appl. Chem., 1960, N 10, p. 266.
39. А б p а м о в a Jl. Т., Абрамов В. Г., Мержанов А. Г., ЖФХ, 1969,
т. 43, Ко 5, с. 1163.
40. Временная инструкция по определению склонности твердых веществ и ма¬
териалов к тепловому самовозгоранию (№ 18—70). М., ВНИИПО, 1970. 16 с.
41. БретшнайдерС. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы рас¬
чета. М. — Л., «Химия», 1966. 535 с.
42. Таубкин С. И., Демский В. Г. В кн.: Пожарная профилактика, М.,
ВНИИПО, 1971, № 6, с. 86.
43. Ritter К. International Symposium uber Staubexplosionsgefahr in Bergbau
und Industrie, CSSR, 1972. s. 23.
44. Jones E., White A. G., Soc. Chem. Ind., 1948, N 9, p. 129.
45. Инструкция по расчету концентрационных пределов воспламенения газов и
паров при атмосферном давлении (№ 02р-70). М., ВНИИПО, 1970. 24 с.
46. Тодес О. М. и др. В кн.: Горение и взрыв. М., «Наука», 1972, с. 166.
47. Heinrich Н. J. International Symposium iiber Staubexplosionsgefahr in
Bergbau und Industrie, CSSR, 1972. S. 43.
48. С a s s e 1 H. М., L i e b m a n J., Mock W. K. Radiative transfer in dust
flames. Sixth Symposium (International) on Combustion, 1956. New York,
1957. 602 p.
49. Бар лас P. А. В кн.: Горение и взрыв. М., «Наука», 1972, с. 171.
50. Godbert A. L., Wheeler R. V. The Combustion of Coal Dust. Safety
in Mines Research Boards Paper, 1932, N 73,
155
51. Nagy J., Surincik D. Thermal phenomena during ignition of a heated
dust dispersion. Rept. of Inv., Bureau of Mines. 1966, N 6811.
52. D о r s e 11 G., M. Jacobson, Nagy J., Williams R. Equipment and
Test Procedures for Evaluating Explosibility of Dusts, Rept. of Inv., N 5624.
Bureau of Mines, 1960.
53. Palmer K. N., Tonkin P. S., J. Chem. Eng., Symposium Series (Inst.
Chem. Eng., London), 1968, N 25, p. 66.
54. Алексеев А. Г., Костина E. С., He дин В. В. В кн.: Процессы горе¬
ния и проблемы тушения пожаров. М., ВНИИПО, 1972, с. 65.
55. Ефремова Т. К-, Мин ту сов В. А. В кн.: Процессы горения и про¬
блемы тушения пожаров. М., ВНИИПО, 1972, с. 70.
56. Selle Н., Zehr J., «Staub», 1954, № 38, S. 583.
57. Schonenwald J., Staub-Reinhalt. Luft, 1971, Bd. 31, N 9, S. 376.
58. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической про¬
мышленности. Под ред. И. В. Рябова. М., «Химия», 1970. 336 с.
59. М и т и о Н а й т о, Касай, 1972, т. 22, № 1, с. 3.
60. Long G., Ind. Eng. Chem., 1961, v. 53, N 10, p. 823.
61. Хитрин JI. H. Физика горения и взрыва. М., изд-во МГУ, 1957. 442 с.
62. Временная инструкция по определению минимальной энергии зажигания
аэровзвеси твердых веществ (№ 22—67). М., ВНИИПО, 1968. 18 с.
63. С м е л к о в Г. И., Веревкин В. Н., Фетисов П. А., «Безопасность
труда в промышленности», 1968, № 3, с. 48.
64. См ел ко в Г. И. Кандидатская диссертация, М., МИХМ, 1969.
65. Smielkow G. J., Rutkowski J. D., Chem. Stosowana, 1971, Bd. 15,
N 3, S. 283.
66. Boyle A. R., Liewellyn F. J., J. Soc. Chem. Ind., 1950, v. 69, N 2,
p. 173—181.
67. По хил П. Ф. и др. Горение порошкообразных металлов в активных сре¬
дах. М., «Наука», 1972. 294 с.
68. Светт С. С. В кн.: Вопросы зажигания и стабилизации пламени. М., Из-
датинлит, 1963, с. 31.
