VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
СО2 – “опасно-полезный” газ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды, путешествуя с родителями, меня заинтересовал вопрос: как хранят продукты питания при длительных перелётах? Ведь мясо, сыры, овощи и соки в готовом виде могут испортиться за 12-13 часов полёта. Холодильники на борту самолёта не предусмотрены. А как же тогда? Оказывается, продукты питания поступают на самолёт предварительно замороженными, а хранятся в термобоксах (Приложение 1). Но за счёт чего в них поддерживается холод? Если бы это был обычный лёд, то при его таянии, образовалась бы вода, которая также может повлечь за собой не только лишние неудобства, но и порчу продуктов. И я решил разобраться в этом вопросе более подробно.
Проблема: практическое применение «сухого льда» в промышленности и в бытовых условиях
Цель: получить и расширить знания о таком веществе как «сухой лёд», областях его применения и возможности проведения экспериментов с ним в домашних условиях, а также изучить методы производства жидкой углекислоты.
Задачи:
определить понятие «сухой лёд»;
изучить его физические и химические свойства;
узнать технологию изготовления и области применения;
провести исследования и эксперименты;
разработать памятку работы с «сухим льдом».
Объект исследования: «сухой лёд».
Предмет исследования: процесс взаимодействия «сухого льда» с различными средами.
Гипотеза: если помещать «сухой лёд» в различные среды, то можно наблюдать яркие, познавательные и красивые явления, холодопроизводительности «сухого льда» больше, чем у обычного водяного.
Научная новизна:
- получение новых знаний о свойствах «сухого льда»;
- экспериментальным путём выявлено уникальное свойство «сухого льда» – переход из твердого в газообразное состояние минуя жидкую фазу (сублимация);
- выявление принципиальных отличий между «сухим» и обычным льдом, которые обусловлены различным строением и свойствами этих веществ.
Практическое применение: результаты, полученные в ходе исследования, могут быть использованы на уроках естественнонаучного цикла в основной школе при изучении свойств веществ (твердое, газообразное, жидкое) и внеклассных мероприятиях. Практическую часть, которая представляет собой ряд интересных опытов, можно применять как практическое пособие в различных целях (обучающих, бытовых, развлекательных).
Глава I. Теоретическая часть
Что такое «сухой лёд»?
Всем известная и такая распространённая, вода может существовать в жидкой, твёрдой и газообразной формах. Формула воды - H2O, она же соответствует и твердому состоянию жидкости. Точно так же углекислый газ, имеющий формулу CO2, может существовать не только в газообразном, жидком, но и в твёрдом виде. «Сухой лёд» - это и есть замороженный углекислый газ CO2 (Приложение 2). При обычных условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре) он переходит в парообразное состояние, минуя жидкую фазу. Данный процесс называется сублимация или возгонка. По внешнему виду, он напоминает водяной лёд (отсюда и название). А сухим называется потому, что он вовсе не тает, образуя воду, а сразу переходит в газ.
История изобретения
Принято считать, что первым создал «сухой лёд» французский химик Чарльз Тилори (Тидорье), в 1834 году (Приложение 3). Но, к сожалению, в те времена — это открытие не нашло ещё своего потребителя. Само название «сухой лёд» изначально было зарегистрировано как торговая марка только в 1925 году американской компанией Dry Ice Corporation of America, впервые в истории начавшей коммерческое производство «сухого льда» для продажи его как охладителя. [9]
С этого времени в США стали применять «быструю заморозку» и охлаждение продукции с применением «сухого льда». В основном, это были продукты питания, перевозимые железнодорожными вагонами. В 1932 году производство «сухого льда» значительно увеличилось и достигло 55 тысяч тонн. С этого времени, производство и потребление «сухого льда» стало возрастать и начало приобретать промышленные масштабы.
Одним из важнейших конкурентных преимуществ «сухого льда» перед обычным льдом является то, что его холодопроизводительность практически в 2 раза выше, учитывая одинаковую температуру. [9]
Физико-химические свойства
В твёрдом состоянии двуокись углерода имеет выраженный белый оттенок. В условиях повышенного давления такой лёд принимает невероятно красивую газообразную форму, отчего возникает завораживающий дымовой эффект, так называемый «белый дым». Физические свойства «сухого льда»:
Температура сублимации: -78,50 С.
Плотность: 1561 кг/м3.
Цвет: белый.
