Дымы и туманы

Дымы и туманы

ДЫМЫ И ТУМАНЫ, дисперсные физические системы, относящиеся к так называемым аэрозолям. Они состоят из газообразной дисперсионной среды (воздуха или другого газа) и взвешенных в ней твердых частичек (дымы) или мельчайших капелек жидкости (туманы), составляющих дисперсную фазу. Частички дымов и туманов могут иметь поперечник от 10-3 до 10-7 см (10…1 мкм). При размере частиц менее 10-5 см дымы и туманы являются типичными коллоидальными системами. В смысле размеров частиц дисперсной фазы к границам дымов и туманов примыкают, с одной стороны, парообразное состояние вещества (отдельные молекулы с диаметром порядка 10-8 см), а с другой - то, что называется пылью, где размер твердых или жидких частичек колеблется между 10-3 и 10-2 см. В технике, однако, термин «пыль» часто применяется для обозначения всех газодисперсных систем с частицами порядка 10-2—10-5 см, получаемых механическим путем (распыление).

В русской терминологии аэрозоли делятся на дымы, туманы и пыль. При пользовании иностранной литературой следует иметь в виду, что германская номенклатура соответствует русской (Rauch, Nebel, Staub), в английской же принято иное деление аэрозолей (smokes, clouds, dusts, см. ниже), основанное не на агрегатном состоянии, а исключительно на размерах частиц дисперсной фазы. Деление дымов и туманов на группу дымов и группу туманов, применяемое в физике и метеорологии, в технике не всегда удобно, так как иногда бывает затруднительно отличить дым от тумана; кроме того, технические аэрозоли (например, фабричные дымы) часто представляют собою смеси дымов с туманами. В этих случаях удобнее классифицировать дымы и туманы по степени их относительной устойчивости, определяемой размерами частиц, и различать: а) оседающие дымы и туманы (англ. clouds) с частицами 10-3—10-5 см и б) неоседающие (англ. smokes) с частицами 10-5—10-7 см.

К настоящим дымам и таманам относятся: всякого рода устойчивая пыль, содержащаяся в атмосфере или образующаяся в производственных процессах при механической обработке материалов; дымы фабрик, заводов, силовых установок, человеческих жилищ, парового и моторного транспорта и т. п., аэрозоли, получаемые при сжигании топлива; отходящие газы заводских печей и аппаратов, выделяющиеся при термической обработке сырья и в большинстве химических процессов; атмосферные туманы и облака; наконец, различные газодисперсные системы, получаемые с определенной целью искусственным путем, по одному из указанных ниже способов.

Свойства дымов и туманов. Общая характеристика. Дымы и туманы - системы, вообще говоря, неустойчивые; термодинамическое и электрическое равновесия в них не имеют места. Вследствие этого состояние таких систем подвергается непрерывным, самопроизвольно протекающим внутренним изменениям. Даже при устранении всех внешних влияний дымы и туманы способны существовать лишь ограниченное время (от нескольких минут до нескольких дней); этим они отличаются от большинства жидких коллоидных систем (гидрозолей). Лишь дымы и туманы очень малых концентраций способны к продолжительному существованию. Степень устойчивости дымов и туманов в большой мере зависит от их электрического состояния, т. е. от заряда частиц. Переход всякого вещества в состояние дыма или тумана сопровождается следующими изменениями его свойств: а) распределением малых масс в очень больших объемах, т. е. малой объемной плотностью, б) чрезвычайным развитием удельной поверхности и усилением поверхностных явлений, в) увеличением химической и физической активности. При этом в дымах большую роль играют форма и структура частиц; в туманах же преобладает влияние присущих жидкому состоянию свойств (поверхностное натяжение капелек). Индивидуальные свойства веществ резче выступают в частицах дыма, чем в частицах тумана. Физическая структура дымов и туманов определяется величиной, числом (т. е. концентрацией) и движением частиц, составляющих дисперсную фазу.

Концентрация дымов и туманов может быть выражена двояким образом: а) как обычная весовая концентрация (СР), т. е. количество распыленного вещества в мг, содержащееся в 1 л дыма или тумана (или, что то же, - количество грамм в 1 м3), и б) как число частиц в 1 см3 дыма или тумана (CN). Величины СР и CN независимы одна от другой; обе имеют значение для характеристики поведения дымов и туманов и их технических качеств. Выражая концентрацию дыма или тумана в виде СР, обычно указывают при этом и средний размер частиц, например: С0,05мкм = 0,1 мг/л (табл. 1).

Концентрация технических дымов или туманов

Вычисленное значение СР остается постоянным пока не меняется объем дыма или тумана. При образовании дыма или тумана из веществ, обладающих заметной летучестью, СР представляет фактически сумму двух концентраций: самого распыленного вещества и его паров. В таких случаях истинная весовая концентрация дисперсной фазы в любой момент равна вычисленной концентрации (СР мг/л) за вычетом концентрации пара вещества внутри системы. Величина CN является переменной, и по ряду причин (см. ниже) ее значение постепенно уменьшается. Возможные значения концентраций дымов и туманов для каждого вещества ограничены. Например, из NH4Cl м. б. получен дым с концентрацией от 0,02 до 1,2 мг/л. При увеличении концентрации дыма или тумана далее определенного предела дисперсная фаза быстро выпадает из газовой среды.

