Властивості вуглекислоти
Фізичні властивості вуглекислотиВуглекислота (СО2, двоокис вуглецю, діоксид вуглецю) – речовина з хімічною формулою СО2 та молекулярною масою 44,011 г/моль, яка може існувати в чотирьох фазових станах – газоподібному, рідкому , твердому та надкритичному. Газоподібний стан СО2 носить загальновживану назву «вуглекислий газ». При атмосферному тиску це безбарвний газ без кольору і запаху, при температурі +20? З щільністю 1,839 кг/м? (в 1,52 рази важче за повітря), добре розчиняється у воді (0,88 об'єму в 1 об'ємі води), частково взаємодіючи в ній з утворенням вугільної кислоти. Входить до складу атмосфери загалом 0,035% за обсягом. При різкому охолодженні рахунок розширення (детандирование) СО2 здатний десублимироваться – переходити одночасно у тверде стан, минаючи рідку фазу. Газоподібний діоксид вуглецю раніше нерідко зберігали у стаціонарних газгольдерах. В даний час такий спосіб зберігання не застосовується; вуглекислий газ у необхідній кількості отримують безпосередньо на місці - шляхом випаровування рідкої вуглекислоти в газифікаторі. Далі газ можна легко перекачати будь-яким газопроводом під тиском 2-6 атмосфер. Рідкий стан СО2 має технічну назву «рідка вуглекислота» або просто «вуглекислота». Це безбарвна рідина без запаху, середньою щільністю 771 кг/м3, яка існує тільки під тиском 3482…519 кПа при температурі 0…-56,5 град.С («низькотемпературна вуглекислота»), або під тиском 3482…7383 кПа при температурі 0…+31,0 град.С («вуглекислота високого тиску»). Вуглекислоту високого тиску отримують найчастіше шляхом стиску вуглекислого газу до тиску конденсації, при одночасному охолодженні водою. Низькотемпературну вуглекислоту, що є основною формою діоксиду вуглецю дляпромислового споживання, найчастіше отримують за циклом високого тиску шляхом триступеневого охолодження та дроселювання у спеціальних установках. При невеликому та середньому споживанні вуглекислоти (високого тиску),т для її зберігання та транспортування використовують різноманітні сталеві балони (від балончиків для побутових сифонів до ємностей місткістю 55 л). Найпоширенішим є 40 л балон з робочим тиском 15 000 кПа, що вміщає 24 кг вуглекислоти. За сталевими балонами не потрібно додатковий догляд, вуглекислота зберігається без втрат протягом тривалого часу. Балони з вуглекислотою високого тиску забарвлюють у чорний колір. При значному споживанні, для зберігання та транспортування низькотемпературної рідкої вуглекислоти використовують ізотермічні цистерни найрізноманітнішої місткості, оснащені службовими холодильними установками. Існують накопичувальні (стаціонарні) вертикальні та горизонтальні цистерни місткістю від 3 до 250 т, цистерни, що транспортуються місткістю від 3 до 18 т. Цистерни вертикального виконання вимагають будівництва фундаменту і використовуються переважно в умовах обмеженого простору для розміщення. Застосування горизонтальних цистерн дозволяє зменшити витрати на фундаменти, особливо за наявності загальної рами з вуглекислотною станцією. Цистерни складаються з внутрішньої зварної посудини, виготовленої з низькотемпературної сталі та має пінополіуретанову або вакуумну теплоізоляцію; зовнішнього кожуха із пластику, оцинкованої або нержавіючої сталі; трубопроводів, арматури та приладів контролю. Внутрішня і зовнішня поверхні звареної судини піддаються спеціальній обробці, завдяки чому знижена ймовірність поверхневої корозії металу. У дорогих імпортних моделях зовнішній герметичний кожухвиконаний з алюмінію. Використання цистерн забезпечує заправку та злив рідкої вуглекислоти; зберігання та транспортування без втрат продукту; візуальний контроль маси та робочого тиску при заправці, в процесі зберігання та видачі. Усі типи цистерн оснащені багаторівневою системою безпеки. Запобіжні клапани дозволяють проводити перевірку та ремонт без зупинки та спорожнення цистерни. При миттєвому зниженні тиску до атмосферного, що відбувається при упорскуванні в спеціальну розширювальну камеру (дроселювання), рідкий