ГДЗС. Учебник Под общей редакцией д т. н., профессора Е. А. Мешалкина пожкнига москва 2004
 Скачать 10.69 Mb.
|
|
В качестве индикатора степени отработки кислородосодержащего продукта может быть использован малогабаритный газовый счетчик, установленный на ветви выдоха (или вдоха) воздуховодной системы. Принцип действия такого индикатора основывается на использовании закономерности газообмена человека, согласно которой выделение углекислого газа пропорционально легочной вентиляции. Однако у различных людей наблюдаются отклонения этого соотношения от среднего значения до С учетом погрешности самого счетчика погрешность определения степени отработки продукта может доходить до 25%. Перспективность применения такого индикатора нуждается в дальнейшем изучении, поскольку других методов индикации до настоящего времени не предложено. К недостаткам КИП с химически связанным кислородом относятся также невозможность осуществления длительных перерывов в работе, большее сопротивление дыханию, чем в аппаратах со сжатым кислородом, высокая стоимость эксплуатации. В СССР, предпринимались попытки создания для горноспасательной службы аппарата с химически связанным кислородом со временем защитного действия не менее 4 ч. Они завершились созданием опытных образцов дыхательный аппаратов РХ-1 и РТ, которые подтвердили техническую возможность решения этого вопроса. В обоих образцах были установлены индикаторы степени отработки кислородосодержащего продукта в виде малогабаритных анемометрических газовых счетчиков. Известна также модель аппарата с химически связанным кислородом "Кемокс" (США) с временем защитного действия 1 ч. В угольной промышленности нашей страны широко используются изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом ШС-7М, ШСС-1 и ШСМ-1. Ими оснащены горнорабочие на всех шахтах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, и значительном числе шахт, опасных по газу. Респираторами и самоспасателями ШСМ-2 оснащались вспомогательные горноспасательные команды. Для обеспечения безопасности людей, при пожарах и проведении аварийно-спасательных мероприятий широко применяются самоспасатели СПИ-20 и СПИ-50. За рубежом были разработаны изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом аналогичного назначения "Окси СР 60", "Оксибокс К" фирмы "Драгерверк" (Германия ССР 120", "ССР фирмы "Ауэргезельшафт" (Германия "Спираль" и "Спираль" фирмы "Фензи" (Франция). Известна малораспространенная группа КИП с химически связанным кислородом, которые основаны на его резервировании в твердых брикетах продолговатой цилиндрической формы, изготовленных на базе берталетовой соли. Брикеты получили название хлоратных свечей. Принцип их действия подобен таковому для брикетов пускового устройства рис 4.2). Кислород выделяется из брикета в результате реакции разложения бертолетовой соли, проходящей при температуре С. Для запуска брикет имеет специальное зажигательное приспособление, после приведения в действие которого реакция идет с постоянной скоростью до полного исчерпания запаса кислорода. Указанный брикет заменяет всю кислородоподающую систему. Подача кислорода выбирается заведомо большей, чем максимальное потребление его человеком при тяжелой физической работе. Легочный автомат и байпас в противогазах подобного типа отсутствуют. Главным достоинством таких аппаратов являются простота и надежность кислородоподающеи системы, состоящей из единственного элемента хлоратной свечи. Существенный недостаток — невозможность их использования во взрывоопасной среде. Кроме того, несмотря на значительный общий запас кислорода в хлоратной свече, в связи с неэкономным его расходованием удельное время защитного действия этих аппаратов ниже, чем аппаратов со сжатым кислородом. В России КИП с хлоратными свечами не применяют. За рубежом известна лишь одна модель аппарата подобного типа — изолирующий самоспасатель "Окси-15", выпускаемый фирмой "Драгерверк" (Германия и имеющий время защитного действия 15 мин. В течение этого времени хлоратная свеча массой 0,42 кг выделяет в систему аппарата кислород с объемным расходом 4 л/мин. Поглощение углекислого газа осуществляется в регенеративном патроне с известковым сорбентом. Масса самоспасателя составляет 2,5 кг, а удельное время защитного действия равно 6 мин/кг. Помимо целого ряда положительных качеств, аппараты на химически связанном кислороде имеют ряд недостатков: отсутствие или несовершенство приборов, указывающих степень сработанности сорбента; отсутствие регулировки выделения кислорода; невозможность определить запас кислорода и времени работы в аппарате; высокая