Глава 9. Общие сведения о смешивании газов.
Цели и задачи главы:
Узнать о правилах пожарной безопасности при работе с кислородом
Узнать о правилах обращения и работы с кислородом
Узнать о применении "правила 40%"
Узнать о различных системах для смешивания газов.
Новые термины в данной главе.
Огнеопасный (пожароопасный) треугольник
Кислородо-совместимая смазка
Адиабатическое нагревание (процесс Дизеля)
Кислородная очистка
Правило 40%
Смешивание парциальных давлений
Смешивание с постоянным потоком
Абсорбция с периодической очисткой абсорбента
Мембранное разделение.
Будучи дайвером, использующим в своих погружениях обогащенные смеси, вы должны иметь возможность получать эти смеси. Вам не нужно знать, как готовить нитрокс самостоятельно, однако, вы должны иметь предсталение о том, как они готовятся, и знать о требованиях к очистке вашего оборудования, налагаемых использованием нитрокса. Некоторые из общеупотребительных методов получения обогащенных смесей рассматриваются в данной главе, обсуждаются их преимущества и недостатки. Смесь, которой вы дышите, должна обязательно иметь соответствующее солдержание кислорода.
1.Обращение и работа с кислородом.
Кислород - удивительный газ. Он может быть как другом, так и врагом. При смешивании газов для использования в аквалангах оператор должен получить соответствующее содержание кислорода в находящейся под высоким давлением смеси. Это может быть выполнено путем смешивания чистого кислорода с азотом или воздухом или путем удаления части азота из воздуха. Главная проблема при смешивании находящегося под высоким давлением кислорода - пожароопасность. Все, что не является полностью окисленным - а это значит, практически все, - будет гореть в находящемся под высоким давлением кислороде при наличии источника воспламенения. Некоторый риск существует и при обращении со смесями, но гораздо больший риск несет обращение с чистым сжатым кислородом. Дайвер, использующий обогащенные смеси, не обязан уметь обращаться с чистым кислородом, но он должен иметь некоторое представление о сопутствующих факторах риска, поскольку кислород начинает использоваться по мере усложнения и расширения деятельности дайвера.
2.Огнеопасный (пожароопасный) треугольник.
Для предотвращения пожара необходимо знать, какие составляющие вызывают пожар и поддерживают его. Эти составляющие изображены на рисунке
в виде так называемого "огнеопасного или пожароопасного треугольника". Огонь - быстрая химическая реакция между топливом и кислородом (окислителем), которая может возникнуть только при наличии источника воспламенения (тепла). Окисление может протекать и без возгорания, как, например, в процессе ржавения. Огонь же возникает при наличии источника воспламенения (тепла). После воспламенения в ходе химической реакции горения выделяется энергия (тепло), которая и поддерживает дальнейшее горение. Если мы удалим одну из составляющих (топливо, кислород, источник воспламенения), огонь не может возникнуть. Если, таким образом, одновременно не имеются в наличии все три составляющих, возгорание будет предотвращено. Если пламя уже существует, удаление одной из составляющих приведет к угасанию пламени. Это основы теории борьбы с пожаром. Еще один важный момент состоит в том, что огонь должен распространяться для того, чтобы поддерживать свое существование. Иногда стремление к распространению огня даже добавляют в качестве еще одной составляющей вышеописанного "треугольника".
3.Кислород.
В рассматриваемых ниже ситуациях кислород присутствует в концентрациях, больших, чем его концентрация в воздухе. Это значит, что окислитель в "огнеопасном треугольнике" по умолчанию присутствует всегда и не может быть удален из этой "формулы пожара". Известно всем, что кислород воздуха при соответствующих обстоятельствах может активно участвовать в реакции горения, так что не должно удивлять, что более высокая его концентрация способна только увеличить риск. Далее, необходимо вспомнить, что увеличенное содержание кислорода в воздухе означает уменьшенное содержание инертного газа. По этой и некоторым другим причинам интенсивность горения зависит от процентного содержания кислорода не линейным образом. Она зависит и от процентного содержания (доли) кислорода в смеси, и от его парциального давления и существенно возрастает при возрастании этих параметров.
4.Топливо.
В данном параграфе мы будем говорить о топливе, имеющемся в газовой системе, обеспечивающей использование газа для дыхания. При высоких давлениях кислорода в случае возгорания сама система может стать топливом для химической реакции, однако для начала возгорания необходимо нечто более легко воспламенимое. Это может быть какая-то отдельная часть системы, растворитель, смазка, мягкие компоненты системы (резина, пластик).
Некоторые типы топлива, имеющиеся в газовых системах, могут быть практически негорючими в обычных условиях и очень горючими в обогащенной кислородом среде. К этим типам топлива относятся силиконовая смазка, силиконовая резина, неопрен, компрессорные смазки, пластиковые и металлические стружки и заусенцы, органические вещества и материалы, пыль различного характера, даже жир на пяльцах. Возможно, наиболее опасным топливом являются различные смазки. Существует распространенное заблуждение о том, что силикон (вероятно, в силу экзотичности названия) безопасен при использовании с кислородом. На самом деле это не так. Существуют специальные кислородно-совместимые смазки, такие как Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Именно такие самазки должны использоваться в кислородно-обогащенной среде.
5.Воспламенение.
Некоторые источники воспламенения очевидны, однако, большинство из них находятся вне газовой системы и нами не рассматриваются. Два главных источника воспламенения внутри системы: трение и сжатие газа в процессе его прохождения по системе. Термин "трение" использован здесь в общем смысле: в смысле наличия каких-либо частиц в газовом потоке или в смысле движения самого газового потока и столкновения его с углами газопроводов или иными препятствиями. Еще одно явление - то самое, которое вызывает нагрев баллона, - может вызвать и возгорание (при выделении достаточного количества тепла). Это тот же самый эффект, который вызывает воспламенение топлива в цилиндрах дизельного двигателя без запальной свечи. Этот эффект носит название "адиабатическое нагревание (процесс Дизеля)".
Резкое открытие и закрытие вентиля цилиндра в процессе сжатия газа может вызвать нарастание температуры до точки воспламенения, а при наличии в газовом потоке загрязнений - и само воспламение. Поэтому в компрессорах не используются клапаны быстрого переключения ("шариковые клапаны").
6.Использование кислородных систем.
Важная мысль данной главы состоит в том, что риск при обращении с кислородом может быть минимизирован путем соблюдения определенных правил при разработке систем и обращении с сними. В частности, важно избегать острых углов и клапанов быстрого переключения, а также использовать соответствующие материалы. Металлы, используемые для изготовления воздушных систем, пригодны и для изготовления кислородных систем. Что касается "мягких составялющих", таких как прокладки, гибкие сочленения, диафрагмы, то они должны быть заменены на кислородно-совместимые. В некоторых случаях основной критерий - меньшая горючесть в кислороде, но в большинстве случаев - повышенная стойкость к кислороду, находящемуся под высоким давлением. Выпускаются специальные наборы, позволяющие превратить воздушное оборудование в оборудование для использования нитрокса.
Необходимо, в частности, выполнять правильную очистку оборудования и поддерживать оборудование в чистом виде, использовать соответствующие смазки, обращаться с газами так, чтобы не вызвать воспламенения, открывать вентили медленно и плавно.
