Исследование возможности управления и повышения эффективности процесса регенерации воздуха Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЫВОДЫ

В соответствии с полученными данными и рассчитанными интегральными уровнями загрязнения почти все реки характеризуются высоким качеством воды в верхней части русла и низким качеством в среднем и нижнем течении вплоть до устья.

Русла рек, которые проходят практически полностью вне территории населенных пунктов, промышленных предприятий, рекреационных объектов, практически не загрязнены на всем своем протяжении. Эти реки расположены в западной части Большой Ялты (р. Хаста-Баш, реки возле п. Оползневое и Голубой Залив). Реки г.Ялта, пос. Гурзуф в средней и, особенно, в нижней части течения содержат значительные количества антропогенных загрязнителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Устойчивый Крым. Курортополис Большая Ялта / В.С. тарасенко, В.Г. Ена, И.В. Бережная, А.Н. Олиферов, З.Д. Сапронова, А.Б. Хайтович, А.М. Ярош.-Симферополь: : ИТ Ариал, 2010.-392 с. : ил.

2. Матвеев П.И. Опыт создания ГИС экологического мониторинга источников питьевого водоснабжения в бассейне реки // П.И. Матвеев, Н.С. Глазнева, И.Д. Данилов, С.А. Фаныгин, И.Н. Шахова АгсК^е'^ - 2008.- № 1 (44). - Режим доступа: http://www.dataplus.ru/ARCREV/Number_44/17_VodSnab.htm

УДК 614.7./8

Ревякина Ю. Н., аспирант

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА

В статье исследованы возможности управления и повышения эффективности процесса регенерации воздуха в защитных сооружениях в режиме герметизации. Выделены основные направления, позволяющие без изменения принципиальной конструкции существующих регенеративных установок, повысить их защитный ресурс.

Коллективная защита населения, системы регенерации воздуха, защитные сооружения, регенеративные установки, регенеративный продукт, хемосорбционные процессы.

ВВЕДЕНИЕ

Для Украины, имеющей развитые химическую промышленность, трубопроводный транспорт, эксплуатируемые атомные электрические станции, значительные запасы опасных химических веществ, хранящихся или используемых в различных отраслях народного хозяйства, актуальными являются вопросы защиты населения, рабочего персонала в ЧС, связанных с авариями на этих объектах. Всего в зонах возможного химического заражения проживает около 26 % населения Украины [1].

При этом единственно надежным способом коллективной защиты населения при наступлении ЧС, связанных с заражением атмосферы радиоактивными и опасными химическими веществами, являются убежища гражданской защиты (ГЗ), способные работать в режиме герметизации [2].

Основной проблемой при укрытии людей в защитных сооружениях (ЗС) при III режиме эксплуатации является создание требуемых параметров воздуха по газовому

составу и микроклимату, которые в существующих убежищах создают специальные регенеративные устройства.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Проведенный анализ научно-технической литературы по имеющимся в ЗС ГЗ системам регенерации воздуха (СРВ) показал, что в данных установках процесс регенерации воздуха (ПРВ) осуществляется крайне неэффективно по следующему ряду причин:

1. Регенерации воздуха - экзотермический процесс, в ходе которого регенеративный продукт может разогреваться до 300... 350 0 С, что вызывает сильный разогрев корпуса патрона, газо-дыхательной смеси, и как следствие приводит к повышению температуры воздуха в убежище [3, 4, 5, 6]. В результате для рециркуляции и охлаждения регенерируемого воздуха требуются значительные энергозатраты.

2. Высокие температуры в зоне реакции приводят к неэффективному использованию регенеративного продукта вследствие его спекания, в результате чего лишь треть защитного ресурса регенеративного патрона используется в течение гарантированного срока, что значительно понижает КПД регенеративной установки (РУ) [7, 8].

3. Несовершенство конструкции РУ также значительно понижает эффективность всего ПРВ:

- из-за отсутствия в существующих аппаратах узлов, позволяющих увеличить их динамическую активность, возникает, т. н. ресурс мертвого слоя сорбента [7];

- отсутствие или несовершенство приборов, указывающих степень отработки сорбентов, не позволяет определить запас кислорода и полное время работы установки [7];

- нерегулируемый процесс регенерации может сопровождаться избыточным выделением кислорода, в результате полезное использование регенеративного продукта снижается до 50.70%; [9]

- большие габариты регенеративной установки [4];

Указанные недостатки создают неблагоприятные микроклиматические условия для укрываемых, ведущие к ограничению времени пребывания в убежище [4], и, следовательно, не могут обеспечить надежную защиту при авариях, связанных с выбросом радиоактивных и химически опасных веществ.