При возгонке поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг) теплоты
«Сухой лёд» при нормальном атмосферном давлении обладает особым свойством – испаряться без перехода в жидкое состояние. CO2 имеет тройную точку при температуре -57° С и давлении около 5 атм, поэтому нельзя получить жидкую углекислоту при нормальном атмосферном давлении (т.к. если тройная точка расположена при давлении выше атмосферного, то вещество не переходит в жидкое состояние при нормальных условиях). Интересно ещё и то, что этот любопытный эффект может возникать также и у воды, когда она подвергается воздействию вакуума. [10]
«Сухой лёд» не токсичен, не проводит электричество, значительно легче и холодящее действие гораздо сильнее, чем у льда обыкновенного. 1 кг «сухого льда» может заменить 15 кг льда из воды. А испаряется «сухой лед» в 5 раз медленнее, чем тает обыкновенный лед.
Кристаллическая структура имеет форму почти правильного куба (Приложение 4). Из всех физико-химических свойств основным является существование в газообразной форме. При нагревании вещество улетучивается, этот процесс называется таяние. Однако то, что уникальная формула позволяет миновать жидкую стадию, очень удобно для пищевой промышленности, где он используется для охлаждения. Тара, в которой складируются охлажденные товары, всегда остается чистой. [10]
Двуокись углерода (СО2) относится к числу технически важных веществ, широко применяемых в качестве самостоятельного агента в различных отраслях промышленности. В качестве самостоятельного или сопутствующего продукта двуокись углерода встречается и во многих геохимических, биологических и технологических процессах. Вместе с тем исследование теплофизических свойств СО2 всегда представляло большой интерес и с чисто научной точки зрения. Всё это вполне объясняет появление огромного объёма экспериментальной информации о теплофизических свойствах СО2, накопленной к настоящему времени.
1.4. Технология получения
Уже в 1923 году был разработан промышленный способ получения «сухого льда». Принцип заключался в следующем: очищенный углекислый газ сжижали, охлаждая его при высоком давлении, и храня в больших ёмкостях. Для получения «сухого льда» жидкий СО2 подавали в закрытую камеру гидравлического пресса, где понижали давление до атмосферного. При резком снижении давления из СО2 образуются рыхлый снег и очень холодный газ. Затем образовавшийся снег прессуют под давлением 30-50 атм и получают «сухой лёд», а газ откачивают, сжижают и возвращают в резервуар для хранения.
Человек при вдыхании воздуха даже с 8% содержанием СО2 в течение 30 минут задыхается. А в воздухе, вЫдыхаемом человеком, углекислого газа 4%. Но, углекислый газ доставляет нам истинное наслаждение, если он находится в газированной воде! Её научились делать в конце 19 века после того, как был найден способ получения углекислого газа. СО2 хорошо растворяется в жидкостях, причем в спирте куда лучше, чем в воде, и чем ниже температура жидкости, тем лучше растворимость. Именно способность хорошо растворяться в воде позволило использовать СО2 в производстве газированных напитков. При растворении в воде СО2 образует угольную кислоту, которая улучшает вкусовые качества газированных напитков и не дает размножаться бактериям. В магазинную газированную воду CO2 закачивается под давлением. Например, при давлении в 5 атм газирование воды происходит лучше, чем при нормальном давлении. Поэтому-то и шипит газированная вода, когда вы открываете купленную бутылку. Газ выделяется до тех пор, пока жидкость не придет в равновесие с воздухом. «Убрать» газ из газированной воды совсем легко, если поместить ее под колокол вакуумного насоса и создать там низкое давление. Под действием давления при температурах от –56 до 310 С углекислый газ легко сжижается и получается жидкая углекислота.
В 1940 году научились производить жидкий СО2. В жидком виде углекислый газ можно хранить под давлением в специальных герметических баллонах, т.к. критическая температура (это температура, выше которой углекислый газ нельзя перевести в жидкое состояние при большом давлении) у него выше комнатной (т.е. 31о С). В этих баллонах, при комнатной температуре создают высокое давление (65-70 атм), равное давлению насыщенного пара, при котором жидкость и газ находятся в равновесии. В результате чего газ больше не образуется, и баллоны не взрываются. Зачем же нужна углекислота в таких баллонах? Она используется, например, в огнетушителях, а также для производства газированной воды, в пневматическом оружии, для накачивания шин и камер велосипедных колес. Если же жидкую углекислоту из баллона, где она находится под большим давлением, вылить наружу, то она начнёт стремительно испаряться. В результате испарения температура жидкости будет понижаться, и углекислота, которая не успела испариться, замёрзнет. В результате таких действий получится рыхлый углекислый «снег» – то есть замёрзший углекислый газ.