7.Очистка оборудования для использования его с кислородом. Некоторые соображения и относительно очистки оборудования.
Понятие "кислородная очистка" вызывает определенную путаницу в рядах дайверов-любителей. Причина состоит в том, что не вполне ясно, нужна ли очистка оборудования для использования его со смесями, содержащими от 21% до 40% кислорода. Эта проблема имеет более глубокие корни: не существует разработанных и стандартизированных промышленных процедур для обращения со смесями, содержащими некоторое промежуточное количество кислорода в диапазоне от 21% (воздух) до 100% (чистый кислород). Стандарты существуют только на обращение с чистым кислородом; таким образом, любая смесь, содержащая кислорода более 21%, с точки зрения существующих стандартов эквивалентна чистому кислороду. Поэтому, чтобы выполнять все операции в соответствии с промышленными стандартами, приходится обращаться с любой обогащенной сместью как с чистым кислородом.
Ассоциация по сжатым газам CGA, Национальная противопожарная ассоциация NFPA, NASA и ряд других организаций рекомендуют обращаться с газами с промежутчными концентрациями как с чистым кислородом. Это не говорит о том, что они выполнили какие-то исследования в данном диапазоне концентраций. Это говорит лишь о том, что не существует промышленно выработанных и принятых норм, и эти организации предпочитают занимать консервативную позицию. С другой стороны, ВМФ США разработал процедуры, гласящие, что смеси с концентрацией кислорода до 40% с точки зрения обращения могут рассматриваться как воздух. Не было опубликовано никаких результатов тестов, которые могли бы сказать, что это заключение истинно, однако, такой подход практикуется уже многие годы, и отчетов о связанных с этим вопросом аварийных ситуациях не поступало. NOAA приняла этот предел концентрации при работе с обогащенными смесями; NAUI, в общем, тоже, однако, с некоторыми ограничениями.
Чистый сжатый воздух.
Еще одна путаница возникает применительно к понятию "чистоты воздуха". Различные "степени" чистоты дыхательных газов, применяемые различными ассоциациями и организациями (CGA, ВМФ США), сбивают с толку, когда речь ведется о чистоте обогащенной смеси. Стандарты допускают наличие некоторого количества паров масла (углеводородов) в сжатом воздухе (обычно 5 мг / куб. м). Это количество безопасно с точки зрения дыхания, но может быть опасно с точки зрения возгорания при работе со сжатым кислородом.
Таким образом, отсутствуют общепринятые и согласованные градации чистоты воздуха, определяющие его пригодность для смешивания с чистым кислородом. Законодатели промышленных стандартов договорились о том, что уровень углеводородов порядка 0.1 мг / куб. м может считаться приемлемым для воздуха, который "далее должен быть смешан с кислородом". В последние несколько лет стали доступны фильтрующие системы (на фотографии), позволяющие получать сжатый воздух, удовлетворяющий этим требованиям. Компрессоры, которые предотвращают контакт воздуха со смазкой, конечно, справляются с этой задачей лучше, но они стоят существенно дороже.Формализованный подход к кислородной очистке.
Словосочетание "кислородная очистка" звучит страшно еще и по той причине, что при ее промышленном осуществлении требуется соблюдение довольно строгих процедур. Эти периодически выполняемые процедуры опубликованы CGA и другими организациями. Они предназначены для того, чтобы поддерживать безопасность при работе со сжатым кислородом.
NAUI утверждает, что любое оборудование, предназначенное для использования с чистым кислородом или со смесями, содержащими больше 40% кислорода при давлении более 200 psi (приблизительно 13 атм), должно быть кислородо-совместимым и очищенным для использования с кислородом. Очистке подлежат баллон, первая ступень регулятора и все шланги. Некоторые элементы оборудования могут быть преобразованы для работы с такими смесями путем использования компонентов из специальных наборов.
8.Неформализованный подход к кислородной очистке: "правило 40%"
Несмотря на недостаток формального тестирования, в отрасли дайвинга довольно успешно применяется так называемое "правило 40%", и его применение не выявило каких-либо проблем. Многочисленные пожары в системах смешивания газов для дайвинга имели место, но были вызваны более высокими концентрациями кислорода.
NAUI приемлет данное правило, но требует, чтобы оборудование было подвергнуто кислородной очистке и чтобы в нем использовались кислородо-совместимые смазки. Этот подход менее строг, чем формальный, однако, при правильном выполнении весьма эффективен. Очистка должна выполняться квалифицированными техниками.
Оборудование должно быть очищено ото всех видимых загрязнений и следов смазки, затем вычищено щеткой или ультразвуком с использованием сильного чистящего средства в горячей воде. Хороши жидкие чистящие средства для домашнего использования типа Joy. Чистота должна быть не хуже той, которая ожидается от тарелок и серебрянных столовых изделий. После высыхания мягкие составляющие подлежат замене на кислородо-совместимые, после чего оборудование смазывается кислородо-совместимой смазкой.
После выполнения очистки оборудование долно быть использовано только для работы с обогащенными смесями и не должно использоваться со сжатым воздухом, в противном случае его придется очищать повторно.
9.Приготовление обогащенных смесей.
Традиционная схема построения системы смешивания газов основана на добавлении кислорода в воздух тем или иным способом. Недавно разработаны и стали доступны два новых метода, которые обогащают воздух другим путем - удаляя азот. В данном параграфе будут рассмотрены 3 метода с добавлением кислорода: смешивание по весу, смешивание парциальных давлений, смешивание с постоянным потоком; и 2 метода с удалением азота: абсорбция с периодической очисткой абсорбента, мембранное разделение (Ballantyne and Delp, 1996).
Тип используемой системы смешивания газов важен для конечного пользователя с той точки зрения, что он определяет процедуры заполнения баллонов и диапазон возможных концентраций кислорода в получаемой смеси.
Смешивание газов по весу.
Наиболее простой и надежный метод получения точных по составу смесей - покупка готовых смесей. Промышленныйе производители газов обычно смешивают чистый кислород и чистый азот, а не чистый кислород и воздух.
Газы смешиваются по весу. Это позволяет игнорировать многие аномалии в поведении газов, вызванные их отличием от идеальных и обеспечивает очень точный газовый состав смесей. Смешивание может производиться в баллонах, банках баллонов или цистернах. Необходимо иметь точные весы, которые весьма дороги, так как должны уметь измерять малые изменения при большом весе. Этот способ смешивания газов наиболее точен, и полученные смеси тщательно анализируются на соответствие фактического состава заявленному. При составлении таких смесей промышленная компания вынуждена использовать чистый кислород, но зато розничный продавец смесей может этого избежать. Этот метод довольно дорогой, и его стоимость увеличивается еще и тем, что емкости для хранения смесей принадлежат поставщику смесей, и следовательно, берутся продавцом смесей в аренду.
Смешивание парциальных давлений.