69. Ш е в ч е н к о Н. Ф. и др. Взрывозащищенное электрооборудование. М.,
«Недра», 1972. 262 с.
70. F i s h k i n С. J., Smith R. L., Chem. Eng. Progr., 1964, v. 60, N 4, p. 45.
71. Bartknecht W., «Stahl u. Eisen», 1972, Bd. 92, N 6, S. 245.
72. Schwab R. F., О t h m e r D. F., Chem. Proc. Eng., 1964, N 4, p. 165.
73. Hartmann J., Cooper A., Jacobson M. Recent Studies on the Explo¬
sibility of Cornstarch. Bureau of Mines R. I. 4725, 1950.
74. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). М. — Л., «Энергия», 1966.
456 с.
75. Строительные нормы и правила. Производственные здания промышленных
предприятий. СНиП II-M.2—72. М., Стройиздат, 1972. 19 с.
76. Таубкин С. И. «Пожарное дело», 1962, № 12, с. 11.
77. Schreiber Н. М., Porst P. Loschmittel Chemisch-physikalische Vorgange
beim Verbrennen und beim Loschen. DDR, Berlin, 1972.
78. Иванов Б. А. Физика взрыва ацетилена. М., «Химия», 1969. 180 с,
25§
79. К и с е л ь г б ф М. Л. Взрывы угольной пыли в пылепрйготовительных уста*
новках. М., Гостранстехиздат, 1937. 112 с.
80. Palmer К. N., Butlin R. N., Powder Technol., 1972, v. 6, p. 149.
81. Кор так В. В., Виноградова С. В., Успехи хим., 1968, т. 37, № И,
с. 2024.
82. Fen i more С. P., Martin F. J., «Combustion a. Flame», 1966, N 10,
p. 135.
83. Пальм В. H. Основы количественной теории органических реакций. М.-Л.,
«Химия», 1967. 356 с.
84. Johnson P. R. 3rd Sci. Int. Cell. Plast. Congr., Monreal, 1972, p. 148.
85. T а у б к и н С. И. Экспресс-информация (ВНИИПО), 1969, сер. 1, вып. 21.9 с.
86. Таубкин С. И. В кн.: Пожарная профилактика (ВНИИПО), № 7. М.,
Стройиздат, 1972, с. 3.
87. Таубкин С. И. В кн.: Проблемы горения и тушения (ВНИИПО). М.,
Стройиздат, 1973. с. 45.
88. Темникова Т. И. Курс теоретических основ органической химии. Л., «Хи¬
мия», 1968. 1006 с.
89. Луцк ий А. Е., Обухова Е. М., ЖФХ, 1961, т. 35, N° 9, с. 1951.
90. Таубкин С. И., Экспресс-информация (ВНИИПО). 1972, сер. 1, вып. 54.
19 с.; 1973, сер. 1, вып. 68.
91. Таубкин С. И. В кн.: Пожарная профилактика и тушение пожаров
(ВНИИПО), No 5. М., Стройиздат, 1970, с. 38.
92. D о г s е 11 G., Nagy J. Dust explosibility of chemicals, drugs, dyes and
pesticides. Rept. of Inv. 7132. Bureau of Mines, 1968.
93. Knox J. H., Chem. Commun., 1965, N 6, p. 108.
94. Каганова E. Л. и др., Пласт, массы, 1969, № И, с. 50.
95. Raftery М. М. International Symposium tiber Staubexplosionsgefahr in
Bergbau und Industrie, CSSR, 1972, S. 125.
96. Heinrich H. J., Ко wall R., Staub-Reinhalt. Luft, 1971, Bd. 31, N 4,
S. 149.
97. Brown К. C., Wilde D. G. Safety in Mines Research Establishment. Re¬
search Report, 1955, № 119.
08. Временная инструкция по определению группы горючести химических ве¬
ществ (№ 11—67). М., ВНИИПО, 1968. 7 с.
99. Таубкин С. И., Никитина Н. С., Дерюгина Е. И. Экспресс-инфор¬
мация (ВНИИПО), 1973, сер. 1, вып. 69. 8 с.
100. Временная инструкция по определению температурных показателей пожар¬
ной опасности твердых веществ и материалов (№ 05—70). М., ВНИИПО,
1969. И с.
101. Временная инструкция по определению температуры самонагревания твер¬
дых веществ (№ 17—71). М., ВНИИПО, 1971. 10 с.