стоимость эксплуатации и невозможность осуществления длительных перерывов в работе. При увеличении дыхательной нагрузки возрастает сопротивление дыханию в результате спекания сорбента в процессе регенерации. Большой недостаток аппаратов на химически связанном кислороде является их пожароопасность, те. возможность загорания при механическом повреждении корпуса и высыпании кислородосодержащего вещества. Сущность регенерации воздуха в кислородных изолирующих противогазах. Краткие сведения о сорбционных процессах и сорбентах Первая фаза регенерации выдыхаемого воздуха в КИП заключается в очистке его от углекислого газа, осуществляемой в регенеративном патроне в результате физико-химического процесса сорбции (от лат. sorbeo — поглощаю). Сорбция — это поглощение газообразных или растворенных веществ сорбентами — твердыми темами или жидкостями. Различают следующие основные виды сорбции адсорбцию, абсорбцию, капиллярную конденсацию и хемосорбцию. Поглощение газов и паров твердыми сорбентами, как правило, протекает при наличии двух или более из указанных процессов, однако один из них является основным, определяющим. Первые три из названных видов сорбции — процессы физические, обусловленные силами взаимного притяжения молекул сорбента и поглощаемого вещества. Адсорбция — поглощение вещества поверхностным слоем поглотителя (адсорбента). Абсорбция — поглощение, сопровождающееся диффузией поглощаемого вещества вглубь поглотителя (адсорбента) с образованием раствора, те. поглощение всем объемом поглотителя. В некоторых случаях помимо адсорбции, поглощение газа происходит в результате капиллярной конденсации его в порах твердого тела. Хемосорбция — процесс сорбции, при котором поглощаемое вещество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействуют химически, в результате чего образуется новое химическое соединение. Сорбенты, применяемые для очистки воздуха от вредных газов в СИЗОД, — это твердые гранулированные или дробленые тела. Наиболее распространенными типами адсорбентов являются активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Типы хемосорбентов рассматриваются ниже. Из общих физических свойств сорбентов наиболее важным является их пористая структура. Макро- и микропоры пронизывают гранулы сорбента во всех направлениях и обеспечивают большую поверхность его соприкосновения с очищаемым воздухом. Адсорбенты характеризуются значительной поверхностью пор удельная поверхность пору активированного угля равна мг, у силикагеля 300-700 мг диаметр пор составляет 10 -6 -10 -4 мм. Пористость хемосорбентов значительно меньше например, удельная поверхность пор ХП-И составляет 8-12 мг. Благодаря самой природе физического процесса адсорбции и большой активной поверхности адсорбента он поглощает газ практически мгновенно. Адсорбция — обратимый процесс все поглощенное вещество может быть удалено в результате обратного процесса десорбции, в связи с чем адсорбенты легко регенерируются. Процесс адсорбции экзотермический, но количество теплоты, выделяемое при этом, невелико и близко по значению к теплоте конденсации. Процесс хемосорбции протекает медленнее, чем адсорбции, так как контакт между поглощаемым газом и активной поверхностью хемо- сорбента затрудняется образующейся пленкой продуктов реакции, а сама поверхность пор меньше, чему адсорбента. Хемосорбент в процессе поглощения газа выделяет большее количество теплоты, что приводит к значительному нагреву очищаемого воздуха и самого поглотителя. Теплота реакции поглощения некоторых сорбентов (например, кислородосодержащего продукта) столь велика, что приводит в некоторых случаях к спеканию и даже плавлению гранул. Наиболее распространен тип поглотительного патрона с осевым прохождением через него очищаемого воздуха. Элементарный слой поглотителя на входе в патрон называют лобовым, а аналогичный слой в конце патрона замыкающим. В теории сорбции существует понятие "работающий слой поглотителя. Это слой сорбента, ограниченный двумя перпендикулярными к направлению движения газовоздушной смеси плоскостями, который активно поглощает газ. Вначале работающего слоя сорбент максимально насыщен поглощаемым газом, походу потока степень насыщения его уменьшается, а в конце слоя процесс сорбции только начинается. Длина работающего слоя при прочих равных условиях зависит от скорости процесса сорбции. В поглотительном патроне с адсорбентом она может быть меньше, чем общая длина рабочей части патрона от лобового до замыкающего слоя сорбента. При установившемся патроне существуют три зоны зона с полностью отработанным поглотителем работающий слой, перемещающийся