Как говорит само название метода, за основу в нем берется соотношение парциальных давлений. Техник заполняет баллон заданным количеством кислорода (которое измеряется по величине давления), затем дополняет его сверхчистым воздухом до нужного конечного давления. В первую очередь закачивается кислород, когда баллон еще пуст, что снижает пожароопасность процедуры, так как отсутствует необходимость манипуляций с кислородом при полном давлении заправленного баллона. Так как используется чистый кислород, вся система, включая наполняемый баллон, должна быть кислородо-совместима и очищена. Так как давление зависит от температуры, а баллон при наполнении нагревается, необходимо либо давать баллону остыть, либо учитывать влияние температуры при измерении давления. Поскольку окончательная коррекция состава часто производится после окончательного остывания баллона, весь процесс приготовления смеси занимает довольно много времени. Этот процесс может также использоваться для того, чтобы дополнить баллон со смесью известного состава до получения смеси такого же или иного определенного состава.
Компрессор для смешивания по такому методу не требуется, если воздух поставляется под давлением, достаточным для того, чтобы заполнять баллоны аквалангов без дополнительного сжатия. Чтобы добиться максимального использования банка заправочных баллонов, используют так называемую "каскадную технологию", которая заключается в том, что сначала используется заправочный баллон с самым низким давлением, после чего используется баллон с большим давлением и так далее. Иногда и сам метод называют "методом каскадного смешивания".
Компрессоры также часто используются при этом методе. В них не дожны использоваться масляные смазки, либо они должны обеспечивать воздуха ультравысокой чистоты, пригодный для смешивания с кислородом. Еще один способ закачать воздух в баллон - использовать пневматический насос, сжимающий воздух в наборе разных по диаметру цилиндров, порши которых соединены с одним распредвалом. Огна из наиболее популярных моделей - Haskel.
Смешивание парциальных давлений весьма популярно среди дайвинг-центров, которые готовят множество различных по составу смесей в малых объемах для различных целей любительского и технического дайвинга, в том числе и смеси с содержанием кислорода более 40%. В данном случае значительная доля стоимости системы - высокоточный манометр. При этом очень эффективно использование пневматического насоса. Такой способ используется в удаленных местах дайвинга. Поскольку кислород добавляется при малом далвении, некоторые техники не очищают баллоны для кислорода. Такой практики следует избегать: баллон всегда должен очищаться для использования с кислородом.
10.Смешивание с постоянным потоком.
Этот метод (называемый также методом загрузки атмосферного воздуха) был впервые разработан NOAA (1979, 1991) и является наиболее дружественным пользователю методом (Рис. 9-7). В соответствии с этим методом кислород при низком давлении добавляется во входной воздушный поток, поступающий в компрессор с высокой степенью очистки от паров масла. Выходной поток непрерывно анализируется на состав, и результат этого анализа используется для того, чтобы соответствующим образом изменить подмешивание кислорода во входной поток. Выходной поток может пускаться в обход банка заправочных баллонов на время подстройки состава смеси. После того как смесь закачана в заправочные баллоны, она затем может быть перекачана в баллоны аквалангов перепуском или с использованием пневматического насоса. В установке с постоянным потоком в качестве источника кислорода может также использоваться подсистема абсорбции с периодической очисткой абсорбента PSA .
Существует еще один класс установок с постоянным потоком, обеспечивающих подачу воздуха коммерческому водолазу по шлангу воздухообеспечения. Такие установки имеют средства контроля постоянства состава смеси - различные измерители потока и регуляторы. Их выходное давление, как правило, лежит в районе менее 200 psi (13 атм).
11.Абсорбция с периодической очисткой абсорбента (PSA).
Данный метод основан на использовании материала, называемого "молекулярным ситом" - синтетического пористого глиноподобного материала, поры котрого обеспечивают очень большую площать поверхности. Эта поверхность адсорбирует газы ("адсорбировать" значит "абсорбировать на поверхности"). Азот адсорбируется быстрее, чем кислород, поэтому воздух, проходящий через адсорбент, становится богаче кислородом (точнее, беднее азотом). Используются две адсорбирующие пластины, между которыми переключается поток воздуха. Когда поток направлен на одну пластину, она адсорбирует азот, вторая пластина в это время очищается от ранее адсорбированного азота. Затем пластины меняются ролями.
Изменяя давления и периодичность очистки пластин, можно получать различные значения содержания кислорода в выходной смеси. Максимальное достижимое содержание кислорода - 95%, остальное - аргон. Аргон ведет себя по отношению к данному типу адсорбента почти как кислород (т.е. не адсорбируется), поэтому будет содержаться в выходой смеси почти в той же пропорции к кислороду, что и во входном воздухе. Этот аргон не оказывает влияния на дайвера.
Установки этого типа не требуют наличия кислорода под большим давлением, но они сложны и достаточно дороги в смысле приобретения и обслуживания; выходной поток должен закачиваться в баллоны с помощью кислородо-совместимого очищенного компрессора или пневматического насоса (на фотографии).
12.Мембранное разделение.
Данный метод основан на использовании мембраны, которая при прохождении через нее чистого воздуха пропускает молекулы кислорода лучше, чем азота. Выходная смесь таким образом обогащается кислородом, а концентрация кислорода определяется входным потоком. Максимальное достижимое значение содержания кислорода в коммерчески доступных системах - около 40%. Эта же технология, между прочим, используется для выделения гелия и в некоторых других процессах.
По аналогии с установками PSA, нет необходимости в использовании кислорода под большим давлением. Выходной поток должен закачиваться в баллоны с помощью кислородо-совместимого очищенного компрессора или пневматического насоса. Мембранные системы достаточно надежны и не требует особого обслуживания при том условии, что чистота входного потока достаточна.
газовархив
Газовой смеси водорода и кислорода, если их массовые доли 1 и 2 равны соответственно... параметров, характеризующих, индивидуальные свойства газа , и поэтому является... T=400 К. 8 ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ...
Введение 3 Глава 1 Ученые и их открытия
Автореферат диссертации... глав . Введение Глава 1: Учёные и их открытия. - Опыт Пристли Глава 2. История фотосинтеза. Глава 3: Значение фотосинтеза в природе. Глава ... углекислый газ в кислород. Углекислый газ необходим... электрохимического потенциала. Свойства тилакоидной мембраны...
Пусть смешиваются n химически невзаимодействующих между собой идеальных газов. Предполагается, что известны начальные термодинамические параметры состояния всех компонентов до смешения и условия смешения (условия взаимодействия с окружающей средой). Требуется найти равновесные параметры состояния газов после смешения.
Рассмотрим два случая смешения, для простоты полагая, что этот процесс идет без теплообмена с окружающей средой .
2.1. Смешение при W=Const
В этом случае условия смешения таковы, что объем образующейся смеси W см равен сумме начальных объемов компонентов смеси W H i:
(Не следует путать W H i с парциальными объемами W i , рассмотренными в параграфе 1.4.3.)
Обозначим:
Р H i – начальное давление i -го газа;
Т H i , t H i – начальная температура i -го газа соответственно в 0 К или 0 С .
Т.к. вся система из n газов при смешении в условиях W=Const не совершает внешней работы, то в соответствии с первым началом термодинамики для этого случая () можно записать:
Здесь: U см – внутренняя энергия смеси газов массой m см килограммов
с температурой Т 0 К ;
U H i - внутренняя энергия i -го газа массой m i килограммов
с начальной температурой Т H i .