Процедура получения такого льда достаточно сложная, а как же проще можно получить «сухой лёд»? Удобнее всего вылить жидкую углекислоту из огнетушителя в матерчатый мешок или ткань (Приложение 5). Здесь она будет свободно испаряться, мешок окутывается туманом, а внутри образуется «углекислый снег». «Сухой лёд» можно хранить очень долго в сосуде Дьюара, т.е. в термосе. В крышке должно быть маленькое отверстие, через которое смогут выйти испарения «сухого льда». Иначе внутри возникнет очень высокое давление, и сосуд может взорваться. Можно хранить «сухой лед» и в обыкновенном холодильнике, но не долго. В промышленных масштабах его хранят и транспортируют в изотермических контейнерах. Вряд ли на Земле вы найдете где-либо природный «сухой лёд» … Другое дело на Марсе! Учёным при помощи космических аппаратов удалось зафиксировать на Марсе плотные облака, состоящие из сухого льда – отвердевшего диоксида углерода. Кроме того, в полярных областях Марса обнаружены дюны, покрытые твердым углекислым газом – сухим льдом (Приложение 6).
1.5. Применение «сухого льда»
В настоящее время более востребованным у потребителя считается гранулированный «сухой лёд», так как он обладает более плотной структурой, его дозированное применение намного экономичнее и удобнее. Также, использование блочного сухого льда во многих производствах невозможно, поэтому его приходится дробить, применяя крешер – специальный прибор для измельчения сухого льда, данная процедура занимает некоторое время, что является причиной для снижения производительности труда [1].
В промышленных масштабах «сухой лёд» стал производиться сравнительно недавно: в конце 70-х годов ХХ века.
Чудо лёд используется в технике и пищевой промышленности, в первую очередь, для охлаждения, хранения и перевозки пищевых продуктов, в научно-исследовательских работах для получения низких температур, при испытаниях и сборке некоторых агрегатов в машиностроении, а также при создании эффектов в шоуиндустрии, в медицине и многих других областях. Рассмотрим более подробно.
В термоизолированном контейнере при помощи «сухого льда» продукты могут храниться от 5 до 7 дней. А также, в современном мире он нашёл применение и в очень необычных, интересных устройствах – это дым-машины или иначе генераторы тумана (Приложение 7). Придумали, например, машину для Хэллоуина, которая создаёт мыльные шары, наполненные туманом, или, например, дым-машины для представлений и концертов (Приложение 8). В состав генератора тумана входят ёмкость с «сухим льдом» и ёмкость с подогреваемой водой. При быстром нагревании «сухого льда» его испарения создают плотный, холодный, белый туман из оксида углерода, который тяжелее воздуха и держится пеленой у земли. Этот холодный туман охлаждает окружающий воздух, что приводит к конденсации паров воды, содержащихся в воздухе, и туман еще более усиливается. Опуская «сухой лёд» на разную глубину в горячую воду можно регулировать количество получаемого тумана. [1]
«Сухой лёд» применяется для очистки оборудования на производстве (Приложение 9). Технология криогенной очистки использует сжатый воздух высокого давления и гранулы «сухого льда». При такой обработке поверхностей, небольшие гранулы чудо льда выстреливаются из сопла вместе со сжатым воздухом и, соударяясь с очищаемой поверхностью, удаляют с нее чернила, краску, клей, резину, пластиковое покрытие и так далее. «Сухой лёд» не оставляет жидких или твердых частиц на месте проведения такой обработки — он полностью испаряется, превращаясь в газообразную двуокись углерода. Гранулы льда не являются абразивным материалом, не повреждают саму поверхность, и несут не только кинетическую, но и скрытую тепловую энергию. Резкое снижение температуры поверхности вызывает эффект «термического шока», при котором охлажденные до хрупкого состояния загрязнения отслаиваются от поверхности. Важное преимущество чистки поверхностей «сухим льдом», — это то, что подобный метод, полностью исключает возможность повреждения обрабатываемой поверхностей. Таким же образом очищают не только оборудование, но и вентиляционные шахты и пресс формы, конвейерные ленты и даже фасады зданий. В последнее время всё чаще «сухой лёд» в виде гранул становится заменой пескоструйной обработки на машиностроительных производствах и при производстве автомобильных шин. В частности, Воронежский шинный завод использует «сухой лёд» для очистки форм, которые предназначены для создания формы и протектора шин. Т.к после пескоструйной обработки в формах и деталях остаётся песок, который дополнительно нужно смывать водой, что является далеко не технологично.