102. Инструкция по определению температур воспламенения и вспышки химиче¬
ских продуктов в открытом тигле (№ 06—70). М., ВНИИПО. 1969. 22 с.
103. Рекомендации по пожарной профилактике при хранении ядохимикатов на
складах «Сельхозтехники». М., ВНИИПО, 1972. 21 с.
104. Инструкция по экспериментальному определению температурных пределов
воспламенения паров в воздухе (№ 13—70). М., ВНИИПО, 1969. 28 с.
257
105. Временная инструкций по определению нижнего предела воспламенений
аэровзвеси твердых веществ. (№ 20—65). М., ВНИИПО, 1966. 11 с.
106. Афанасьева J1. С. и др., Экспресс-информация (ВНИИПО), 1972, сер. 1,
вып. 56. 8 с.
107. Временная инструкция по определению нижнего концентрационного предела
воспламенения металлических порошков. (№ 20М—72), М., ВНИИПО, 1972.
11 с.
108. Инструкция по эксплуатации и уходу за прибором для контроля качества
осланцевания горных выработок. ПКО—1М. Завод маркшейдерских инстру¬
ментов. Харьков, 1958. 10 с.
109. Временная инструкция по определению максимального давления и скорости
нарастания давления при взрыве аэровзвесей твердых веществ. М.,
ВНИИПО, 1972. 21 с.
110. Инструкция по определению минимального взрывоопасного содержания кис¬
лорода в пылевоздушных смесях (№ 21—70). М., ВНИИПО, 1970. 10 с.
111. Временная инструкция по определению минимального взрывоопасного со¬
держания кислорода в аэровзвесях металлических порошков. М., ВНИИПО,
1974. 18 с.
112. Куприянов В. А., Кармазинов Н. М. Авт. свид. 354154, 1968.
ИЗ. Плеч ев М. М. Техника безопасности в производстве пресс-порошков. М.,
«Химия», 1971. 79 с.
114. Maisey Н. R., Chem. a. Proc. Eng, 1959, v. 40, N 3, p. 83.
115. Петерс К. В кн.: Труды Европейского совещания по измельчению. М.,
Стройиздат, 1966, с. 80.
116. X о д а к о в Г. С. Физика измельчения. М., «Наука», 1972. 308 с.
117. К о з у л и н Н. А., Г о р л о в с к и й И. А. Оборудование заводов лакокра¬
сочной промышленности. Л., «Химия», 1968. 584 с.
118. Si grist К. D., Heinicke G. Chem. Techn., 1970, Bd. 22, Sonderheft,
S 31.
119. Б a p а м б о й н H. К. Механохимия высокомолекулярных соединений. М.,
«Химия», 1971. 363 с.
120. Белльвинкель А. В кн.: Труды Европейского совещания по измельче¬
нию. М., Стройиздат, 1966, с. 338.
121. Таубкин С. И., Баратов А. Н. «Пожарное дело», 1958, № 2, с. 15.
122. Р е b w о г t h J. Т. Chem. Eng., 1972, v. 79, N 17, p. 81.
123. К u f m a n n W. Chemicker Ztg., 1958, N 9, S. 299.
124. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., «Машино¬
строение», 1968. 543 с.
125. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. М.,
Машгиз, 1962. 220 с.
126. Hunger J., Werner О. Archiv fur das Eisenhiittenwesen, 1952, Bd. 23,
S. 277.
127. Г e с к и н С. С. Кандидатская диссертация. М., ГИАП, 1968.
128. Roschenbleck В. Dissertation. Technische Hochschule. Hannover. 1958.
129. Leuschke G. Staub, 1965, Bd. 25, N 5, S. 180.
130. Кочерга H. Г. Кандидатская диссертация. Днепропетровск, Горный ин-т
им. Артема, 1967.
258
131. Handbuch der Raumexplosionen, Verlag Chemie, Weinheim, 1965.
132. W a h 1 H. Z. angew. Physik, 1960, Bd. 12, N 2, S. 60.
133. Феррари E. А. Кандидатская диссертация. МИХМ, 1967.
134. Gibson N., Lloyd F. C., Perry G. R. J. Chem. Eng. Symposium, Series,
1968. N 25, p. 26.
135. Таубкин С. И. В кн.: Вопросы пожаротушения и пожарной профилак¬
тики. М., ЦНИИПО, 1959, с. 3.