діоксид вуглецю миттєво перетворюється на газ і найтоншу снігоподібну масу, яку пресують і отримують діоксид вуглецю в твердому стані, який носить ». При атмосферному тиску це біла склоподібна маса щільністю 1562 кг/м², з температурою -78,5 °С, яка на відкритому повітрі сублімується – поступово випаровується, минаючи рідкий стан. Сухий лід може бути отриманий безпосередньо на установках високого тиску, застосовуваних для отримання низькотемпературної вуглекислоти, з газових сумішей, що містять СО2 в кількості не менше 75-80%. Об'ємна холодопродуктивність сухого льоду майже в 3 рази більша, ніж у водяного льоду, і становить 573,6 кДж/кг. Твердий діоксид вуглецю зазвичай випускають у брикетах розміром 200×100×20-70 мм, у гранулах діаметром 3, 6, 10, 12 та 16 мм, рідко у вигляді тонкого порошку («сухий сніг»). Брикети, гранули та сніг зберігають не більше 1-2 діб у стаціонарних заглиблених сховищах шахтного типу, розбитих на невеликі відсіки; перевозять у спеціальних ізотермічних контейнерах із запобіжним клапаном. Використовуються контейнери різних виробників місткістю від 40 до 300 кг та більше. Втрати на сублімацію складають залежно від температури.навколишнього повітря 4-6% і більше на добу. При тиску понад 7,39 кПа і температурі більше 31,6 град.С діоксид вуглецю знаходиться в так званому надкритичному стані, при якому його щільність як у рідини, а в'язкість і поверхневе натяг як у газу. Ця незвичайна фізична субстанція (флюїд) є чудовим неполярним розчинником. Надкритичний CO2 здатний повністю або вибірково екстрагувати будь-які неполярні складові з молекулярною масою менше 2 000 дальтонів: терпенові сполуки, воски, пігменти, високомолекулярні насичені та ненасичені жирні кислоти, алкалоїди, жиророзчинні вітаміни та фітостерини. Нерозчинними речовинами для надкритичного CO2 є целюлоза, крохмаль, органічні та неорганічні полімери з високою молекулярною вагою, цукру, глікозидні речовини, протеїни, метали та солі багатьох металів. Маючи подібні властивості, надкритичний діоксид вуглецю все ширше застосовується в процесах екстракції, фракціонування та імпрегнації органічних та неорганічних речовин. Він також є перспективним робочим тілом для сучасних теплових машин.
Питома вага. Питома вага вуглекислоти залежить від тиску, температури та агрегатного стану, в якому вона знаходиться. Критична температура вуглекислоти +31 град. Питома вага вуглекислого газу за 0 град і тиску 760 мм рт.ст. дорівнює 1, 9769 кг/м3. Молекулярна вага вуглекислого газу 44,0. Відносна вага вуглекислого газу, порівняно з повітрям, становить 1,529. Рідка вуглекислота при температурах вище 0 град. значно легше води, і її можна зберігати лише під тиском. Питома вага твердої вуглекислоти залежить від методу її одержання. Рідка вуглекислота при заморожуванні перетворюється на сухий лід, що представляє прозоре .тверде склоподібне тіло. У цьому випадку тверда вуглекислота має найбільшу густину (при нормальному тиску в посудині, що охолоджується до мінус 79 град., Щільність дорівнює 1,56). Промислова тверда вуглекислота має білий колір, за твердістю близька до крейди, її питома вага коливається в залежності від способу отримання в межах 1,3 - 1,6. Рівняння стану. Зв'язок між об'ємом, температурою та тиском вуглекислого газу виражається рівнянням V= R T/p – A, де V – об'єм, м3/кг; R - Постійна газова 848/44 = 19,273; Т - температура, К град.; р тиск, кг/м2; А – додатковий член, що характеризує відхилення від рівняння стану ідеального газу. Він виражається залежністю А = (0,0825 + (1,225) 10-7 р) / (Т/100) 10/3. Потрійна точка вуглекислоти. Потрійна точка характеризується тиском 5,28 ата (кг/см2) та температурою мінус 56,6 град. Вуглекислота може перебувати у всіх трьох станах (твердому, рідкому та газоподібному) тільки в потрійній точці. При тисках нижче 5,28 ата (кг/см2) (або при температурі нижче мінус 56,6 град.) вуглекислота може бути тільки у твердому та газоподібному станах. У пародіжкісної області, тобто. вище за потрійну точку, справедливі наступні співвідношення