Введем обозначения:
u см – удельная внутренняя энергия смеси газов при температуре Т 0 К ;
u H i – удельная внутренняя энергия i -го газа с начальной температурой Т H i .
Тогда уравнение (2.1.1) принимает следующий вид:
(2.1.2)
Как известно, для идеального газа du=C v dT , откуда при отсчете внутренней энергии от 0 0 К можно записать:
Здесь: - средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов;
Средняя в диапазоне 0 Т H i 0 К массовая изохорная теплоемкость i -го газа.
После подстановки (2.1.3) в (2.1.2) получим:
Но в соответствии с параграфом 1.4.10 истинная массовая теплоемкость смеси газов выражается через массовые доли компонентов g i и их истинные теплоемкости следующим образом:
Аналогично средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов определится как:
Подставляя это выражение в левую часть уравнения (2.1.4) получим:
откуда (2.1.5)
Т.к. из уравнения состояния , то после подстановки m i в уравнение (2.1.5) окончательно получим формулу для температуры смеси n газов:
Как известно, , поэтому формула (2.1.6) может быть записана в следующем виде:
(Следует напомнить, что произведение - это средняя в диапазоне 0- Т H i 0 К молярная изохорная теплоемкость i -го газа.)
В справочной литературе эмпирические зависимости теплоемкости от температуры часто даются для диапазона 0 t 0 С .
После подстановки (2.1.8) и (2.1.9) в уравнение (2.1.2) получим:
Заменяя m i его значением , окончательно получим формулу для температуры смеси газов в градусах Цельсия :
Выражая R i через малекулярную массу , получим еще одну формулу:
В знаменателях формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11) содержатся средние теплоемкости, у которых в качестве верхнего предела осреднения используется температура смеси (t или Т ), подлежащая определению. В силу этого, температура смеси по этим формулам определяется методом последовательных приближений .
2.1.1. Частные случаи смешения газов при W=Const
Рассмотрим несколько частных случаев формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11).
1. Пусть смешиваются газы, у которых зависимостью показателя адиабаты К i от температуры можно пренебречь.
(В действительности К убывает с ростом температуры, т. к.
где с о р , а – эмперические положительные коэффициенты.
Для технических расчетов в диапазоне от 0 до 2000 0 С можно пользоваться следующими формулами:
а) для двухатомных газов К 1,40 - 0,50 10 -4 t ;
б) для продуктов сгорания К 1,35 - 0,55 10 -4 t .
Из этих формул видно, что влияние температуры на показатель адиабаты К становится заметным лишь при температурах, порядка сотен градусов по шкале Цельсия.)
Т. о., если допустить, что
то формула (2.1.6) примет следующий вид:
Формулу (2.1.12) можно использовать в качестве первого приближения для формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11)
2. Пусть смешиваются газы, у которых мольные изохорные теплоемкости равны и зависимостью этих теплоемкостей от температуры можно пренебречь, т. е.:
Тогда уравнение (2.1.7) принимает очень простой вид:
Если у газов равны между собой мольные изохорные теплоемкости, то в соответствии с уравнением Майера
должны быть равны между собой и мольные изобарные теплоемкости, а, следовательно, равны и показатели адиабаты, т. е.
При этом условии уравнение (2.1.12) превращается в (2.1.13).
2.1.2. Давление после смешения газов при W=Const
Давление, устанавливающееся после смешения газов, можно определить либо по формулам параграфа 1.4.2, либо из условия:
Р см W см = m см R см Т = m см Т .
Решение большого количества технических задач часто сопряжено со смешением различных газов (жидкостей) или разных количеств одного и того же газа (жидкости), находящихся в различных термодинамических состояниях. Для организации процессов смещения разработан достаточно большой ряд самых разнообразных смесительных устройств и аппаратов.
При термодинамическом анализе процессов смешения обычно задача сводится к определению параметров состояния смеси по известным параметрам состояния исходных смешивающихся компонентов.
Решение этой задачи будет различным в зависимости от условий, при которых осуществляется этот процесс. Все способы образования смесей газов или жидкостей, происходящие в реальных условиях, можно разделить на три группы: 1) процесс смешения в постоянном объеме; 2) процесс смешения в потоке; 3) смешение при заполнении объема.
Процессы смешения рассматриваются обычно происходящими без теплообмена смешивающейся системы с окружающей средой, т. е. протекающими адиабатно. Смешение при наличии теплообмена можно разбить на два этапа: адиабатное смешение без теплообмена и теплообмен в полученной смеси с окружающей средой.
С целью упрощения выводов рассмотрим смешение двух реальных газов. Одновременное смешение трех и более газов может быть найдено с помощью расчетных формул для двух газов путем последовательного добавления нового компонента.
Все
случаи смешения представляют собой
необратимые процессы хотя бы потому,
что для разделения смеси на ее составляющие
обязательно требуется затрата работы.
Как во всяком необратимом процессе, при
смешении имеет место приращение энтропии
S
c
системы и
соответствующие потери работоспособности
(эксергии): De
= T
о.с
S
c ,
где T
о.с
– температура окружающей среды.
При смешении газов, имеющих различные давление и температуру, возникают дополнительные потери работоспособности от необратимого теплообмена между смешиваемыми газами и от неиспользования разности их давлений. Таким образом, увеличение энтропии при смешении происходит как в результате собственно смешения (диффузии) различных по своей природе газов или жидкостей, так и за счет выравнивания температур и давлений смешиваемых веществ.
Рассмотрим возможные способы смешения.
2.1. Процессы смешения в постоянном объеме
Пусть некоторый теплоизолированный сосуд объема V разделен перегородкой на два отсека, в одном из которых находится газ (жидкость) с параметрами p 1 , u 1 , T 1 , U 1 , в другом – другой газ (жидкость) с параметрами p 2 , u 2 , T 2 , U 2 , (рис. 2.1).
|
p 1 , T 1 , u 1 , U 1 , m 1 |
p 2 , T 2 , u 2 , U 2 , m 2 |
|
p , T , u, U , m |
Рис. 2.1. Схема процесса смешения
в постоянном объеме
Массу газа в одном отсеке и объем этого отсека обозначим соответственно m 1 и V 1 , а в другом отсеке – m 2 и V 2 . При снятии разделяющей перегородки каждый газ путем диффузии распространится на весь объем, а результирующий объем смеси будет равен, очевидно, сумме V = V 1 + V 2 . В результате смешения давление, температура и плотность газа по всему объему сосуда выравниваются. Значения параметров состояния газа после смешения обозначим p , u, T , U .
Согласно закона сохранения энергии, полученная смесь газов будет обладать внутренней энергией, равной сумме внутренних энергий каждого газа:
U = U 1 + U 2
m 1 u 1 + m 2 u 2 = (m 1 + m 2) u = mu . (2.1)
Удельная внутренняя энергия газа после смешения определяется следующим образом:
.
(2.2)
Аналогично, удельный объем смеси равен:
.
