ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПОГЛОТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР Российский патент 2004 года по МПК G01N1/22 

Заявляемое изобретение относится к области средств современного производственного и экологического контроля состояния и мониторинга окружающей природной среды. В частности, оно относится к поглотительным приборам, применяемым для отбора проб воздушной среды (атмосферного воздуха селитебных территорий, зон защитных мероприятий, санитарно-защитных зон, воздуха рабочей зоны и проч.), с целью проведения последующего химического или какого-либо другого качественного или количественного определения наличия требуемых (например, количество фитонцидов в рекреационной зоне), а также загрязняющих веществ в отобранной пробе воздуха, а следовательно, и в исследуемой воздушной среде.

Изобретение может быть использовано в экологических и других целях в различных отраслях промышленности (химической, медицинской, пищевой и т.д.). Кроме того, оно может быть широко применено в системе Министерства здравоохранения РФ в работе санитарно-эпидемиологических станций (СЭС) и лечебных учреждений (санатории, больницы, профилактории и т.д.), Министерства природных ресурсов РФ, Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, а также другими ведомствами при выполнении экологических инвентаризаций, экспертиз и других научных и практических исследований.

В литературе описаны различные приборы и устройства поглотительного типа, используемые для отбора проб воздушной среды производственных помещений. К ним относятся поглотительные приборы различных авторов: Петри, Полежаева, Рыхтера, Зайцева, Гернет. Также находят применение аспираторы, пылемеры, эжекторы и проч. Кроме того, для отбора проб воздуха используются аэрозольные фильтры и емкости с твердым сорбентом [1, 2, 3, 4]. Перечисленные приборы и устройства используются также с целью отбора проб атмосферного воздуха жилых зон и различных других воздушных проб.

Основным недостатком известных поглотительных приборов и устройств является то, что скорости отбора проб воздуха в них невелики. Только при отборе проб на аэрозольные фильтры расход воздуха может достигать 140 дм³/мин. Малые скорости отбора проб воздуха в поглотительные приборы не позволяют быстро накопить в пробе достаточное для проведения анализа количество загрязнителя (определяемого вещества) в соответствии с современными уровнями предельно допустимых концентраций (ПДК), особенно при анализе атмосферного воздуха селитебных территорий. Сегодня это особенно важно, т.к. для ряда промышленных объектов введены зоны защитных мероприятий, на территории которых необходимо проводить постоянный экологический мониторинг.

Техническая сущность предлагаемого прибора может быть рассмотрена на примере поглотительного прибора для санитарно-гигиенических исследований воздуха (известен как прибор Гернет) [5]. Прибор Гернет выполнен в виде вертикально расположенного сосуда грушевидной формы, снабженного форсункой, служащей для распыления просасываемым воздухом налитой в нижнюю часть сосуда поглотительной жидкости, и имеющего в верхней части патрубок для присоединения к побудителю расхода воздуха (эксгаустеру) [5].

Основные недостатки прибора Гернет связаны с тем, что, как известно, размеры аэрозольного факела, получаемые с помощью форсунок, подобных примененной в приборе, могут достигать нескольких метров [6]. Вместе с тем, конструкция прибора такова, что часть образовавшегося аэрозоля, состоящая в основном из мелкодисперсных частиц, уносится (улетает) из прибора. В то же время даже незначительное изменение скорости воздушного потока (пробоотбора) значительно меняет газо-, гидро- и аэродинамику процесса образования аэрозоля, приводя либо к образованию очень мелкодисперсного аэрозоля (теоретически) при увеличении скорости воздуха, либо резко укрупняя аэрозоль при малейшем уменьшении скорости воздушного потока. Увеличение размера аэрозоля резко уменьшает время контакта поглотительной жидкости с газовым потоком отбираемого воздуха, тем самым уменьшая сорбцию загрязнителей из атмосферного воздуха. При увеличении скорости значительно возрастает унос поглотительной жидкости в виде капле-, брызгоуноса. Увеличение капле-, брызгоуноса приводит к получению заниженных результатов последующего анализа. Эти обстоятельства особенно сказываются в случае отбора больших объемов воздушных проб. Кроме того, прибор Гернет не может быть использован для проведения экспресс-аналитических определений чистоты атмосферного воздуха селитебных территорий из-за того, что скорость отбора пробы воздуха с его помощью невелика и составляет всего 10-20 дм³/мин [5].

