3. АНАЛИЗ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
В условиях современных производств лабораторные (аналитические) методы и ручные приборы с индикаторными трубками не всегда обеспечивают эффективный контроль состояния воздушной среды, так как опасные концентрации газов и паров в воздухе рабочей зоны могут создаваться за короткие сроки и процесс возникновения опасной ситуации носит случайный характер. Поэтому автоматический контроль загазованности воздуха рабочей зоны становится необходимым элементом контроля и управления химико-технологическими процессами. Для этой цели предназначены автоматические газоанализаторы контроля предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе и сигнализаторы довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров, которые применяют самостоятельно и в системах защиты и сигнализации [3].
Автоматический газовый анализ, в частности анализ воздуха, представляет собой совокупность операций, осуществляемых газоаналитическими приборами автоматически, без участия человека. При контроле воздушной производственной среды наиболее широко применяют два типа газоаналитических приборов: газоанализаторы и сигнализаторы.
Газоанализатор — средство измерений содержания одного или нескольких компонентов в газовой смеси. Автоматический газоанализатор представляет собой прибор, в котором отбор пробы воздуха, измерение концентрации контролируемого компонента, выдача и запись результатов анализа, а затем и удаление пробы осуществляются автоматически по заданной программе без участия обслуживающего персонала. В зависимости от режима работы газоанализаторы подразделяют на непрерывного и циклического действия. По возможности пере-
мещения в процессе эксплуатации газоанализаторы подразделяют на стацио-
нарные, передвижные и переносные.
Сигнализатор — прибор, осуществляющий только сигнализацию о достижении заранее установленного значения концентрации анализируемого компонента (или их суммы) и не предназначенный для количественной оценки фактической концентрации до или после срабатывания сигнализатора. Для обеспечения взрывобезопасности технологических процессов используют автоматические сигнализаторы довзрывоопасных концентраций — приборы, осуществляющие автоматический контроль концентрации горючих газов, паров и их смесей в воздухе и выдачу сигналов о достижении заранее установленного интервала значений довзрывоопасных концентраций и не предназначенные для количественной оценки концентрации до и после момента выдачи сигналов. Автоматические сигнализаторы не обладают высокой чувствительностью, так как нижний концентрационный предел взрываемости (НКПВ), как правило, многократно превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) вредного вещества в воздухе. Учитывая возможность быстрого нарастания опасной концентрации горючих газов и паров в случае аварии, данные приборы должны обладать малой инерционностью.
51
Автоматические газоанализаторы обеспечивают:
1)быстроту измерения и регистрации концентрации вредного вещества в воздухе;
2)звуковую и световую сигнализации о превышении санитарных норм содержания вредных веществ в воздухе на месте измерения или в диспетчерских пунктах с включением в необходимых случаях аварийной вентиляции;
3)объективность оценки загазованности воздушной среды;
4)экономию затрат рабочего времени при контроле состояния воздушной среды;
5)возможность установки в труднодоступных и опасных местах, а также в передвижных лабораториях.
Исходя из опыта эксплуатации автоматических газоанализаторов для
контроля вредных веществ в воздухе, они должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
1)пределы измерения газоанализаторов должны устанавливаться в зависимости от ПДК определяемого вредного вещества, при наличии нескольких диапазонов измерения прибор должен автоматически переключаться на более высокие концентрации;
2)нижний предел измерения должен быть не более 0,5 ПДК, а верхний — не ниже 5 ПДК;
3)граница суммарной погрешности измерения не должна превышать ±25 %;
4)газоанализатор должен избирательно измерять концентрацию вредного вещества в присутствии сопутствующих примесей;
5)прибор должен иметь звуковую и световую сигнализацию;
6)простота конструкции, обслуживания, надежность в работе.
3.1. Автоматические сигнализаторы довзрывоопасных концентраций
Термохимические сигнализаторы. Принцип работы термохимического сигнализатора основан на измерении теплового эффекта химической реакции окисления избытком кислорода воздуха определяемого горючего вещества в присутствии катализатора.
По типу катализатора и чувствительного элемента промышленные термохимические газоаналитические приборы могут быть разбиты на три группы:
приборы с нагретой платиновой нитью, служащей одновременно катализатором и чувствительным элементом;
приборы с платино-палладиевым катализатором и термистором (или термометром сопротивления) в качестве чувствительного элемента;
приборы с насыпным катализатором (платина, нанесенная на поверхность пористого носителя, или гопкалит) и малоинерционным чувствительным элементом для фиксирования незначительных перепадов температур.
