Глава 9. Обща информация за смесване на газове.
Цели и задачи на главата:
Научете правилата за пожарна безопасност при работа с кислород
Запознайте се с правилата за боравене и работа с кислород
Научете за прилагането на "правилото за 40%"
Научете за различни системи за смесване на газове.
Нови термини в тази глава.
Запалим (опасен от пожар) триъгълник
Съвместима с кислород грес
Адиабатно нагряване (дизелов процес)
Почистване с кислород
40% правило
Парциални налягания на смесване
Смесване с постоянен поток
Абсорбиране с периодично почистване на абсорбента
Разделяне на мембраната.
Като водолаз, използващ обогатени смеси във вашите гмуркания, вие трябва да сте в състояние да получите тези смеси. Не е необходимо да знаете как сами да приготвите нитрокс, но трябва да имате представа как се приготвя и изискванията за почистване на вашето оборудване, които нитроксът налага. Някои от често използваните методи за производство на обогатени смеси са прегледани в тази глава и са обсъдени техните предимства и недостатъци. Сместа, която дишате, трябва да има подходящо съдържание на кислород.
1. Боравене и работа с кислород.
Кислородът е невероятен газ. Той може да бъде както приятел, така и враг. Когато смесва газове за използване с акваланг, операторът трябва да получи подходящото съдържание на кислород в сместа под високо налягане. Това може да стане чрез смесване на чист кислород с азот или въздух или чрез отстраняване на част от азота от въздуха. Основният проблем при смесването на кислород под високо налягане е опасността от пожар. Всичко, което не е напълно окислено - а това означава практически всичко - ще изгори в кислород под високо налягане, ако има източник на запалване. Има известен риск при работа със смеси, но работата с чист сгъстен кислород представлява много по-голям риск. Гмуркач, използващ обогатени смеси, не трябва да е опитен в работата с чист кислород, но трябва да има известно разбиране за свързаните рискове, тъй като кислородът се използва, когато дейностите на водолаза стават по-сложни и обширни.
2. Запалим (опасен от пожар) триъгълник.
За да предотвратите пожар, трябва да знаете какви компоненти причиняват и поддържат пожар. Тези компоненти са показани на фигурата
под формата на така наречения „запалим или пожароопасен триъгълник“. Пожарът е бърза химическа реакция между гориво и кислород (окислител), която може да възникне само ако има източник на запалване (топлина). Окисляването може да се случи без изгаряне, както например по време на процеса на ръждясване. Пожар възниква, когато има източник на запалване (топлина). След запалване, химическа реакция на горене освобождава енергия (топлина), която поддържа по-нататъшното горене. Ако премахнем един от компонентите (гориво, кислород, източник на запалване), пожар не може да възникне. Следователно, ако и трите компонента не присъстват едновременно, пожарът ще бъде предотвратен. Ако вече има пламък, премахването на един от компонентите ще доведе до изгасването на пламъка. Това са основите на теорията за пожарогасене. Друг важен момент е, че огънят трябва да се разпространи, за да поддържа съществуването си. Понякога желанието за разпръскване на огън дори се добавя като друг компонент на описания по-горе „триъгълник“.
3. Кислород.
В ситуациите, обсъдени по-долу, кислородът присъства в концентрации, по-високи от концентрацията му във въздуха. Това означава, че окислителят в „запалимия триъгълник“ винаги присъства по подразбиране и не може да бъде премахнат от тази „формула на огъня“. Всеки знае, че атмосферният кислород може активно да участва в реакциите на горене при подходящи обстоятелства, така че не трябва да е изненадващо, че по-високите концентрации могат само да увеличат риска. Освен това е необходимо да се помни, че повишеното съдържание на кислород във въздуха означава намалено съдържание на инертен газ. Поради тази и някои други причини интензитетът на горене не зависи линейно от процентното съдържание на кислород. То зависи както от процента (дяла) на кислорода в сместа, така и от неговото парциално налягане и нараства значително с увеличаването на тези параметри.
4.Гориво.
В този параграф ще говорим за горивото, налично в газовата система, която осигурява използването на газ за дишане. При високо налягане на кислорода, ако възникне пожар, самата система може да се превърне в гориво за химическа реакция, но е необходимо нещо по-запалимо, за да започне пожар. Това може да бъде отделна част от системата, разтворител, смазка или меки компоненти на системата (гума, пластмаса).