Размеры, форма и плотность частиц. Большинство частиц дымов и туманов - ультрамикроскопического порядка (< 1 мкм). Размеры частиц не поддаются прямому измерению и определяются косвенным путем - на основании измерения скоростей оседания или по оптическим свойствам (табл. 2).

Размеры частиц дымов и туманов

Т. о., технические дымы и туманы имеют частицы размерами от 10–3 до 10–6 см. Обычный размер частиц дымов - от 10–4 до 10–6 см, частиц туманов - от 10–3 до 10–5 см. Однако, наряду с ними в дымах и туманах почти всегда содержатся еще более мелкие частицы («амикроскопические»), порядка 10–7 см и менее. Форма частиц в туманах всегда шарообразная (капли); частицы дымов могут иметь различную форму. Дымовые частички, видимые в микроскоп, представляются обычно в виде неправильных хлопьев (рыхлые агрегаты кристалликов). Плотность частиц дымов (и даже некоторых туманов, например, ртути), вычисленная из их веса и размера (по скорости оседания), оказывается гораздо меньше (в 4—13 раз), чем нормальная плотность тех же веществ в массе. Примеры (в скобках даны обычные плотности, вне скобок - в состоянии дыма): HgCI2 (5,4) - 1,27; Hg (13,6) - 1,70; MgO (3,65) - 0,35; Ag (10,5) - 0,94; CdO (6,5) - 0,51. Поэтому, вероятно, частицы многих дымов в действительности крупнее приписываемых им размеров.

Движение частиц дымов и туманов. Частицы дымов и туманов совершают движения троякого рода: а) зигзагообразное, т. н. броуновское движение, под влиянием толчков молекул газовой среды; б) прямолинейное, под влиянием непрерывно действующих сил - гравитационных (т. е. собственного веса) или электрических (при наличии электрического поля); в) совместное с движением самой газовой среды. Броуновское движение частиц тем интенсивнее, чем меньше их размеры, чем выше температура газовой среды и чем меньше ее вязкость. Трение частиц дымов и туманов в воздушной среде при обыкновенной температуре приблизительно в 50 раз меньше, чем в водной; поэтому поступательное движение частиц в воздухе, например, в 8 раз, а в водороде в 15 раз быстрее, чем в воде. Средняя результирующая величина смещения частиц за данный период времени обратно пропорциональна квадратному корню из их радиуса; для дымов в обычных условиях она - порядка 10–4—10–3 см/сек. Благодаря броуновскому движению частицы дымов и туманов при достаточно малых размерах способны к диффузии. Коэффициент диффузии дыма или тумана обратно пропорционален радиусу частиц; следовательно, рассеивание облаков дымов и туманов в спокойном воздухе происходит тем скорее, чем мельче их частицы.

Оседание (седиментация) частиц дымов и туманов под действием силы тяжести происходит со скоростью, пропорциональной весу частицы и обратно пропорциональной сопротивлению среды. Скорость оседания (v) постоянна и м. б. вычислена по формуле Стокса:

Скорость оседания м. б. вычислена по формуле Стокса

где r - радиус частицы, ϱ - ее плотность, ϱ' - плотность среды, g  = 980,7 см/сек2, η - коэффициент вязкости среды в единицах CGS (пуазах). Например, для капель водяного тумана: ϱ = 1; величиной ϱ' для воздуха можно пренебречь; η = 1,81·10–4 г/см·сек, и, следовательно, v  = 12·105·r2 см/сек.

Ниже приводятся скорости оседания частиц тумана (вода+воздух) в зависимости от размера капель.

Скорости оседания частиц тумана (вода+воздух) в зависимости от размера капель

Соотношение между скоростями двух разобранных движений иллюстрируется следующими данными (цифры относятся к дыму частиц серебра в воздухе).

Соотношение между скоростями двух разобранных движений

Частицы размером более 10–3 см (пыль) оседают с возрастающей скоростью. Частицы с диаметром 10–3—10–5 см (англ. clouds) оседают с постоянной скоростью, определяемой формулой Стокса (1), и практически не диффундируют. Частицы с диаметром 10–5—10–7 см (англ. smokes) не оседают (vбр. > v↓) и диффундируют с заметной скоростью. Их осаждение возможно лишь при действии сил, значительно превышающих вес частиц, а также превышающих молекулярные импульсы, например, при действии силы электрического притяжения или центробежной силы.

В электрическом поле частицы дымов и туманов движутся под влиянием силы F = Xe, где X - напряженность поля в V/см и е - заряд частицы (см. ниже). Скорость этого движения

Dymy Tumany 6

Формулы (1) и (2) применимы только к частицам, поперечник которых больше среднего расстояния между молекулами газовой среды. Для частиц с диаметром < 10–5 см (а также и для более крупных, если они находятся в разреженном газе) наблюдаются значительные отклонения от закона Стокса: истинная скорость (v') больше вычисленной (v). По Кеннингему и Милликену, -

Dymy Tumany 7

где λ - средняя длина свободного пробега газовых молекул, а К - постоянный коэффициент ~ 0,86 (для воздуха). Эта формула хорошо согласуется с действительностью.

Dymy Tumany 8

Если газообразная дисперсионная среда находится в движении (ток газа по трубам и аппаратам, тепловые конвекционные токи, ветер), то взвешенные частицы дымов и туманов перемещаются вместе с нею; тем самым замедляется или вовсе прекращается самостоятельное оседание частиц. При криволинейном, например, вихревом, движении среды частицы дымов и туманов способны центрифугироваться.