Наиболее близким прототипом данному изобретению можно считать "Поглотительный прибор для оценки экологической чистоты воздушного бассейна" [7].

Указанный поглотительный прибор является скоростным и обеспечивает экспресс-анализ экологического состояния воздушного бассейна благодаря возможности отбора проб воздуха с расходом не менее 100 дм³/мин, что позволяет концентрировать воздушные пробы в миллион и более раз за короткое время.

Поглотительный прибор снабжен циклоном брызгоуловителем с выводной трубой, выполненной с двумя адиабатическими расширителями, и питающей трубкой. Генератор аэрозольного факела выполнен в виде трубы Вентури с форсункой орошения. Генератор установлен под вторым адиабатическим расширителем выводной трубы циклона брызгоуловителя и соединен с дном циклона брызгоуловителя питающей трубкой. Применение циклона позволило значительно увеличить расход воздуха при отборе его проб. Достаточную эффективность сорбции обеспечивает генератор аэрозоля. Циркуляция поглотительной жидкости позволяет накапливать загрязнители в пробе [7].

Исследования последних лет позволили выявить недостатки прототипа, заключающиеся в том, что выбранная в качестве генератора аэрозоля труба Вентури, имеющая стандартные углы раскрытия конфузора и диффузора, не обеспечивает полноту раскрытия аэрозольного факела, тем самым снижается эффективность сорбции загрязнителей во время проведения отбора пробы воздушной среды. Кроме того, конструкция форсунки орошения не создает оптимальных условий для образования "развернутого" аэрозольного факела, что в свою очередь уменьшает поверхность контакта воздушного потока с поглотительной жидкостью, и тем самым снижается коэффициент улавливания загрязнителей (и других определяемых веществ) из воздушного потока.

Техническим результатом является создание высокоскоростного поглотительного прибора, обеспечивающего экспрессный экологический контроль состояния и мониторинга окружающей природной среды.

Технический результат достигается предлагаемым высокоскоростным поглотительным прибором. Высокоскоростной поглотительный прибор состоит из циклона с выводной трубой, имеющего два адиабатических разрыва (расширителя), генератора аэрозольного факела в виде трубы Вентури с форсункой орошения, установленного под вторым адиабатическим расширителем циклона капле-, брызгоуловителя, и питающей циркуляционной трубки, соединяющей генератор аэрозольного факела (форсунку орошения) с дном циклона капле-, брызгоуловителя.

Циклон капле-, брызгоуловитель и генератор аэрозольного факела соединены питающей циркуляционной трубкой, обеспечивающей равномерную подачу поглотительной жидкости за счет возникающей системы автоматической обратной связи между газовым потоком и расходом поглощающей жидкости на единицу объема отбираемого атмосферного воздуха.

Генератор аэрозольного факела установлен под вторым адиабатическим расширителем циклона капле-, брызгоуловителя и выполнен в виде нормализованной орошаемой трубы Вентури, обеспечивающей полноту раскрытия аэрозольного факела, включающей форсунку орошения, создающую оптимальные условия для образования "развернутого" аэрозольного факела.

Нормализация трубы Вентури, выполненная за счет угла раскрытия диффузора 10-20°, позволила при одинаковых внешних размерах прибора увеличить объемный расход отбираемого воздуха от 1,5 до 1,7 раза, т.е. отбирать пробы воздуха вместо расхода 100 дм³/мин с расходом 150 и даже 170 дм³/мин.

