О критическом диаметре частиц аэровзвеси горючей пыли.

При определении категории помещений по взрывоопасности с наличием  пылящих материалов возникает необходимость получения информации о критическом диаметре частиц аэровзвеси.  Экспериментальные данные о величине критического диаметра для большинства материалов отсутствует. В данной статье рассматривается возможность расчётного определения критического диаметра из предположения что скорость распространения пламени по аэровзвеси сверху вниз близка к скорости витания частиц в воздухе. Воспользовавшись научно-техническими данными о скорости распространения пламени по аэровзвеси с критическим размером частиц авторы статьи предположили метод оценки критического диаметра частиц аэровзвеси.

Основной особенностью горения аэровзвеси твердых дисперсных материалов (в отличие от газо- или паровоздушных смесей) является гетерогенное взаимодействие между твердыми частицами и газообразным окислителем- кислородом и отсутствие четкой однозначной зависимости между концентрацией  твердой фазы и поверхностью реагирования.  Действительно при одной и той же концентрации твёрдой фазы в аэрозоле в зависимости от дисперсности материала поверхность контакта твердой фазы с воздухом может отличаться в десятки раз. Это обстоятельство приводит к тому что показатели пожаровзрывоопасности дисперсных материалов необходимо связывать не с концентрацией а с поверхностью через дисперсность. Однако дисперсности характеризует поверхность контакта реагентов не совсем однозначно поскольку последняя зависит от формы дисперсных частиц.

Кроме того, концентрация аэровзвеси дисперсных частиц из-за гравитации зависит от времени,  постоянно уменьшаясь по сравнению с максимальной при аварийном образовании аэровзвеси. Чем более дисперсный является твердая фаза аэровзвеси тем более свойства системы приближаются к свойствам газо- или паровоздушной системы.  Принято считать, что аэровзвеси, образованные частицами с размером менее 10 мкм приближаются по пожароопасным свойствам газопаровоздушным смесям.  Несмотря на это экспериментальное определение показателей пожаровзрывоопасности осуществляют с использованием образцов материалов дисперсность менее 50 мкм- для металлов и менее 100 мкм- для других веществ , что искажает величину показателей.  Это связано с трудностью приготовление тонко измельченных образцов с лением агрегативности.

При увеличении размера частиц увеличивается нижний концентрационный предел распространения пламени по аэровзвеси и уменьшается скорость распространения пламени до тех пор пока при некотором размере частиц пламя вообще не будет распространяться.  Этот размер частиц называется критическим.

В реальных условиях дисперсные промышленные материалы полидисперсны.  При образовании аэровзвесей наиболее крупные частицы оседают с наибольшей скоростью и, если это скорость превышает скорость распространения пламени сверху-вниз, участие крупных частиц в горении будет нуцлевым.

Согласно (3) коэффициент участия были во взрыве

Z=0,5F,

где F - массовая доля частиц пыли размером менее критического, с превышением которого аэровзвесь становится неспособный распространять пламя.

СП 12.13130 (3) предписывает также учитывать коэффициент пыления, представляющий собой отношение массы взвешенной в воздухе пыли к всей массе пыли, поступившей в помещение и принимать его равным 0,5 для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм и равным 1,0 - для  пылей с дисперсностью менее 350 мкм.  Таким образом был установлен некоторый рубеж дисперсности 350 мкм, который никак не назван, его физический смысл не пояснен.

Остается неясным вопрос Каким образом оценивать полидисперсную пыль содержащая частицы с размером  больше и меньше 350 мкм?

Величина F является приблизительной поскольку точно определить её затруднительно.  Поэтому оценочный метод расчёта критического диаметра не только не вносит погрешность в определении давления взрыва и категорию помещения, но и при любом своём значении приближает результат к реальному значению.

В примере №9 критический размер частиц приняли без объяснений и расчётов для сахарной пыли - 200 мкм, а для мучной пыли - 250 мкм.

Если принять, что критический размер частиц соответствует равенство скоростей витания частицы распространения пламени, то критический размер частиц определяется из этого равенства.

Скорость витания (осаждения) частиц можно вычислить по формуле [5]:

U_в=U_ра=g · d²_кр/18μ

где:

U_в - скорость витания частиц

U_ра  - скорость распространения пламени сверху вниз, м/с

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с²

d_кр - критический диаметр частиц, м;

μ - вязкость воздуха, μ = 1,78 · 10^-5  кг/м·с

По этому уравнение легко определить критический диаметр частиц аэровзвеси, если известна скорость распространения пламени.