Взаимодействие частиц дымов и туманов. Между отдельными частицами дисперсной фазы могут действовать как притягательные, так и отталкивательные силы. Преобладание последних способствует устойчивости дымов и туманов, преобладание первых ведет к соединению частиц в более крупные агрегаты и к выпадению их из газовой среды, т. е. к коагуляции аэрозоля. Для дымов этот процесс носит название флокуляции (от англ. flocks - хлопья). Способность дымов флокулировать затрудняется при наличии одноименных электрических зарядов или пленки адсорбированного газа на частичках; отсутствие же заряда, наличие разноименных зарядов, разрежение газовой среды и повышение температуры облегчают флокуляцию дымов.

Испарение частиц. Частицы всех туманов и некоторых дымов способны испаряться, вследствие чего при достаточно малой концентрации и высокой летучести вещества дым или туман превращается постепенно в однородную газообразную смесь. При этом концентрация пара растет за счет уменьшения концентрации твердой или жидкой фазы; сумма их (СР) сохраняет постоянное значение. Испарение продолжается до тех пор, пока не исчезнет твердая или жидкая фаза, либо пока пар не насытит данного пространства. Скорость испарения убывает пропорционально разности между упругостями (или объемными концентрациями) пара насыщенного и пара, имеющегося в данный момент. Скорость испарения частиц дымов и туманов зависит от их химической природы и физической структуры; она возрастает при увеличении степени дисперсности (пропорционально удельной поверхности, т. е. обратно пропорционально диаметру частиц), при повышении температуры и при механическом перемешивании газовой среды. Испарение частиц туманов усиливается еще тем, что упругость пара (р') на поверхности капелек растет с увеличением кривизны, т. е. с уменьшением их радиуса (r), согласно формуле В. Томсона:

Dymy Tumany 9

где р - нормальная упругость насыщенного пара над плоской поверхностью, D - удельный вес жидкости, d - удельный вес пара, σ - поверхностное натяжение. Превышение (р') над (р) выступает заметно лишь при r < 10–5 см (0,1 мкм). С другой стороны, испарение частиц тумана задерживается присутствием маслянистых пленок или слоя адсорбированных газов на их поверхности, а также присутствием растворенных веществ и наличием электрического заряда (факторы, понижающие упругость пара).

Адсорбционная способность. Благодаря сильному развитию поверхности, адсорбция в дымах и туманах играет гораздо большую роль, чем в других гетерогенных системах с меньшей степенью дисперсности. Адсорбционная способность частиц дымов и туманов пропорциональна их удельной поверхности. Количество газов и паров, адсорбируемых частицами, м. б. весьма значительным. Например, 1 л осажденной из дыма сажи содержит только 50 см3 угля вместе с 950 см3 адсорбированного воздуха (в нормальных условиях занимающего объем 2,5 л), который удерживается очень прочно. Если дисперсионная среда представляет собою смесь нескольких газов, частицы дымов и туманов могут адсорбировать предпочтительно какой-либо один из них, в зависимости от своей природы. При столкновении с поверхностями твердых или жидких тел (например, со стенками сосудов и труб) частицы дымов и туманов сами адсорбируются ими и не возвращаются более в газовую среду.

Термические свойства дымов и туманов. Теплопрозрачность дымов и туманов значительно меньше, чем чистого газа дисперсионной среды; она убывает с повышением концентрации частиц (CN). При неоднородном тепловом состоянии газовой среды частицы дымов и туманов получают с различных сторон неодинаковые молекулярные толчки и в результате диффундируют из нагретых областей в более холодные. Направление этой тепловой диффузии нормально к изотермическим слоям; скорость ее тем больше, чем резче падение температуры от одного слоя к другому, т. е. чем больше dt°/dl (I - толщина слоя). Благодаря этому явлению частицы дымов и туманов как бы отталкиваются нагретыми поверхностями и оседают на холодных.

Оптические свойства дымов и туманов. Все дымы и туманы характеризуются неполной светопроницаемостью вследствие их оптической неоднородности. Луч света, вступая в слой дыма или тумана, испытывает в нем отражение, преломление, поглощение и рассеивание (дисперсию) с частичной поляризацией. Характер и интенсивность того или другого из этих явлений зависят от величины, числа и свойств частиц дисперсной фазы. Если размеры частиц меньше, чем длина волны падающего света (λ = 0,76—0,4 мкм), то дымы и туманы обнаруживают отчетливое «явление Тиндаля», т. е. равномерное светорассеяние по всем направлениям. При более крупных частицах происходит беспорядочное отражение и преломление лучей. Ослабление интенсивности светового потока всегда имеет место и зависит от толщины I проходимого им слоя дыма или тумана данной концентрации, соответственно уравнению

Dymy Tumany 10

где J0 и J - соответственно интенсивность входящего и выходящего световых пучков, е - основание натуральных логарифмов, k - коэффициент лучепоглощения, зависящий от природы частиц и от λ. Являясь типичными «мутными средами», дымы и туманы в высокой степени затрудняют видимость предметов, особенно несветящихся. На этом свойстве основано применение их в качестве завес для целей маскировки. Затемняющая, или кроющая, способность F дыма или тумана, отнесенная к слою определенной толщины (например, 1 м), м. б. выражена в % следующим образом:

Dymy Tumany 11

В практике военно-маскировочного дела кроющую способность или «плотность» дымов и туманов часто определяют как D = 1/L, где L - толщина слоя, который целиком затемняет нить электрические лампы, служащей эталоном. Туманы обладают относительно большей затемняющей способностью, чем дымы. Белые аэрозоли обладают большей затемняющей способностью, чем темные, так как последние отражают меньше света. При завесе тумана толщиной l = 20 м и при диаметре частиц 10–5 см, достаточно концентрации СР = 0,02—0,05 г/м3 для полного сокрытия очертаний предметов. При одинаковых концентрациях СP, большей кроющей способностью обладают те дымы и туманы, частицы которых мельче (т. е., где CN больше). Затемняющая завеса может находиться в любом месте между предметом и глазом наблюдателя. Эффект затемнения (при данной степени дисперсности) зависит почти всецело от объема частиц дисперсной фазы, заключенных в телесном угле зрения; при распределении того же числа частиц в более толстом слое затемняющий эффект увеличивается, но очень незначительно.

Электрические свойства дымов и туманов. Частицы дымов и туманов почти всегда несут на себе электрические заряды. Эти заряды могут возникать: а) вследствие трения между частицами и газовой средой, б) путем захватывания газовых ионов из дисперсионной среды, в) вследствие диссоциации незаряженных частиц в момент образования дыма или тумана (например, при высокой температуре) и г) в результате прямого действия ионизирующих агентов - электрического разряда, ультрафиолетовых, рентгеновских или радиоактивных лучей и т. п. Величина заряда на единицу объема дыма или тумана, равно как и заряд, приходящийся на 1 частицу, непостоянны: они зависят от условий образования и дальнейшего поведения дыма или тумана. Например, частички сахара, распыленного в дым, могут присоединять от 1 до 420 электронов. Знак заряда определяется гл. обр. химической природой частиц (и газовой среды), но отчасти зависит и от способа их образования. Для обычных дымов и туманов (в воздухе) имеем:

Положительно заряженные частицы (+): металлоиды; кислотообразующие окислы и кислоты; соли с сильным анионом; уголь (сажа): сера; вода; песок (SiО2); тонкая атмосферная пыль; NaCl; CuCl2; KNO3; крахмал.

Отрицательно заряженные частицы (-): металлы; основные окислы и их гидраты; соли с сильным катионом; Fe; Al; Zn; Мg; Fe2O3; Аl2О3; ZnO; MgO; известь (СаО); цемент; ZnCO3; Na2C03; сахар; глюкоза; декстрин; мука.

Разноименно заряженные или незаряженные частицы (+ и —); продукты гидратации и гидролиза некоторых веществ (H2SO4, Р2O6, AsCl3, SnCl4) влагой воздуха. Незаряженной может быть и часть дымовых и туманных частиц из всех упомянутых ранее веществ.

Облака дымов и туманов при своем движении или других механических воздействиях могут наэлектризовываться до весьма высокого потенциала. Этот факт имеет большое значение для объяснения грозовых разрядов, а также взрывов пыли на заводах, мельницах, в шахтах и т. п.

Химические свойства дымов и туманов. В дисперсном состоянии дыма или тумана, химическая активность (реакционная способность) веществ значительно больше, чем в массе. Она возрастает с повышением степени дисперсности: а) благодаря увеличению удельной поверхности, что дает возможность реакциям протекать быстрее, б) благодаря одновременному увеличению поверхностной энергии отдельных частичек и в) вследствие ускорения броуновского движения, облегчающего распространение реакции по всему объему дыма или тумана. Реакция может происходить между частицами и газовой средой (чаще всего) или между частицами различных дымов и туманов (при их смешении). Некоторые вещества, медленно окисляющиеся на воздухе, загораются при распылении на частицы диаметром 10–3—10–4 см, даже при обыкновенной температуре (пирофорические металлы). Воспламенение распыленных органических материалов (твердых) наступает при соприкосновении с телом, нагретым до 400—800°; жидкостей - при температуре возгорания их паров. Взрывы дымов и туманов являются результатом быстрого реагирования горючего вещества дисперсной фазы с кислородом воздуха и протекают так же, как взрывы газовых смесей. Скорость распространения взрыва зависит от интенсивности (т. е. скорости и теплового эффекта) горения частиц, от расстояния между ними (концентрации CN) и от скорости броуновского движения. Взрыв может наступить в результате местного нагревания или самопроизвольно. В последнем случае причиной воспламенения является либо крайне высокая химическая активность частиц, либо искровой разряд внутри облака дыма или тумана, наэлектризованного неравномерно. Такого рода явления имеют место в некоторых производствах, где наблюдались самопроизвольные взрывы горючей пыли. Всякая устойчивая техническая пыль принадлежит к категории настоящих дымов или туманов; накопление ее и длительное застаивание в помещениях, облегчающее электризацию, может привести к взрыву, если данное вещество горюче (уголь, сера, сахар и т. п.). Сюда же относятся случаи самопроизвольного возгорания нефтяных фонтанов (туман распыленной нефти), взрывы и пожары на смолоперегонных установках и т. д. (см. Взрыв пыли).