(2.3)
Что касается остальных параметров газа после смешения (p , T , S ), то для газов и жидкостей они аналитически в общем виде через значения параметров компонентов смеси не могут быть рассчитаны. Для их определения необходимо воспользоваться U , u-диаграммой, на которой нанесены изобары и изотермы или U , T -диаграммой с нанесенными на ней изохорами и изобарами (для смешения одного и того же газа), или таблицами термодинамических свойств газов и жидкостей. Определив с помощью соотношений (2.2) и (2.3) и u газа после смешения, из диаграмм или таблиц можно найти p , T , S .
Значения
p
,
T
и S
газа после смешения могут быть
непосредственно выражены через известные
значения параметров состояния смешиваемых
порций только для идеальных газов.
Обозначим среднее значение теплоемкости
первого газа в интервале температур от
T
1
до T
через
,
а другого газа в интервале температур
отT
2
до T
через
.
Учитывая,
что
;
;
из выражения (2.2), получим:
T
=
илиT
=
,
(2.4)
где g 1 и g 2 – массовые доли идеальных газов, составляющих смесь.
Из уравнения состояния идеальных газов следует:
m
1
=
;m
2
=
.
После подстановки значений масс в (2.4) температура газовой смеси может быть найдена из выражения
T
=
.
(2.5)
Давление
смеси идеальных газов определим как
сумму парциальных давлений компонентов
газовой смеси
,
где парциальные давления
и
определяются с помощью уравнения
Клапейрона.
Приращение
энтропии
S
c
системы от необратимого смешения находят
по разности сумм энтропии газов, входящих
в смесь, после смешения и исходных
компонентов до смешения:
S
= S
– (m
1 S
1
+ m
2 S
2).
Для смеси идеальных газов при смешении двух газов .
S
c
= m
[(g
1 C
p
1
+ g
2 C
p
2)
ln
T
– (g
1 R
1
+ g
2 R
2)
ln
p
]–
– [m 1 (C p 1 ln T 1 – R ln p 1) + m 2 (C p 2 ln T 2 – R ln p 2)]–
–m (R 1 g 1 ln r 1 + R 2 g 2 ln r 2),
где r i – объемная доля идеальных газов, составляющих смесь;
R – газовая постоянная смеси, определяемая уравнением:
R = g 1 R 1 + g 2 R 2 .
Диаграмма эксергии и анергии при смешении в постоянном объеме представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Диаграмма эксергии и анергии при
смешении
в постоянном объеме:
– потери удельной эксергии при смешении
2. Смешение газов и паров, имеющих разные температуры.
Так образуются атмосферные туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоде ночью, когда поверхность Земли, интенсивно отдавая тепло, сильно охлаждается. Теплый влажный воздух соприкасается с охлаждающейся Землей или с холодным воздухом вблизи ее поверхности и в нем образуются капельки жидкости. То же происходит при смешении фронтов теплого и холодного воздуха.
3. Охлаждение газовой смеси, содержащей пар.
Этот случай можно проиллюстрировать на примере чайника, в котором закипела вода. Из носика вырывается водяной пар, который невидим, поскольку не рассеивает свет. Далее водяной пар быстро охлаждается, вода в нем конденсируется, и уже на небольшом расстоянии от носика чайника мы видим молочное облачко - туман, ставший видимым из-за способности рассеивать свет. Аналогичное явление наблюдается, когда мы открываем форточку в морозный день. Более прочный аэрозоль образуется, когда закипевшее на сковородке масло создает в помещении газ (масляный аэрозоль), удалить который можно лишь хорошо проветрив помещение.
Кроме того, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:
· при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма;
· при сгорании фосфора на воздухе образуется белый дым (Р 2 О 5);
· при взаимодействии газообразных NH 3 и НС1 образуется дым МН 4 С1 (тв);
· окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Диспергационные аэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях при действии воздушных потоков.
Распыление твердых тел происходит в две стадии:
измельчение, а затем распыление. Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществлен в момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем - эмульсий, суспензий, аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условиях почти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолей является устройство, называемое «аэрозольной упаковкой» или «аэрозольным баллоном». Вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ
Свойства аэрозолей определяются:
Природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;
Частичной и массовой концентрацией аэрозоля;
Размером частиц и распределением частиц по размерам;
Формой первичных (неагрегированных) частиц;
Структурой аэрозоля;
Зарядом частиц.
Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.
Массовая концентрация - масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.
Численная концентрация - число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не может превышать 10 3 частиц/см 3 .
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ
Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 10 -3 мкм. Чтобы рассматривать газ как непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
Малой концентрацией частиц дисперсной фазы - так, если в 1 см 3 гидрозоля золота содержится 10 16 частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 10 7 частиц;
Малой вязкостью дисперсионной среды - воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;
Малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρ част » ρ газа.
Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в лиозолях.
Рассмотрим самый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е. исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом г и плотность р. На такую частицу одновременно действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположного направления. Кроме того, частица находится в броуновском движении, следствием которого является диффузия.
Для количественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можно использовать значения
удельного потока диффузии i диф и
удельного потока седиментации i сед. .
Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать, рассматривают их соотношение:
В этом выражении (р - р 0) » 0. Следовательно, величина дроби будет определяться размером частиц.
Если r > 1 мкм, то i сед » i диф, т. е. диффузией можно пренебречь - идет быстрая седиментация и частицы оседают на дно сосуда.
Если r < 0,01 мкм, то i сед « i диф. В этом случае можно пренебречь седиментацией - идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.
Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые - в результате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 10 3 част/см 3 .
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.
1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.
2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.
3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.
4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.
5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.
6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.
Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO 2 , P 2 O 5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.
АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ. КОАГУЛЯЦИЯ
В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.
Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.
Независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см 3 находится 10 8 -10 6 частиц (для сравнения - в лиозолях ~ 10 15 частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.
| Зависимость скорости коагуляции от увеличения численности концентрации аэрозоля | |
| Начальная численная концентрация в 1 см 3 | Время, необходимее для уменьшения концентрации аэрозоля в 2 раза |
| Доли секунды | |
| 15-30 с | |
| 30 мин | |
| Несколько суток | |
МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Несмотря на то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушения стоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникает необходимость разрушения аэрозолей:
Очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;
Улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;
Искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.
Разрушение аэрозолей происходит путем
· рассеивания под действием воздушных течений или вследствие одноименных зарядов частиц;
· седиментации;
· диффузии к стенкам сосуда;
· коагуляции;
· испарения частиц дисперсной фазы (в случае аэрозолей летучих веществ).
Из очистных сооружений наиболее древним является дымовая труба. Вредные аэрозоли стараются выпускать в атмосферу как можно выше, так как некоторые химические соединения, попадая в приземный слой атмосферы под действием солнечных лучей и в результате разных реакций, превращаются в менее опасные вещества (на Норильском горно-металлургическом комбинате, например, трехканальная труба имеет высоту 420 м).
Однако современная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовые выбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способов разрушения аэрозолей, но любой из них состоит из двух стадий:
первая - улавливание дисперсных частиц, отделение их от газа,
вторая - предотвращение повторного попадания частиц в газовую среду, это связано с проблемой адгезии уловленных частиц, формированием из них прочного осадка.
АЭРОЗОЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ
Принцип действия аэрозольного баллона состоит в том, что помещенный в упаковку препарат смешивается с эвакуирующей жидкостью, давление насыщенного пара которой в интервале температур, при которых эксплуатируется упаковка, выше атмосферного.