Някои горива, намиращи се в газови системи, може да са почти незапалими при нормални условия и силно запалими в среда, обогатена с кислород. Тези видове гориво включват силиконова грес, силиконова гума, неопрен, смазки за компресори, пластмасови и метални стърготини и грапавини, органични вещества и материали, прах от различни видове, дори грес върху обръчи. Може би най-опасните горива са различните смазочни материали. Има широко разпространено погрешно схващане, че силиконът (вероятно поради екзотичното име) е безопасен, когато се използва с кислород. Всъщност това не е вярно. Има специални лубриканти, съвместими с кислород, като Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Точно тези самосмазващи вещества трябва да се използват в среда, обогатена с кислород.
5. Запалване.
Някои източници на запалване са очевидни, но повечето от тях са извън газовата система и не се разглеждат от нас. Двата основни източника на запалване в системата са триенето и компресията на газа, докато преминава през системата. Терминът "триене" тук се използва в общ смисъл: в смисъл на наличие на каквито и да е частици в газовия поток или в смисъл на движение на самия газов поток и сблъсъка му с ъглите на газопроводи или други препятствия . Друго явление - същото, което кара цилиндъра да се нагрява - също може да причини пожар (ако се отдели достатъчно топлина). Това е същият ефект, който кара горивото да се запали в цилиндрите на дизелов двигател без запалителна свещ. Този ефект се нарича "адиабатно нагряване (дизелов процес)".
Внезапното отваряне и затваряне на вентила на цилиндъра по време на компресиране на газ може да доведе до повишаване на температурата до точката на запалване, а ако има замърсители в газовия поток, самото запалване. Следователно компресорите не използват бързи превключващи клапани („сферични кранове“).
6. Използване на кислородни системи.
Важното послание на тази глава е, че рискът от работа с кислород може да бъде сведен до минимум чрез спазване на определени правила при проектирането и работата със системите. По-специално е важно да се избягват остри ъгли и бързосменяеми клапани и да се използват подходящи материали. Металите, използвани за направата на въздушни системи, са подходящи и за направата на кислородни системи. Що се отнася до „меките компоненти“, като уплътнения, гъвкави съединения, диафрагми, те трябва да бъдат заменени с такива, съвместими с кислород. В някои случаи основният критерий е по-малка запалимост в кислород, но в повечето случаи това е повишена устойчивост на кислород под високо налягане. Предлагат се специални комплекти, които ви позволяват да преобразувате въздушното оборудване в оборудване за използване на нитрокс.
Те включват правилно почистване и поддръжка на оборудването, използване на подходящи смазочни материали, боравене с газове по начин, който не предизвиква запалване, и отваряне на клапаните бавно и плавно.
7. Почистващо оборудване за използване с кислород. Някои съображения относно почистването на оборудването.
Концепцията за „почистване с кислород“ предизвиква известно объркване сред любителите водолази. Причината е, че не е напълно ясно дали оборудването изисква почистване за използване със смеси, съдържащи 21% до 40% кислород. Този проблем има по-дълбоки корени: няма разработени и стандартизирани индустриални процедури за работа със смеси, съдържащи някакво междинно количество кислород в диапазона от 21% (въздух) до 100% (чист кислород). Съществуват стандарти само за работа с чист кислород; По този начин всяка смес, съдържаща повече от 21% кислород, е еквивалентна на чист кислород според настоящите стандарти. Следователно, за да се извършват всички операции в съответствие с индустриалните стандарти, всяка обогатена смес трябва да се третира като чист кислород.
Асоциацията за сгъстен газ CGA, Националната асоциация за противопожарна защита NFPA, НАСА и няколко други организации препоръчват третирането на газове с междинни концентрации като чист кислород. Това не означава, че те са извършили някакви изследвания в този диапазон на концентрация. Това означава само, че няма индустриално разработени и приети стандарти и тези организации предпочитат да заемат консервативна позиция. От друга страна, американският флот е разработил процедури, според които смеси с концентрация на кислород до 40% могат да се третират като въздух за целите на обработката. Не са публикувани резултати от тестове, които да предполагат, че това заключение е вярно, но този подход се практикува от много години и няма доклади за произшествия, свързани с този проблем. NOAA е приела тази граница на концентрация при работа с обогатени смеси; NAUI, като цяло, също, но с някои ограничения.
