CC BY
11Сонечкин В. М., Панасевич Л. Т.
ОЧИСТКА ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТАСТАБИЛЬНОГО ПАРА
В статье рассмотрены вопросы обеспечения пожаровзрывобезопасности процесса очистки воздуха от пыли. Показано, что перспективным направлением является применение метастабильного (переохлаждённого) пара.
Ключевые слова: пожаровзрывобезопасность, пыль, очистка воздуха, зародыши, энергия Гиббса.
Sonechkin V., Panasevich L.
REDUCTION OF THE DUST RELEASES BY USING A META-STABLE STEAM
Some topics of the fire-explosion safety ensuring for the process of the air cleaning from dust are considered in the article. It is shown that one of the perspective ways consists of using a meta-stable (super-cooled) steam.
Keywords: fire-explosion safety, dust, air cleaning, embryos, the Gibbs energy.
Технологические процессы лесной, деревообрабатывающей, мебельной промышленностей связаны с образованием или переработкой пылевидных материалов, являющихся пожаро-взрывоопасными.
Во внутренних объёмах оборудования, системе аспирации постоянно образуются пылевоздушные смеси. Особенностью процессов механической обработки древесных материалов является то, что выделение и накопление мелкой стружки, опилок и пыли происходит при нормальном режиме работы технологического оборудования. Пожарную опасность процесса увеличивают широко разветвлённая система пневмотранспорта, используемого для удаления отходов с рабочих мест, и системы пылеосаждения.
Наиболее распространёнными устройствами для очистки воздуха от пыли являются циклоны и тканевые фильтры. Общим для всех является возможность образования взрывоопасной концентрации пыли в объёме оборудования.
При осаждении пыли с помощью циклонов возможен выход взрывоопасной пылевоздушной смеси из внутреннего объёма вследствие уноса мелких частиц из центральной части циклона, а также при удалении пыли из разгрузочной части и избыточного давления от вентилятора нагнетания. При этом пожарную опасность циклонов увеличивают источники зажигания, такие, как искры тления, искры удара, очаги самовозгорания пыли.
Пожарная опасность рукавных фильтров возникает в результате образования взрывоопасной концентрации пыли или пыления в местах отвода пыли из нижней части фильтра при его встряхивании, из-за нарушения целостности. Специфическими источниками зажигания при работе рукавных фильтров являются очаги самовозгорания пыли, отложившейся в рукавной части или скопившейся в нисходящей линии при образовании в ней пробки, а также искры разрядов статического электричества и искры тления.
Необходимо отметить, что в циклонах и тканевых фильтрах в процессе эксплуатации скапливается наиболее взрывоопасная пыль.
Уровень опасности оборудования зависит от возможности образования
горючей среды и появления в ней источников зажигания.
Общей особенностью для всех типов сухих пылеуловителей является возможность образования взрывоопасной концентрации пыли в объёме оборудования.
Самым высоким уровнем пожаро-взрывобезопасности отличаются пылеуловители мокрого типа. Однако процесс мокрого пылеулавливания, основанный на контакте запылённого газового потока с жидкостью, не обеспечивает высокую степень очистки. Улавливаемый продукт выделяется в виде шлама, что затрудняет организацию безотходного производства и требует дополнительной очистки сточных вод.
Наиболее перспективным направлением, позволяющим улучшить эффективность пылеуловителей, является направление, связанное с применением агентов, находящихся в метастабильном состоянии, в частности, переохлаждённого пара. Метастабильное состояние веществ представляет интерес для нужд практики прежде всего с точки зрения использования достижения предельного состояния устойчивости в относительно короткое время.
При истечении пара из сопла с большим градиентом скорости изменение термодинамических параметров происходит весьма интенсивно. При этом возникает эффект переохлаждения, выражающийся в том, что температура пара оказывается намного ниже соответствующей температуры насыщения. Состояние переохлаждения является метастабильным.