Разработка конструкции форсунки, выполненной с косым срезом рабочего торца под углом α=25-70°, расположенным или вверх, или вниз, или влево, или вправо и установленной в последней трети горловины трубы Вентури по ходу движения газожидкостной фазы по трубе Вентури, позволила увеличить расход орошающей воздушный поток жидкости на единицу объема воздуха примерно в 1,5 раза, что привело к образованию более плотного ("сплошного", "развернутого") аэрозольного факела. Дополнительно уплотнение аэрозольного факела связано с тем, что аэрозольный факел стал вращающимся, т.е. проекцию его движения можно рассматривать как некую гипотетическую спираль, движущуюся вдоль условной оси диффузора. Длина аэрозольного факела значительно возросла, что обеспечило пропорциональное увеличение времени контакта воздух - поверхность поглощающей жидкости.

Кроме того, совместный эффект от проведенной нормализации генератора аэрозоля и разработки конструкции форсунки орошения привел к увеличению коэффициента сорбции загрязнителей из просасываемого воздуха (для некоторых веществ он достигает более 99%). Это происходит за счет увеличения времени контакта воздуха с поглотительной жидкостью в связи с образованием вращающегося аэрозольного факела. Увеличение времени контакта воздух - аэрозольная поверхность жидкости является основным фактором, приводящим к повышению коэффициента сорбции загрязнителей в поглощающую жидкость.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый высокоскоростной поглотительный прибор отличается наличием генератора аэрозольного факела, выполненного в виде нормализованной орошаемой трубы Вентури, обеспечивающей полноту раскрытия аэрозольного факела, включающего форсунку орошения новой конструкции, создающую оптимальные условия для образования "развернутого" аэрозольного факела.

Таким образом, заявляемый высокоскоростной поглотительный прибор соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, используемыми в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, примененные в заявляемом высокоскоростном поглотительном приборе.

На чертеже представлена схема высокоскоростного поглотительного прибора.

Высокоскоростной поглотительный прибор состоит из:

- генератора аэрозольного факела (1), выполненного в виде нормализованной орошаемой трубы Вентури, включающий: конфузор (К), горловину (Г), диффузор (Д) и форсунку орошения (Ф);

- выводной трубы (2), имеющей два адиабатических расширителя (3,4);

- циклона капле-, брызгоуловителя (5);

- конического дна циклона капле-, брызгоуловителя с пробой поглотительной жидкости (6);

- питающей циркуляционной трубки (7).

Высокоскоростной поглотительный прибор работает следующим образом. Перед началом работы в высокоскоростной поглотительный прибор заливается поглощающая жидкость (В). Наиболее часто в качестве поглощающей жидкости используется деионизованная или дистиллированная вода. Высокоскоростной поглотительный прибор подключается к побудителю расхода воздуха (на схеме не показан). Включается побудитель расхода воздуха, обеспечивающий просос требующегося количества воздуха. Воздушный поток проходит через генератор аэрозольного факела (1), выполненный в виде нормализованной орошаемой трубы Вентури, включающей: конфузор (К), горловину (Г), диффузор (Д) и форсунку орошения (Ф). Создается вакуум, благодаря которому по питающей циркуляционной трубке (7) увлекается поглощающая жидкость (В), которая в горловине и диффузоре нормализованной орошаемой трубы Вентури дробится воздушным потоком в мелкодисперсный аэрозоль. Образуется полностью раскрытый "развернутый" аэрозольный факел (А). В аэрозольном факеле проходит первая ступень сорбции (поглощения) загрязнителей из атмосферного (отбираемого) воздуха. Аэрозольный факел (А) поглощающей жидкости (В) сталкивается с внутренней поверхностью корпуса циклона капле-, брызгоуловителя (5) и наружной поверхностью выводной трубы (2) и разбивается о них, образуя два слоя пленки поглощающей жидкости (Б). Эти два пленочных слоя являются второй ступенью поглощения загрязнителей из атмосферного (отбираемого) воздуха. Анализируемый воздух делает несколько оборотов внутри корпуса циклона капле-, брызгоуловителя (5) и меняет направление движения на 180°, ударяясь о поверхность поглощающей жидкости (В), вращающейся на коническом дне циклона капле-, брызгоуловителя (5). Это - третья ступень - инерционное осаждение (поглощение) загрязнителей из отбираемого атмосферного воздуха.