Чист въздух под налягане.
Друго объркване възниква във връзка с понятието „чистота на въздуха“. Различните "степени" на чистота на дихателния газ, използвани от различни асоциации и организации (CGA, ВМС на САЩ), са объркващи, когато става въпрос за чистотата на обогатената смес. Стандартите позволяват наличието на малко маслени (въглеводородни) пари в сгъстения въздух (обикновено 5 mg/куб.м). Това количество е безопасно от гледна точка на дишането, но може да бъде опасно от гледна точка на пожар при работа със сгъстен кислород.
По този начин няма общоприети и съгласувани степени на чистота на въздуха, които определят неговата годност за смесване с чист кислород. Създателите на индустриални стандарти са се съгласили, че нивата на въглеводороди са от порядъка на 0,1 mg/m3. m може да се счита за приемливо за въздух, който "трябва допълнително да се смеси с кислород". През последните няколко години се появиха филтърни системи (на снимката) за производство на сгъстен въздух, който отговаря на тези изисквания. Компресорите, които предотвратяват контакта на въздуха със смазката, разбира се, се справят по-добре с тази задача, но те са значително по-скъпи Формализиран подход към почистването с кислород.
Фразата „кислородно почистване“ също звучи плашещо, тъй като промишленото му прилагане изисква спазване на доста строги процедури. Тези периодични процедури се публикуват от CGA и други организации. Те са предназначени да поддържат безопасността при работа със сгъстен кислород.
NAUI заявява, че всяко оборудване, предназначено за използване с чист кислород или със смеси, съдържащи повече от 40% кислород при налягане над 200 psi (приблизително 13 atm), трябва да бъде съвместимо с кислород и пречистено за използване с кислород. Цилиндърът, първата степен на регулатора и всички маркучи трябва да бъдат почистени. Някои части от оборудването могат да бъдат преобразувани за работа с такива смеси чрез използване на компоненти от специални комплекти.
8. Неформален подход към почистването с кислород: „Правило за 40%“
Въпреки липсата на официално тестване, така нареченото „правило 40%“ се използва доста успешно в индустрията за гмуркане и прилагането му не разкрива никакви проблеми. Възникнали са многобройни пожари в системи за смесване на газове за гмуркане, но те са били причинени от по-високи концентрации на кислород.
NAUI приема това правило, но изисква оборудването да се почиства с кислород и да се използват съвместими с кислород лубриканти. Този подход е по-малко стриктен от официалния, но когато се прави правилно, той е много ефективен. Почистването трябва да се извършва от квалифицирани техници.
Оборудването трябва да се почисти от всички видими замърсявания и мазнини, след това да се почисти с четка или ултразвук с помощта на силен препарат в гореща вода. Течните почистващи продукти като Joy са добри за домашна употреба. Чистотата не трябва да бъде по-малка от тази, която се очаква от чиниите и сребърните прибори. След изсъхване меките компоненти трябва да се сменят с такива, съвместими с кислород, след което оборудването се смазва с лубрикант, съвместим с кислород.
След почистване оборудването трябва да се използва само за обогатени смеси и не трябва да се използва със сгъстен въздух, в противен случай ще трябва да се почисти отново.
9. Приготвяне на обогатени смеси.
Традиционната схема за изграждане на система за смесване на газ се основава на добавяне на кислород към въздуха по един или друг начин. Наскоро бяха разработени и станаха достъпни два нови метода, които обогатяват въздуха по различен начин – чрез премахване на азота. Този раздел ще обхване 3 метода за добавяне на кислород: смесване с тегло, смесване при частично налягане, смесване с постоянен поток; и 2 метода с отстраняване на азот: абсорбция с периодично почистване на абсорбента, мембранно разделяне (Ballantyne and Delp, 1996).
Видът на използваната система за смесване на газ е важен за крайния потребител, тъй като определя процедурите за пълнене на бутилката и обхвата на възможните концентрации на кислород в получената смес.
Смесване на газове по тегло.
Най-простият и надежден метод за получаване на смеси с точен състав е закупуването на готови смеси. Промишлените производители на газ обикновено смесват чист кислород и чист азот, а не чист кислород и въздух.