Термохимические сигнализаторы по сравнению с серийно выпускаемыми сигнализаторами, основанными на пламенно-ионизационном, искровом и аэрогидродинамическом методах анализа, имеют следующие преимущества:
52
1)простота конструкции, могут быть стационарными и переносными;
2)могут выпускаться во взрывозащищенном и искробезопасном исполнении, что создает удобства для измерения непосредственно в местах скопления горючих газов и паров;
3)малая инерционность, что важно для своевременной информации о загазованности;
4)универсальность метода анализа позволяет создать сигнализаторы для контроля большинства горючих газов, паров и их смесей;
5)по конструкции и способу подачи газовой пробы датчики сигнализаторов могут быть проточными и конвекционными;
6)по конструкции сигнализаторы могут быть одноканальными и многоканальными;
7)сигнализаторы просты в обслуживании, технологичны в изготовлении, имеют малую потребляемую мощность, невысокую стоимость.
Применение термохимических сигнализаторов ограничивается присутствием в контролируемой газовой смеси соединений хлора и серы, являющихся каталитическими ядами чувствительных элементов приборов [3].
Термохимический принцип использован в ряде выпускаемых отечественной промышленностью переносных (ПГФ, СТХ-5, ИВП) и стационарных (СТХ-3, СТХ-6, СТХ-7, ЩИТ-1У4, ЩИТ-2, СТМ) газоаналитических приборов.
Сигнализатор СДК-3 — стационарный автоматический прибор непрерывного действия, предназначенный для контроля довзрывоопасных концентраций органических веществ в воздухе производственных помещений, в том числе хлорорганических веществ. Сигнализатор состоит из блоков ПСК и БЭ-5. Блок ПСК (преобразователь с системами контроля) включает в себя преобразователь ПП и элементы контроля и регулирования газовых и жидкостных потоков. Преобразователь ПП имеет взрывобезопасный уровень взрывозащиты и может устанавливаться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок всех классов. Элементы контроля и регулирования газовых и жидкостных потоков, входящие в состав блока ПСК, не содержат электрических частей, поэтому блок ПСК, как и преобразователь ПП, может устанавливаться во взрывоопасных помещениях. Электронный блок БЭ-5 относится к электрооборудованию общего назначения и должен устанавливаться в невзрывоопасных помещениях. Электронный блок может устанавливаться на расстоянии до 150 м от блока ПСК по пути прокладки кабеля.
Искровые сигнализаторы. Принцип действия этих сигнализаторов основан на непосредственном испытании на взрываемость с помощью электрической искры контролируемого объема анализируемой среды, предварительно обогащенной в заданном соотношении горючим газом. Благодаря указанному принципу искровые сигнализаторы отличаются от сигнализаторов других типов, основанных на косвенных методах измерения, тем, что позволяют определять непосредственную характеристику взрывоопасности (например, в долях от нижнего концентрационного предела воспламенения — НКПВ), причем независимо от природы и количества горючих компонентов в анализируемой среде.
53
Преимущества искровых сигнализаторов перед термохимическими проявляются в возможности анализа особо агрессивных веществ, содержащих хлор, фтор, мышьяк, серу, сурьму, являющихся ядами для чувствительных элементов термохимических сигнализаторов.
Серийно выпускают пневматический сигнализатор СВИП-1, являющийся промышленным автоматическим прибором непрерывного циклического действия. К недостатку сигнализаторов типа СВИП следует отнести необходимость использования горючего газа для питания прибора, вследствие чего прибор имеет довольно сложную систему подготовки газовой смеси. Все узлы, контактирующие с контролируемой средой, выполнены из коррозионностойкого материала — титана.
На основе метода искусственного воспламенения разработан и выпускается переносной сигнализатор ПСИ-1, являющийся прибором периодического действия. ПСИ-1 не имеет электрического и пневматического питания, все операции (забор пробы, дозирование горючего газа, формирование искры) легко и просто выполняет оператор вручную с помощью насоса типа медицинской груши, дозатора на элементах УСЭППА и пьезозажигалки. В приборе имеется автономный источник горючего газа (водорода), выполненный в виде емкости (объема) с техническим манометром и ниппелем для заправки от баллона высокого давления. Датчик прибора имеет взрывозащищенное исполнение. Приспособления для заправки горючим газом и для забора пробы из труднодоступных мест имеются в комплекте запасных частей (ЗИП). Предусмотрена возможность контроля работоспособности прибора в любой момент простейшим способом.
