Технические науки/2. Механика

Аспирант Агарков А.М.,

студент Краснов В.В., студент Локтионов И.С.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

Свойства дисперсной фазы аэрозолей цементного производства

Дисперсная (твердая) фаза аэрозолей цементного производства состоит из твердых частиц различных размеров, формы и структуры. Так как частицы аэрозолей имеют неправильную форму и их размер не может быть описан одним числом, то в качестве их размера принимаются диаметры сферических частиц той же плотности, эквивалентных в некотором смысле реальным частицам. Определенный таким образом размер частиц называется эквивалентным. Чаще всего в качестве характерного свойства рассматривается объем частиц, их поверхность или скорость седиментации. В частности эквивалентный по объему размер частицы равен:

,

(1)

где V – объем реальной частицы.

Эквивалентный диаметр (размер) частиц может быть приближенно определен путем прямых измерений. Например, микроскопическим способом можно найти три главных размера частицы – ее длину δ₁ , ширину δ₂ и толщину δ₃. По этим размерам объем частицы может быть приближенно оценен с помощью применяемого в гранулометрии, эмпирического соотношения:

.

(2)

В этом случае эквивалентный размер частицы выражается формулой:

(3)

и практически совпадает со средним геометрическим трех главных размеров частиц.

Наиболее общей и информативной характеристикой дисперсности твердой фазы является ее гранулометрический (дисперсный) состав, определяемый относительным массовым (объемным) содержанием f_i отдельных фракций, т.е. совокупностей частиц, которые попадают в интервал . Будем считать, что частицы, принадлежащие фракции , имеют одинаковый размер, равный:

.

(4)

Дисперсный состав твердой фазы аэрозолей цементных мельниц приведен в табл. 1.

Таблица 1

Дисперсный состав цементной пыли

Фракции пыли, мкм	<5	5...10	10...20	>20
Доли фракции, % (по массе)	39	20	25	16

Обобщенной характеристикой дисперсности пыли является средний размер частиц. Среднеобъемный размер частиц вычисляется по формуле:

,

(5)

где N – число фракций.

При исследовании процессов фильтрования запыленных газов пористыми средами часто используется среднеповерхностный размер частиц.

Для вычисления среднеповерхностного размера частиц необходимо знать их фракционное распределение по площади поверхности. В первом приближении условно заменяем реальные частицы сферическими частицами равного объема. Тогда суммарная поверхность частиц i-ой фракции пробы пыли с массой m будет равна:

(6)

где – число частиц, входящих в i-ую фракцию пробы пыли.

Относительные доли фракций пыли по площади поверхности частиц могут быть найдены по формуле:

,

(7)

а выражение для среднеповерхностного размера частиц имеет вид

.

(8)

Величина среднеповерхностного размера частиц пыли зависит, главным образом от содержания наиболее мелких частиц. Для пыли, дисперсный состав которой отражен в табл. 2 средние размеры частиц имеют следующие значения: мкм, мкм. Относительные содержания отдельных фракций пыли могут быть найдены с помощью дифференциальной функции распределения частиц по размерам

.

(9)

Для описания дисперсного состава пылей цементного производства чаще всего используются распределения Розина-Раммлера-Беннета-Шпенглера (RRBS) и логарифмически-нормальное распределение Колмогорова-Хэча-Чета. Дифференциальная функция распределения RRBS имеет вид:

,

(10)

где n – коэффициент равномерности распределения; δ' – характеристический размер, соответствующий 36,8 % остатка на сите с размером ячейки δ', мкм.

Для частиц цементной пыли (табл. 2) параметры распределения RRBS, найденные методом наименьших квадратов имеют следующие значения δ' = 12 мкм, n = 1,2.

Логарифмически-нормальное распределение (ЛНР) описывается функцией

,	(11)
, ,

где δ_n – размер ячейки сита, допускающего проход n % массы просеиваемой пыли, δ₅₀ – медианный размер частиц.

В частности для пыли, соответствующей табл. 2.2 δ₅₀ = 6,5 мкм, δ = 2,1.

Выбор функции распределения определяется результатами обработки экспериментальных данных по дисперсному составу пылей цементного производства.

Расчеты показывают, что распределения RRBS и ЛНР аппроксимируют опытные данные с примерно одинаковой точностью.

При определении степени улавливания частиц газоочистными аппаратами удобнее использовать интегральные функции распределения по остатку и проходу :

,

(12)

для распределения RRBS и

,

(13)

где

– интеграл ошибок, значения которого определяются по таблицам [1].

Косвенной характеристикой степени дисперсности пыли является величина ее удельной поверхности S, м²/кг, равной отношению суммарной площади поверхности частиц к их общей массе m:

,

(14)

где – масса частиц i-ой фракции; – масса и площадь поверхности частицы i-ой фракции, m – масса навески пыли.

Считая условно форму частиц сферической, для удельной поверхности пыли получим соотношение:

.

(15)

Отсюда следует формула, связывающая удельную поверхность пыли со среднемассовым размером частиц:

.

(16)

Из формулы (16) следует, что с увеличением удельной поверхности пыли степень ее дисперсности возрастает.

Важной характеристикой пылей цементного производства является их плотность, которая изменяется от 2600 до 3100 кг/м³. Насыпная плотность пылей зависит от их дисперсного состава и меняется в пределах от 1100 до 1300 кг/м³. Угол естественного откоса, который образуется у основания конуса при свободном насыпании пыли на горизонтальную поверхность, зависит от дисперсности пыли, ее слипаемости, влажности и меняется от 30° до 45°.

Существенное влияние на эффективность улавливания пыли оказывает ее слипаемость, которая проявляется в прилипании частиц к твердым поверхностям (адгезия) и друг к другу (аутогезия). Слипаемость частиц пыли зависит от ее дисперсности, влажности, электрических свойств и других факторов. Пыль, образующаяся при дроблении сухого карбонатного сырья слабослипающаяся, а цементные пыли из мельниц, силосов, от упаковочных машин – сильнослипающиеся. В качестве критерия слипаемости используется аутгезионная прочность слоя пыли, сформированного в стандартных условиях. Аутогезионная прочность сильнослипающейся пыли превышает 600 Па.

Пыли цементного производства гигроскопичны, т.е. находясь во влажном воздухе, они сорбируют на поверхностях частиц влагу из окружающей среды. Это приводит к возрастанию сил адгезии, аутогезии и уменьшению сыпучести пыли. Сильной сорбционной способностью обладают печные, клинкерные и цементные пыли.

Большое влияние на процессы фильтрации аэрозолей оказывает электрозаряженность частиц твердой фазы. Частицы могут иметь заряды различных знаков, величина которых зависит от размеров частиц, интенсивности процесса электризации, влажности газовой среды и меняется в широких пределах от 3×10^–18 до 3×10^–14 Кулона.