Образование дымов и туманов. Дымы и туманы можно получать двумя путями: 1) раздроблением некоторой массы твердого или жидкого вещества в газовой среде (дисперсионные процессы) и 2) конденсацией паров вещества внутри газовой среды, с которой они смешаны (конденсационные процессы). Те и другие процессы часто имеют место в природе, а также применяются и в технике для искусственного получения дымов и туманов.

Дисперсионные методы. 1) Механическое измельчение. 2) Распыление вещества с помощью взрыва. Взрывной заряд может быть помещен внутри распыляемой массы или перемешан с нею. Этот способ применяется в военной технике для получения отравляющих, сигнальных, а также некоторых маскирующих дымов и туманов. 3) Пульверизация жидкостей в туман при выбрасывании их под давлением через узкие отверстия или при распылении струей газа. Степень распыления зависит от скорости истечения (т. е. от вязкости жидкости, диаметра отверстий и давления в приборе) и от конструкции распылителя (простой или центробежный). Этот способ применяется для получения туманов в теплотехнике (форсунки, моторы), в химических производствах, в технике дезинфекции и дезинсекции, в военном деле и т. п. 4) Пульверизация раствора вещества в летучем растворителе применяется в процессах сушения и выпаривания; этот метод пригоден не только для истинных, но и для коллоидных растворов.

Конденсационные методы. 1) Охлаждение смеси пара с газом путем адиабатического расширения (см. Адиабатический процесс). Для образования тумана (или дыма) необходимо, чтобы пар был близок к состоянию насыщения; сгущение пара происходит вокруг газовых ионов или пылевых частиц, служащих ядрами конденсации. Размер и концентрация образующихся частиц тумана зависят: а) от степени пересыщения (s) пара при расширении (s = С12, т. е. отношению начальной концентрации пара к конечной); б) от наличия ядер конденсации, их числа, размеров, физической структуры, химической природы и электрического заряда; в) от природы газовой среды, ее плотности, температуры и степени расширения (v2/v1, где v1 и v2 - удельные объемы газовой среды). Этот метод применяют в производственной и лабораторной практике (например, при сжижении газов). 2) Поверхностное охлаждение пара при соприкосновении его с газом более низкой температуры. Благодаря поверхностному охлаждению сгущение пара в туман или дым может происходить даже при концентрациях, далеких от насыщения. Этот процесс часто протекает одновременно с первым, например, если струя газа насыщенного парами вещества, выбрасывается под давлением в более холодное пространство. Этот способ находит широкое применение в химической технологии (например, возгонка) и в военном деле. 3) Химические реакции, протекающие в газообразной среде и приводящие к образованию твердых или жидких продуктов (или паров, насыщающих пространство). Необходимое условие для образования дыма или тумана: упругость пара продукта реакции д. б. ниже упругостей реагирующих паров. Дымы и туманы получаются простым смешением парообразных веществ, предварительно разбавленных воздухом в достаточном объеме; одним из компонентов реакции может служить водяной пар (атмосферная влага). К реакциям этого типа относятся: взаимодействие кислотных паров с аммиаком, многие процессы гидролиза, гидратации и т. п. Этот способ очень удобен для получения завес из дымов или туманов и широко практикуется в военной технике. 4) Процессы горения, наиболее известные источники образования дымов и туманов, представляют собою обычно сочетание химических реакций с различными конденсационными процессами. От предыдущего способа эти процессы отличаются тем, что дисперсионная среда (кислород) непосредственно участвует в реакции. При горении специальных дымовых смесей, содержащих окислители, явления м. б. еще сложнее. Для того чтобы горящее вещество давало дым или туман, необходимо, чтобы оно при температуре горения превращалось в пар (например: нефть, масла, Mg, Zn) или разлагалось с выделением летучих продуктов (дерево, каменный уголь). Сжигание веществ с целью получения дыма применяется в заводской и военной технике.

Значение дымов и туманов в технике. Дымы и туманы сами по себе находят ограниченное техническое применение. Образование их часто является нежелательным процессом в производстве. Техническая ценность представляет обычно не дым или туман как таковой, но лишь одна из его двух фаз; такие дымы и туманы подвергают обработке с целью выделения полезного компонента. В других случаях образование дымов и туманов вызывают преднамеренно в промежуточных стадиях обработки продукта или при его утилизации.

Освобождение газов от примешанной к ним дисперсной фазы, твердой или жидкой, практикуется в промышленности очень часто. Таким образом, очищаются: воздух рабочих помещений, колошниковые газы доменных печей, пиритные и ватержакетные газы (SО2) в производстве серной кислоты, водород в производстве синтетического аммиака, генераторный, светильный и многие другие технические газы.

Выделение дисперсной фазы из газовой среды применяется для улавливания ценных продуктов, содержащихся в отходящих газах или в воздухе и механически увлекаемых в дымовые и вытяжные трубы. Дымы и туманы могут являться главными продуктами производства (например, серная кислота) или побочными (например, в металлургии). Так улавливаются дымы окислов пенных металлов (Al, Сu, Zn, Cd, Sn, Pb, As, Sb, Bi) из газов плавильных, электрических и рудообжигательных печей, туманы кислот (H24, НСl, HNO3), смол и т. д. Некоторые ценные примеси, находящиеся в состоянии паров, могут быть сгущены в туман охлаждением газа и т. о. выделены (например, смолы и легкие масла в каменноугольном газе).