Проба поглощающей жидкости (В) с поглощенными в ней примесями загрязняющих веществ собирается в коническом дне циклона капле-, брызгоуловителя (5). Она предназначена для последующего анализа в лаборатории.

Не содержащий примесей загрязнителей атмосферный воздух вместе с брызгами направляется к нижнему торцу выводной трубы (2) циклона капле-, брызгоуловителя (5). Основная часть брызг оседает на стенках циклона капле-, брызгоуловителя (5), не доходя до торца выводной трубы (2). Для достижения практически полного улавливания брызг из воздушного потока в выводной трубе (2) предусматривается два адиабатических расширителя (3, 4).

После пропускания через высокоскоростной поглотительный прибор требуемого для анализа количества атмосферного воздуха выключается побудитель расхода. Поглощающая жидкость анализируется.

Источники информации

1. Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды. Справочник. Л.: Химия, 1978.

2. Муравьева С.И. и др. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. М.: Химия, 1991.

3. Буковский М.И. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Справ. изд. Книга 2. М.: Химия, 1993.

4. Муравьева С.И. и др. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. М.: Химия, 1988.

5. Гернет Е.В. Авторское свидетельство № 81660, кл. G 01 N 31/06, 1956.

6. Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. Л., Химия, 1972.

7. Демидюк В.В., Васильев В.П. Патент Российской Федерации № 2102720 от 20 января 1998 г. По заявке № 96110611, приоритет изобретения от 28 мая 1996 г. (по классу G 01 N 1/22).

Изобретение может быть использовано для отбора проб воздушной среды: атмосферного воздуха селитебных территорий, воздуха рабочей зоны и т.д. и проведения последующего химического или другого количественного определения требуемых и загрязняющих веществ в отобранной пробе воздуха. Высокоскоростной поглотительный прибор содержит циклон капле-, брызгоуловитель с выводной трубой, имеющий два адиабатических расширителя, генератор аэрозольного факела в виде трубы Вентури с форсункой орошения. Форсунка орошения установлена под вторым адиабатическим расширителем циклона капле-, брызгоуловителя. Прибор имеет питающую циркуляционную трубку, соединяющую генератор аэрозольного факела - форсунку орошения с дном циклона капле-, брызгоуловителя. Форсунка орошения установлена в последней трети горловины трубы Вентури по ходу движения газожидкостной фазы по трубе Вентури. Труба Вентури выполнена с углом раскрытия диффузора 10-20°. Форсунка орошения выполнена с косым срезом рабочего торца под углом α=25-70°. Прибор обеспечивает экспресс-анализ экологического состояния воздушного бассейна благодаря возможности отбора проб воздуха с расходом не менее 100 дм³/мин, что позволяет концентрировать воздушные пробы за очень короткое время. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высокоскоростной поглотительный прибор, содержащий циклон капле-, брызгоуловитель с выводной трубой, имеющий два адиабатических расширителя, генератор аэрозольного факела в виде трубы Вентури с форсункой орошения, установленный под вторым адиабатическим расширителем циклона капле-, брызгоуловителя, и питающую циркуляционную трубку, соединяющую генератор аэрозольного факела - форсунку орошения с дном циклона капле-, брызгоуловителя, отличающийся тем, что форсунка орошения установлена в последней трети горловины трубы Вентури по ходу движения газожидкостной фазы по трубе Вентури, причем труба Вентури выполнена с углом раскрытия диффузора 10-20°, а форсунка орошения выполнена с косым срезом рабочего торца под углом α=25-70°.2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что направление косого среза форсунки расположено или вверх, или вниз, или влево, или вправо.