способ неразрушающего контроля проницаемости угольных слоев

Формула изобретения

1. Способ неразрушающего контроля проницаемости угольных слоев, включающий импульсное дозирование хорошо сорбирующегося индикаторного вещества в воздушный поток, проходящий через контролируемый слой, и определение коэффициента проницаемости индикаторного вещества через слой с помощью детектора, отличающийся тем, что в качестве индикаторного вещества берут пентакарбонил железа, в качестве детектора используют детектор молекулярных ядер конденсации, а в воздушный поток параллельно с контролируемым слоем устанавливают калиброванный эталон, причем испытание контролируемого слоя и эталона производят в один прием, для чего индикаторное вещество вводят одним импульсом в общий воздушный поток, поступающий в контролируемый слой и эталон, а поток, вышедший из слоя, дополнительно пропускают через буфер, затем объединяют с потоком, вышедшим из эталона, и объединенный поток направляют в детектор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение коэффициента проницаемости производят путем сравнения сигналов детектора, соответствующих массам индикаторного вещества, проникшего через контролируемый слой и через калиброванный эталон.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля проницаемости фильтров из активных углей и может быть использовано в сфере экологии, а также для контроля (в том числе и эксплуатационного) фильтрующих средств защиты органов дыхания.

Известен неразрушающий способ оценки защитной мощности фильтров из активного угля путем импульсной подачи слабосорбирующегося газа (например, СО₂) в поток воздуха, входящий в фильтр, и фиксации параметров газохроматографического пика (высота и время удерживания) на выходе из фильтра (Alvin N.Weiss, Thomas Freund, Residual Protectiv Life of Carbon Beds, Quarterly Progress Reports, Edgewart Arsenal, dec. 1976).

Недостатком этого способа является невозможность испытания фильтров большой производительности (так как требуется освобождение входящего воздуха от содержащегося в атмосфере СО₂ путем его поглощения щелочью). Другой недостаток заключается в невозможности обнаружения механических дефектов снаряжения фильтра. Еще один недостаток связан с сильным влиянием увлажнения слоя на результаты испытания.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является неразрушающий способ оценки динамической мощности угольных слоев по хорошо сорбирующемуся индикаторному веществу (н-бромбутану), разработанный в британском комитете химической защиты СДЕ (М.Е.Smith, A.Bailey, доклад на XV Международной конференции по углероду, секция «Активные угли: химия поверхности и адсорбция», Филадельфия, США, июнь 1981 г.

Способ заключается в кратковременной (2 с) подаче на вход слоя бромбутана в концентрации 13,5 мг/дм³ и определении его концентрации за слоем с помощью галогенного детектора СДЕ.

Недостатком этого способа является низкая информативность, что связано с относительно невысокой чувствительностью детектора (предел обнаружения 10^-5 мг/дм³).

При испытаниях слоев, моделирующих реальные фильтры, удавалось получить сигнал на выходе только тогда, когда степень отработки слоя составляла 60% и более (в предположении, что опасность представляет концентрация 3,5·10^-3 мг/дм³, что соответствует относительно малотоксичным соединениям).

В случае защиты от высокотоксичных соединений, когда опасны концентрации 10^-5 мг/дм³ и менее, описываемая методика позволит фиксировать лишь 100% отработку.

Другой недостаток заключается в невозможности определения механических дефектов снаряжения на опасном уровне коэффициента проницаемости Kn=С/Со 10^-4, где Со - концентрация на входе в слой; С - концентрация на выходе из слоя.

Задачей изобретения является повышение информативности способа и упрощение методики неразрушающего контроля угольных слоев с применением хорошо сорбирующегося индикаторного вещества.

Поставленная задача решается предлагаемым способом неразрушающего контроля проницаемости угольных слоев по коэффициенту проницаемости Kn хорошо сорбирующегося индикаторного вещества пентакарбонила железа (ПКЖ), включающим подачу ПКЖ одним импульсом в общий воздушный поток, поступающий в соединенные параллельно контролируемый слой и калиброванный эталон, пропускание потока, вышедшего из слоя, через буфер, объединение этого потока с потоком, вышедшим из эталона, направление объединенного потока в детектор молекулярных ядер конденсации, регистрацию сигналов детектора и определение коэффициента проницаемости Kn контролируемого угольного слоя путем сравнения сигналов детектора, соответствующих массам индикаторного вещества, проникшего через контролируемый слой и через калиброванный эталон.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что в качестве индикаторного вещества используют пентакарбонил железа (ПКЖ), а в качестве детектора - детектор молекулярных ядер конденсации, в воздушный поток параллельно с контролируемым слоем устанавливают калиброванный эталон, причем испытание контролируемого слоя и эталона производят в один прием, для чего индикаторное вещество вводят одним импульсом в общий воздушный поток, поступающий в контролируемый слой и эталон, а поток, вышедший из слоя, дополнительно пропускают через буфер, затем объединяют с потоком, вышедшим из эталона, и объединенный поток направляют в детектор.