При достижении предельного переохлаждения пар скачком переходит в состояние равновесия с окружающей средой и превращается в капельки жидкости. Поэтому одним из способов повышения эффективности пылеулав-
ливания является использование эффекта конденсации.
Особенность применения пара, находящегося в метастабильном состоянии, заключается в том, что переход переохлаждённого пара в состояние равновесия активно происходит на центрах конденсации, которыми являются частицы древесной пыли.
Величина локального переохлаждения определяется как разность между температурами насыщения и переохлаждения. Величина переохлаждения зависит от начального перегрева пара. Перевод пара в метастабильное состояние осуществляется с помощью конического сопла.
В обычных мокрых пылеуловителях вероятность столкновения частиц пыли и капель жидкости обусловливает недостаточную степень очистки, и, как следствие, часть древесной пыли остаётся в воздушном потоке и выбрасывается в окружающую среду. «Ищут» частицы древесной пыли, которые воспринимают на себя лишь то количество влаги, которое необходимо для её осаждения, так как, осев, они перестают быть центром конденсации.
В связи с этим, одним из способов повышения эффективности пылеулавливания является использование эффекта конденсации. Перевод пара в метаста-бильное состояние осуществляется с помощью сопла. Пар, находящийся в состоянии насыщения, поступает в сопло и, выходя из него, адиабатно расширяется, переходя в переохлаждённое состояние. Поскольку пар находится в неустойчивом переохлаждённом состоянии, конденсируясь на витающих частицах пыли, резко увеличивается их вес, создавая благоприятные условия для пылеулавливания.
Согласно кинетической теории гомогенной нуклеации, количество образующихся в 1 см за 1 с зародышей равно:
/ = УУг£ех р
к
1 н м
в=
6 а
В
\-р м
где N. - число молекул в единице объёма; К - постоянная Больцмана; Тп -температура переохлаждения; р - плотность капель жидкости; NA - число
Авогадро; М - молекулярная масса воды; о - коэффициент поверхностного натяжения; р - давление пара; р, - давление насыщенного пара.
Энергия, необходимая для образования капли при заданной температуре, равна
4
К =
Зп-г2-а
Зная запылённость и количество зародышей, можно определить степень очистки в зависимости от температуры метастабильной жидкости. Считаем, что в 1 см3 за 1 с образуется 1 зародыш. Тогда при ^ ] = 0 находим радиус метастабильного зародыша и количество молекул пара в данном зародыше (см. табл.).
Расчёт количества зародышей
Давление пара, Па Температура переохлаждения, °С Энергия образования капли, Дж Критический радиус, м-10-3 Количество зародышей
1 298,2 8,97 0,381 348
10 301 9,01 0,391 394
50 314,3 9,21 0,447 730
Степень очистки зависит от массы частицы, то есть необходимо знать критический радиус, который находим из соотношения
г —
"к
4л-а
Осаждение частицы происходит при условии нарушения динамического равновесия частицы. При контакте метастабильного пара с частицей пыли масса увеличивается и достигает величины (т + гр).
(т + гр) ц > ,
где т - масса частицы пыли; гр - масса метастабильного пара; ц - ускорение силы тяжести; - внешняя сила, действующая на частицу.
Величина локального переохлаждения определяется как разность
ДТ = Т - Т ,
5 п '
где Т5 - температура насыщения, соответствующая давлению в рассматриваемой области, Тп - температура переохлаждения.
Величину переохлаждения определяют в долях изоэнтропийного перепада температур или энтальпий, достигнутого в процессе расширения. Относительное переохлаждение в данной области равно:
или е=^. Г8
Т0-Т
Через разность энтальпий имеем
- А/ А/ л А/
Ду =- =— ИЛИ 0 = —.
'о ~ Но
ф(1) = ф(1) £(1) + G(1) =
ЗУ®
где £(1) - масса капли; У(1) - удельный объём воды; ф(1) - химический потенциал жидкой фазы в объёмном смысле (то есть бесконечно большом объёме жидкой фазы); О - наружная поверхность капли.