136. Smith D. Chem. Eng. Progress, 1970, v. 66, N 9, p. 41.
137. Смолдырев A. E. Трубопроводный транспорт. М., «Недра», 1970. 272 с.
138. Б р о у н ш т е й н Б. И., Тодес О. М. Основы теория пневматического
транспорта. ЖТФ, 1953, т. 23, вып. 1, с. 110.
139. Вдовенко О. П. Пневматический транспорт на предприятиях химиче¬
ской промышленности. М., «Машиностроение», 1968. 139 с.
140. Урбан Я. Пневматический транспорт. М., «Машиностроение», 1967. 256 с.
141. Разумов И. М. Псевдоожижение и пневматический транспорт сыпучих
материалов. М., «Химия», 1973. 239 с.
142. Забродский С. С. Гидромеханика и теплообмен в псевдоожиженном
слое. М. — Л., Госэнергоиздат, 1963. 488 с.
143. Boh net М., VDI-Forschungsheft, 1965, N 507, S. 10,
144. Зим он А. Д. Адгезия пыли и порошков. М., «Химия», 1967. 372 с.
145. Таубкин И. С. Кандидатская диссертация. МИХМ, 1969.
146. Разумов И. М., Сычева А. М. Циклонные сепараторы, конструкции и
методы их расчета. М., изд. ЦБТИ Гипронефтемаш. 1961. 71 с.
147. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовле¬
нию, монтажу и эксплуатации. Трест «Газоочистка», М., 1961. 72 с.
148. Szekely J., Carr R. Chem. Eng. Sci., 1966, v. 21, N 12, p. 1119.
149. M u s с h e 1 k n a u t z E., Brunner K-, Chem.-Ing.-Techn., 1967, Bd. 39,
N 9/10, S. 531.
150. Саксин В. H. Информ. листок № 35—73 межотраслевого территориаль¬
ного центра научно-технической информации и пропаганды. Ярославль,
Книжное изд-во, 1973.
151. Высокоэффективная очистка воздуха. Под ред. П. Уайта и С. Смита. М.,
Атомиздат, 1967. 311 с.
152. Kuhnen G., «Staub», 1963, Bd. 23 ,N 2, S. 92.
153. Абрамян В. К. Кандидатская диссертация. ЛТИ, 1968.
154. Попов Б. Г. и др. Статическое электричество в химической промышлен¬
ности. Л., «Химия», 1971. 208 с.
155. Кис л ер С. Я., Шустер К. Ш. В кн.: Методы и средства защиты орга¬
низма человека от статического электричества. М., ДНТП им. Ф. Э. Дзер¬
жинского, 1968, с. 118.
156. Веревкин и др. В кн.: Проблемы горения и тушения. М., ЦНИИПО,
1968, с. 139.
157. Веревкин В. Н. Кандидатская диссертация. МИХМ, 1966.
158. Г о р ш к о в В. И. Кандидатская диссертация. МИХМ. 1968.
159. Таубкин И. С., Попов Б. Г., Веревкин В. Н. Авт. свид. 238341,
1969.
259
160. Таубкин И. С., Попов Б. Г., Пласт, массы. 1971, № 10, с. 67.
161. Ужов В. Н., Мягков Б. И. Очистка промышленных газов фильтрами.
М., «Химия», 1970. 319 с.
162. ИменитовИ. М. ДАН СССР, 1958, т. 121, № 1, с. 93.
163. Ста роб а Й., Ш и м о р д а Й. Статическое электричество в промышлен¬
ности. М. — Л., Госэнергоиздат, 1960. 248 с.
164. Morris G. «Engineering», 1947, т. 164, N 425, р. 49, 73.
165. Паспорт-инструкция по монтажу и эксплуатации всасывающих рукавных
фильтров ФВК. Киевский завод им. М. И. Калинина, 1970.
166. National Fire Codes. V. 9. Boston, 1967—1968.
167. Журавлев В. С., Г е ф т е р П. Л., Бобков А. С. В кн.: Методы и сред¬
ства защиты дрганизма человека от статического электричества. М., ДНТП
им. Ф. Э. Дзержинского, 1968, с. 172.
168. Веревкин В. Н., Горшков В. И., Попов Б. Г. В кн.: Проблемы
горения и тушения. М., ВНИИПО, 1973, с. 136.