Таким образом, в настоящее время остро стоит проблема поддержания требуемых параметров микроклимата и газового состава воздуха в герметизированных помещениях. В связи с чем, совершенствование систем регенерации воздуха, обладающих высокими защитными свойствами, в настоящее время является актуальной задачей.

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Процессы, протекающие при регенерации воздушной среды ЗС, характеризуются высокой сложностью вследствие присутствия множества малоизученных факторов, а также значительной стоимости натурных экспериментов в реальных условиях [6].

В большинстве существующих в Украине защитных сооружениях ПРВ осуществляется в регенеративных патронах РП-2, входящих в установку РУ-150/6, и основан на процессах хемосорбции. Рециркуляция воздуха при работе таких регенерационных установок обеспечивается электроручным вентилятором ЭРВ-600/300 [10,11].

Важнейшими параметрами, влияющими на качество регенеративных процессов в средствах коллективной защиты ГЗ, являются тип используемого регенеративного продукта, его количество, форма; геометрия патрона, а также внешние условия протекания ПРВ (величина объемного расхода воздушной смеси, влажность, температура, концентрация СО2 на входе в РП и т. д.).

Конструктивные параметры патрона и используемый в них продукт закладываются на стадии разработки и не могут варьироваться в процессе

функционирования регенеративного оборудования, что не позволяет рассматривать их в качестве управляемых факторов. В свою очередь внешние условия оказывают непосредственное влияние на характер протекания ПРВ и могут быть управляемы.

В общем виде процесс регенерации с участием продуктов на основе надпероксидов щелочных металлов описывается следующими уравнениями химических реакций [6]:

МO2 + H2O ^ 2МOH + 1^2 + 13 ккал/моль (1),

2МO2 + СО2 ^ М2Шэ + 1,502 + 43 ккал/моль (2),

2МOH + СО2 ^ М2ТО3 + Н2О + 34 ккал/моль (3),

МOH + 0,75Н20 ^ МOН*0,75Н20 + 17 ккал/моль (4),

МOH + Н2О ^ М0Н*Н20 + 20 ккал/моль (5),

МOH + 2Н2О ^ М0Н*2Н20 + 34 ккал/моль (6).

Эти реакции протекают неоднозначно и зависят от условий, в которых находится регенеративный продукт: температуры, соотношения количеств диоксида углерода и влаги в регенерируемом воздухе, скорости воздушного потока и других факторов [3].

В реальном режиме эксплуатации исследований, связанных с повышением качества протекающих реакций (1) - (6) в условиях укрытия населения автору неизвестны.

С целью исследования процессов, протекающих при регенерации воздуха герметизированных помещений ЗС, решались следующие задачи, основанные на определении влияния:

1. влаги в воздухе, поступающем на регенерацию;

2. температурных эффектов на ПРВ;

3. исходной концентрации углекислого газа;

4. объемного расхода воздушной смеси.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Решение поставленных задач проводилось путем анализа соответствующей научно-технической литературы и документации.

Методы испытания регенеративных продуктов основаны на определении динамической активности и мощности рассматриваемых веществ. Основные методики для проведения указанных исследований изложены в работе [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

1. Влияние влаги в воздухе, поступающем на регенерацию

Способ выделения кислорода из кислородсодержащих препаратов основан на химическом взаимодействии углекислого газа и водяного пара с надпероксидами натрия и калия.

Взаимодействие супероксидов с водяным паром и углекислым газом описывается уравнениями реакций (1) и (3).

Выделившееся тепло разогревает препарат и при 100 иС возможно взаимодействие надпероксида с углекислым газом по уравнению (2).

Общую картину хемосорбционного процесса, протекающего в регенеративном патроне, можно представить в следующем виде. Углекислый газ и пары воды, диффундируя к поверхности зерна регенеративного препарата, реагируют с надперекисью с образованием на поверхности зерна твердых продуктов реакции. Процесс хемосорбции паров воды и СО2 на твердой поверхности происходит неравномерно. Углекислый газ труднее проникает в поры зерна из-за меньшей скорости диффузии. В результате получается, что основная масса образующихся карбонатов находится на поверхности регенеративного препарата, а далее в последующих слоях находится гидрат окиси натрия и в центре - неотработанная надперекись. Таким образом, основным агентом регенеративного процесса является влага [13].