Выброс смеси из баллона происходит под действием давления насыщенного пара, находящегося над жидкостью.
Известно, что давление насыщенного пара любого стабильного вещества определяется только температурой и не зависит от объема. Поэтому в течение всего времени работы баллона давление в нем будет оставаться постоянным, следовательно, практически постоянной будет оставаться дальность полета частиц и угол конуса распыления.
В зависимости от характера взаимодействия распыляемого вещества с эвакуирующей жидкостью и его агрегатного состояния, системы в аэрозольной упаковке будут состоять из различного числа фаз. В случае взаимной растворимости компонентов образуется гомогенный жидкий раствор, в других случаях - эмульсия или суспензия и, наконец, гетерогенная система, когда препарат и эвакуирующая жидкость образуют макроскопически неоднородную систему. Очевидно, что в первом случае в аэрозольной упаковке находится двухфазная система - жидкость и насыщенный пар. При выпуске в атмосферу эмульсии или суспензии происходит дробление только дисперсионной среды - получаемые частицы в лучшем случае будут иметь размеры, которые они имели в жидкой фазе.
Когда препарат и эвакуирующая жидкость не смешиваются или ограниченно смешиваются между собой, причем одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелких капелек, образуются эмульсии.
Характер системы, образующейся при выходе продукта из упаковки в атмосферу, зависит от того, какая из жидкостей является дисперсной фазой. Если дисперсная фаза - это препарат, то образуется аэрозоль. Если дисперсной фазой является эвакуирующая жидкость, то получается пена. Размер частиц, получаемых при помощи аэрозольных баллонов, зависит от физико-химических свойств веществ, входящих в состав препарата, соотношения компонентов, конструктивных особенностей баллона и температурных условий его эксплуатации.
Степень дисперсности можно регулировать: « варьируя размеры выходного отверстия;
Изменяя давление насыщенного пара эвакуирующей жидкости;
Меняя количественное соотношение препарата и эвакуирующего агента.
ЭВАКУИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Важнейшим вспомогательным компонентом является вещество, которое обеспечивает выброс препарата в атмосферу и последующее его диспергирование. Эти вещества получили название пропеллентов {лат. «рго-peilere» - гнать). Пропеллент должен выполнять две функции:
Создавать необходимое давление для выброса препарата;
Диспергировать продукт, выпущенный в атмосферу. В качестве пропеллентов используют фреоны и сжатые газы. Фреоны - это низкомолекулярные фторорганические соединения алифатического ряда .
Принята следующая система обозначений фреонов: последняя цифра (число единиц) означает число атомов фтора в молекуле, предшествующая цифра (число десятков) - число атомов водорода, увеличенное на единицу, и третья (число сотен) - число атомов углерода, уменьшенное на единицу. Например: F-22 - это CHC1F 2 , F-114 - это C 2 C1 2 F 4 .
Вещества, состоящие из молекул циклического строения, также имеют цифровое обозначение, но перед цифрами ставится буква «С», например: С318 - C 4 F 8 (октафторциклобутан).
В качестве сжатых газов применяют N 2 , N 2 O, CO 2 и др.
ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ УПАКОВОК
1. Перевод препарата в мелкодисперсное состояние происходит за счет потенциальной энергии сжиженного пропеллента и не требуется применение каких-либо посторонних устройств.
2. Для создания аэрозолей не нужны какие-либо насадки.
3. В единицу времени можно диспергировать значительное количество вещества с получением частиц малого размера - в случае применения других способов потребовалось бы гораздо больше энергии.
4. Режим туманообразования стабилен: размер получаемых частиц, дальность их полета, угол в вершине конуса в течение всего времени эксплуатации мало меняются.
5. Можно заранее фиксировать дозировку распыляемого вещества.
6. Можно задавать размер частиц.
7. Степень полидисперсности аэрозоля невелика.
8. Все частицы имеют одинаковый химический состав.
9. Обеспечивается стерильность распыляемых препаратов.
10. Препарат в упаковке не соприкасается с кислородом воздуха, что обеспечивает его стабильность.
11. Автоматически закрывающийся клапан исключает возможность потери за счет проливания или испарения неиспользованной части продукта.
12. Упаковка постоянно готова к работе.
13. Упаковка компактна. Дает возможность индивидуального или коллективного использования.
Первые аэрозольные упаковки появились в 80-х гг. XX в. в Европе. Во время Второй мировой войны инициативу в области их разработки захватили США. В 1941 г. была создана аэрозольная упаковка - средство для уничтожения насекомых, упакованное в стеклянный сосуд. Пропеллентом служил фреон-12.
В промышленных масштабах производство началось после Второй мировой войны в США, а затем в других странах мира.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ
Широкое использование аэрозолей обусловлено их высокой эффективностью. Известно, что увеличение поверхности вещества сопровождается увеличением его активности. Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимает большой объем и обладает большой реакционной способностью. В этом состоят преимущества аэрозолей перед другими дисперсными системами.
Аэрозоли применяются:
В различных областях техники, в том числе в военной и космической;
В сельском хозяйстве; « в здравоохранении;
В метеорологии; в в быту и т. д.
В последнее время в фармацевтической практике широко применяют приготовление лекарственных форм в виде аэрозолей. Использование лекарственных веществ в виде аэрозолей удобно в тех случаях, когда нужна воздействовать препаратом на большие поверхности (острые заболеваний дыхательных путей, ожоги и т. п.). Большой эффект дают лекарственные формы, содержащие в своем составе жидкие пленкообразующие вещества. При распылении такого препарата на пораженный участок он покрывается тонкой, прозрачной пленкой, которая заменяет повязку.
Остановимся подробнее на применении аэрозольных упаковок.
В настоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.
Первая группа: средства бытовой химии.
Инсектициды - препараты для уничтожения насекомых.
Средства против моли.
Инсектициды для обработки домашних животных.
Средства защиты комнатных растений и плодово-ягодных культур от грибковых болезней и вредителей.
Лаки и краски.
Освежители воздуха.
в Полирующие и чистящие составы.
Вторая группа:
Парфюмерно-косметические средства. « Средства ухода за волосами (лаки, шампуни и т. д.).
Пены и гели для бритья.
Кремы для рук и ног.
Масло для и от загара.
Дезодоранты.
Духи, одеколоны, туалетная вода.
Третья группа: медицинские аэрозоли.
Четвертая группа: технические аэрозоли.
Смазочные масла.
Антикоррозионные покрытия.
Защитные пленки. « Сухие смазки.
Эмульсии для охлаждения резцов на сверлильных станках.
Пятая группа: пищевые аэрозоли.
ПИЩЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ
Первые баллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах, которые возвращали их для повторного заполнения. Массовое производство этого вида аэрозольных упаковок началось лишь в 1958 г.
Аэрозольные упаковки пищевых продуктов можно разделить на три основных группы:
упаковки, требующие хранения при низкой температуре;
упаковки с последующей тепловой обработкой;
упаковки без последующей тепловой обработки.
В аэрозольных упаковках выпускаются пищевые продукты трех видов: кремы, жидкости, пасты. В аэрозольных упаковках можно купить приправы для салатов, плавленый сыр, соки, корицу, майонез, томатный сок, 30% -е взбитые сливки и т. д.