Другое отличие состоит в том, что определение коэффициента проницаемости производят путем сравнения сигналов детектора, соответствующих массам индикаторного вещества, проникшего через контролируемый слой и через калиброванный эталон.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1) и графиками (фиг.2, 3 и 4).

На фиг.1 представлена схема установки контроля угольных слоев по предлагаемому способу, где приняты обозначения:

1 - стабилизатор давления;

2, 7, 8, 14 - регуляторы расхода;

3 - дозатор ПКЖ;

4, 9, 10 - измерители расхода;

5, 24 - запорные клапаны;

6, 13, 21 - фильтры (противогазовые коробки);

11 - калиброванный эталон-разбавитель;

12 - контролируемый угольный слой;

15 - буфер;

16 - ротаметр;

17 - фотореактор;

18 - проявляющее конденсационное устройство;

19 - укрупняющее конденсационное устройство;

20 - фотоэлектрический нефелометр;

22 - ПКЖ;

23 - самописец;

25 - баллон с аргоном;

26 - редуктор.

Неразрушающий контроль угольных слоев и фильтров, содержащих слой активного угля, осуществляют на установке (фиг.1) следующим образом.

1. Заливают в дозатор (3) пентакарбонил железа (при первоначальном запуске установки или при исчерпании ПКЖ).

2. В соответствии с ожидаемой величиной коэффициента проницаемости Kn испытуемых изделий подбирают оптимальный набор эталонов-разбавителей так, чтобы соблюдалось условие

где Kpi=Kэт - произведение коэффициентов разбавления последовательно включенных фильтров-разбавителей, составляющих эталон;

- отношение концентрации (или массы при импульсном дозировании) индикаторного вещества за фильтром-разбавителем к концентрации до него.

Фильтры-разбавители, составляющие эталон, представляют противогазовую коробку, шунтированную капилляром. В зависимости от диаметра капилляра Kpi составляют 10^-3 ÷10^-4. Фильтры-разбавители калибруются по проскоку стандартного аэрозоля, либо по проскоку ПКЖ, либо по соотношению потоков через капилляр и коробку. Коэффициент разбавления Kpi практически не зависит от расхода газа через фильтр-разбавитель.

3. Устанавливают на место подлежащий контролю угольный слой в динамической трубке или в готовом изделии (противогазовой коробке или респираторе).

4. На стабилизаторе давления (1), подсоединенном к сетевому сжатому воздуху, устанавливают требуемое давление Р (обычно 0,5÷1 кгс/см²).

5. С помощью пар «регулятор + измеритель расхода» (2+4; 7+9 и 8+10) устанавливают требуемые величины расхода воздуха v (суммарный расход), v₁ (расход через эталон-разбавитель 11) и v₂ (расход через контролируемый объект 12), а с помощью ротаметра (16) и вентиля (14) - расход через детектор (v_{детект.}).

6. На выходе из редуктора (26) устанавливают давление аргона Р (обычно 0,05÷0,1 кгс/см²).

7. Включают электропитание детектора МоЯК и дают ему прогреться 30 мин.

8. На несколько секунд открывают клапан (24) и снова закрывают. За это время в дозаторе установится давление Р.

9. Включают диаграмму самописца.

10. На несколько секунд открывают клапан (5). При этом в поток с расходом v выбросится масса пара ПКЖ (М), равная

где V - свободный объем дозатора;

- концентрация насыщенного пара ПКЖ при температуре опыта t°C.

Эта масса в соответствии с делением потока на v₁ и v₂ разделится в пропорции:

где М_{1 до2} - масса ПКЖ, подаваемая на эталон; М_{2 до} - масса ПКЖ, подаваемая на контролируемый объект.

За эталоном и объектом соответственно в виде пиков концентрации выйдут массы ПКЖ

Пики концентраций ПКЖ, соответствующие эталону и объекту, разделяются во времени (благодаря буферу (15) в линии объекта) и приходят в детектор МоЯК* (*Например, по патенту РФ № 2061219), состоящий из узлов (16-21). В фотореакторе (16) под действием УФ-излучения и кислорода воздуха молекулы ПКЖ превращаются в молекулярные ядра конденсации (FeO), которые затем подвергаются двухступенчатому укрупнению сначала в пересыщенном паре норвалина в проявляющем устройстве (18), затем в пересыщенном паре диизобутилфталата в укрупняющем устройстве (19). Образовавшийся монодисперсный аэрозоль направляется в фотоэлектрический нефелометр (20) (связанный с самописцем 23), где измеряется его светорассеяние. Текущий фототок нефелометра I пропорционален концентрации ПКЖ С на входе в детектор:

где А - константа.

В результате импульсного дозирования ПКЖ на ленте самописца запишутся последовательно вышедшие два пика фототока, соответствующие массам ПКЖ, проникшего через эталон и через контролируемый слой.

