Главная | Обратная связь

Основные характеристики сорбционных процессов.

Первая фаза регенерации выдыхаемого воздуха в РДА состоит в его очистке от углекислого газа. Этот процесс происходит в регенеративном патроне в следствии физико-химического процесса сорбции (от лат. Sorbeo - поглощаю).

В общем случае сорбция – это поглощение газообразных или растворенных веществ сорбентами – твердыми или жидкими телами. Имеют место следующие виды процессов сорбции: адсорбция, абсорбция, капиллярная конденсация и хемосорбция. Поглощение газов и паров твёрдыми сорбентами, как правило, происходит при наличии двух или более из этих процессов, но один из них является основным, изначальным.

Первые три вида сорбции – физические процессы, действие которых обусловлено силами взаимного натяжения молекул сорбента и веществ, которое поглощается. Адсорбция – поглощение вещества силами поверхности поглотителя (адсорбента); абсорбция – поглощение которое сопровождается диффузии поглощенного вещества вовнутрь поглотителя (абсорбента) с образованием раствора, то есть происходит поглощение всем объёмом поглотителя. В некоторых случаях, кроме адсорбции, поглощение газа происходит в следствии капиллярной конденсации его в порох твердого тела.

Хемосорбция – процесс сорбции вовремя которого поглощающееся вещество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействует в следствии химической реакции с образованием химического соединения.

Сорбенты, используемые для очистки воздуха от опасных газов в СИЗОД, - это твёрдые гранулированные или измельченные тела. Наиболее распостранеными типами адсорбентов является активированный уголь, селикогель, алюмогель, цеолиты. Типы хемосорбентов рассмотрим ниже.

Из общих физических особенностей сорбентов наиболее важной является их пористая структура. Макро- и микропоры пронизывают гранулы сорбента во всех направлениях и обеспечивают большую поверхность его соприкосновения с воздухом, который очищается. Имеет место значительная поверхность пор у адсорбентов: полезная поверхность их у активированного угля составляет 300-500 м²/г, у селикагеля 300-700 м²/г, диаметр пор составляет 10^-6-10^-4мм. Небольшая пористость у хемосорбентов. Так, например полезная поверхность пор у наиболее распространенного известкового поглотителя составляет 8-12 м²/г.

Благодаря самой природе физического процесса адсорбции большой активной поверхности адсорбента, он поглощает газ почти мгновенно. Адсорбция – обратный процесс: все поглощенные вещества могут быть удалены в результате обратного процесса десорбции. В связи с этим, адсорбенты легко регенерируются. Процесс адсорбции экзометрический, но количество тепла, которое выделяется при этом, незначительно но близка к уровню теплоты конденсации.

Процесс хемосорбции происходит спокойнее, чем адсорбции, потому что контакт между газом, который поглощается, и активной поверхностью хемосорбента усложняется плёнкой, которая образовывается из продуктов реакции. Кроме того и сама поверхность пор меньше, чем у адсорбента. Хемосорбент в процессе поглощения газа выделяет большее количество тепла, что приводит к значительному нагреву как поглотителя так и очищаемого воздуха. Теплота реакции поглощения некоторых сорбентов (например, сверхокислителей цветных металлов) настолько велика, что может привести в некоторых случаях к стеканию и даже плавлению гранул.

Наиболее распространенный тип поглощающего патрона с прохождением через него воздуха, который очищается, вдоль оси. Элементарный шар поглотителя на входе в патрон называют «лобовым», а аналогичный шар в конце патрона – заключающим. В теории сорбции существует понятие «рабочий шар поглощения». Этот шар сорбента активно поглощает газ. В начале рабочего шара сорбент максимально насыщенный поглощенным газом, по ходу потока степень его насыщенности уменьшается, а в конце шара процесс сорбции только начинается.

Длина рабочего шара зависит от скорости процесса сорбции. В поглотительном патроне с адсорбентом она может быть меньше, чем общая длина рабочей части патрона от лобового до заключающего шара сорбента. Когда процесс в патроне установится, в нем имеют место три зоны: зона с полностью отработанным поглотителем, работающий шар, который передвигается в направлении движения потока газовоздушной смеси, и зона , в которой поглощение ещё не происходит. В момент, когда рабочий шар достигнет заключительного шара патрона, начнется проскок газа, поглощаемого, то есть имеет место неполное его поглощение. Такая работа сорбента в патроне называется «пошаровая схема его отрабатывания».существенной особенностью хемосорбентов, по сравнению адсорбентами, является их высокая способность поглощения, поскольку в патроне с хемосорбентом зона с полностью отработавшим поглотителём не образовывается, увеличивается длина рабочего шара на протяжении всего допроскового периода, который при этом не «отрывается» от лобового шара. В момент, когда фронт рабочего шара патрона достигнет заключительного, начинается проскок газа, который поглощается.

Но в этот момент лобовой шар не является насыщенным поглощенным газом. Полное его насыщение может произойти, если патрон длительное время будет работать в проскоковом режиме. Такая работа сорбента в патроне называется схемой работы всей массы поглотителя.