x і у - частка речовини в рідкому та пароподібному вигляді; i' – ентальпія рідини; i'' – ентальпія пари; i – ентальпія суміші. За цими величинами легко визначити величини x і у. Відповідно для області нижче за потрійну точку будуть дійсні наступні рівняння:
i'' – ентальпія твердої вуглекислоти; z – частка речовини у твердому стані. У потрійній точці для трьох фаз є також лише два рівняння
i' x + i'' у + i''' z = i,
Знаючи значення i, 'i', 'i''' для потрійної точки і використовуючи наведені рівнянняможна визначити ентальпію суміші для будь-якої точки. Теплоємність. Теплоємність вуглекислого газу за температури 20 град. і 1 ата становить Ср = 0,202 і Сv = 0,156 ккал/кгград. Показник адіабати k = 1,30. Теплоємність рідкої вуглекислоти в діапазоні температур від -50 до +20 град. характеризується наступними значеннями, ккал/кгград. : Град.С -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Ср, 0,47 0,49 0,515 0,514 0,517 0,6 0,64 0,68
Точка плавлення. Плавлення твердої вуглекислоти відбувається при температурах і тисках, що відповідають потрійній точці (t = -56,6 град. і р = 5,28 ата) або що знаходяться вище її. Нижче потрійної точки сублімує тверда вуглекислота. Температура сублімації є функцією тиску: при нормальному тиску вона дорівнює -78,5 град., У вакуумі вона може бути -100 град. та нижче.Ентальпія. Ентальпію пари вуглекислоти в широкому діапазоні температур і тисків визначають за рівнянням Планка і Купріянова.
i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t – 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3), де
I – ккал/кг, р – кг/см2, Т – град.К, t – град.С. Ентальпію рідкої вуглекислоти в будь-якій точці можна легко визначити шляхом віднімання з ентальпії насиченої пари величини прихованої теплоти пароутворення. Так само, віднімаючи приховану теплоту сублімації, можна визначити ентальпію твердої вуглекислоти.Теплопровідність. Теплопровідність вуглекислого газу при 0 град. становить 0,012 ккал/мчасград.З, а при температурі -78 град. вона знижується до 0,008 ккал/мчасград.С. Дані про теплопровідність вуглекислоти в 104 ст. ккал/мчасград.С при плюсових температурах наведено у таблиці. Тиск, кг/см2 10 град. 20 град. 30 град. 40 град.
1 130 136 142 148
20 - 147 152 157
40 - 173 174 175
Теплопровідністьтвердої вуглекислоти може бути обчислена за формулою:
236,5 / Т1, 216 ст., Ккал / мчасград.С.
Коефіцієнт теплового розширення. Об'ємний коефіцієнт розширення а твердої вуглекислоти розраховують залежно від зміни питомої ваги та температури. Лінійний коефіцієнт розширення визначають за виразом b = a/3. У діапазоні температур від –56 до –80 град. коефіцієнти мають такі значення: а105ст. = 185,5-117,0, b 105 ст. = 61,8-39,0. В'язкість. В'язкість вуглекислоти 10 6ст. залежно від тиску та температури (кгсек/м2)
Тиск, ата -15 град. 0 град. 20 град. 40 град.
5 1,38 1,42 1,49 1,60
30 12,04 1,63 1,61 1,72
75 13,13 12,01 8,32 2,30
Р – парціальний тиск газу над рідиною; Х - кількість газу в молях; Н - коефіцієнт Генрі. Рідка вуглекислота як розчинник. Розчинність мастила в рідкій вуглекислоті при температурі -20град. до +25 град. становить 0,388 г в100 СО2, і збільшується до 0,718 г 100 г СО2 при температурі +25 град. С. Розчинність води в рідкій вуглекислоті в діапазоні температур від -5,8 до +22,9 град. становить трохи більше 0,05% за вагою.
Техніка безпеки За ступенем впливу на організм людини газоподібний діоксид вуглецю відноситься до 4-го класу небезпеки за ГОСТом 12.1.007-76 «Шкідливі речовини. Класифікація та загальні вимоги безпеки». Гранично допустима концентрація у повітрі робочої зони не встановлена, при оцінці цієї концентрації слід орієнтуватися на нормативи для вугільних та озокеритових шахт, встановлені в межах 0,5%. При застосуванні сухого льоду, при використанні судин з рідкою низькотемпературною вуглекислотою повинно забезпечуватися дотримання заходів безпеки, що запобігають обмороженню рук іінших ділянок тіла працівника.