Способ диспергирования высокодисперсных аэрозолей

Содержание

способ получения высокодисперсного аэрозоля из твердых частиц
Формула изобретения
Описание изобретения к патенту
7.4. Аэрозоли 7.4.1. Виды диспергационных и конденсационных аэрозолей.

способ получения высокодисперсного аэрозоля из твердых частиц

Изобретение относится к области диспергирования твердых частиц и может быть использовано при исследовании свойств аэрозолей радиоактивных материалов с использованием материалов-имитаторов, сходных по поведению с радиоактивными материалами при взрывном нагружении. Задачей изобретения является создание способа получения высокодисперсных аэрозолей из твердых частиц исследуемых материалов. Для этого перед разгоном твердые частицы равномерно размещают а объеме таблетки из легкоплавкого материала. Таблетку устанавливают в выемку на переднем торце поддона. Разгон частиц осуществляют вместе с таблеткой в поддоне в стволе баллистической установки до гиперзвуковой скорости. Испаряют материал таблетки за счет адиабатического сжатия воздуха в стволе баллистической установки и высвобождают твердые частицы. Уводят элементы поддона из зоны полета частиц вне ствола баллистической установки. Диспергирование частиц с получением аэрозоля осуществляют в результате воздействия на них высокоэнтальпийного набегающего потока воздуха. Техническим результатом изобретения является повышение информативности эксперимента за счет получения регламентированного спектра аэрозолей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения

1. Способ получения высокодисперсного аэрозоля из твердых частиц, включающий разгон твердых частиц до заданной скорости, их последующее диспергирование с получением аэрозоля, отличающийся тем, что перед разгоном твердые частицы равномерно размещают в объеме таблетки из легкоплавкого материала, таблетку устанавливают в выемку на переднем торце поддона, разгон частиц осуществляют вместе с таблеткой в поддоне в стволе баллистической установки до гиперзвуковой скорости, при этом испаряют материал таблетки за счет адиабатического сжатия воздуха в стволе баллистической установки и высвобождают твердые частицы; уводят элементы поддона из зоны полета частиц вне ствола баллистической установки, а диспергирование частиц с получением аэрозоля осуществляют в результате воздействия на них высокоэнтальпийного набегающего потока воздуха.

2. Способ получения высокодисперсного аэрозоля из твердых частиц по п.1, отличающийся тем, что в таблетку помещают твердые частицы различных фракций.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области диспергирования твердых частиц. Преимущественная область использования — исследование свойств аэрозолей радиоактивных материалов с использованием материалов-имитаторов, сходных по поведению с радиоактивными материалами при взрывном нагружении и при этом являющихся экологически безопасными.

Известен способ получения аэрозолей путем их дробления и термического разрушения с использованием взрыва, описанный в «Большой советской энциклопедии», издание второе, 1950 г., т.3, стр.609. К недостаткам взрывного способа получения аэрозолей необходимо отнести их малую плотность на единицу площади поверхности исследуемой мишени и их нерегулярный спектр, обусловленные нерегламентированным распылением аэрозолей и их выгоранием.

Известен способ получения высокодисперсной аэрозоли из твердых частиц, описанный в патенте «Способ получения огнетушащей смеси и устройство для его осуществления», патент RU № 2176925, МПК7 A62C 35/00, опубликован 20.12.2001, бюл. № 35, выбранный в качестве прототипа. Газопорошковую смесь предварительно размельчают в шнековом завихрителе, затем разгоняют ее в сверхзвуковом сопле и направляют на ударную волну, возникающую в результате набегания сверхзвукового потока на тело конической формы, установленное на выходе из сверхзвукового сопла. Предварительно измельченные частицы огнетушащего порошка, взаимодействуя с ударной волной как с проницаемой преградой, диспергируют в аэрозоль, а полученную ультрадисперсную газоаэрозольную смесь формируют с помощью насадков в виде распыленного облака или компактной струи и подают в очаг пожара.

Данный способ обладает недостатками, связанными с необходимостью предварительного размельчения порошка, наличием сверхзвукового сопла для формирования ударной волны и обеспечением взаимодействия порошка с ударной волной как с проницаемой механической преградой, в результате чего происходит диспергирование и последующее образование аэрозоли. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Решаемой технической задачей является создание способа получения высокодисперсных аэрозолей из твердых частиц исследуемых материалов.

Ожидаемый технический результат заключается в повышении информативности эксперимента за счет получения регламентированного спектра аэрозолей.

