呼吸器防护过程的传质机理及其防护时间的确定

1   前言

火灾造成伤亡的重要原因之一是烟气，因此呼吸器在火灾应急逃生中显得越来越重要。

评价呼吸器性能的技术指标主要有2个：一是防护的毒害气体种类；二是防护时问的长短。根据公安部消防局(1996)009号文件精神，应急逃生呼吸器除了具有防一氧化碳(c0)和氢氰酸(HCN)的能力外，其有效的防护时问不应低于15min通过改变装填的吸附剂种类．可以实现防护不同毒害气体的目的，通过改变吸附剂的装填量，可以调整呼吸器的防护时同。为了开发研制出质优价廉的呼吸器材，有必要对呼吸器防护作用的内在机理进行探讨了解。呼 吸器防护过程的传质机理最早由Shilov、Meklenburg和Kubelka进行过研究Shilov在研究的基础上，给出了表征吸附剂厚度和防护时问关系的Shilov方程式。北京自救呼吸器转载《呼吸器防护过程的传质机理及其防护时间的确定》

2 防护过程的传质机理

在对毒害气体的防护过程中，吸附柱内移动相(包含有毒害气体的气体混合物)和吸附剂相接触，其传质过程是相当复杂的。除移动相的流体动力学引起的湍流、层流、压力降和返混对传质的影响外 ．吸附过程放出的热量(吸附热) 也不能及时排放到周围的环境 ，吸附过程成为不等温过程 ，使传质机理复杂化。

总的说来，被吸附质(毒害气体)扩散或其传递机理可以概括为：

a)含有毒害气体的气体混合物移动相以一定的速度流过吸附剂层时，在吸附柱的某一位置产生返混或混合 ，由于涡流分散或分子扩散(弥散现象dispersion)，使透过曲线或流出的曲线变宽，这些都统称为轴向扩散。这种传质现象发生于移动相主体中 ；

b)毒害气体分子穿过移动相和固定相两相间的气膜，进行质量传递，到达吸附剂固定相的外表面，称为外扩散；

c)毒害气体分子进人多孔吸附剂固体颗粒的通道进行扩散，对于徽孔内的扩散，通常并人颗粒相扩散一并处理；

d)在固定相活性点上的反应，如果有的话，其反应速度是非常快的，一般常用各种传递模型来表达其反应速率的大小，以简化表达反应速度的数学模型；

e)在吸附状态下，毒害气体分子在固定相吸附剂内或毛细孔内表面的扩散(吸附剂吸附表面层的扩散)，称为颗粒相扩散。

为了对以上各质量传递步骤进行定量的描述，需要建立一相应的模型吸附动力学就是用数字关系式来阐明吸附过程发生的各种过程的理论。其基本方程式的解有3种途径：一是以随机法为基础；第二是应用理论分段概念，把吸跗柱设想为由一定数量的段所组成，而且假定是分段达到平衡；第三种途径是用偏微分方程来描述吸附的模型，这是迄今为止***的一种方法，特别适宜于工业用途。

3 传质区的防护时间

当某一体积的毒害气体和载气〔空气)的混合物流经吸附剂层时，混合物中毒害气体的浓度逐渐减小，直到离吸附剂层起点一定距离后即减到零。由于发生吸附作用，吸附剂层总的吸附能力降低。随着更多的混合物通过，吸附剂变得更趋饱和，在气体通过吸附剂层时，使被吸附物的浓度下降至零时所经过的距离也因之增加.一定时间以后吸附剂层的起点即与气体混合物中初始浓度达到平衡而饱和。在该过程中，气体混合物中的毒害气体的浓度下降至零的平面(吸附波的正面)沿着气体移动相的方向移动。当这个平面达到吸附剂层的末端时，毒害气体便穿透床层，于是呼吸器的防护能力便耗尽了。从混合物开始进人到穿透为止的这一段时间是给定条件下(即毒害气体浓度、混合物的流速，温度、检测灵敏度)吸附剂的动活性的重要尺度、被称为防护时间或穿透时间。

4   Shilov方程式

为了得到Shilov方程式，需要进行一系列的穿透试验，通过测定不同厚度层的防护时间而求出吸附波正面通社吸附剂层的移动速度时，就能获得图1解示出的那种型式的关系。

在一些很薄的层上，吸附波正面移动很迅速，薄层的防护时间为零或很小的值，在一些较厚的层上，移动速度减小。在E点上变成固定值。在QE区内出现工作区，在吸附波下面达到E点的时刻，吸附剂的最初几层即达到静态平衡。在层的高度L上(L＞L3)，即在E点右侧的区域内，吸附波正面的移动速度可以根据吸附剂的静活性和载气供给毒害气体的速度来计算。如果吸附波正面移动1cm ,则1cm厚的吸附剂层一定会吸附相当于静态吸附平衡的量。设给定的炭层横截面积下该量为a(以mol计)，气体混合物的流量为V以〔L/min计)和混合物中毒害气体的含量为C。(以mol/L计)，则吸附波正面移动的速度u(以cm/min计)，可以用以下关系式来表示:

u=v Co/a····················(1)

该移动速度的倒数值(在L＞L。时)，Shilov称为防护能力系数，可用下式表示：

K=a/VC。············……(2)

图1 防护时间Q对吸附剂厚度L的依赖关系

因而，防护能力系数K表示层高增加1cm时(当层厚L大于吸附波厚度L。时)防护时间增加的分钟数。

如果θ。表示层L。的防护时间，就可以藉助于系数K将层L(L＞L。)的防护时间Q表示为以下关系式：

θ=θ。+K (L一L。··············(3)

或θ=KL一CKL。一θ。)··········· (4)

如果用r表示括号部分，则

r=KL。一θ。

这样，方程(4)即变成下式：

θ=KL一r(L＞Lo)...···············(5)

这个方程式通称为Shilov方程式。

    方程式中r这个量值表示动力学因数(吸附速率〕对吸附剂层的防护时间的影响。在图1中r值由OD部分来表示。

Shilov方程式常可利用所谓无效层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

无效层的概念仅仅具有形式上的意义，它是通过方程式(6)的形式而推断得出的。按照这个方程式，吸附剂层可以认为是有效部分和不参加吸附部分(无效层)组成的。防护时间与有效层的高度成正比，即与减去无效层以后的炭层的实际高度成正比。在图1中无效层由OH部分来表示。

按照上述观点，凡是高度小于h的所有炭层的防护时间都为零，这与实验结果不完全一致。由于该式的简单性，上述关系仍然被广泛地用于呼吸器设计;特别是h这个量常被用来确定吸附剂的利用程度ŋ，在可比较的条件下ŋ值用来评价吸附剂的性能是有用的。

ŋ由以下关系式来确定：

ŋ= (L一h)/L················· (7)

或ŋ=(O一H)/O···············(8)

式中：h是无效层厚度，L是吸附剂层总的厚度，O是吸附剂层的体积，H是无效层内吸附剂层的体积(H=Sh，式中S是吸附剂层横截面积)。