Превращение технического продукта в дым используется для получения некоторых веществ в состоянии тончайших порошков или устойчиво-рыхлых, объемистых хлопьев (аэрогели). Так получают, например, окислы сурьмы и олова (Sb2О3, SnО3) из расплавленных металлов вдуванием кислорода; сажу - сжиганием масел; сублимированный пирогаллол (объем 1 кг - 18 л; удельный вес ~0,056) - возгонкой сырого продукта в дым и последующей флокуляцией последнего. Превращение жидкостей в туман практикуется в технике выпаривания растворов в распыленном состоянии (например, в производстве сухого молока). Здесь туман является промежуточной фазой обработки: аэрозоль [жидкость + газ], не теряя своей дисперсности, переходит в аэрозоль [твердое вещество + газ], т. е. совершается прямое превращение тумана в дым с коагуляцией последнего. Иногда, наконец, вещество только в виде дыма или тумана способно проявить нужное действие; например, твердое и жидкое топливо в высокодисперсном состоянии делается равноценным газообразному. Взрывы тумана с использованием полученного давления осуществляются в двигателях внутреннего сгорания, работающих на тяжелых маслах; сжигание угольной пыли в топках представляет собою непрерывный ряд взрывов аэрозоля [уголь + воздух], с использованием их теплового эффекта. Некоторые ядовитые дымы и туманы применяются в сельском и лесном хозяйствах для борьбы с вредителями растений - насекомыми и грибками (см. Дезинсекция). В последнее время имеются попытки применения дымов и туманов для целей оптической рекламы и воздушной сигнализации.

Дымы и туманы в военном деле. Военная техника использует дымы и туманы для целей маскировки, химического нападения и сигнализации.

Маскирующие дымы и туманы служат для создания «дымовых» завес, горизонтальных и вертикальных. Вещество дисперсной фазы м. б. жидким или твердым; оно д. б. труднолетучим и по возможности гигроскопичным; обычный размер частиц 10–4—10–5 см. Дымы или туманы для маскирующих завес получаются из особых веществ – дымообразователей - чаще всего при участии составных частей атмосферы: влаги, кислорода или той и другого вместе; поэтому химический состав частиц дымов и туманов обычно не одинаков с составом исходного вещества. От маскирующей завесы требуется устойчивость, большая затемняющая (кроющая) способность и по возможности отсутствие ядовитого или раздражающего действия. Применяемые дымообразующие вещества должны быть: а) доступны в больших количествах, б) безопасны в обращении, в) не должны разлагаться при хранении, г) техника их применения д. б. несложной и д) из единицы веса материала должен получаться большой объем дыма или тумана с высокой кроющей способностью. По способам применения они делятся на следующие группы: 1) вещества, дающие дым при механическом распылении (взрыве): некоторые смеси, применяемые в дымовых снарядах артиллерии; 2) вещества, образующие дымы и туманы при химическом взаимодействии с влагой воздуха: хлорное олово SnCl4, четыреххлористый титан TiCl4, четыреххлористый кремний SiCl4, хлористый мышьяк AsCl3, хлорсульфоновая кислота Сl·SO2·ОН, серный ангидрид SO3 и «олеум» (дымящая серная кислота: H2SO4 + от 20 до 50% SO3). Хлористые соединения этой группы - жидкости типа хлорангидридов, легко гидролизующиеся водой - на воздухе дымят, пока все вещество не разложится; они применяются в снарядах, минах и в специальных дымообразующих аппаратах для полевых войск, морского и воздушного флотов; они также часто примешиваются к боевым отравляющим веществам. Олеум, дающий (как и SО3) туман благодаря реакции SO3 + Н2O = H2SO4, подвергается распылению или термической возгонке (например, выливанием на негашенную известь); применяется танками, морскими судами и сухопутными войсками; 3) вещества, образующие дымы и туманы при горении: белый (желтый) и красный фосфор; смеси Бергера - «ВМ» [Zn (пыль), ССl4, NaClO3, NH4Cl и кизельгур; иногда ZnO или MgCO3] и «НС» (с заменой ССl4 на С2Сl6); смесь Ершова (NH4Cl, нафталин, КСlO3 и уголь), нефть и др. Фосфор при сгорании дает дым Р2O5 и далее, с влагой, туман фосфорной кислоты; дымовые смеси образуют дымы, состоящие из продуктов горения, возгонки и химического взаимодействия составных частей. Их применяют в снарядах, бомбах, минах, ружейных и ручных гранатах, дымовых шашках (свечах) и в специальных аппаратах.

Аппараты для дымообразования, применяемые в военной технике, м. б. классифицированы по типам следующим образом: 1) аппараты для наземного дымообразования - а) стационарные, б) возимые (конной и автомобильной тяги), в) ранцевые (носимые); 2) аппараты для образования дымовых завес на море - а) стационарные установки на морских судах и б) плавучие дымовые буйки; 3) аппараты для образования воздушных дымовых завес - а) вертикальных и б) горизонтальных.

