呼吸器防護(hù)過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理及其防護(hù)時(shí)間的確定

1   前言

火災(zāi)造成傷亡的重要原因之一是煙氣，因此呼吸器在火災(zāi)應(yīng)急逃生中顯得越來(lái)越重要。

評(píng)價(jià)呼吸器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有2個(gè)：一是防護(hù)的毒害氣體種類；二是防護(hù)時(shí)問(wèn)的長(zhǎng)短。根據(jù)公安部消防局(1996)009號(hào)文件精神，應(yīng)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(hù)時(shí)問(wèn)不應(yīng)低于15min通過(guò)改變裝填的吸附劑種類．可以實(shí)現(xiàn)防護(hù)不同毒害氣體的目的，通過(guò)改變吸附劑的裝填量，可以調(diào)整呼吸器的防護(hù)時(shí)同。為了開發(fā)研制出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的呼吸器材，有必要對(duì)呼吸器防護(hù)作用的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行探討了解。呼 吸器防護(hù)過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理最早由Shilov、Meklenburg和Kubelka進(jìn)行過(guò)研究Shilov在研究的基礎(chǔ)上，給出了表征吸附劑厚度和防護(hù)時(shí)問(wèn)關(guān)系的Shilov方程式。北京自救呼吸器轉(zhuǎn)載《呼吸器防護(hù)過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理及其防護(hù)時(shí)間的確定》

2 防護(hù)過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理

在對(duì)毒害氣體的防護(hù)過(guò)程中，吸附柱內(nèi)移動(dòng)相(包含有毒害氣體的氣體混合物)和吸附劑相接觸，其傳質(zhì)過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。除移動(dòng)相的流體動(dòng)力學(xué)引起的湍流、層流、壓力降和返混對(duì)傳質(zhì)的影響外 ．吸附過(guò)程放出的熱量(吸附熱) 也不能及時(shí)排放到周圍的環(huán)境 ，吸附過(guò)程成為不等溫過(guò)程 ，使傳質(zhì)機(jī)理復(fù)雜化。

總的說(shuō)來(lái)，被吸附質(zhì)(毒害氣體)擴(kuò)散或其傳遞機(jī)理可以概括為：

a)含有毒害氣體的氣體混合物移動(dòng)相以一定的速度流過(guò)吸附劑層時(shí)，在吸附柱的某一位置產(chǎn)生返混或混合 ，由于渦流分散或分子擴(kuò)散(彌散現(xiàn)象dispersion)，使透過(guò)曲線或流出的曲線變寬，這些都統(tǒng)稱為軸向擴(kuò)散。這種傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生于移動(dòng)相主體中 ；

b)毒害氣體分子穿過(guò)移動(dòng)相和固定相兩相間的氣膜，進(jìn)行質(zhì)量傳遞，到達(dá)吸附劑固定相的外表面，稱為外擴(kuò)散；

c)毒害氣體分子進(jìn)人多孔吸附劑固體顆粒的通道進(jìn)行擴(kuò)散，對(duì)于徽孔內(nèi)的擴(kuò)散，通常并人顆粒相擴(kuò)散一并處理；

d)在固定相活性點(diǎn)上的反應(yīng)，如果有的話，其反應(yīng)速度是非常快的，一般常用各種傳遞模型來(lái)表達(dá)其反應(yīng)速率的大小，以簡(jiǎn)化表達(dá)反應(yīng)速度的數(shù)學(xué)模型；

e)在吸附狀態(tài)下，毒害氣體分子在固定相吸附劑內(nèi)或毛細(xì)孔內(nèi)表面的擴(kuò)散(吸附劑吸附表面層的擴(kuò)散)，稱為顆粒相擴(kuò)散。

為了對(duì)以上各質(zhì)量傳遞步驟進(jìn)行定量的描述，需要建立一相應(yīng)的模型吸附動(dòng)力學(xué)就是用數(shù)字關(guān)系式來(lái)闡明吸附過(guò)程發(fā)生的各種過(guò)程的理論。其基本方程式的解有3種途徑：一是以隨機(jī)法為基礎(chǔ)；第二是應(yīng)用理論分段概念，把吸跗柱設(shè)想為由一定數(shù)量的段所組成，而且假定是分段達(dá)到平衡；第三種途徑是用偏微分方程來(lái)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(yè)用途。