При этом в зависимости от температуры пары воды расходуются не только на прямую реакцию выделения кислорода из МО2, но также на гидратацию продуктов реакции.

Суммарно, описанные выше реакции, на примере супероксида калия, можно представить в следующем виде [3]:

АКО2 + BH2O + DCO2 = fK2C03 + р(КОН ПН2О) + m02, (1)

где А, В, D, f, p, n и m - коэффициенты, зависящие от условий протекания реакции.

Исходя из закона сохранения веществ, получаем систему уравнений:

Г

А = 2f + р (по калию);

J 2В = р(1 + 2n) (по водороду); (2)

D = f (по углероду);

2А + В + 2D = 3f + р(1 + n) + 2m (по кислороду).

Для решения и анализа этих уравнений вводятся дополнительно два коэффициента:

- молярный коэффициент влаги, выражающий молярное отношение влаги к диоксиду углерода, участвующих в реакции: ю = B/D, и

- коэффициент регенерации, обозначающий молярное отношение выделившегося кислорода к поглотившемуся диоксиду углерода: Кр = m/D.

После ряда преобразований получим, что:

D = 0,75 A/Кр (3);

m = 0,75A (4);

Кр = 1,5 + 1,5ю / (1 + 2n) (5).

Уравнения (3 - 5) отражают закономерности сорбции СО2 и выделения О2 надпероксидом калия при стационарном (установившемся) процессе работы регенеративного патрона.

Как видно из уравнений (3) и (5), поглощение СО2 в большей степени зависит от присутствия паров воды и продуктов реакции и выражается через коэффициент регенерации.

Поэтому исследование влияния влаги в воздухе, поступающем на регенерацию, является одним из потенциальных управляющих воздействий на эффективность всего ПРВ.

2. Влияние температурных эффектов на ПРВ

Суммарная теплота химических реакций, протекающих при регенерации слагается из теплоты сорбции СО2 и Н2О и составляет 230.290 кДж на 1 моль СО2 или 320.405 кДж на 1 кг регенерируемого воздуха.

Высокая температура в зоне реакции (300.400 °С) в сочетании с легкоплавкостью образующихся веществ является причиной оплывания и спекания кислородсодержащего продукта. В некоторых случаях чрезмерное разогревание продукта может привести к его термическому разложению с образованием дополнительного кислорода, увеличению коэффициента регенерации и снижению поглотительной способности по диоксиду углерода.

Изменение температуры в процессе регенерации представлено в работе [15] (рис. 1).

Исходя из изложенного, следует, что температура процесса непостоянна и существенно влияет, как на качество отработки регенеративного продукта, так и на защитные характеристики установки в целом.

Т, °С

400 350

300 250

200 150

100

50

й слой-3-й слой-4-й слой

t, мин

0

10 20 30 40 50 60 70 80

Рис. 1. Зависимость температуры слоя продукта от продолжительности работы регенеративного патрона:

1-й слой - лобовой, 2,3-й слои - работающие, 4-й слой - замыкающий

Однако при математическом описании процессов, протекающих в герметично замкнутом объеме и влияющих на состав воздушной смеси, зачастую вводится допущение, что процесс регенерации воздуха является изотермический. Такое допущение ограничивает математическое описание ПРВ уравнением материального баланса и уравнением кинетики сорбции. Поэтому при описании процесса хемосорбции, сопровождающегося выделением тепла, следует использовать систему уравнений тепломассопереноса.

Мощность внутренних источников тепла при хемосорбции равна

да

е) = Н^—,

(6)

где Н^ - суммарный тепловой эффект химических реакций, рассчитанный по закону Гесса [15]; отношение да/дТ - скорость сорбции, которая определяется из уравнения кинетики сорбции и в общем случае имеет вид [6,14]:

где а = / (С, Т) - концентрация поглощенного вещества в поглотителе, или количество вещества, адсорбированное весовой или объемной единицей поглотителя; Т -

г*

температура процесса; С - равновесная концентрация, равная текущей величине сорбции.

Таким образом, мощность внутренних источников прямо пропорциональна скорости химической реакции.

При протекании хемосорбции необходимо учитывать как теплообмен между твердой и газовой фазой, так и теплопроводность шихты.