169. Gibson N., Lloyd F. С. Brit. J. Appl. Phys., 1965, v. 16, N 11, p. 1619.
170. Обух А. А. «Электричество», 1971, № 3, с. 91.
171. Heidelberg E. PTB-Mitteilung, 1970, Bd. 80, N 6, S. 440.
172. Веревкин В. H., Горшков В. И., Экспресс-информация. ВНИИПО,
1971, сер. 3, вып. 25, с. 7.
173. Scholz D. «Kunstoffe», 1969, Bd. 59, N 12, S. 838.
174. Правила защиты от статического электричества в производствах химиче¬
ской, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Хи-
мйя», 1973. 60 с.
175. Таубкин И. С., Попов Б. Г. Техническая и экономическая информация
НИИТЕХим. Серия Охрана труда. 1968, вып. 4, с. 33.
176. Попов Б. Г., Таубкин И. С. Пласт, массы, 1968, № 10, с. 63.
177. В г u i n z е е 1 С. J. Int. Petrol., 1963, v. 49, N 473, p. 125.
178. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. М.,
Издатинлит, 1956. 664 с.
179. Временная инструкция по определению воспламеняющей способности разря¬
дов статического электричества по заряду в импульсе (№ 26—70). М.,
ВНИИПО, 1970. 17 с.
180. Попов Б. Г., С м е л к о в Г. И. Хим. пром., 1970, № 10, с. 30.
181. Л и ф ш и ц М. Н., Садовский Ф. Т. Электронно-ионная очистка воздуха
от пыли в промышленности строительных материалов. М., Стройиздат, 1968.
176 с.
182. Воронков И. М. Курс теоретической механики. М., «Наука», 1965. 596 с.
183. Калашников С. Г. Электричество. М., «Наука», 1964. 666 с.
184. Веревкин В. Н., Горшков В. И., Фетисов П. А. «Электричество»,
1967, № 4, с. 75.
185. Тартаковский М. и др., Мукомольно-элеваторная пром., 1989, № 2,
с. 19.
186. Haase Н., Hardtke В. Н. Chem.-Ing.-Techn., 1957, Bd. 29, S. 814.
187. Haase Н., Meyer W. VDI-Berichte, 1957, Bd. 19, S. 59.
188. Kiihnen G., Staub-Reinhalt. Luft, 1971, Bd. 31, N 3, S. 108.
260
189. Kuhnen G. «Staub», 1966, Bd. 26, N 2, S. 57.
190. Ritter K., Staub. Reinhalt. Luft., 1971, Bd. 31, N 3, S. 108.
191. Zehr J. «Staub», 1965, Bd. 25, N 1, S. 9.
192. BodenstedtE. Z. angew. Physik, 1954, Bd. 6, N 7, S. 297.
193. Mir gel К. H. VDI-Berichte, 1957, Bd. 19, S. 49.
194. Napier D. H. J. Chem. Eng. Symposium Series (Inst. Chem. Eng., Lon¬
don), 1971, N 34, p. 170.
195. Карасев А. И. Основы математической статистики. М., Росвузиздат, 1962.
358 с.
196. Фурманов Б. М. Научные основы, методы оценки и обеспечения искро-
безопасности горного слаботочного электрооборудования. М., «Наука», 1970.
150 с.
197. Печук Э. И., Кочерга Н. Г. Бюлл. МакНИИ, 1956, № 2, с. 26.
198. Кравченко В. С. Докторская диссертация. М., ИГД АН СССР, 1953.
199. Правила изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудова¬
ния (ПИВРЭ). М., «Энергия», 1969. 222 с.
200. Кравченко В. Н. В кн.: Сильные электрические поля в технологических
процессах. М., «Энергия» 1969, с. 176.
201. Колганова М. Н. и др. Экспресс-информация (ВНИИПО), 1972, серия 3,
вып. 28, с. 10.
202. Техника высоких напряжений. Под ред. Д. В. Розевича. М. — Л., Госэнерго-
издат, 1964. 441 с.
203. Правила изготовления взрывозащищенного электрооборудования (ПИВЭ).
М., «Энергия», 1964. 96 с.
204. Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. М., «Химия», 1970.
430 с.
205. Ч е р^н о б ы л ь с к и й И. И., Тананайко Ю. М. Сушильные установки
химической промышленности. Киев, «Техника», 1969. 279 с.