3.2. Автоматические газоанализаторы вредных веществ в воздухе
Промышленные автоматические газоанализаторы в зависимости от принципа действия (метода анализа) подразделяют на механические, звуковые и ультразвуковые, тепловые, магнитные, электрохимические, ионизационные, оптические, полупроводниковые, комбинированные (термомагнитные, оптикоакустические и др.). В отечественной практике автоматического контроля ПДК вредных веществ в воздухе наиболее широко применяют оптические, главным образом фотоколориметрические, электрохимические, ионизационные и хемилюминесцентные газоанализаторы.
Фотоколориметрические газоанализаторы. Действие указанных приборов основано на цветных избирательных реакциях между реактивом-индикатором а растворе, на ленте или специальном порошке и анализируемым компонентом газовоздушной смеси. При этом мерой концентрации определяемого компонента является интенсивность окраски образующихся продуктов реакции. Фотоколориметрические газоанализаторы обладают довольно высокой чувствительностью и избирательностью, что достигается выбором характерного химического реактива, используемого для приготовления индикаторного средства.
Преимуществом фотоколориметрического метода является возможность создания на его основе универсальных конструкций, так как один и тот же
54
прибор с разными индикаторными растворами может быть использован для определения различных вредных веществ. Определяющим при этом является наличие фотоколориметрической методики для автоматического анализа, отвечающей следующим требованиям: устойчивость реактивов во времени, минимальное время образования окрашенного соединения, чувствительность и специфичность реакции, отсутствие сложных операций (кипячение, экстракция), небольшое число реактивов, их невысокая токсичность, пожаро- и взрывоопасность, доступность, несложность приготовления растворов.
По принципу действия фотоколориметрические газоанализаторы подраз-
деляют на жидкостные, ленточные и порошковые.
Вжидкостных газоанализаторах реакция протекает в растворе, а концентрацию определяемого компонента измеряют по светопоглощению раствора. Достоинством приборов этого типа является более высокая точность измерения и возможность применения индикаторных растворов, содержащих концентрированные кислоты, что важно для контроля малореакционных при обычных условиях веществ (формальдегид, спирты, углеводороды). Однако в связи с наличием в них ряда механических устройств, обеспечивающих перекачивание и дозирование жидкости и газов, их конструкция отличается сравнительной сложностью и громоздкостью, что препятствует широкому их внедрению в практику [4].
Вавтоматических газоанализаторах ленточного типа химическая реакция протекает на текстильной или бумажной ленте, пропитанной соответствующими реагентами заранее (сухая индикаторная лента) либо непосредственно перед ее фотоколориметрированием (мокрая индикаторная лента). О концентрации определяемого вещества судят по ослаблению светового потока, отраженного от участка индикаторной ленты, изменившей окраску в ходе анализа. Применение индикаторных лент позволило упростить конструкцию приборов, уменьшить их габариты и массу, повысить надежность в работе.
Электрохимические газоанализаторы. Из электрохимических методов ана-
лиза для создания автоматических газоанализаторов наиболее широко исполь-
зуют кулонометрический и кондуктометрический методы.
Принцип действия кондуктометрических газоанализаторов заключается
впоглощении газовой смеси жидкой средой и измерении электропроводности раствора. К недостаткам метода относится низкая избирательность, необходимость частой смены электролита и отсутствие линейной зависимости между сигналом прибора и измеряемой концентрацией.
Кулонометрический анализ газов основан на измерении токов электродной реакции, в которую вступает определяемое вещество, являющееся деполяризатором, непрерывно подаваемое в электролитическую ячейку с потоком анализируемого газа, В соответствии с характером протекающей на электроде реакции кулонометрический метод может использоваться для определения восстановителей или окислителей.
Вотличие от других электрохимических методов (полярографического, кондуктометрического, потенциометрического и др.) при кулонометрическом методе ток определяется лишь количеством электрохимически активного веще-
55