Энергия Гиббса всей системы, состоящей из жидкой капли и паровой фазы, равна:
ф = ф1 + ф2
Величина переохлаждения зависит от начального перегрева пара. Переход переохлаждённого пара в состояние равновесия активно происходит на центрах конденсации, которыми являются частицы древесной пыли.
Условия равновесия жидкости и газообразных фаз, когда количество обеих фаз или, точнее, их объёмы, бесконечно велики, описываются выражениями:
Р(1) = Р(2); Т(1) = Т(2); ф(1) = ф(2),
где ф2 - энергия Гиббса паровой фазы.
Если в одной из фаз вещества образуется некоторое количество новой фазы, то энергия Гиббса всей системы изменяется на величину, состоящую из двух членов, первый из которых - произведение разности химических потенциалов новой и существующих фаз на количество образующейся новой фазы, а второй обусловлен поверхностной энергией и равен произведению поверхностного натяжения на площадь поверхности раздела фаз. При образовании в паровой фазе жидкой сферической капли энергия Гиббса системы изменится на величину
где Р(1) = Р(2); Т(1) = Т(2); ф(1) = ф(2), соответственно, давление, температура, энергия Гиббса в жидкой и газообразной фазах.
Таким образом, условием равновесия двухфазной системы допускается, что давление и температура обеих фаз в состоянии равновесия одинаковы.
Если же в газообразной фазе системы существует жидкая капля, то условия равновесия фаз будут иными. Энергия Гиббса жидкой капли диаметра дравна:
ф = (ф(1) + ф(2)) А£(1) +
но
^ л(ф(1) + ф(2)^ + 4п£а2,
3 у(1)
поэтому
3 К®
где а - коэффициент диффузии пыли в воздухе.
Химический потенциал паровой фазы, отвечающей равновесию жидкой и паровой фазы при данной температуре, больше химического потенциала жидкой фазы, поэтому ф1 - ф2 < 0. Однако если £ мало, то ф будет иметь положительный знак, то есть образование жидкой капли очень малого размера будет приводить к возрастанию энергии Гиббса. Возрастание будет продолжаться до тех пор, пока первый и второй чле-
<Эф
ны выражений для — не сравняются,
то есть пока не достигнут такого значения, при котором с1ф = 0, при этом энергия Гиббса убывает. Жидкие капли размером Скр называются зародышами новой фазы. Значение Скр соответствует точке максимума энергии Гиббса, рассматриваемой как функция радиуса зародыша новой фазы.
После образования зародыша объём остаётся тем же, а давление в этой области пространства, где появился зародыш, становится равным Р(1).
Соответственно этому была затрачена работа:
БУ(1)СР = -(Р(1) - Р)4/3ла(1)3.
Минимальную работу для малых перегревов можно записать с помощью уравнения Клапейрона-Клаузиса:
= 1блсУ1)37;2
ш.п ЩТ-Ть)2
Таким образом, если в паровой фазе образовалась жидкая капля, то она будет находиться в равновесии с окружающим паром, причём давление пара р будет связано с Скр с учётом кривизны поверхности соотношением:
РП = Рз/
2 Утв
кр
Для капель, диаметр которых больше критического диаметра, давление оказывается высоким; понижается оно за счёт конденсации пара на этих каплях, в результате чего капли растут. Таким образом, по отношению к каплям диаметра большего, чем критический диаметр, состояние будет неустойчивым, то есть если поместить капли в пар, пар начнёт конденсироваться на каплях до полного перехода в жидкость.
Если начальный размер капли меньше Скр, то такая капля не сможет существовать в течение длительного времени и будет уменьшаться. Неустойчивость паровой фазы связана с тем, что энергия Гиббса системы достигнет максимума. Устойчивыми являются состояния при постоянных Скр и р. Поэтому рассмотренное состояние системы в виде жидкой капли диаметром Скр и пара давлением р не будет устойчивым, то есть представляет собой метаста-бильное состояние.