Технический результат достигается за счет реализации способа получения высокодисперсной аэрозоли из твердых частиц, включающего разгон твердых частиц до заданной скорости, их последующее диспергирование. В отличие от прототипа в заявленном способе перед разгоном твердые частицы равномерно размещают в объеме таблетки из легкоплавкого материала. Таблетку устанавливают в выемку на переднем торце поддона. Разгон частиц вместе с таблеткой осуществляют в поддоне в стволе баллистической установки до гиперзвуковой скорости, при этом за счет адиабатического сжатия воздуха в стволе баллистической установки испаряют материал таблетки и высвобождают твердые частицы. Уводят элементы поддона из зоны полета частиц вне ствола баллистической установки и диспергирование частиц с получением аэрозоли осуществляют в результате воздействия на них высокоэнтальпийного набегающего потока воздуха. В таблетку могут быть помещены твердые частицы различных фракций.

Равномерное размещение твердых частиц в объеме таблетки позволяет получить после их высвобождения за пределами ствола регламентировано направленный поток диспергируемых частиц.

Размещение твердых частиц в таблетке из легкоплавкого материала исключает окисление материала частиц на воздухе и позволяет их выстроить в требуемом порядке перед разгоном в стволе баллистической установки.

Установка таблетки в выемке на переднем торце поддона, разгон частиц вместе с таблеткой в поддоне в стволе баллистической установки до гиперзвуковой скорости, испарение материала таблетки за счет адиабатического сжатия воздуха в стволе баллистической установки и высвобождение твердых частиц позволяют создать начальные условия (высвобождение, нагрев и ориентирование частиц в пространстве), при которых реализуется регламентированный процесс диспергирования частиц исследуемого материала.

Увод элементов поддона из зоны полета частиц вне ствола баллистической установки исключает возмущение потока диспергируемых частиц.

Диспергирование частиц с получением аэрозоли в результате воздействия на них высокоэнтальпийного набегающего потока воздуха позволяет получить высокодисперсную аэрозоль из твердых частиц с заданными параметрами.

Помещение в таблетку твердых частиц различных фракций позволяет получить в одном эксперименте информацию о процессе диспергирования частиц различных размеров при прочих равных условиях.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема начального состояния элементов, участвующих в способе получения высокодисперсной аэрозоли из твердых частиц, на фиг.2 и 3 — последовательные стадии способа диспергирования.

Получение высокодисперсной аэрозоли из твердых частиц осуществляют следующим образом. Твердые частицы 1 исследуемого материала равномерно распределяют по объему таблетки 3 из легкоплавкого материала, например парафина. Формирование таблетки 3 с размещением в ней твердых частиц 1 производят в среде защитных газов, чтобы исключить окисление исследуемого материала. Затем таблетку 3 устанавливают в выемку 4 на переднем торце поддона 5, который затем помещают в ствол 6 баллистической установки, и производят выстрел. Поддон 5 с размещенной на его переднем торце таблеткой 3 разгоняют в стволе 6 до гиперзвуковой скорости, в результате чего находящийся в стволе 6 воздух за счет его адиабатического сжатия приобретает температуру, достаточную для испарения таблетки 3 из легкоплавкого материала, в нашем случае парафина. Элементы 7 поддона 5 уводят в стороны набегающим потоком воздуха и останавливают, например, с помощью плиты-отсекателя 8, имеющей отверстие для пролета диспергируемых частиц 1. Регламентированно направленный поток высвобожденных твердых частиц 1 за пределами ствола 6 подвергают воздействию гиперзвукового высокоэнтальпийного набегающего потока воздуха, при обтекании которым твердых частиц реализуются высокие температуры и давления, приводящие к их термомеханическому разрушению, в результате чего происходит их диспергирование с образованием облака аэрозоли, которое осаждается на мишени 9. Помещением в таблетку 3 твердых частиц 1 различных фракций получают в одном эксперименте информацию о процессе диспергирования частиц различных размеров.

Предложенный способ получения высокодисперсной аэрозоли из твердых частиц позволяет повысить информативность эксперимента за счет получения регламентированного спектра аэрозолей.

Предложенный способ прошел экспериментальную проверку путем разгона твердых частиц размером от 0,5 мм до 1,5 мм в стволе легкогазовой пушки до гиперзвуковых скоростей (V>2000 м/с) с последующим их диспергированием при полете в воздухе и осаждением облака аэрозоли на мишени.

Источник

7.4. Аэрозоли
7.4.1. Виды диспергационных и конденсационных аэрозолей.

Подобно всем коллоидным системам, аэрозоли подразделяются на две группы в зависимости от своего происхождения – диспергационные и конденсационные. Диспергационные аэрозоли образуются при раздроблении твердых веществ, распылении жидкостей и порошков. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации из пересыщенных паров и в результате газовых реакций, при которых образуются нелетучие продукты. Первые обычно грубодисперсны и имеют сильно различающиеся по величине частицы, т.е. более полидисперсны.