Газовете се смесват по тегло. Това дава възможност да се игнорират много аномалии в поведението на газовете, причинени от разликите им от идеалните, и осигурява много точен газов състав на смесите. Смесването може да се извърши в цилиндри, групи от цилиндри или резервоари. Необходими са точни везни, които са доста скъпи, тъй като те трябва да могат да измерват малки промени с големи тежести. Този метод на смесване на газовете е най-точният, като получените смеси се анализират внимателно, за да се гарантира, че действителният състав съвпада с декларирания. При приготвянето на такива смеси индустриалната компания е принудена да използва чист кислород, но търговецът на дребно на смесите може да избегне това. Този метод е доста скъп и цената му се увеличава от факта, че контейнерите за съхранение на смесите принадлежат на доставчика на смесите и следователно се наемат от продавача на смесите.
Смесване на парциалните налягания.
Както казва самото име на метода, той се основава на съотношението на парциалните налягания. Техникът пълни резервоара с определеното количество кислород (измерено чрез стойността на налягането), след което го допълва с ултрачист въздух до желаното крайно налягане. На първо място, кислородът се изпомпва, когато цилиндърът е все още празен, което намалява опасността от пожар при процедурата, тъй като не е необходимо да се манипулира кислород при пълното налягане на напълнения цилиндър. Тъй като се използва чист кислород, цялата система, включително бутилката, която се пълни, трябва да бъде съвместима с кислород и почистена. Тъй като налягането зависи от температурата и цилиндърът се нагрява при пълнене, е необходимо или да се остави цилиндърът да се охлади, или да се вземе предвид влиянието на температурата при измерване на налягането. Тъй като окончателното регулиране на състава често се извършва след пълно охлаждане на цилиндъра, целият процес на приготвяне на сместа отнема доста време. Този процес може също да се използва за повторно пълнене на контейнер със смес с известен състав, за да се получи смес със същия или различен специфичен състав.
Не е необходим компресор за смесване по този метод, ако въздухът се подава при налягане, достатъчно за пълнене на водолазни резервоари без допълнително компресиране. За постигане на максимално използване на групата от бутилки за пълнене, те използват така наречената „каскадна технология“, която се състои в използването на първо цилиндъра за пълнене с най-ниско налягане, последван от цилиндъра с най-високо налягане и т.н. Понякога самият метод се нарича „метод на каскадно смесване“.
Компресорите също често се използват с този метод. Те не трябва да използват маслени лубриканти или трябва да осигуряват въздух със свръхвисока чистота, подходящ за смесване с кислород. Друг начин за изпомпване на въздух в цилиндър е използването на пневматична помпа, която компресира въздух в набор от цилиндри с различни диаметри, чиито бутала са свързани към един и същ разпределителен вал. Ogna от най-популярните модели е Haskel.
Смесването при частично налягане е много популярно сред водолазните центрове, които приготвят много различни смеси в малки обеми за различни цели на развлекателното и техническо гмуркане, включително смеси със съдържание на кислород над 40%. В този случай значителна част от цената на системата е високоточен манометър. В този случай използването на пневматична помпа е много ефективно. Този метод се използва в отдалечени места за гмуркане. Тъй като кислородът се добавя при ниско налягане, някои техници не почистват кислородните бутилки. Тази практика трябва да се избягва: цилиндърът винаги трябва да се почиства за използване с кислород.
10. Смесване с постоянен поток.
Този метод (наричан още метод на атмосферно натоварване) е разработен за първи път от NOAA (1979, 1991) и е най-удобният за потребителя метод (Фигура 9-7). При този метод към входящия въздушен поток, влизащ в компресора, се добавя кислород при ниско налягане с висока степен на отстраняване на маслените пари. Отпадъчният поток непрекъснато се анализира за състав и резултатът от този анализ се използва за съответно регулиране на кислородната добавка във входящия поток. Изходящият поток може да заобиколи групата от цилиндри за пълнене, докато съставът на сместа се регулира. След като сместа се изпомпва в бутилките за пълнене, тя може да бъде прехвърлена към бутилките за гмуркане чрез байпас или с помощта на въздушна помпа. Инсталация с постоянен поток може също да използва абсорбционна подсистема като източник на кислород с периодично пречистване на абсорбента на PSA.