Для проверки корректности расчётов по этой формуле воспользуемся экспериментальными данными (6-8).  В работе (6) определены значения критического диаметра частиц аэровзвесей кокса из бурого угля, поливинилхлорида, алюминия и полиэтилена.

Свойства образцов и их критические размеры частиц представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что скорость распространения  пламени сверху вниз по аэровзвеси, составленной из частиц критического диаметра, изменяется в широких пределах (0,95-3,54 м/с).  Поскольку в научно-технических источниках данных о скорости распространения пламени мало, имеет смысл в расчётах по СП 12.13130.2009 принимать скорость распространения пламени заведомо несколько больше реальной,  что приведет к увеличению критического диаметра частиц и, в конце концов, несколько завышенному давлению взрыва.  Это ближе к реальной ситуации, поскольку величина массовой долей частиц размером менее критического будет меньше единицы.  При отсутствии же сведения о величине массовой долей частиц пыли размером менее критического F согласно п А.3.2 (5) следует принимать F=1.

Принимая для всех веществ скорость распространения пламени равной 3,54 м/с, получим величину критического диаметра для ПХВ- 290 мкм, для алюминия- 207 мкм, для полиэтилена- 355 мкм.

Из работ [7,8] известно, что при концентрации частиц титана 300 г/м² скорость распространения пламени составляет 2,2 м/с;  при концентрации частиц циркония 150 г/м2 -3,4 м/с;   при концентрации частиц алюминия 300 г/м²-2,2 м/с;  при концентрации частиц магния 150 г/м²-2,8 м/с;  при концентрации частиц фенолформальдегидной смолы 70 г/м²- 1,2 м/с.  Из этих данных следует, что скорость распространения пламени не превышает 3,54 м/с, и данную скорость можно использовать для оценки критического диаметра для перечисленных веществ.  Тогда оценочные критические диаметры и определяются по формуле:

d_кр = 5,75 · 10^-3√V_рп/ρ               (1)

где: V_рп - скорость распространения пламени сверху вниз по данной аэровзвести, м/с (при отсутствии эксперементальной величины допускается принимать V_рп= 3,54 м/с)

ρ - плотность частиц аэровзвеси, кг/м³

Для титана этот показатель составит 170 мкм, для циркония - 134 мкм, для алюминия - 207 мкм, для магния - 258 мкм, для феноло-формальдегидной смолы - 304 мкм.

В этих расчетах плотность принимали следующей: для титана - 4000 кг/м³, для циркония-6450 кг/м³, для алюминия-2700 кг/м³, для магния 1740 кг/м³.

Если по этому принципу определить критический диаметр частиц муки и сахара, для которых в пособии приняты величины соответственно 250 и 200 мкм, получим следующие данные.

Для муки при плотности частиц 1500 кг/м³ диаметр = 279 мкм, для сахара при плотности частиц 1600  кг/м3 диаметр равен 270 мкм.

Таким образом, если для определенной аэровзвеси неизвестен критический диаметр частиц, его можно оценить по формуле (1)

Расчетные значения критического диаметра части частиц наиболее часто встречающихая на правтике аэровзвесей приведены в таблице 2.

Таблица 2

Полученные результаты показывают, что критический диаметр частиц аэровзвеси может быть как меньше так и больше 350 мкм, поэтому запись в пункте А.3.4 (5) о величине коэффициента пыления должна быть пересмотрена.

Опубликовано в журнале "Пожарная безопасность", 2019 год, № 3 (96) 

Список литературы

1. Корольченко А.Я., Баратов А.Н. К вопросу оценки пожаро- и взрывоопасности промышленных пылей // Письмо в редакцию. ФГВ. 1975. № 5. С. 146–147.

2. ГОСТ 12.1.044–89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

3. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

4. Пособие по применению СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности». М.: ВНИИПО, 2014.

5. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. М.: Химия, 1986. 216 с.

6. Полетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 9. С. 15–25.

7. Исследование скорости распространения пламени в аэровзвесях металлических порошков / В.П. Митин, В.С. Федотова, В.И. Туркин, Е.Г. Коняев // Технология легких сплавов. 1972. № 6. С. 82–85.

8. Palmer K.N., Topkin P.S.J. Chim. Simpozium Series (Inst. Chem. Eng., London). 1968. № 25. Р. 66.

9. Земский Г.Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов. М., 2016. 971 с.