На фиг.2 приведен пример последовательного трехкратного измерения коэффициента проницаемости Kn имитатора дефекта снаряжения фильтра в виде несорбирующего сквозного канала. Приняты обозначения:

I - фототок светорассеяния аэрозоля, мкА; - время с момента открытия клапана (5), с; S_эт - площадь пика, соответствующего эталону; S_к - площадь пика, соответствующего контролируемому слою.

Условия испытания.

М=0,0025 мг

K_эт =8,5·10^-8

v₁=4,5 дм ³/мин

v₂=2,7 дм³/мин

Площади пиков S_эт и S_к соответствуют массам прошедшего через эталон и объект ПКЖ. С учетом формул (3) имеем:

откуда получаем формулу (5) для расчета Kn

Среднее арифметическое значение Kn из результатов трех измерений, представленных на фиг.2, составляет 4,44·10 ^-7.

На фиг.3 представлены результаты испытаний противогазовых коробок ГП-5, шунтированных капиллярами, при различных параметрах буфера и расходах воздуха через буфер (приведены в таблице 1). В качестве буферов использовались U-образные трубки и трубки, свернутые в спираль.

Опытным путем установлено, что оптимальному разделению пиков ПКЖ, соответствующих контролируемому слою и эталону, отвечают время задержки сигнала (определяемое отношением объема буфера V к расходу воздуха через него v) в интервале 10-20 секунд и отношение длины трубки буфера L к ее диаметру D в пределах 100-1000 (см. таблицу 1).

На кривых (1-3) наблюдается неполное разделение пиков, что обусловлено выходом параметров буфера за рамки рекомендуемых интервалов, а именно:

для случая кривой 1 - отношение объема буфера к расходу меньше 10;

для случая кривой 2 - отношение длины трубки буфера к ее внутреннему диаметру больше 1000;

для случая кривой 3 - отношение длины к диаметру менее 100.

Для случая кривой 4 - отношение объема к расходу более 20. Разделение избыточно хорошее, что неоправданно увеличивает время контроля.

Наконец, кривая 5 отвечает оптимальному варианту (полное разделение при минимальном времени контроля): все параметры находятся внутри рекомендованных интервалов.

Таблица 1
N кривой на фиг.3	Объем буфера V, см3	Длина L, см	Диаметр D, см	Расход воздуха v, см3/с	V/v,	L/D	Время контроля, с	Разделение пиков
1	228	688	0,65	32,5	7,0	1058	37	Неполн.
2	750	2250	0,65	75	10	3460	35	Неполн.
3	340	30	3,8	32,5	10,5	7,9	40	Неполн.
4	756	962	1,0	32,5	23,3	962	55	Полное
5	756	962	1,0	57,8	13,1	962	40	Полное

На фиг.4 в сопоставимых координатах представлены результаты испытаний частично отработанных слоев активного угля по предлагаемому способу (кривая 1) и по способу-прототипу (кривая 2). На фиг.4 приняты обозначения:

_o - время защитного действия неотработанного слоя;

- остаточное время защитного действия частично отработанного слоя;

С/Co=Kn - коэффициент проницаемости индикаторного вещества.

Условия испытаний приведены ниже:

ПРОТОТИП

- отработка по н-гексанолу (100% соответствует отработка до С/Со=4·10^-3);

- индикаторное вещество: н-бромбутан;

- масса индикаторного вещества на одно испытание: 0,45 мг в расчете на расход 1 дм³/мин.

ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ

- отработка по н-декану (100% соответствует отработка до С/Со=10^-5);

- индикаторное вещество: ПКЖ;

- масса индикаторного вещества на одно испытание: 0,003 мг в расчете на расход 1 дм³/мин.

Сравнительные характеристики предлагаемого способа и прототипа представлены в таблице 2.

Как видно из данных таблицы 2 и фиг.2, 3 и 4, предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом обладает целым рядом преимуществ:

- предлагаемый способ позволяет получить информацию о степени отработки слоя из активного угля и предсказать оставшийся ресурс практически во всем диапазоне отработок (0÷100%), начиная от неотработанного слоя (фиг.4, кривая 1), тогда как в способе прототипе только начиная с 60% отработки (и то при отработке по малотоксичному веществу до С/Со=4·10^-3 ) - кривая 2.

Если требуется защита от высокотоксичных соединений (С/Со=10^-5), то первая точка кривой 2 будет соответствовать отработке более 100%, т.е. негодному изделию (см. кривую 2а и строку 5 таблицы 2).

Как следует из строки 9 таблицы 2,

- даже при использовании предлагаемого способа и прототипа каждого в своей «нише» степень уменьшения ресурса слоя после однократного измерения Kn составляет в прототипе более 1%, а в предлагаемом способе - менее 0,1%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить многократные измерения коэффициента проницаемости Kn угольного слоя в одном изделии без заметной его порчи и фиксировать степень отработки слоя от 0 до 100%.

Предлагаемый способ проще и менее трудоемок, так как в нем отношение С/Со=Kn индикаторного вещества определяется по результатам одного измерения, тогда как в прототипе для этого требуется два измерения: отдельно Со и С.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на решение поставленной задачи, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного изобретения.