Есть ещё один способ применения на производствах при дегазации резервуаров хранения, в пустой резервуар засыпается «сухой лёд», сублимируясь, он устремляется к выходу из резервуара, унося с собой горючие, ядовитые и прочие нежелательные примеси.
Существует технология с помощью, которой «сухой лёд» используется хладагентом в холодильных машинах, т.е. заменителем фреона.
В ресторанной сфере для приготовления коктейлей со спецэффектами и оформления столов: есть целый ряд напитков, приготовление которых основывается на использовании диоксида углерода (Приложение 10). На поверхности жидкости, при опускании маленького кусочка «сухого льда» появятся белые пузыри, дым, и она забурлит; при оформлении фуршетов выкладывают CO2 в красивую посуду на высокой ножке, а в неё помещают блюдо меньшего размера с морепродуктами или на основе свежего фарша. Такая подача эффектно смотрится и сохраняет прохладную температуру.
В цветоводстве: если нужно, чтобы цветы дольше радовали, можно насыпать на поверхность почвы немного «сухого льда», который создаст эффект охлаждения и поможет задержать момент распускания (Приложение 11). Чтобы не навредить растению, необходимо исключить соприкосновение самого растения с гранулами.
При сантехнических работах иногда данное вещество используют в тех случаях, когда нужно изолировать небольшой участок трубопровода (Приложение 12). Для этого на него надевают специальный кожух, под который подаётся жидкий углекислый газ либо закладывается «сухой лёд». В процессе испарения он поглощает большое количество тепла, приводя к образованию так называемой «ледяной пробки» (это единственный способ остановить на время циркуляцию воды, если отсутствуют отсечные вентили).
Проводя отделочные работы, если нужно избавиться от старой керамической плитки, то для облегчения работы стоит посыпать её поверхность «сухим льдом» и подождать, пока он испарится. В результате отдельные элементы сожмутся, и убрать их будет легче. В целом это достаточно трудоёмкий способ, но он идеально подходит для тех случаев, когда нужно заменить повреждённый фрагмент, состоящий всего из нескольких плиток.
В медицине, с помощью «сухого льда», можно быстро и эффективно заморозить биологические образцы, чтобы затем подвергнуть их анализу или поместить на хранение в специальные резервуары. Широко его применение и при использовании для перевозки донорской крови и трансплантатов (Приложение 13).
Помимо всех перечисленных способов применение «сухого льда» было установлено также и в метеорологии (Приложение 14), он отлично подходит для искусственного вызывания осадков. Для этого гранулы сухого льда диаметром около 5 мм выбрасывают с самолёта на верхнюю поверхность переохлажденного облака. Каждая гранула, прежде чем испариться, охлаждает вокруг себя воздух и порождает около миллиона кристаллов льда. Чтобы «засеять» большое дождевое облако, требуется всего несколько килограммов сухого льда. Впервые такой эксперимент был проведен 29 октября 1947 года.
Сотни выполненных во многих странах экспериментов показали, что засевание кучевых облаков «сухим льдом» на определенной стадии их развития может стимулировать дождь (причем из соседних облаков, не прошедших такую обработку, дождь идти не будет). Но всё-таки, то количество осадков, которые выпадают «искусственно», обычно невелико.
Описанные методы еще недостаточно разработаны, и в этой области необходимы дальнейшие исследования. В случае усовершенствования они действительно смогут приобрести важное значение, так как в облаках содержатся колоссальные запасы воды. Например, в 1,6 км3 облака может находиться до 4000 тонн воды.
1.6. Хранение и утилизация
Вещество имеет низкую температуру, именно это обстоятельство обуславливает невозможность хранения «сухого льда» в обычных домашних условиях. Морозильная камера бытовых холодильных приборов не рассчитана на такие жесткие условия эксплуатации. Срок хранения брикетированного изделия достаточно большой, но он напрямую зависит от окружающего воздуха. Если белые гранулы бросить на воду, то создается впечатление кипения, но если сухой лед оказывается внутри жидкости, то при взбалтывании он просто растворяется. Химические свойства сухого льда позволили широко использовать его при изготовлении различных газированных напитков.