Има друг клас устройства с постоянен поток, които осигуряват въздух на професионалния водолаз чрез маркуч за подаване на въздух. Такива инсталации имат средства за наблюдение на постоянството на състава на сместа - различни разходомери и регулатори. Изходното им налягане обикновено е по-малко от 200 psi (13 atm).
11. Абсорбция с периодично почистване на абсорбента (PSA).
Този метод се основава на използването на материал, наречен "молекулярно сито" - синтетичен порест материал, подобен на глина, чиито пори осигуряват много голяма повърхност. Тази повърхност абсорбира газове („адсорбирам“ означава „абсорбирам върху повърхност“). Азотът се адсорбира по-бързо от кислорода, така че въздухът, преминаващ през адсорбента, става по-богат на кислород (по-точно по-беден на азот). Използват се две абсорбиращи плочи, между които се превключва въздушният поток. Когато потокът е насочен към една плоча, той адсорбира азот, докато втората плоча в този момент се изчиства от предишния адсорбиран азот. След това чиниите си сменят ролите.
Чрез промяна на налягането и честотата на почистване на плочите е възможно да се получат различни стойности на съдържанието на кислород в изходната смес. Максимално достижимото съдържание на кислород е 95%, останалото е аргон. Аргонът се държи по отношение на този тип адсорбент почти като кислород (т.е. не се адсорбира), следователно ще се съдържа в изходната смес в почти същото съотношение спрямо кислорода, както във входящия въздух. Този аргон няма ефект върху водолаза.
Инсталациите от този тип не изискват кислород под високо налягане, но са сложни и доста скъпи по отношение на придобиването и поддръжката; изходящият поток трябва да се изпомпва в цилиндри с помощта на съвместим с кислород пречистен компресор или въздушна помпа (на снимката).
12. Мембранно отделяне.
Този метод се основава на използването на мембрана, която, когато чист въздух преминава през нея, позволява на молекулите на кислорода да преминават по-добре от молекулите на азота. Така изходната смес се обогатява с кислород, а концентрацията на кислород се определя от входящия поток. Максималното постижимо съдържание на кислород в предлаганите в търговската мрежа системи е около 40%. Същата технология, между другото, се използва за отделяне на хелий в някои други процеси.
Подобно на PSA единиците, не е необходимо да се използва кислород под високо налягане. Отпадъчните води трябва да се изпомпват в цилиндри с помощта на съвместим с кислород пречистен компресор или въздушна помпа. Мембранните системи са доста надеждни и не изискват специална поддръжка, при условие че чистотата на входящия поток е достатъчна.
газове архив
Газова смес от водород и кислород, ако техенмасовите дялове 1 и 2 са равни съответно... параметри, характеризиращи индивид Имотигаз, и следователно е... T=400 K. 8 ГЛАВА 1 ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА МЕХАНИКАТА ГЛАВА 1 ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА МЕХАНИКАТА...
Въведение 3 Глава 1 Учените и техните открития
Автореферат на дисертацията... глави. Въведение Глава 1: Учените и техеноткрития. - Опитът на Пристли Глава 2. История на фотосинтезата. Глава 3: Значението на фотосинтезата в природата. Глава... въглероден двуокис газв кислород. въглероден газнеобходим...електрохимичен потенциал. Имотитилакоидна мембрана...
Оставете ги да се смесят н химически не реагира помежду си идеален газове Предполага се, че първоначалните термодинамични параметри на състоянието на всички компоненти преди смесването и условията на смесване (условията на взаимодействие с околната среда) са известни. Трябва да се намери равновесие параметри на състоянието на газовете след смесване.
Нека разгледаме два случая на смесване, като за простота приемем, че този процес се случва без топлообмен с околната среда .
2.1. Смесване при W=конст
В този случай условията на смесване са такива, че обемът на получената смес У cm е равна на сумата от първоначалните обеми на компонентите на сместа W H i:
(Да не се бърка W H iс частични обеми W i, разгледано в параграф 1.4.3.)
Да обозначим:
P H i– начално налягане азгаз;
T H i,t H i– начална температура аз-ти газ съответно при 0 ДА СЕили 0 СЪС.
защото цялата система от нгазове при смесване при условия W=констне извършва външна работа, тогава в съответствие с първия закон на термодинамиката за този случай () можем да напишем:
Тук: U cm – вътрешна енергия на теглото на смес от газове мсм килограми
с температура Т 0 К;
U H i- вътрешна енергия азта газова маса m iкилограми
с начална температура T H i .