Рост производства пищевых аэрозолей объясняется следующим:
преимуществами перед обычными видами тары;
разработкой новых пропеллентов;
усовершенствованием технологии заполнения.
Преимущества аэрозольной упаковки пищевых продуктов:
удобство использования;
экономия времени;
пища упаковывается в подготовленном к употреблению состоянии и выдается из упаковки в однородном виде;
нет утечки продуктов;
влага не теряется и не проникает в упаковку;
не теряется аромат;
продукт сохраняется в стерильном виде.
К рецептурам пищевых аэрозолей предъявляются следующие требования:
1. Пропелленты должны быть высокой чистоты, не быть токсичными, не иметь вкуса и запаха. В настоящее время используются диоксид углерода, закись азота, азот, аргон и фреон С318.
2. Сжатые газы, имеющие весьма ограниченную растворимость в водных растворах, не могут участвовать в образовании пены, а это необходимо для взбитых сливок, декоративных кремов, муссов и т. п. С этими продуктами предпочтительнее использовать фреон С318, хотя он значительно дороже.
Таблица 18.4 Примеры рецептур различных пищевых аэрозолей
| Ингредиенты, сходящие в состав аэрозолей | Количество, % массы | |
| 1. Сбитый крем для закусочных бутербродов | ||
| Творог со сливками | 50-60 | |
| 25-30 | ||
| Растительное масло и ароматические добавки | 6-10 | |
| Фреон С318 | 7 | |
| 2. Сахарная глазурь для отделки кондитерских изделий | ||
| Сахар | 55-60 | |
| Вода | 15-25 | |
| Растительное масло | ||
| твердое | 9-14 | |
| жидкое | 3-5 | |
| Соль поваренная | 0,1-0,3 | |
| Микрокристаллическая целлюлоза | 1,0 | |
| Отдушки | 1-4 | |
| Эмульгаторы | 0,5-1 | |
| Фреон С318 | 7 | |
| 3. Мусс | ||
| Мед или фруктовый сироп | 78-83 | |
| Вода | 7-9 | |
| Растительное масло (твердое) | 3-5 | |
| Микрокристаллическая целлюлоза | 1-2 | |
| Моноглицериды | 0,5-1 | |
| Полиэфиры сорбита | 0,05-1 | |
| Фреон СЗ18 | 7 | |
| Продолжение таблицы 18.4 | ||
| Ингредиенты, входящие в состав аэрозолей | Количество, % массы | |
| 4. Декоративный соус в виде пены | ||
| Горчица (тонко измельченный порошок) | 0,94 | |
| Лимонный сок | 4,72 | |
| Уксус | 9,44 | |
| Вода | 34 | |
| Полисорбат 80 | 0,5 | |
| Эмульгирующая смесь | 2,25 | |
| Микрокристаллическая целлюлоза | 2,5 | |
| Добавки - стабилизаторы пены | 4,59 | |
| Фреон С318 + закись азота (Р=8 атм) | 7 | |
| 5. Масляно-уксусная заправка в виде пены | ||
| Вода | 11,80 | |
| Соль | 1,96 | |
| Сахар | 1,47 | |
| Винный уксус | 22,81 | |
| Оливковое масло | 61,75 | |
| Полисорбат 80 | 0,10 | |
| Чесночное масло | 0,12 | |
| Масло черного перца | 0,10 | |
| Фреон С318 | 10,0 | |
| 6. Заправка для жареных кукурузных зерен | ||
| Соль (экстра) | 10,00 | |
| Растительное масло | 58,97 | |
| Прочие добавки из масел | 0,03 | |
| Краситель | 1,00 | |
| Фреон-С318 | 10,00 | |
3. Использование фреонов дает еще одно преимущество: сжиженные газы вводятся в рецептуры продуктов, которые выделяются в виде пены, в количестве не более 10% веса, при этом они занимают сравнительно небольшой объем. Это позволяет загрузить в баллон значительно больше продуктов - 90% емкости баллона (в упаковках со сжатым газом лишь 50%) и гарантирует полную выдачу продукта из упаковки.
4. Выбор пропеллента диктуется типом пищевого продукта и предполагаемой формой его выдачи (крем, жидкость, паста). Хорошо зарекомендовали себя смеси СОг и закиси азота высокой чистоты. Для получения пены применяются смеси фреона С318 с закисью азота. Упакованный с этой смесью крем для отделки тортов дает устойчивую пену, хорошо сохраняющую цвет. Для сиропов самым подходящим пропеллентом считается СО2.
Качество выдачи содержимого из баллона зависит от следующих факторов:
Технологии приготовления продукта;
Стабилизатора (широко используется микрокристаллическая целлюлоза);
Правильного выбора баллона и клапана.
Для корицы и лимонного сока разработана управляемая распылительная головка, которая по желанию может выдавать продукты либо в виде капель, либо в виде струи. Для искусственных подсластителей применяются дозирующие клапаны, одна выдаваемая ими доза соответствует одному куску пиленого сахара и т. д.
АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
В мукомольной, крупяной, комбикормовой промышленности широко применяется пневматический транспорт, который создает условия для внедрения автоматизации, повышения производительности труда и снижения себестоимости. Однако применение пневматического транспорта сопряжено с большой затратой электроэнергии на перемещение большого объема воздуха (1 кг воздуха перемещает 5-6 кг сыпучего материала).
Более прогрессивным является аэрозольный транспорт, при котором большая концентрация материала в воздушном потоке достигается благодаря аэрации муки в начале транспортирования и высокому давлению воздуха. Аэрация нарушает сцепление между частицами муки, и она приобретает свойство текучести, подобно жидкости, в результате 1 кг воздуха перемещает до 200 кг муки.
Аэрозольтранспортная установка состоит из питателя, нагнетателя, материалопровода и разгрузителя. Основным элементом является питатель, в котором смешиваются воздух с материалом и смеси сообщается начальная скорость, что обеспечивает ее подачу в материалопровод.
Внедрение аэрозольтранспорта дает возможность повысить производительность мельниц и снизить удельный расход электроэнергии.
Аэрозольному транспорту принадлежит будущее не только в мукомольной, но и в других отраслях промышленности, связанных с использованием сыпучих материалов и порошков.
Аэрозоли - это микрогетерогенные системы, в которых частицы твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе (Т/Г или Ж/Г),
По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на: туман (Ж/Г); дым, пыль (Т/Г); смог [(Ж+Т)/Г)].
По дисперсности аэрозоли бывают: туман, дым, пыль.
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены из истинных растворов (конденсационные методы) или из грубодисперсных систем (диспергационные методы).
Капельки воды в туманах всегда сферические, а твердые частицы дыма могут иметь разную форму в зависимости от их происхождения.
Благодаря очень маленьким размерам частиц дисперсной фазы они имеют развитую поверхность, на которой могут активно протекать адсорбция, горение, другие химические реакции.
Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей обусловлены:
малой концентрацией частиц дисперсной фазы; малой вязкостью дисперсионной среды; малой плотностью дисперсионной среды.