Важным аспектом использования «сухого льда» является и его утилизация. Лучший способ утилизации — это позволить невостребованной части испариться до конца. Пусть сублимация закончится естественным путем, в этом случае утилизировать уже будет нечего. Ни в коем случае нельзя выбрасывать остатки в раковину или в унитаз. Стандартный санфаянс не предназначен для этого. Может легко образоваться трещина, которую впоследствии будут невозможно устранить. Нельзя также выкладывать брикеты на столешницу. На ней может образоваться пятно, аналогичное ожогу. Виной всему быстрая реакция изделия на изменения среды.
Глава II. Практическая часть
2.1. Опыты с использованием «сухого льда»
Туман (а может быть дым) как из дым-машины, реально сделать в домашних условиях самим: получить «сухой лёд» из огнетушителя, затем в большую металлическую чашку налить тёплой воды, а потом его добавить в воду. Лёд будет плавать сверху воды и покроется слоем плотного дым-тумана, который потом начнёт «сваливаться» через края этой чашки. Этот дым совершенно безопасен. Он будет стелиться по полу комнаты. Правда, лучше проделывать эту процедуру в проветриваемом помещении (Приложение 15).
Можно сделать самим опыт под названием «Поющий металл». Для этого нужно положить металлическую ложку на «сухой лёд». При контакте металла со льдом, металл начинает издавать громкий пронзительный звук. В ложку можно налить немного воды для того, чтобы пронаблюдать процесс ее замерзания (Приложение 16). (Не нужно забывать, что нужно быть очень осторожным, температура «сухого льда» – -70оС, температура ложки через некоторое время станет такой же! Так, можно обжечь руки! Имея экстремально низкую температуру, к нему можно прикасаться голыми руками, но на очень короткое время и в случае крайней необходимости. Дело в том, что «холодный дым» имеет газовую подушку, которая служит своеобразной защитой рук).
Из-за газа, который постоянно образуется на поверхности «сухого льда», каждый объект, находящийся на его поверхности может быть слегка приподнят. Если поместить тёплую монету в прорезь на куске «сухого льда», она начинает дрожать и издавать звук, как-бы дребезжать (Приложение 17). Но так происходит не от холода, а в результате того, что постоянно при испарении у поверхности льда образуются газы, газовая подушка, которая может поднять монету. Затем газ выходит, и монета падает обратно. Это происходит только до тех пор, пока монета ещё тёплая, когда она остывает, её движение становится незаметным.
Если положить кусочек «сухого льда» на какой-либо легко резонирующий предмет, то возникнет громкий вибрирующий звук. Под действием тёплой чашки лёд начинает усиленно испаряться и возникает газовая подушка, как и в предыдущем случае, которая отталкивает его из чашки и создаёт вибрацию. В зависимости от материала подложки можно получить разные звуки по высоте и громкости. Взяв тёплую алюминиевую пластину и слегка её наклонив, поместив на неё также кусочек CO2,в связи с возникновением газовой подушки, «сухой лёд» легко скользит по наклону, трение становится минимальным, и кусочки льда получают значительное ускорение.
«Сухой лёд» привлекает комаров (Приложение 18). Если насыпать немного данного вещества, то комары полетят на испаряющийся углекислый газ и, скорее всего, забудут про объект, который хотели укусить, т.е. про нас. Скорее всего, это у них в генах, ведь углекислый газ является продуктом дыхания всех теплокровных представителей животного мира.
Так как углекислый газ на 59% тяжелее воздуха, его можно переливать из одного сосуда в другой. СО2 не горит и не поддерживает горение. А в больших количествах может даже гасить пламя, вытесняя из воздуха кислород (Приложение 19). В этом можно легко убедиться, если зажечь спичку, а затем поднести к куску «сухого льда», в итоге пламя начинает быстро гаснуть. Это объясняется тем, что «сухой лёд» быстро испаряется и заполняет воздух вокруг себя тяжёлым углекислым газом. Вытеснение кислорода не даёт спичке гореть дальше. Или же если взять некоторое количество легковоспламеняющейся жидкости, например, бензин и поджечь его, а затем в разгоревшееся пламя бросить несколько кусочков «сухого льда», можно быстро потушить горящий бензин. На основании такого результата были созданы углекислотные огнетушители.