Сравнительная дымообразующая способность различных материалов (принимая 100% для фосфора) выражается следующими числами:

Сравнительная дымообразующая способность различных материалов

Для характеристики сравнительной ценности дымообразующих веществ иногда пользуются т. н. «силой полного затемнения» (total obscuring power) K = V·D, где V - объем дыма или тумана, получаемый из единицы веса дымообразователя, a D - плотность завесы; величина К (в м2/кг) выражает собою в м2 площадь завесы, получаемой из 1 кг дымообразователя и дающей полное (100%) затемнение. Кроющая способность завесы, кроме факторов, указанных выше, зависит еще от метеорологических условий - влажности атмосферы и характера солнечного освещения. Устойчивость же ее и длительность эффекта маскировки определяются главным обр. воздушными течениями. Движущаяся по ветру завеса расширяется конусообразно вверх и в стороны. Высота ее за время t мин., при скорости ветра v (м/сек), увеличивается на

Dymy Tumany 13

где k зависит от характера ветра (обычно k ≈ 13,5); увеличение ширины завесы будет соответственно

Dymy Tumany 14

концентрация ее падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.

Отравляющие дымы и туманы применяются в химической борьбе как средство поражения живой силы противника. Для образования их служат боевые отравляющие вещества, которые подвергаются распылению взрывом (в химических снарядах, минах, бомбах) или термической возгонкой (в ядовито-дымных свечах и шашках). Такие дымы и туманы должны быть по возможности высокотоксическими, устойчивыми и способными проникать через механические фильтры; последнему условию наиболее удовлетворяет размер частиц 1·10–5—2·10–5 см. Применяемые отравляющие вещества: органические хлорарсины и цианарсины (см. Арсины боевые), хлорацетофенон С6Н5·СО·СН2Сl, бромбензилцианид C6H5·CHBr·CN и др., а также различные их смеси между собой или с дымообразователями. Они должны обладать малой упругостью пара (высокой температурой кипения) и достаточной химической стойкостью, чтобы не разлагаться при температуре возгонки или при взрыве.

Сравнительная устойчивость боевых дымов и туманов (в условных единицах).

Сравнительная устойчивость боевых дымов и туманов

Примечание. Числа характеризуют падение концентрации дыма или тумана за время 30 мин.

Степень отравляющего или раздражающего действия дыма или тумана пропорциональна токсической силе отравляющего вещества и его весовой концентрации (СР) в облаке.

Сигнальные дымы и туманы должны обладать высокой видимостью (плотностью) и характерной, ясно различимой окраской; они могут быть белыми, черными и цветными. Первые два типа не отличаются от обыкновенных маскирующих дымов и туманов и получаются теми же методами. Цветные сигнальные дымы обычно состоят из твердых частиц и получаются возгонкой или распылением различных резко окрашенных веществ. Таковыми служат: сернистый мышьяк As2S3, хризоидин-оранж, аурамин (желтые дымы); сурик, киноварь, паранитроанилиновый красный (красные); ультрамарин, индиго (синие); индулин (пурпуровый) и др. Для получения дыма служат смеси из окислителя, горючего и краски (например, английская смесь «S» состояла из KNO3, S и As2S3); ими снаряжаются ракеты, метательные гранаты, особые пистолетные патроны артиллерийские снаряды и т. п. Конструкция оболочек и приборов должна обеспечивать либо длительное дымообразование либо характерную форму облака дыма.

Методы борьбы с дымами и туманами. Рассеивание дымов и туманов в свободной атмосфере - пока еще наиболее употребительный способ ликвидации газодисперсных систем, не имеющих технической ценности. Однако, негигиеничность и даже прямая вредность таких приемов, в связи с массовым их применением и ростом промышленности, создает угрозу для здоровья населения. В целях здравоохранения в больших городах и промышленных центрах борьба с фабричными дымами начинает проводиться в законодательном порядке. В Англии, например, в 1927 году, принят билль о запрещении фабрикам и заводам выпускать на воздух всякого рода дымы и пылевые отбросы (временное исключение сделано для металлургической промышленности). Дымы и туманы, образующиеся в химических и других производствах, иногда бывают ядовиты, иногда же содержат ценные вещества, потеря которых нежелательна. Все это ставит перед техникой проблему борьбы с дымами и туманами путем их улавливания (осаждения), очистки загрязненного ими воздуха или путем сокращения и реконструкции самих источников дымообразования.

Частички дыма и тумана удаляются из газовой среды тремя путями: а) диффузией, б) оседанием под действием силы тяжести (отстаивание, settling) и в) осаждением на стенках сосуда и других твердых или жидких поверхностях (адсорбция); кроме того, частички могут испаряться. Скоростью этих самопроизвольных процессов определяется устойчивость дымов и туманов, т. е. срок их существования в виде аэрозолей. Всякого рода внешние воздействия могут повышать или понижать эту устойчивость. Условия устойчивости газодисперсной системы сводятся к следующим главным факторам: 1) некоторая оптимальная величина частиц (достаточно малая, чтобы не происходило оседания, но достаточно большая, чтобы препятствовать быстрому испарению), 2) невысокая концентрация частиц (CN), т. е. достаточное расстояние между ними, 3) наличие одноименных электрических зарядов на частицах (электрическое отталкивание), 4) наличие адсорбированных «защитных пленок» на частицах и 5) конвекционные токи, препятствующие оседанию. Нарушение любого из указанных условий ускоряет процесс разделения фаз и м. б. использовано в этом направлении.

