Расчет слоя поглотителя

Требуется рассчитать длину слоя осушителя для защиты слоя гопкалита в фильтрующем противогазе сечением 90 см2 при 100% влажности воздуха и комнатной температуре.

Сопротивление слоя току воздуха со скоростью 30 л/мин не должно превосходить 3 мм вод. ст. Время защитного действия— 120 мин.

Динамические характеристики: при влажности 17 мг/л В₁ = 13 мин/см; В₂=6 см; В₃ = 8 см.

Удельное  сопротивление h = 0,38 мм вод. ст.;  d = 0,3 см.

Удельная скорость υ=V/S=30/90= 0,33 л/мин·см2.

Коэффициент защитного действии k =B₁/υ =13/0,33=40 мин/см.

Величина мертвого слоя h=B₂d√υ=6·0,3√0,33=1cм

Длина слоя L = θ/k +h= 120/40 + 1 = 4 см.

Длина работающего слоя L₀=B₃d√υ = 8·0,3√0,33=1,4 см, т. е. найденная длина слоя больше работающего слоя, и, следовательно, может рассчитываться по формуле (67).

Сопротивления слоя   т. е. оно удовлетворяет условию.

Особенностью расчета слоя сорбента для поглотительных патронов регенеративных противогазов является то, что они (патроны) предназначаются для поглощения двуокиси углерода, газа безвредного даже при относительно высоких концентрациях (2%). Поэтому моментом проскока для щелочных поглотителей СО₂, предназначенных для сорбции углекислоты в регенеративных противогазах, считается появление не сотых или тысячных долей процента сорбируемого газа, как это имеет место, когда речь идет о боевых отравляющих веществах или таких высоко ядовитых газах, как окись углерода и сернистый газ, а концентрации СО₂ в 2%.

В отличие от адсорбентов и хемосорбентов время защитного действия катализаторов зависит от длины слоя только на отрезке малых величин А, когда θ также очень мало.

При увеличении длины слоя катализатора до величины, достаточной для полного и устойчивого процесса окисления газа (соответствующей длине работающего слоя L₀), время защитного действия скачкообразно вырастает до очень большой величины, поскольку в процессе работы не замечается отработки катализатора. Время защитного действия защищенного от отравления слоя катализатора практически не ограничено, а увеличение длины слоя сверх длины работающего слоя L₀ не вызывает соответствующего увеличения времени защитного действия.

При разработке противогаза для защиты от окиси углерода в части, относящейся к катализатору, задача сводится к определению длины работающего слоя L0, при заданных условиях концентрации окисляемого газа, скорости газовой смеси, ее температуры и зернения катализатора.

Из схемы действия катализатора видно, что он работает в первой фазе окислительного процесса как адсорбент. Чем выше адсорбционная способность катализатора, тем энергичней происходит окисление газа. Однако эта же адсорбционная способность является и основным недостатком катализаторов, так как вызывает сорбцию на их поверхности и других примесей воздуха, в том числе паров воды и углекислого газа, которые вытесняют окисляемый газ, быстро снижают каталитическую активность и, как говорят, вызывают «отравление» катализатора. Поэтому обязательным условием удовлетворительной работы катализатора является защита его от соприкосновения с «отравляющими» его веществами. В условиях работы фильтрующих противогазов, применяемых в горной промышленности, основным веществом, понижающим каталитическую способность катализатора, является влага. Поэтому в фильтрующих респираторах катализатор защищается (обычно с двух сторон) слоями осушителя, например силикагеля или активированного угля, пропитанных хлористым кальцием.

Практически, срок работы катализатора ограничивается исключительно временем защитного действия осушителя. Динамическая же активность осушителя определяется так же, как это указывалось выше для общего случая расчета поглотительного патрона с адсорбентом или хемосорбентом. По этой же методике определяется динамическая активность катализатора в качестве адсорбента.

Высокая температура в значительной степени активизирует работу гопкалита. Сама реакция окисления СО в СО₂ сопровождается значительным выделением тепла; поэтому каталитическая активность катализатора растет по мере разогревания (самонагревания) массы катализатора и до известных пределов с увеличением концентрации окисляемого газа. Этим же обстоятельством объясняется и наблюдающийся в начальной стадии работы слоя катализатора, когда он еще не успел в достаточной степени нагреться, так называемый «первоначальный проскок» газа, который быстро исчезает в первые же минуты работы слоя.

Следует отметить, что теория динамической активности поглотителей, рассмотренная выше, оперирует с сильно схематизированной картиной сорбционного процесса, не учитывающей всей сложной совокупности факторов, влияющих на динамику поглощения; к числу этих факторов следует отнести упоминавшееся уже обстоятельство, что сорбция газа редко протекает согласно какому-нибудь одному процессу. На динамику сорбции оказывает   влияние форма поглотительного патрона (отношение объема его к поверхности стенок), способ снаряжения поглотителя в патроне (плотность утрамбовки слоя)  и форма зерен сорбентов.

Наконец, вся методика расчета поглотительных патронов на основе теории динамической активности построена на допущении  равномерного и прямолинейного прохождения газовой смеси через слои сорбента. На самом деле, в реальных условиях работы поглотительного патрона, будь то регенеративный патрон изолирующего противогаза или коробка фильтрующего противогаза, чорез слои поглотителя проходит пульсирующий поток, соответствующий человеческому дыханию, скорость которого меняется от нуля до пик значительной величины, что, как показал опыт, отрицательно влияет на время защитного действия слоев поглотителя. Сравнение результатов испытания сорбентов на постоянном и  пульсирующем  потоках  показало,  что в первом случае, црн прочих равных условиях, время защитного действия может увеличиваться до 1,5 раза.

Поэтому поглотительные патроны, рассчитанные согласно теории динамической активности, должны испытываться как на постоянном потоке газовой смеси для проверки правильности теоретических расчетов, так и в условиях пульсирующего потока, т. е. непосредственно на людях или на поршневом приборе (искусственные легкие), имитирующем человеческое дыхание для проверки работоспособности патронов в реальных условиях их применения. При необходимости рассчитать поливалентный патрон с поглотителем, рассчитанным на поглощение нескольких газов, высота слоя поглогителя определяется из расчета на тот газ, для которого время защитного действия слоя данного поглотителя является минимальным.

Если патрон рассчитывается на одновременное поглощение нескольких газов, то его динамические характеристики должны быть определены по отношению к смеси подлежащих поглощению газов, причем моментом проскока считается проскок хотя бы одного из компонентов газовой смеси через патрон.

При расчете поливалентных патронов с несколькими слоями разных поглотителей каждый слой рассчитывается отдельно по поглощаемым им газам, с учетом необходимости поглощения вредных продуктов реакции, которые могут быть выделены предыдущими слоями, а также того побочного сорбирующего эффекта, который может быть оказан предыдущими слоями в отношении газа или газов, поглощаемых данным слоем.