Краевая задача теплопередачи, согласно [15] имеет вид:

(8)

г > 0, т > 0;

где сэрэ - эффективная объемная теплоемкость шихты, Дж/(м3-К); -

среднеинтегральная по сечению температура; а - скорректированное значение

(9) (10)

коэффициента теплообмена; R0 - радиус макета, м; Тс - температура среды, К; С( -объемная теплоемкость газа; Т0 - начальная температура, К; Твх - температура во входном сечении шихты, К.

Уравнение (8) через член qV(z,r) описывает влияние изменения температуры процесса на скорость химической реакции при хемосорбции, что подтверждает необходимость в проведении исследований проблемы теплоотвода от работающей регенеративной установки.

3. Влияние концентрации углекислого газа и расхода воздуха

Уравнения материального баланса процесса регенерации воздуха представляют систему обыкновенных дифференциальных уравнений [6]:

-Г tf ч п f \ f" —

f=l 1 ' Jr=l i=t (11)

cm = ci,

где V - величина герметично закрытого помещения, м3; Gi(t) - объемный расход воздушной смеси через i-тый регенеративный патрон, м3/ч; С'(!) - концентрация j-го компонента воздуха, м3/м3; cf (trx)\ - концентрация j-го компонента на выходе из патрона i, м3/м3; Li - длина i-го патрона, м; о£({)"-и!количество выделяемого/поглощаемого вещества] источником/стоком к,

м

3/ч; Н* it) - количество выделяемого/ поглощаемого вещества j человеком, м /ч; i = 1, и, где п - количество патронов; j = 1,2, где 1 - диоксид углерода, 2 - кислород;

к = 1, т ' где т ' количество источников и стоков, не относящихся к регенеративному оборудованию; ? = где Ъ - количество человек в ЗС.

Первый член правой части системы уравнений (11) характеризует стоки и источники вещества] в регенеративных патронах, второй - остальные стоки и источники в ЗС, а третий -описывает поглощение (выделение) веществ укрываемыми людьми.

Из уравнения материального баланса (11), математически описывающего механизмы протекания ПРВ, следует, что основными параметрами, влияющими на скорость химической реакции при регенерации, являются исходная концентрация углекислого газа и объёмный расход воздуха.

Это подтверждается вычислительным экспериментом, представленным в работе [6] (рис. 2, 3 и 4, 5).

Рис. 2. Изменение концентрации диоксида углерода на выходе из РП при

различном расходе воздуха

С02, %

22

21

20

5 3 м

50 м \ Ом3

1, ч

8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Рис. 3. Изменение концентрации кислорода на выходе РП при различном расходе воздуха

Из анализа рис. 2 и 3 следует, что уменьшение расхода приводит к более качественной обработке входного потока по удалению из нее диоксида углерода, но в то же время приводит к уменьшению количества поглощаемого вещества в единицу времени и, следовательно, к уменьшению скорости выделения кислорода.

Графики на рис. 4, 5 отображают прямую зависимость ПРВ от входной концентрации С02. Повышение концентрации «ускоряет» процесс регенерации, что выражается в увеличении объемов поглощенного диоксида углерода и выделенного кислорода в единицу времени, при этом снижается время защитного действия установки.

СС02 , % 5

4

3

2 1

| | |

5% Т ! ;

\ / ! ............ ........... ...........+...........

у 3%

Д 1 |

[ ! ! !

/ / 1% :

!

--1-- 1

1, ч

0 2 4 6 8 10 12 1 16 18 20 Рис. 4. Изменение концентрации СО2 на выходе из РП при различных его входных концентрациях

Кислород выделяется тем активнее, чем больше С02 на входе в РУ, но и отработка сорбента в этом случае происходит быстрее. При значительном повышении входной концентрации углекислого газа выходная концентрация кислорода достигает пожароопасных уровней.

0

4

СО2, %

28 27

26

25

24

23

22

21 20

0

Рис. 5. Изменение концентрации О2 на выходе из РП при различных входных

концентрациях СО2 ВЫВОДЫ

Анализ результатов проведенных исследований показал:

1. Основным агентом регенеративного процесса является влага, присутствующая в воздухе ЗС. Регулирование количества паров воды, поступающих в регенеративный патрон, в перспективе является одним из управляющих воздействий на весь ПРВ.

2. Температурный эффект процесса регенерации оказывает прямое влияние на качество и скорость протекания реакций поглощения СО2 - выделения О2. Его избыточные величины приводят к неполной отработке регенеративного продукта вследствие его спекания, что значительно сокращает время защитного действия всей регенеративной установки. При этом отведение избыточного тепла от работающей РУ остается мало изученной областью среди всех возможных путей повышения эффективности ПРВ.