Способы улавливания дымов и туманов делятся на абсорбционные, механические и электрические. 1) Абсорбционный способ, т. е. выделение дисперсной фазы путем промывки дымов и туманов водой или другим растворителем, применяется чаще всего в соединении с механическими приемами разделения фаз (см. ниже). Он осуществляется в технике в виде гидравлических затворов, вращающихся промывателей или путем пульверизации жидкости навстречу газовому потоку. В противоположность газам дымы и туманы абсорбируются жидкостями очень плохо; это зависит от меньшей подвижности их частиц. Дымы поглощаются относительно лучше, чем туманы, так как частички первых обычно мельче и подвижнее. Поглотительная способность жидкости по отношению к дымам тем выше, чем меньше ее вязкость и упругость пара. Гигроскопические дымы при промывке водой превращаются в туманы и, таким образом, становятся еще менее поглощаемыми. Этим объясняется, например, поведение дыма SО3 в контактном производстве серной кислоты: дым SО3 очень слабо абсорбируется водой и удовлетворительно - крепкой H24. 2) Механические способы основаны на использовании веса или инерции частиц, увлекаемых газовым потоком. а) Осадительные камеры строят по принципу уменьшения скорости потока путем увеличения поперечного сечения труб. Т. о., осаждаются только грубо дисперсные аэрозоли (частицы диаметром 10–3 см и более), т. е. пыль. Для осаждения в камерах настоящих дымов и туманов прибегают к ускорению коагуляции вещества в крупные частицы, что достигается различными путями. Например, адсорбированная на частицах газовая пленка иногда м. б. удалена вдуванием паров, легче адсорбируемых (водяной пар); электрический заряд системы м. б. уничтожен введением противоположно заряженных частиц и т. д. б) Центробежные аппараты (систем Циклон и Сирокко) основаны на принципе центрифугирования частиц при вихревом движении потока; они годны лишь для частиц диаметром >10–4 см. в) Аппараты ударного действия, в которых поток разбивается о стоящие на его пути перегородки, пригодны для осаждения туманов не слишком мелкого дробления (например, смолоотделители Пелуза и Одуена). г) Лабиринтные системы, где дым или туман пропускается через канал с большим числом поворотов, очень громоздки и малоудобны, хотя и применяются еще в старых установках для улавливания дыма, д) Фильтровальные слои: кольца Рашига, слои кокса или гравия; применяются для грубой механической очистки газов, е) Фильтры из волокнистых или порошкообразных материалов; основаны на сочетании ударного, центробежного и адсорбционного действия и позволяют улавливать даже очень мелкие частицы. Фильтрующее действие зависит не столько от диаметра пор (они не должны быть слишком мелкими во избежание забивки), сколько от их извилистости. Труднее всего задерживаются частицы с диаметром 0,1—0,2 мкм. Фильтры применяются в заводской аппаратуре, вентиляционных устройствах, в промышленных и войсковых противогазах; они должны соединять в себе высокую задерживающую способность с продолжительностью действия и с малым и постоянным сопротивлением. 3) Электрические способы (Коттреля и Меллера) основаны на осаждении частиц действием электрического поля и тихого разряда. В них осуществляется истечение электричества с поверхностей большой кривизны, дающее т. н. «корона-эффект» и электрический ветер. Метод Коттреля широко применяют в промышленных и лабораторных установках; он позволяет улавливать даже самые тонкие дымы и туманы почти полностью (98—99,99%), что при механических способах никогда не достигается. Аппарат (лабораторный) состоит чаще всего из вертикальной металлической трубки (осаждающий электрод) и расположен, вдоль оси ее проволоки (заряжающий, излучающий электрод); напряжение поля = 4000—10000 V/см; дым или туман протекает через трубку с определенной скоростью; расход энергии 1—5 kW на 1 м3/сек. Электрический метод начинает применяться также в борьбе с атмосферными туманами: рассеиванием наэлектризованного песка в атмосфере удается уничтожить заряд водяных капель и тем ускорить их коагуляцию. 4) Уменьшение дымообразования в промышленных предприятиях м. б. достигнуто различными путями: сокращением прямого сжигания твердого топлива (переходом на другие виды горючего); усовершенствованием топок в смысле обеспечения наиболее полного сгорания; использованием запасов белого угля и т. д.

Методы анализа дымов и туманов. Полное физико-химическое исследование дымов и туманов включает следующие определения: а) химического состава дисперсной фазы, а иногда и дисперсионной среды (если состав ее точно неизвестен), б) концентрации (СР и CN), в) величины частиц, г) физические структуры частиц, д) устойчивости дыма или тумана и е) электрические свойств (знака и величины заряда на единицу массы или на 1 частицу). Для маскирующих, отравляющих и сигнальных дымов и туманов определяют, кроме того, их затемняющую способность или токсические свойства и способность проникания через фильтры или степень окрашенности и видимости. Часть исследований производится над самими дымами и туманами, часть же - над выделенной дисперсной фазой. Для выделения частиц применяют электрический способ Коттреля (лабораторная установка) или фильтрацию дымов и туманов через волокнистый фильтр; в последнем случае удобно пользоваться растворимыми фильтрами (коллодионная вата, сахар). Собранное вещество взвешивается (отсюда вычисляется СР), растворяется и подвергается обычному химическому анализу. Исследование дымов и туманов без выделения дисперсной фазы производится по общим методам физических измерений, в случае надобности - модифицированным. Наиболее ценные результаты дают тиндалиметрия (определение числа или размера частиц фотометрированием эффекта Тиндаля) и ультрамикроскопия (прямое наблюдение и подсчет частиц), часто сочетаемая с фотографированием и с применением переменного электрического поля.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.