Можно ли определить и увидеть, сколько углекислого газа набралось в стакане? Уровень заполнения стакана углекислым газом можно сделать «видимым»», если пустить в стакан с «сухим льдом» мыльный пузырь. Заполненный воздухом мыльный пузырь будет плавать в стакане по поверхности более тяжелого слоя углекислого газа, хотя внешне это выглядит, как будто пузырь просто плавает в воздухе внутри стакана. Через некоторое время пузырь начнет постепенно погружаться в углекислый газ и опускаться на дно стакана. Если понаблюдать подольше, то можно получить замерзший мыльный пузырь! Однако, не пытайтесь достать из стакана такой пузырь руками, тоненькая ледяная стеночка мыльного пузыря очень хрупка. А при добавлении мыльного раствора в смесь воды и «сухого льда» получаются великолепные мыльные пузыри, наполненные плотным туманом (Приложение 20).
Опасный, но эффектный опыт можно сделать только в присутствии взрослых: если насыпать немного «сухого льда» в пластиковую бутылку, закрыть её крышкой, быстренько отбежать подальше и немного подождать, то скопившийся газ разорвет емкость в клочья (Приложение 21). Точно так же можно запускать ракеты с водой, но для этого необходимы специальные приспособления. А можно взять детский воздушный шарик, насыпать в него немного сухого льда, плотно завязать его и бросить в воду. Сначала шарик утонет, но по мере наполнения газом поднимется на поверхность и взорвется.
2.2. Практическое получение СО2 на ООО «Фармаком»
После теоретического исследования процесса получения «сухого льда», мне стало интересно увидеть всё своими глазами. Обсудив эту тему с руководителем и техническим куратором, которым является мой папа (технический директор ООО «Фармаком»), я узнал, что в процессе брожения при переработке зернового сырья, на заводах по производству спирта или кормовых дрожжей, практический выход жидкой углекислоты составляет около 171 кг из тонны сырья. Во времена СССР, на большинстве этих заводов, было установлено компрессорное оборудование (компрессор 2УП) (Приложение 22) для производства углекислоты, которое сжимало газ до давления 7 МПа непосредственно в баллоны. Для получения жидкой двуокиси углерода осуществлялось дросселирование (это процесс понижения давления газа или жидкости в потоке без совершения работы) с 7 МПа до 1,6 МПа в изотермическую ёмкость. В результате такой операции не вся углекислота переходит в жидкое состояние, что снижает производительность технологического оборудования за счет того, что компрессору приходится дважды сжимать некоторую часть газа. На тот момент потребность в жидкой углекислоте была не большой, а потребность в «сухом льде» вообще практически отсутствовала, поэтому всех всё устраивало.
С момента начала повышения спроса на «сухой лёд», предприятия начали искать более выгодный и эффективный способ производства двуокиси углерода и в жидкой, и в твёрдой форме.
В 2018 году на ООО «Фармаком», которое находится в нашем посёлке (п.г.т. Анна), решили построить современное высокоэффективное производство «сухого льда» и жидкой двуокиси углерода используя мировой опыт и научные разработки ООО «НПО Гипрохолод». Основной целью проекта является получение жидкой двуокиси углерода давлением 16МПа используя общепромышленный воздушный компрессор и не используя при этом дросселирование.
Зная диаграмму фазового равновесия (Приложение 23) был произведен расчет, в результате которого мы выяснили, что для превращения углекислого газа с давлением 1,6 МПа из газообразного состояния в жидкое, необходимо его охладить до -280 С и более. Для этого руководство данного предприятия приняло решение использовать холодильную машину, работающую на фреоне.
1-й этап проекта (производство жидкой углекислоты) запущен и в настоящее время ведётся закупка оборудования для производства «сухого льда» в брикетах и гранулах (Приложение 24).
2.3. Расчёт холодопроизводительности «сухого льда»
Ранее, в теоретической части моей работы, уже сравнивались холодопроизводительности «сухого льда» и обычного водяного, взяв уже готовые цифры, но я решил самостоятельно посчитать это соотношение. Для вычислений воспользуемся формулой:
Qобщ = Qсубл + Qнагр,
где Qсубл = 545 кДж/кг - теплота сублимации, справочная величина;
Qнагр – количество теплоты нагрева холодных паров СО2 от -78,50 С до 00 С.
Qнагр = сг*m*Δt = сг*m*(t1 – t2), Qнагр = сг*m*78,5 ,
где сг – удельная теплоёмкость углекислого газа;
при t = -730 С, сг = 0,735 кДж/кг*0 С (справочная величина);
при t = 20 С, сг = 0,819 кДж/кг*0 С (справочная величина).