по направлению движения потока газовоздушной смеси, и зона, в которой поглощение еще не происходит. Когда работающий слой достигает замыкающего слоя патрона, начинается проскок поглощаемого газа, те. неполное его поглощение. Такая работа сорбента в патроне называется послойной схемой его отработки. В поглотительном патроне с хемосорбентом зона с полностью отработанным поглотителем не образуется. Длина работающего слоя увеличивается в течение всего допроскокового периода, ион при этом не "отрывается" от лобового слоя. Когда фронт работающего слоя патрона достигает замыкающего, начинается проскок поглощаемого газа. Однако ив этот момент лобовой слой может быть не насыщен газом. Полное его насыщение может произойти, если патрон долгое время будет работать в проскоковом периоде. Такая работа сорбента в патроне называется схемой работы всей массы поглотителя. Следовательно, при работе сорбента в поглотительном патроне существуют два периода допроскоковый и проскоковый. Длительность работы в проскоковом периоде ограничивается предельно допустимым проскоком, который устанавливается нормативными документами. При обеих схемах отработки к концу допроскокового периода в патроне остается некоторое количество не полностью отработанного сорбента, уменьшающееся в проскоковом периоде. Чем больше общая длина слоя сорбента в патроне при прочих равных условиях, тем меньше доля неотработанной его части по отношению ко всей массе сорбента, выше коэффициент его полезного использования и больше длительность работы, или время защитного действия. Однако увеличение общей длины слоя поглотителя приводит к повышению сопротивления патрона проходящему воздуху. Поэтому при разработке поглотительных патронов (для КИП регенеративных патронов) одним из основных вопросов является выбор оптимальной величины слоя поглотителя. Существенной особенностью хемосорбентов по сравнению с адсорбентами является их высокая поглотительная способность на единицу массы. Известные хемосорбенты способны поглощать углекислый газ в количестве значительно большем, чем адсорбенты. Поэтому для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа в КИП применяются только хемосорбенты. В их состав входят основное вещество, вступающее в химическую реакцию поглощения углекислого газа, и добавки, придающие им необходимые физические свойства и активизирующие реакцию. Сорбционные свойства хемосорбента характеризуются тремя показателями стехиометрической, статической и динамической активностями, которые измеряются количеством поглощенного вещества (в объемных или массовых единицах) на единицу массы сорбента. Стехиометрической активностью называется максимальное, теоретически возможное количество вещества, поглощаемое единицей массы активной части хемосорбента, те. основного вещества (без добавок и технологических примесей. Она определяется из уравнения химической реакции. Статической активностью называется количество вещества, поглощенное единицей массы хемосорбента к моменту достижения сорбционного равновесия, при котором дальнейшее поглощение прекращается. Статическая активность устанавливается экспериментально при определенной концентрации поглощаемою газа в воздухе и температуре последнего. Ее значение всегда меньше стехиометрической активности. Динамической активностью называется количество вещества, поглощенное единицей массы сорбента до момента появления проскока в динамических условиях, те. в реальном регенеративном патроне, через который проходит реальный поток воздуха, содержащего определенное количество углекислого газа. В отдельных случаях динамическую активность выражают как время защитного действия патрона до появления проскока поглощаемого вещества. Однако в практике большее распространение получила характеристика хемосорбента, называемая удельной сорбционной емкостью в динамических условиях. Удельная сорбционная емкость — объем газа, поглощенного единицей массы хемосорбента при работе в динамических условиях до значения проскока газа, установленного нормативными документами для данного регенеративного патрона или КИП. Ее значение всегда меньше статической активности и является основной определяющей характеристикой хемосор- бента при работе его в конкретных динамических условиях. На удельную сорбционную емкость оказывают влияние три группы факторов, определяемые соответственно характеристиками хемосорбента, регенеративного патрона и нагрузки, те. потока воздуха, содержащего углекислый газ. Повышенную сорбционную емкость имеет хемосорбент с высокими значениями стехиометрической, статической активностей и с большой поверхностью