呼吸器防護過程的傳質機理及其防護時間的確定

1   前言

火災造成傷亡的重要原因之一是煙氣，因此呼吸器在火災應急逃生中顯得越來越重要。

評價呼吸器性能的技術指標主要有2個：一是防護的毒害氣體種類；二是防護時問的長短。根據公安部消防局(1996)009號文件精神，應急逃生呼吸器除了具有防一氧化碳(c0)和氫氰酸(HCN)的能力外，其有效的防護時問不應低于15min通過改變裝填的吸附劑種類．可以實現防護不同毒害氣體的目的，通過改變吸附劑的裝填量，可以調整呼吸器的防護時同。為了開發研制出質優價廉的呼吸器材，有必要對呼吸器防護作用的內在機理進行探討了解。呼 吸器防護過程的傳質機理最早由Shilov、Meklenburg和Kubelka進行過研究Shilov在研究的基礎上，給出了表征吸附劑厚度和防護時問關系的Shilov方程式。北京自救呼吸器轉載《呼吸器防護過程的傳質機理及其防護時間的確定》

2 防護過程的傳質機理

在對毒害氣體的防護過程中，吸附柱內移動相(包含有毒害氣體的氣體混合物)和吸附劑相接觸，其傳質過程是相當復雜的。除移動相的流體動力學引起的湍流、層流、壓力降和返混對傳質的影響外 ．吸附過程放出的熱量(吸附熱) 也不能及時排放到周圍的環境 ，吸附過程成為不等溫過程 ，使傳質機理復雜化。

總的說來，被吸附質(毒害氣體)擴散或其傳遞機理可以概括為：

a)含有毒害氣體的氣體混合物移動相以一定的速度流過吸附劑層時，在吸附柱的某一位置產生返混或混合 ，由于渦流分散或分子擴散(彌散現象dispersion)，使透過曲線或流出的曲線變寬，這些都統稱為軸向擴散。這種傳質現象發生于移動相主體中 ；

b)毒害氣體分子穿過移動相和固定相兩相間的氣膜，進行質量傳遞，到達吸附劑固定相的外表面，稱為外擴散；

c)毒害氣體分子進人多孔吸附劑固體顆粒的通道進行擴散，對于徽孔內的擴散，通常并人顆粒相擴散一并處理；

d)在固定相活性點上的反應，如果有的話，其反應速度是非常快的，一般常用各種傳遞模型來表達其反應速率的大小，以簡化表達反應速度的數學模型；

e)在吸附狀態下，毒害氣體分子在固定相吸附劑內或毛細孔內表面的擴散(吸附劑吸附表面層的擴散)，稱為顆粒相擴散。

為了對以上各質量傳遞步驟進行定量的描述，需要建立一相應的模型吸附動力學就是用數字關系式來闡明吸附過程發生的各種過程的理論。其基本方程式的解有3種途徑：一是以隨機法為基礎；第二是應用理論分段概念，把吸跗柱設想為由一定數量的段所組成，而且假定是分段達到平衡；第三種途徑是用偏微分方程來描述吸附的模型，這是迄今為止***的一種方法，特別適宜于工業用途。

3 傳質區的防護時間

當某一體積的毒害氣體和載氣〔空氣)的混合物流經吸附劑層時，混合物中毒害氣體的濃度逐漸減小，直到離吸附劑層起點一定距離后即減到零。由于發生吸附作用，吸附劑層總的吸附能力降低。隨著更多的混合物通過，吸附劑變得更趨飽和，在氣體通過吸附劑層時，使被吸附物的濃度下降至零時所經過的距離也因之增加.一定時間以后吸附劑層的起點即與氣體混合物中初始濃度達到平衡而飽和。在該過程中，氣體混合物中的毒害氣體的濃度下降至零的平面(吸附波的正面)沿著氣體移動相的方向移動。當這個平面達到吸附劑層的末端時，毒害氣體便穿透床層，于是呼吸器的防護能力便耗盡了。從混合物開始進人到穿透為止的這一段時間是給定條件下(即毒害氣體濃度、混合物的流速，溫度、檢測靈敏度)吸附劑的動活性的重要尺度、被稱為防護時間或穿透時間。

4   Shilov方程式

為了得到Shilov方程式，需要進行一系列的穿透試驗，通過測定不同厚度層的防護時間而求出吸附波正面通社吸附劑層的移動速度時，就能獲得圖1解示出的那種型式的關系。

在一些很薄的層上，吸附波正面移動很迅速，薄層的防護時間為零或很小的值，在一些較厚的層上，移動速度減小。在E點上變成固定值。在QE區內出現工作區，在吸附波下面達到E點的時刻，吸附劑的最初幾層即達到靜態平衡。在層的高度L上(L＞L3)，即在E點右側的區域內，吸附波正面的移動速度可以根據吸附劑的靜活性和載氣供給毒害氣體的速度來計算。如果吸附波正面移動1cm ,則1cm厚的吸附劑層一定會吸附相當于靜態吸附平衡的量。設給定的炭層橫截面積下該量為a(以mol計)，氣體混合物的流量為V以〔L/min計)和混合物中毒害氣體的含量為C。(以mol/L計)，則吸附波正面移動的速度u(以cm/min計)，可以用以下關系式來表示:

u=v Co/a····················(1)

該移動速度的倒數值(在L＞L。時)，Shilov稱為防護能力系數，可用下式表示：

K=a/VC。············……(2)

圖1 防護時間Q對吸附劑厚度L的依賴關系

因而，防護能力系數K表示層高增加1cm時(當層厚L大于吸附波厚度L。時)防護時間增加的分鐘數。

如果θ。表示層L。的防護時間，就可以藉助于系數K將層L(L＞L。)的防護時間Q表示為以下關系式：

θ=θ。+K (L一L。··············(3)

或θ=KL一CKL。一θ。)··········· (4)

如果用r表示括號部分，則

r=KL。一θ。

這樣，方程(4)即變成下式：

θ=KL一r(L＞Lo)...···············(5)

這個方程式通稱為Shilov方程式。

    方程式中r這個量值表示動力學因數(吸附速率〕對吸附劑層的防護時間的影響。在圖1中r值由OD部分來表示。

Shilov方程式常可利用所謂無效層h(由Meklenhurg和Kubelka引人的)而改成以下形式：

θ=K(l.一h)··············(6)

式中：h= r/K

無效層的概念僅僅具有形式上的意義，它是通過方程式(6)的形式而推斷得出的。按照這個方程式，吸附劑層可以認為是有效部分和不參加吸附部分(無效層)組成的。防護時間與有效層的高度成正比，即與減去無效層以后的炭層的實際高度成正比。在圖1中無效層由OH部分來表示。

按照上述觀點，凡是高度小于h的所有炭層的防護時間都為零，這與實驗結果不完全一致。由于該式的簡單性，上述關系仍然被廣泛地用于呼吸器設計;特別是h這個量常被用來確定吸附劑的利用程度?，在可比較的條件下?值用來評價吸附劑的性能是有用的。

?由以下關系式來確定：

?= (L一h)/L················· (7)

或?=(O一H)/O···············(8)

式中：h是無效層厚度，L是吸附劑層總的厚度，O是吸附劑層的體積，H是無效層內吸附劑層的體積(H=Sh，式中S是吸附劑層橫截面積)。