Возьмём среднее значение сг = (0,735 + 0,819)/2 = 0,777 (кДж/кг*0 С), а m = 1 кг.
Qнагр = 0,777*1*78,5 = 61 (кДж)
Qобщ = 545 + 61 = 606 (кДж) – холодопроизводительность 1 кг «сухого льда».
Та же самая величина для 1 кг водяного льда составляет Qльда = 330 кДж. Найдём отношение этих двух величин:
Qобщ / Qльда = 606 кДж /330 кДж ≈ 1,84 раза.
Мы получили, что 1 кг «сухого льда» может дать больше холода чем обычный лёд в 1,84 раза и, соответственно, для хранения одного и того же количества продуктов можно использовать в 1,84 раза меньшую его массу.
А если у вас дома вдруг отключат свет и ваш холодильник прекратит свою работу? Мне стало любопытно, сколько же нужно «сухого льда», чтобы выключенный холодильник сможет хранить своё содержимое в течении, например, суток. Для этого узнал справочную величину холодопроизводительности компрессора обычного холодильника, в среднем она равна 150 Вт. Зная, что холодильник в сутки работает примерно 6 часов, рассчитал какое количество холода ему нужно для сохранения той же температуры:
Q = А = N*t, Q = 150 * 6 = 900 (Вт*ч) = 0,9 кВт*ч, переведём (кВт*ч) в (кДж)
Q = 0,9 кВт*ч *3600 с = 3240 кДж.
Мы уже рассчитали, что холодопроизводительность 1 кг «сухого льда» Qс.льда = 606 кДж, значит, чтобы сохранить нужную температуру в отключившемся холодильнике нужно:
m = Q / Qс.льда = 3240 кДж / 606 кДж = 5,3 кг. Оказывается, не так уж и много.
Глава ІІІ. Результаты исследования
3.1. Обработка результатов теоретического исследования
Исходя из той информации, которая была получена в ходе теоретического исследования и тот факт, что исследуемое вещество – «сухой лёд» используют в разных сферах, уже говорит о том, что оно обладает целым рядом полезных свойств. Даже в повседневной жизни мы каждый день сталкиваемся с продуктами, в состав которых входит диоксид углерода, но не замечаем этого. В-первую очередь - это продление срока годности продуктов питания. Диоксид углерода обозначается кодом Е290 и используется как консервант в пищевой промышленности. Его наличие в продукте говорит о том, что сроки хранения увеличены, но при этом все технологические нормы учтены. Он входит в состав консервантов молочной и мясной продукции, а также разрыхляет тесто. Двуокись углерода часто используется кондитерами, потому что этот ингредиент «поднимает» тесто для сладкой выпечки не хуже дрожжей. Удобряет почву, способствуя увеличению урожая. Является приманкой и отвлекающим манёвром для надоедливых насекомых. Помогает бороться с грызунами на производстве, где нельзя использовать химические порошки или любую другую отраву.
Но, к сожалению, наряду с пользой, «сухой лёд» может принести вред организму. Спровоцироватьпроблемы с желудком. Любители газированной воды должны относиться с чувством меры к такой жидкости. Особенно если у человека имеются минимальные проблемы с желудочно-кишечным трактом, это вещество их только усугубит. Самые известные последствия - отрыжка, изжога, вздутие.
«Сухой лёд» - жгуче-холодный продукт и, если работать с ним не аккуратно, без перчаток, можно быстро получить сильный ожог.
А при неправильном хранении вообще может стать причиной травмы. Для хранения «сухого льда» нельзя пользоваться пластиковыми или стеклянными бутылками, потому что в результате испарения — это вещество имеет свойство расширяться в сотни раз. Это может стать причиной сильного взрыва, который будет опасен для человека. Несмотря на то, что это вещество безопасно и нетоксично, любые манипуляции с «сухим льдом» обязательно нужно проводить в просторном помещении, где в любой момент можно открыть окна и проверить его. В редких случаях углекислый газ может вызывать лёгкое недомогание и головокружение.
Чтобы не допустить возможного вредного воздействия вещества на кожу, работать стоит без украшений на пальцах. Особенно тщательно нужно следить, чтобы ледяная крошка «сухого льда» не попала в глаза – это может привести к сильному раздражению. Если это случилось, нужно умыться прохладной водой.