3. Скорость подачи газовоздушной смеси, обогащенной углекислым газом, оказывает влияние на процесс поглощения СО2 - выделения О2. Управление ПРВ может осуществляться варьированием расходов воздушной смеси через регенеративные патроны путем изменения величины питающего напряжения двигателей вентиляторов.

4. Анализ результатов позволил отметить зависимость характера протекания ПРВ от текущих концентраций диоксида углерода в объеме герметично закрытого помещения. При определенных входных концентрациях СО2 можно достичь требуемого выделения О2 с максимальной степенью отработки регенеративного продукта.

Таким образом, исследование влияния внешних условий (влажность, концентрация углекислого газа, объемный расход воздуха, температура процесса) на протекание процесса регенерации воздуха, позволит повысить эффективность работы РУ без изменения её принципиальной конструкции при различных режимах работы, путем варьирования указанных факторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нащональна доповщь про стан техногенно'1 та природно'1 безпеки в Укрш'ш у 2010 рощ.

2. Закон Украши Про правовi засади цившьного захисту № 1859-1У вщ 24.06.04.

3. Гудков С. В., Дворецкий С. И., Путин С. Б., Таров В. П. Изолирующие дыхательные аппараты и основы их проектирования: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2008. -188 с.

4. Стратегия развития научно-производственного комплекса Российской Федерации в области разработки и производства систем жизнеобеспечения и защиты человека в условиях химической и биологической опасности: материалы Рос. науч. конф. 14 октября 2009 г. Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Державина, 2009. - 202 с.

5. Стоянов В. У., Ревякина Ю. Н. Системы регенерации воздуха защитных сооружений: перспективные направления развития// Научно-технический сборник «Строительство и техногенная безопасность». - 2009. - Вып. 28, с. 92-75.

6. Путин С. Б. Математическое моделирование и управление процессом регенерации воздуха. - М.: «Машиностроение», 2008. - 176 с.

7. Пак В. В., Ехилевский С. Г. Эффективное использование химически связанного кислорода для защиты дыхания шахтеров и горноспасателей// Науково-практична конференщя «Донбас 2020: наука i техшка - виробництву», 5-6 лютого 2002 р., Донецьк -с.549-553.

8. Стоянов В. У., Ревякина Ю. Н. Анализ и оценка риска возникновения ЧС, обусловленных химическими авариями и катастрофами// Научно-технический сборник «Строительство и техногенная безопасность». - 2009. - Вып. 26, с. 105-109.

9. Регенеративные продукты нового поколения: технология и аппаратурное оформление: монография/ Н. Ф. Гладышев, Т. В. Гладышева, С. И. Дворецкий, С. Б. Путин, М. А. Ульянова, Ю. А. Ферапонтов. - М.: «Издательство Машиностроение-1», 2007. - 156 с.

10. Приказ МЧС Украины «Про затвердження 1нструкцп щодо утримання захисних споруд цившьно! оборони у мирний час» № 653 от 09.10.2006.

11. ДБН В 2_2_5_97. Будинки i споруди. Захисш споруди цившьно'1 оборони.

12. Руководство по лабораторным испытаниям изолирующих противогазов. - М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1959. - 124 с.

13. Горбунов С. В., Пономарев А. Г. Средства индивидуальной и коллективной защиты в чрезвычайных ситуащях: учебное пособие. - Новогорск, 1998. - 255 с.

14. Дворецкий С. И., Матвеев С. В., Путин С. Б., Туголуков Е. Н. Основы математического моделирования и оптимизации процессов и систем очистки и регенерации воздуха: учебное пособие. - Тамбов: Изд-во Тамбов. гос. техн. ун-та, 2008. - 324 с.

15. Балабанов П. В., Кримштейн А. А., Пономарев С. В. Исследование кинетики поглощения углекислого газа и влаги регенеративными веществами путем определения мощности внутренних источников тепла//Вестник ТГТУ. - 2008. - Том 14. № 3, с. 503 - 512.

УДК 628.5

Стоянов В.У., д.т.н., Фридман А.В., аспирант

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ И

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ-ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ

Исследована проблема возможности оценки и прогнозирования химической обстановки в результате чрезвычайных ситуаций на экологически-опасных объектах.

Загрязнение, экологически-опасные объекты, моделирование атмосферного переноса, методика оценки и прогнозирования.