206. Бережной С. А., Рыжов В. К., Торф, пром., 1971, № 7, с. 17.
207. Булынко М. Г., Петровский Е. Е., Торф, пром., 1968, № 4, с. 13.
208. Новикова Л. В., Г а в р и л ю к Л. Б., Гликин М. А., Хим. пром., 1971,
№ 10, с. 60.
209. Носов Н., «Пожарное дело», 1966, № 12, с. 1.
210. Пожары и взрывы на установках термической сушки угля в аппаратах
с кипящим слоем (по материалам США). «Кокс и химия», 1968, № 3, с. 53.
211. Смирнов В. М. Пожарная профилактика процессов сушки горючих ма¬
териалов. М., Высшая школа МВД СССР, 1963. 84 с.
212. Филиппов В. А. Опыт эксплуатации труб-сушилок на углеобогатитель¬
ных фабриках. М., «Недра», 1964. 69 с.
213. Buchtmeier F., «Starke», 1961, Bd. 13, № 12, S. 442.
214. Романков П. Г., Рашковская Н. Б. Сушка в кипящем слое. Л. — М.,
«Химия», 1964. 288 с.
215. Кремнев О. А. и др. Скоростная сушка. Киев, Гостехиздат, 1963. 382 с.
216. Фокин А. П. и др. Оборудование для сушки распылением. Сер. VI. М.,
НИИХИММАШ, 1966, 78 с.
217. Summers-Smith D. Chartered Mech. Eng., 1973, v. 20, № 4, p. 74.
m
218. Временная инструкция по оценке пожарной опасности веществ и материа¬
лов. Общие положения (№ 01—67). М., ЦНИИПО, 1967. 19 с.
219. Инструкция по расчету температурных пределов воспламенения паров в
воздухе (№ 1 Зр—70). М., ВНИИПО, 1972. 36 с.
220. Казакова Е. А. Гранулирование и охлаждение в аппаратах с кипящим
слоем. М., «Химия», 1973. 151 с.
221. Фокин А. П. Распылительные сушилки. М., ЦИАМ, 1964. 76 с.
222. Лавров Н. В., Попов В. М. и др. Сжигание горючих газов в топочных
устройствах. М. — Л., «Энергия», 1966. 272 с.
223. Линецкий В. А. Техника безопасности при эксплуатации и ремонте труб¬
чатых печей. М., «Химия», 1971. 129 с.
224. Г а н ж а В. Л. Кандидатская диссертация. Минск, Институт тепло- и массо-
обмена АН БССР, 1968.
225. К и с е л ь н и к о в В. Н, В я л к о в В. В., Филатов В. М. Известия вузов.
Химия и хим. технол., 1969, № 6, с. 964.
226. Обух А. А., Максимов Б. К. Доклады научно-технической конференции
по итогам НИР за 1968—1969 гг. Подсекция ТВН. М., МЭИ, 1969, с. 150.
227. Циборовский Я., Влодарский А. Экспресс-информация. Процессы и
аппараты химических производств, ВИНИТИ, 1962, № 30, реф. 269.
228. Кармазинов Н. М. — В кн.: Защита от вредного воздействия статиче¬
ского электричества в народном хозяйстве. М., ВНИИТБХП, 1973, с. 34.
229. Рекомендации по составлению методик определения категорий производств
по взрывопожарной и пожарной опасности. М., ВНИИПО, 1973. 11 с.
230. Рredd у D. L., Chem. Eng., 1969, v. 32, № 21, p. 94.
231. Конев Д. Г., Савинов Н. П., Толмачева Л. В. В кн.: Автомати¬
зация химических производств. Вып. 2. М., 1970, с. 18.
232. Achats et entret., 1973, v. 22, № 239, p. 57.
233. Com. et restaur, usines et entrap., 1973, № 118, p. 6.
234. Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической
промышленности. М., Россельхозиздат, 1968. 264 с.
235. Эрхард Г. В кн.: Труды Европейского совещания по измельчению. М.,
Стройиздат, 1966, с. 269.
236. Mustonen Е. Dansk Brandvaern, 1972. 7.
237. Крицкий Е. Л., Мин стер М. Н. Защита дробилок от попадания ме¬
таллических предметов. М., Госгортехиздат, 1963, 132 с.