3.2. Обработка результатов практического исследования
В результате практической части, нашего исследования, гипотеза подтвердилась. Я увидел, что, если проявить фантазию и ловкость, помещая «сухой лёд» в различные среды, можно наблюдать яркие, познавательные и красивые явления. Можно самостоятельно рассчитать выгодность использования твёрдого CO2 в сравнении с обычным льдом, а в рамках большого производства такие расчёты будут гораздо сложнее и объёмнее. Широкое внедрение сухого льда в промышленность и торговую сеть возможно лишь при увеличении его выработки, для чего необходимо строительство новых заводов по производству «сухого льда» в ряде районов нашей страны, в частности, в южных.
Заключение
Объектом моего исследования выступал замороженный углекислый газ CO2, также известный как «сухой лёд». В работе рассмотрены его свойства, технология получения, а также области применения. Мы постарались доказать актуальность применения данного вещества и пользу его использования в различных областях жизни, даже в домашних условиях.
Больше всего мне понравилось проводить опыты с «сухим льдом»! Большая часть опытов с ним основана на одном и том же принципе: при контакте с водой «сухой лёд» начинает бурно переходить из твёрдого состояния в газообразное, выглядит это как кипение, только со значительно более ярким и характерным парообразованием. Причём, испаряющийся диоксид углерода, тяжелее воздуха и поэтому пар стелется по поверхности окружающей ёмкости с водой, а не поднимается вверх. Его нахождение в тёплой воде сопровождается очень красивым выделением огромного количества газа. А главное, что этот газ совершенно безопасен.
Список литературы:
Вукалович М.П., Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода, – М., 1965.
Геккер. И. Научные эксперименты дома, – 2011.
Дроздов И.М. Очистка деталей механизмов и машин от загрязнений гранулами сухого льда [Текст] / И.М. Дроздов // Теоретические знания в практические дела: сб. науч. тр. — Омск: Рос. заоч. ин-т. текстил. и легк. пром., 2008.
Орлов В.А., Нечитаева В.А., Богомолова И.О., Шайхетдинова Ю.А., Даминова Ю.Ф. Эффективные методы прочистки трубопроводов. Журнал «Вестник МГСУ», Выпуск № 1 / 2014
Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – 1992.
Тезиков А.Д. Производство и применение сухого льда. – М., 1960.
Шахов B. Г., Чижма С. Н., Дроздов И. М. Анализ физических явлений, происходящих при очистке поверхностей по технологии «сухой лед». Журнал Омский научный вестник, Выпуск № 2 (80) / 2009
http://belgorodkibo.blogspot.com/2014/10/blog-post.html
http://www.ndva.ru/gazi/suhoi_led.html
https://suhoy-led.ru/svojstva-i-harakteristiki-suhogo-lda
http://nashaucheba.ru/v34930/мальгина_е.в.,_мальгин_ю.в._холодильные_машины_и_установки?page=30
Приложения:
Приложение 1. Хранение продуктов в термобоксах на борту самолёта.
Приложение 2. «Сухой лёд»
Приложение 3. Чарльз Тилори (Тидорье)
Приложение 4. Кристаллическая структура сухого льда
Приложение 5. Выливание жидкой углекислоты в тканевый мешок.
Приложение 6. Отвердевший диоксид углерода на Марсе.
Приложение 7. Дым-машина, генератор тумана.
Приложение 8. Машина для Хэллоуина, создающая мыльные шары, наполненные туманом
Приложение 9. Очистка оборудования на производстве.
Приложение 10. Спецэффекты в ресторанном бизнесе.
Приложение 11. В цветоводстве.
Приложение 12. Изоляция участка трубопровода.
Приложение 13. В медицине.
Приложение 14. В метеорологии.
П риложение 15. Дым-туман
Приложение 16. Замерзание воды в ложке.
Приложение 17. Монетка.
Приложение 18. «Сухой лёд» привлекает комаров.
Приложение 19. Вытеснение кислорода СО2.
Приложение 20. Мыльные пузыри с дымом.
Приложение 21. «Сухой лёд» в пластиковой бутылке.
Приложение 22. Компрессор 2УП.
Приложение 23. Диаграмма фазового равновесия.
Приложение 24. План расположения оборудования углекислотной станции производительностью 24 т/сут на ООО «Фармаком»
Холодильная машина
Осушитель и компрессор.
Газгольдер