В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы они могут либо быстро седиментировать (при г »1 мкм), либо прилипать к стенкам сосуда или слипаться (при г « 0,01 мкм). Наибольшей устойчивостью обладают частицы промежуточных размеров.
Для аэрозолей характерны явления термофореза, термопреципитации, фотофореза.
Оптические свойства аэрозолей сходны со свойствами лиозолей, однако рассеяние света ими выражено значительно сильнее из-за больших различий показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Специфичность электрических свойств аэрозолей состоит в том, что на частицах не возникает ДЭС, заряд частиц носит случайный характер и мал по величине. При сближении частиц не возникает электростатическое отталкивание и происходит быстрая коагуляция.
Разрушение аэрозолей является важной проблемой и осуществляется путем седиментации, коагуляции, пылеулавливания и другими методами.
Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - воздух или другой газ. Условное обозначение: Т/Г.
В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором силы межчастичного взаимодействия становятся соизмеримыми с массой частиц. Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в пределах от нескольких м11.09.2011 (сажа) до долей м2/г (мелкие пески).
От аэрозолей с твердой дисперсной фазой (тоже Т/Г) порошки отличаются гораздо большей концентрацией твердых частиц. Порошок получается из аэрозоля с твердой дисперсной фазой при его седиментации. В порошок превращается также суспензия (Т/Ж) при ее высушивании. С другой стороны, и аэрозоль, и суспензия могут быть получены из порошка.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКОВ
1. По форме частиц:
Равноосные (имеют примерно одинаковые размеры по трем осям);
Волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);
Плоские (длина и ширина значительно больше толщины).
2. По межчастичному взаимодействию:
Связно дисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает некоторой структурой);
Свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением между частицами).
3. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы:
Песок (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) м;
Пыль (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) м;
Пудра (d < 2∙10 -6) м.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ
Порошки, так же как любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов:
Со стороны грубодисперсных систем - диспергационными методами;
Со стороны истинных растворов - конденсационными методами.
Выбор метода зависит от природы материала, назначения порошка и экономических факторов.
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Производится дробление сырья на вальцовых, шаровых, вибрационных или коллоидных мельницах с последующим разделением на фракции, так как в результате помола получаются полидисперсные порошки (например, мука одного и того же сорта может содержать частицы от 5 до 60 мкм).
Эффективное диспергирование может быть произведено при перетирании весьма концентрированных суспензий.
Для облегчения диспергирования применяют понизители твердости, в качестве которых выступают ПАВ. В соответствии с правилом уравнивания полярностей, ад-орбируясь на поверхности измельчаемого твердого тела, они уменьшают поверхностное натяжение, снижая энергозатраты при диспергировании и повышая дисперсность измельченной фазы.
В некоторых случаях перед диспергированием проводят предварительную обработку материала. Так, титан или тантал нагревают в атмосфере водорода, переводя в гидриды, которые измельчают и нагревают в вакууме - получаются чистые металлические порошки.
При получении чешуйчатых порошков, которые входят в состав красок и пиротехнических составов, для измельчения используют шаровые мельницы. Шары расплющивают и прокатывают частицы измельчаемого материала.
Порошки с частицами сферической формы из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий) получают в низкотемпературной плазме дугового и высокочастотного разряда. Проходя через зону плазмы, частицы плавятся и принимают сферическую форму, затем охлаждаются и затвердевают.
В ходе диспергирования химический состав материала не изменяется.
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Эти методы можно разделить на две группы.
Первая группа методов связана с осаждением частиц вследствие коагуляции лиофобных золей. В результате упаривания раствора или частичной замены растворителя (снижение растворимости) образуется суспензия, а после ее фильтрации и сушки получаются порошки.
Вторая группа методов связана с проведением химических реакций (химическая конденсация). Методы химической конденсации можно классифицировать на основе типа используемой реакции:
1. Обменные реакции между электролитами. Например, осажденный мел (зубной порошок) получают в результате реакции:
Na 2 CO 3 + СаС1 2 = СаСО 3 + 2 NaCl.
2. Окисление металлов.
Например, высокодисперсный оксид цинка, являющийся основным компонентом цинковых белил, получают окислением паров цинка воздухом при 300°С.
3. Окисление углеводородов.
Различные виды сажи, которую применяют при производстве резины, пластмасс, типографской краски получают сжиганием газообразных или жидких углеводородов при недостатке кислорода.
4. Восстановление оксидов металлов.
Восстановление природным газом, водородом или твердыми восстановителями используется для получения высокодисперсных металлических порошков.
И многое другое, без чего немыслима сама жизнь. Все человеческое тело – это мир частиц, находящихся в постоянном движении строго по определенным правилам, подчиняющимся физиологии человека. Коллоидные системы организмов обладают рядом биологических свойств, характеризующих то или иное коллоидное состояние: 2.2 Коллоидная система клеток. С точки зрения коллоидно-химической физиологии...
Вообразим себе три горизонтальных слоя А, В и С нашего газового столба, причем слой В расположен выше А, а А - выше С. Всегда возмжно получить любое количество смеси состава А, смешав некоторый объем из слоя С с объемом из слоя В. Обратно, любое количество смеси состава А можно разложить на две смеси с составом В и С.
Это смешивание и разделение двух газов можно осуществить и обратимым путем, укрепив в А, В и С горизонтальные трубы. Тот конец каждой такой трубы, который выходит из газового столба наружу, закрывается поршнем. Будем теперь в слоях В и С вдвигать поршни внутрь, двигая их, скажем, слева направо, а в точке А, наоборот, будем выдвигать поршень наружу, т. е. справа налево. Тогда в В и С некоторые массы газа уйдут из столба, а в А, наоборот, поступит какой-то объем смеси. Мы примем, что в каждой такой трубе содержится некоторая масса смеси того же самого состава, что и горизонтальный слой газового столба, с которым сообщатся данная труба.
Значения определятся тогда из уравнений
Отсюда следует, что
Разделим теперь смесь каким-либо обратимым путем и подсчитаем затраченную работу.
Введем в А единицу объема смеси, а из В и выведем, соответственно, объемы
Вся работа, затраченная при этом процессе, равна
подставляя сюда значения видим, что эта работа равна нулю.
Здесь имеется некоторая тонкость: смеси В и на которые распалась смесь А, подняты на различную высоту и приобрели, таким образом, различную потенциальную энергию. Но раз работа равна нулю и температура системы постоянна, то это возможно лишь в том случае, если система отдала или получила некоторое количество теплоты. Зная изменение потенциальной энергии, найдем количество теплоты, сообщенное системе, а отсюда и изменение энтропии.
Приращение потенциальной энергии составит
но оно равно количеству теплоты, сообщенному системе, так что приращение энтропии будет равно
На такую величину сумма энтропий объема смеси В и объема смеси С больше энтропии единицы объема смеси А. Отсюда можно найти объемы смесей В и С, сумма энтропий которых равна энтропии единицы объема смеси А; для этого доведем объемы смесей В и С обратимым изотермическим путем до объемов и сумму приращений энтропий обеих смесей при этом процессе приравняем выражению (75), взятому с обратным знаком.
Приращение энтропии для смеси В составит
Подставим в уравнение (76) выражение для давлений через плотности