Образование зародышей облегчается, если имеются посторонние центры конденсации. Особенность применения пара, находящегося в метастабильном состоянии, заключается в том, что переход переохлаждённого пара в состояние равновесия активно происходит на центрах конденсации, которыми являются частицы древесной пыли.
Зависимость между скоростью истечения W и давлением р описывается уравнением:
где W1, р1, V, - соответственно, скорость пара на входе в сопло, давление, объём; к - показатель адиабаты; п - показатель политропы.
Предложенный метод обеспечивает пожаровзрывобезопасность процесса сухой сепарации пыли и исключает загрязнение окружающей среды. При этом исходная влажность древесной пыли в результате подачи пара изменялась от 4,19 % до 6,35 %, то есть осаждённая пыль не теряла свойства сыпучести, что позволяет говорить о невозможности образования пылевого свода в сборнике пыли.
В целях проверки эффективности применения метастабильного пара для очистки воздуха от пыли выполнена экспериментальная работа по очистке воздуха от древесной пыли дисперсностью 100-160 мкм. Концентрация пыли в воздушном потоке менялась
Схема установки по очистке воздуха от пыли с помощью метастабильного пара:
1 - камера; 2 - сопло; 3 - вентилятор; 4 - фильтр;
5 - устройство для замера температуры
в пределах от 1,44 г/м3 до 20,00 г/м3, то есть в тех пределах, которые образуются при механической обработке деталей мебели.
Запылённый поток с заданной концентрацией пыли направлялся в камеру объёмом 1 м3. Были выполнены две серии опытов. В первой серии в камеру подавали только пылевоздушную смесь. Запылённость выходящего из камеры воздуха определялась весовым методом. Результаты замера показали, что концентрация пыли в воздушном потоке при установившемся режиме подачи пылевоздушной смеси в камеру уменьшается на 10-20 %. Снижение концентрации пыли в потоке происходит за счёт инерционного механизма пылеосаждения, так как воздушный поток меняет своё направление в камере от места ввода до выхода.
Во второй серии опытов в камеру было введено сопло для подачи пара. Целью эксперимента явилось определение эффективности очистки воздуха от древесной пыли с помощью метастабильного пара. Пар на входе в сопло имел температуру 125 °С. При проведении эксперимента температура пара на входе из конической части сопла по плоскости его выходного сечения была в центре 53 °С, на половине радиуса - 19 °С, у стенки - 17 °С.
При проведении испытаний на фильтре, установленном на выходе из рабочей камеры, не было обнаружено наличия пыли, то есть применение метастаби-льного пара является эффективным для пылеосаждения.
Кроме повышения степени очистки воздуха от горячей пыли, применение
метастабильного пара предотвращает образование горючей среды во внутреннем объёме пылеосадительной камеры
в результате флегматизирующего действия водяного пара.
ДИТЕРАТУРА
1. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопас-ность промышленной пыли. - М.: Химия, 1986.
2. Таубкин С. И., Таубкин И. С. Пожаро-и взрывоопасность пылевидных материалов и технологических процессов их переработки. - М.: Химия, 1976.
3. Сонечкин В. М. и др. Обеспечение пожа-ровзрывобезопасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии ГПС МЧС России. - 2006. - № 5. - С. 53-56.
4. Сонечкин В. М, Панасевич Л. Т., Рачка-ускас А. Факторы пожарной опасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии ГПС МЧС России. -2007. - № 7. - С. 121-125.
5. Сонечкин В. М, Панасевич Л. Т., Рачка-ускас А. Моделирование динамики удаления пылевых отходов из объёма оборудования при механической обработке древесных материалов // Пожары и ЧС. - 2008. - № 1. - С. 82-88.