Подобно эмульсиям и суспензиям, аэрозоли с жидкой и твердой дисперсной фазой различаются тем, что частицы первых имеют правильную сферическую форму, в то время как вторые содержат частицы очень разнообразной, часто сильно асимметричной формы.

Различают аэрозоли следующих видов: туман- конденсационные и диспергационные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой; пыль- диспергационные аэрозоли с твердыми частицами; дым- конденсационные аэрозоли, получаемые при горении и содержащие твердые или жидкие и твердые частицы одновременно.

На практике часто встречаются аэрозоли, которые нельзя отнести ни к одному из этих типов — например, воздух вблизи промышленных центров содержит частицы сажи, пепла, продуктов сухой перегонки топлива, поглотивших из атмосферы влагу. Для этих особых аэрозолей, которые являются одновременно и дымом, и туманом, и пылью, используется специальное название «смог», происходящее от двух английских слов: smoq = smoke (дым) + foq (туман).

Аэрозоли, как уже говорилось, могут содержать частички различных размеров — от 10 — 9 до 10 — 3 м. При этом наиболее неустойчивы высокодисперсные и грубодисперсные аэрозоли. Первые — вследствие очень большой интенсивности броуновского движения частиц, в результате чего каждая частица за короткое время достигает стенок сосуда, в котором находится аэрозоль, или встречается с другой частицей, что приводит к коагуляции аэрозоля; грубодисперсные аэрозоли неустойчивы вследствие большой скорости седиментации, обусловленной низкими вязкостью и плотностью дисперсионной среды. Размер частиц аэрозолей имеет огромное значение, поскольку ряд свойств частиц зависит от их размера. Так, при атмосферном давлении сопротивление, оказываемое окружающей средой движению одной частицы, для частиц меньше 10 — 8 м пропорционально r 2 , в то время как для больших (10 — 7 м) частиц – пропорционально r, а интервал 10 — 8 -10 — 7 м является переходным. Такая же зависимость наблюдается и для скорости испарения и теплообмена. Интенсивность рассеянного света пропорциональна r 6 для частиц с r -7 м и r 2 – для частиц с r > 10 -5 м.

Аэрозоли обычно полидисперсны, размер частиц у них весьма различен — от 10 — 9 до 10 — 8 м. В табачном дыме частицы имеют размеры 2·10 — 7 -5∙10 — 6 м, в слоистых облаках капли — от 4∙10 — 6 до 10 — 5 м и крупнее.

Наиболее характерно для аэрозолей то, что эти системы обладают только некоторой кинетической устойчивостью, агрегативной устойчивости они не имеют, и каждое столкновение их частиц приводит к слипанию. Частицы аэрозолей или совсем не имеют заряда или он очень мал (1-2 заряда при радиусе частиц 10 — 8 м). В определенных условиях частицы аэрозоля способны адсорбировать своей поверхностью заряды из окружающей среды, на этом основано действие электрофильтров для запыленного воздуха. Большие коэффициенты диффузии у аэрозолей благоприятствуют их кинетической устойчивости. Промышленное значение аэрозолей двояко: переход в пылевидное и капельножидкое состояние значительно увеличивает реакционную способность вещества. Это свойство используют при сгорании пылевидного топлива, распыления нефти в форсунках, при вдыхании медицинских препаратов в виде аэрозолей. В промышленности и в быту используют аэрозольное нанесение красок на окрашиваемые поверхности. В быту используют аэрозоли косметических препаратов или препаратов бытовой химии. Вместе с тем борьба с пылями в производстве (улавливание ценных материалов, уходящих в виде пылей с производства, устранение токсичных и взрывоопасных аэрозолей) составляет одну из важнейших задач организации производства и техники безопасности. Многие вещества в состоянии аэрозолей, например, сахарная пудра, угольная, серная, мучная пыли — становятся взрывоопасными из-за повышенной реакционной способности высокодисперсных коллоидных частиц.

Для улавливания пылей используют циклоны, фильтры, электрофильтры. Большое значение имеют оптические свойства аэрозолей ввиду широкого использования маскирующих свойств дымов и туманов. В высокодисперсных аэрозолях рассеяние света подчиняется уравнению Рэлея, но при размере частиц 10 — 6 -10 — 7 м, довольно обычном для аэрозолей, они соизмеримы с длиной света, что приводит к наложению явлений отражения и рассеяния света и отклонениям от уравнения Рэлея. Вследствие сравнительно близких величин отражения и рассеяния света различной длины волны, многие туманы и дымы кажутся белыми.