Таким образом, во время работы сорбента в поглотительном патроне существуют два периода: до проскоковый и проскоковый. Продолжительность работы в проскоковом периоде ограничивается предельно допустимым проскоком, размер которого задаётся по нормативным документам. По двум схемам до конца проскового периода в патроне остается некоторое количество не полностью отработавшего сорбента. В проскоковом периоде это количество уменьшается. То есть чем больше общая длина шара сорбента в патроне по другим условиям, тем меньше доля неотработанной его части по отношению к своей массе сорбента, выше коэффициент его полезного использования и больше продолжительность работ (или время защитного действия). В это же время увеличение общей длины шара поглотителя приводит к увеличению ------- патрона потока воздуха, проходящего через него.

В следствии этого при разработке регенеративных патронов одним из условий был выбор оптимальной длины шара поглотителя. Существенным отличием хемосорбентов, по сравнению с адсорбентами, является их высокая поглощающая способность. В связи с этим для очистки воздуха от углекислого газа в РДА используют только хемосорбенты.

В их состав входит вещество, которая вступает в химическую реакцию поглощения углекислого газа, и добавки, которые придают соответствующие физические качества и активизируют реакцию. Сорбционные качества другого типа хемосорбента характеризуются тремя показателями: стехиометрической, статической и динамической активностями, которые измеряются количеством поглощаемых веществ (в объемных или массовых единицах) на единицу массы сорбента.

Стехиометрической активностью называется максимальное теоретически возможное количество веществ, которое поглощает единица массы активной части хемосорбента, то есть основного вещества (без добавок и технологических примесей). Она определяется из уравнения химической реакции.

Статической активностью называется количество веществ, которое поглощает единица массы хемосорбента до момента достижения сорбционного равновесия, при котором дальнейшее поглощение прекращается.

Статическую активность определяют экспериментально при определённых уровнях концентрации газа, который поглощается, в воздухе и при температуре. Её размер всегда меньше стехиометрической.

Динамической активностью называется количество веществ, которое поглощает единица массы сорбента до момента появления проскока в динамических условиях, то есть в реальном регенеративном патроне, через который проходит реальный поток воздуха, включающий определённое количество углекислого газа. В других случаях динамическую активность выражают как время защитного действия патрона до возникновения проскока поглощаемого вещества. Но в практике наибольшее распространение приобрела такая характеристика хемосорбента, которую называют «полезной сорбционной ёмкостью в динамических условиях».

Полезная сорбционная ёмкость- объём газа, который поглощает единица массы хемосорбента во время работы в динамических условиях до уровня проскока газа, что установлено нормативными документами для данного регенеративного патрона или РДА. Её размер всегда меньше статической активности является основной характеристикой хемосорбции во время его в конкретных динамических условиях.

На величину полезной сорбционной ёмкости влияют три группы факторов, которые определяются соответственно характеристиками хемосорбента, регенеративного патрона и нагрузки, то есть потока воздуха, который содержит углекислый газ. Большую сорбционную ёмкость имеет хемосорбент с высокими показателями стехиометрии и статической активности и с большей поверхностью пор. Уменьшение размера гранул также приводит к увеличению сорбционной емкости, но не за счет увеличения её поверхности, а в связи с увеличением скорости диффузии сорбируемого вещества, до середины гранул. Увеличению питательной сорбционной емкости способствует большая длина шара хемосорбента в патроне, а также равномерное распределение потока воздуха поперек патрона. Уменьшению полезной сорбционной ёмкости способствует увеличение средней или мгновенной скорости потока воздуха.

К хемосорбентам углекислого газа относят следующие основные технические требования:

- большая полезная сорбционная ёмкость;

- _____ потока воздуха, которая проходит сквозь них, должен быть наиболее меньшим;

- увеличение теплоёмкости воздуха который очищается, должно быть небольшим;

- мощность на _____ ;

- не должны выделятся вещества, которые бы раздражали органы дыхания;

- длительное сохранение поглощающих особенностей;

- изготовление из не дефицитного и дешевого материала.

Технические требования регенеративным патронам должны соответствовать требованиям, предъявляемым к сорбентам. Кроме того одно из важнейших требований состоит в соответствии защитной способности регенеративного патрона запасу сжатого кислорода, который расходуется на обеспечение дыхания. То есть регенеративный патрон должен иметь такую способность поглощать углекислый газ, которое равна времени защитного действия в РДА в минутах. Поскольку в РДА со сжатым кислородом есть индикатор расхода запаса кислорода (манометр), а индикатор окончания защитной способности хемосорбента отсутствует, возникает опасность, что защитная способность регенеративного патрона закончится раньше, чем запас кислорода в баллоне. В следствии этого общую поглощающую способность увеличивают на 10 %.

В РДА со сжатым кислородом используют два вида хемосорбентов углекислого газа: известковый на базе гидрооксида кальция Ca(OH)₂ и металлический на основе гидрооксида натрия NaOH.известен так же литиевый хемосорбент LiOH, который имеет чувствительные преимущества перед вышеупомянутыми. Его используют, например, для обеспечения работы автономных систем жизнеобеспечения космонавтов с целью поглощения углекислого газа. Реакция поглощения имеет вид:

2 LiOH+СО₂=Li₂СО₃+Н₂О+q. (6.1)

Но в связи с дефицитом и высокой стоимостью вещества в пожарной охране литиевый хемосорбент не используется.

Отдельное место среди хемосорбентов занимает кислородосодержащий продукт на основе сверхокислителей металлов NaO₂ или КО₂, которые в следствии химической реакции поглощения углекислого газа выделяют кислород в количестве, которого достаточно для полной регенерации выдыхаемого воздуха.