238. Vohringer М. Staub-Reinhalt. Luft, 1971, Bd. 31, N 3, S. 126.
239 Костерин А. К. Пожарная профилактика в мукомольно-крупяной про¬
мышленности. М., МКХ РСФСР, 1961. 88 с.
240. Таубкин И. С., Попов Б. Г., Зайцев А. А. Авт. свид. 339469, 1972.
241. Веревкин В. Н., Горшков В. И., Таубкин И. С. Экспресс-инфор¬
мация. М., ВНИИПО, 1967, сер. 3, вып. 5.
242. Веревкин В. Н. Пожарная профилактика. ВНИИПО. Вып. 8, 1973, с. 58.
243. Таубкин С. И., Егоров Л., Хромов В. «Пожарное дело», 1966, № 3,
с. 28.
244. R a i с h 1 е L., John G. Staub, 1965, Bd. 25, N 4, S. 139.
245. В u r g о у n e J. H., F a u 1 d s J. M. «Starke», 1963, N 7, S. 260.
246. Проектирование протйвопожарйы* мероприятий в системах отойления й вей-
тилядии. Серия НМ-024. М., Стройиздат, 1967. 40 с.
247. Lowell R. L. Chem. Eng. Progr., 1968, v. 64, N 6, p. 58.
248. BartknechtW. VFDB-Z., 1971, Bd. 20, N 4, S. 112.
249. Годжелло М. Г. Взрывы промышленных пылей и их предупреждение.
М., изд. МКХ РСФСР, 1952. 142 с.
250. Palmer К. N. J. Chem Eng., Symposium Series (Inst. Chem. Eng., Lon¬
don), 1971, N 34, p. 142.
251. Инструкция по установке и эксплуатации взрыворазрядителей, устанавливае¬
мых к технологическому оборудованию комбикормовых предприятий. М., ГК
заготовок СМ СССР, 1963. 40 с.
252. Ольховский Н. Е. Предохранительные мембраны для защиты оборудо¬
вания в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промыш¬
ленности. М., «Химия», 1970. 175 с.
253. Предохранительные устройства. Защита химического оборудования с по¬
мощью разрывных предохранительных мембран. Северодонецк, ВНИИТБ
ХП, 1972. 118 с.
254. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением. М., Госгортехнадзор, 1970.
255. Schwab R. F., Doyle W. Н. Chem. Eng. Progr., 1970, v. 66, N 9, p.
256. Heinrich H. J., Kowall R. Staub-Reinhalt. Luft., 1972, Bd. 32, N 7,
S. 293.
257. Kiinen G., Staub-Reinhalt. Luft, 1972, Bd. 32, N 12, S. 496.
258. Maisey H. R. Chem. a. Proc. Eng., 1965, N 10, p. 527—535, 563.
259. Straumann W. Chem. Ing. Techn., 1965, v. 3, p. 306.
260. National Fire Protection Association. Code N 68. Explosion Venting. Boston,
1954, p. 53.
261. Hartmann J. Chem. Eng. Progr., 1957, v. 53, p. 107.
262. Автоматика пожаротушения. СПО-ПТЛ система пламеотсечения в пневмо¬
транспортных линиях. ВНИИПО, 1973. 4 с.
263. ПроцкийА. Е. Изв. вузов. Энергетика, 1965, N И, с. 54.
264. Schwan R. Staub-Reinhalt. Luft., Bd. 31, N 11, S. 439.
СОЛОМОН ИСААКОВИЧ ТАУБКИН
ИГОРЬ СОЛОМОНОВИЧ ТАУБКИН
ПОЖАРО
И ВЗРЫВООПАСНОСТЬ
ПЫЛЕВИДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
Редактор Швыркова Л. В.
Художник Бекетов Е. В.
Технический редактор Вознесенская Р. М. ^
Корректор Козловская Н. А.
Т-11565. Сдано в наб. 16/11 1976 г. Подп. в печ. U/VI 1976 г.
Формат бумаги 60X907i6- Бумага тип. № 2. Уел. печ. л. 16,5.
Уч.-изд. л. 18,30. Тираж 13000 экз. Зак. №62.
Изд. № 48. Цена 1 р. 08 к.
Издательство „Химия**, 107076, Москва, ул. Стромынка, д. 13. корп. 2.
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
198052, Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.