3 傳質(zhì)區(qū)的防護(hù)時(shí)間

當(dāng)某一體積的毒害氣體和載氣〔空氣)的混合物流經(jīng)吸附劑層時(shí)，混合物中毒害氣體的濃度逐漸減小，直到離吸附劑層起點(diǎn)一定距離后即減到零。由于發(fā)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(guò)，吸附劑變得更趨飽和，在氣體通過(guò)吸附劑層時(shí)，使被吸附物的濃度下降至零時(shí)所經(jīng)過(guò)的距離也因之增加.一定時(shí)間以后吸附劑層的起點(diǎn)即與氣體混合物中初始濃度達(dá)到平衡而飽和。在該過(guò)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(dòng)相的方向移動(dòng)。當(dāng)這個(gè)平面達(dá)到吸附劑層的末端時(shí)，毒害氣體便穿透床層，于是呼吸器的防護(hù)能力便耗盡了。從混合物開始進(jìn)人到穿透為止的這一段時(shí)間是給定條件下(即毒害氣體濃度、混合物的流速，溫度、檢測(cè)靈敏度)吸附劑的動(dòng)活性的重要尺度、被稱為防護(hù)時(shí)間或穿透時(shí)間。

4   Shilov方程式

為了得到Shilov方程式，需要進(jìn)行一系列的穿透試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定不同厚度層的防護(hù)時(shí)間而求出吸附波正面通社吸附劑層的移動(dòng)速度時(shí)，就能獲得圖1解示出的那種型式的關(guān)系。

在一些很薄的層上，吸附波正面移動(dòng)很迅速，薄層的防護(hù)時(shí)間為零或很小的值，在一些較厚的層上，移動(dòng)速度減小。在E點(diǎn)上變成固定值。在QE區(qū)內(nèi)出現(xiàn)工作區(qū)，在吸附波下面達(dá)到E點(diǎn)的時(shí)刻，吸附劑的最初幾層即達(dá)到靜態(tài)平衡。在層的高度L上(L＞L3)，即在E點(diǎn)右側(cè)的區(qū)域內(nèi)，吸附波正面的移動(dòng)速度可以根據(jù)吸附劑的靜活性和載氣供給毒害氣體的速度來(lái)計(jì)算。如果吸附波正面移動(dòng)1cm ,則1cm厚的吸附劑層一定會(huì)吸附相當(dāng)于靜態(tài)吸附平衡的量。設(shè)給定的炭層橫截面積下該量為a(以mol計(jì))，氣體混合物的流量為V以〔L/min計(jì))和混合物中毒害氣體的含量為C。(以mol/L計(jì))，則吸附波正面移動(dòng)的速度u(以cm/min計(jì))，可以用以下關(guān)系式來(lái)表示:

u=v Co/a····················(1)

該移動(dòng)速度的倒數(shù)值(在L＞L。時(shí))，Shilov稱為防護(hù)能力系數(shù)，可用下式表示：

K=a/VC。············……(2)

圖1 防護(hù)時(shí)間Q對(duì)吸附劑厚度L的依賴關(guān)系

因而，防護(hù)能力系數(shù)K表示層高增加1cm時(shí)(當(dāng)層厚L大于吸附波厚度L。時(shí))防護(hù)時(shí)間增加的分鐘數(shù)。

如果θ。表示層L。的防護(hù)時(shí)間，就可以藉助于系數(shù)K將層L(L＞L。)的防護(hù)時(shí)間Q表示為以下關(guān)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(hào)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(gè)方程式通稱為Shilov方程式。

    方程式中r這個(gè)量值表示動(dòng)力學(xué)因數(shù)(吸附速率〕對(duì)吸附劑層的防護(hù)時(shí)間的影響。在圖1中r值由OD部分來(lái)表示。

Shilov方程式常可利用所謂無(wú)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(wú)效層的概念僅僅具有形式上的意義，它是通過(guò)方程式(6)的形式而推斷得出的。按照這個(gè)方程式，吸附劑層可以認(rèn)為是有效部分和不參加吸附部分(無(wú)效層)組成的。防護(hù)時(shí)間與有效層的高度成正比，即與減去無(wú)效層以后的炭層的實(shí)際高度成正比。在圖1中無(wú)效層由OH部分來(lái)表示。

按照上述觀點(diǎn)，凡是高度小于h的所有炭層的防護(hù)時(shí)間都為零，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不完全一致。由于該式的簡(jiǎn)單性，上述關(guān)系仍然被廣泛地用于呼吸器設(shè)計(jì);特別是h這個(gè)量常被用來(lái)確定吸附劑的利用程度?，在可比較的條件下?值用來(lái)評(píng)價(jià)吸附劑的性能是有用的。

?由以下關(guān)系式來(lái)確定：

?= (L一h)/L················· (7)

或?=(O一H)/O···············(8)

式中：h是無(wú)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(wú)效層內(nèi)吸附劑層的體積(H=Sh，式中S是吸附劑層橫截面積)。