пор. Уменьшение размера гранул также приводит к увеличению сорбционной емкости, ноне за счет увеличения их поверхности, а в связи с ростом скорости диффузии сорбируемого вещества внутрь гранул. Увеличению удельной сорбционной емкости способствуют большая длина слоя хемосорбента в патроне, а также равномерное распределение потока воздуха по поперечному сечению патрона. Увеличение средней или мгновенной скорости потока воздуха приводит к уменьшению удельной сорбционной емкости. Известны методы расчета поглотительных и регенеративных патронов, основанные на теории динамической активности сорбентов. Однако в расчетные формулы входят коэффициенты, которые могут быть определены только экспериментально для конкретных динамических условий. Применение же коэффициентов, полученных при несколько иных условиях, позволяет получить лишь ориентировочные данные. Поэтому разработка регенеративных патронов, как правило, проводится путем анализа работы имеющихся аналогов, выбора по его результатам параметров патрона, а затем экспериментальной их отработки на динамической установке, имитирующей дыхание человека К хемосорбентам углекислого газа предъявляют следующие основные технические требования они должны обладать высокой удельной сорбционной емкостью сопротивление потоку проходящего через них воздуха должно быть как можно ниже увеличение удельной энтальпии очищаемого воздуха должно быть небольшим сорбент должен быть прочным на истирание и при работе не выделять веществ в виде газа, пара или аэрозолей, раздражающих органы дыхания. Кроме того, хемосорбент должен длительное время сохранять свои поглотительные свойства и изготавливаться из недефицитного и дешевого материала. Технические требования к регенеративным патронам должны учитывать технические параметры используемого в них сорбента. Одно из основных требований к регенеративному патрону заключается в соответствии его защитной способности запасу сжатого кислорода, полезно расходуемого для дыхания. В регенеративных аппаратах со сжатым кислородом применяют два вида хемосорбентов углекислого газа известковый на основе гидроксида кальция Са(ОН) 2 и щелочной на основе гидроксида натрия NaOH. Известен также литиевый хемосорбент ОН, обладающий существенно большей удельной сорбционной емкостью, чем первые. Однако он не получил широкого распространения главным образом из-за его дефицитности и высокой стоимости сырья. Особое место среди хемосорбентов занимает кислородосодержащий продукт на основе супероксидов щелочных металлов КО или NaO 2 , который не только поглощает углекислый газ, но и выделяет кислород, полностью регенерируя выдыхаемый воздух. Известковый поглотитель углекислого газа Основой известкового поглотителя углекислого газа является гидроксид кальция Са(ОН) 2 , или гашеная известь. Реакция поглощения углекислого газа указанным веществом имеет следующий вид: Са(ОН) 2 + СО = СаСО 3 + НО + q р (4.1) Эта реакция экзотермическая и протекает с выделением одного моля воды на один моль поглощенного углекислого газа, кроме того, выделяется часть влаги, содержащейся в поглотителе, в результате чего воздух, проходящий через регенеративный патрон, нагревается и увлажняется. Молярная теплота реакции составляет 80-115 кДж/моль. Исследования, проведенные во ВНИИГД, показали, что q р = 101 кДж/моль СО 2 . Температура в зоне реакции регенеративного патрона при нормальной температуре окружающей среды равна СВ нашей стране в качестве хемосорбента СО в регенеративных противогазах длительное время применялся только химический известковый поглотитель ХП-И по ГОСТЕ. По отдельным заказам согласно временным техническим условиям выпускался мелкозернистый химпогло- титель ХП-И Мс таким же химическим составом 119 ХП-И представляет собой гранулированный продукт (цилиндрические гранулы диаметром около 4 мм) белого или серого цвета, изготовленный их маломагнезиальной известии гидроксида натрия, содержит не менее гидроксида кальция и 4% гидроксида натрия (в пересчете на сухое вещество). Основную фракцию (90%) составляют гранулы размером от 2,8 до 5,5 мм. Таблица Технические характеристики химического поглотителя известкового (ХП-И) № п/п Наименование параметров Величина 1. Концентрация углекислого газа на выходе из патрона (хемо- сорбционная способность, %, не более впервые минут определения через 120 минут от начала определения 0,1 0,5 2. Максимальное сопротивление вовремя определения хемо- сорбционной способности, Па (мм вод.ст.), не более 147 (15,0 3. Максимальная температура воздуха на выходе из регенеративного патрона вовремя определения хемосорбционной способности, Сне более |