Нека въведем следната нотация:
u cm – специфична вътрешна енергия на смес от газове при температура Т 0 К;
u H i –специфична вътрешна енергия аз-ти газ с начална температура T H i .
Тогава уравнение (2.1.1) приема следния вид:
(2.1.2)
Както е известно, за идеален газ du=C v dT, откъдето, когато се брои вътрешната енергия от 0 0 Кможе да се напише:
Тук: - средно в диапазона 0 Т 0 Кмасов изохоричен топлинен капацитет на смес от газове;
Среден в диапазона 0 T H i 0 Kмасов изохоричен топлинен капацитет азта газ.
След заместване на (2.1.3) в (2.1.2) получаваме:
Но в съответствие с параграф 1.4.10, истинският масов топлинен капацитет на смес от газове се изразява чрез масовите фракции на компонентите g iи техните истински топлинни мощности, както следва:
По същия начин, средната стойност в диапазона 0 Т 0 КМасовият изохоричен топлинен капацитет на смес от газове се определя като:
Замествайки този израз в лявата страна на уравнение (2.1.4), получаваме:
от където (2.1.5)
защото от уравнението на състоянието, след това след заместване m iв уравнение (2.1.5) накрая получаваме формулата за температурата на сместа нгазове:
Както е известно, следователно формула (2.1.6) може да бъде записана в следния вид:
(Трябва да се припомни, че продуктът е средната стойност в диапазона 0- T H i 0 Kкътник изохорен топлинен капацитет азти газ.)
В справочната литература за диапазона често се дават емпирични зависимости на топлинния капацитет от температурата 0 t 0 C .
След заместване на (2.1.8) и (2.1.9) в уравнение (2.1.2) получаваме:
Замяна m iнеговата стойност, накрая получаваме формулата за температурата на газовата смес в градуси Целзий :
Изразяване R iчрез молекулната маса получаваме друга формула:
Знаменателите на формули (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11) съдържат средни топлинни мощности, за които температурата на сместа се използва като горна граница на осредняване ( Tили T), предстои да се определи. Поради това температурата на сместа се определя от тези формули метод на последователни приближения .
2.1.1. Специални случаи на смесване на газове по време на W=конст
Нека разгледаме няколко специални случая на формули (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11).
1. Нека се смесват газове, за които зависимостта на адиабатния показател K iтемпературата може да бъде пренебрегната.
(Всъщност ДА СЕнамалява с повишаване на температурата, т.к
Където така или иначе , Аса емпирични положителни коефициенти.
За технически изчисления в диапазона от 0 до 2000 0 C можете да използвате следните формули:
а) за двуатомни газове ДА СЕ 1,40 - 0,50 10 -4 T;
б) за продукти от горенето ДА СЕ 1,35 - 0,55 10 -4 T.
От тези формули става ясно, че влиянието на температурата върху адиабатния индекс ДА СЕстава забележим само при температури от порядъка на стотици градуси по Целзий.)
Така, ако приемем, че
тогава формула (2.1.6) ще приеме следния вид:
Формула (2.1.12) може да се използва като първо приближение за формули (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11)
2. Нека се смесят газове, чиито моларни изохорични топлинни капацитети са еднакви и зависимостта на тези топлинни капацитети от температурата може да се пренебрегне, т.е.:
Тогава уравнение (2.1.7) приема много проста форма:
Ако газовете имат еднакъв моларен изохоричен топлинен капацитет, тогава в съответствие с уравнението на Майер
Моларните изобарни топлинни мощности трябва да са равни помежду си и следователно адиабатните показатели трябва да са равни, т.е.
При това условие уравнението (2.1.12) се превръща в (2.1.13).
2.1.2. Налягане след смесване на газове при W=конст
Налягането, установено след смесване на газовете, може да се определи или по формулите на параграф 1.4.2, или от условието:
Рсм У cm = мсм Рсм T= мсм T.
Решаването на голям брой технически проблеми често включва смесване на различни газове (течности) или различни количества от същия газ (течност) в различни термодинамични състояния. За организиране на процесите на изместване е разработена доста голяма гама от голямо разнообразие от смесителни устройства и апарати.
При термодинамичния анализ на процесите на смесване задачата обикновено се свежда до определяне на параметрите на състоянието на сместа от известните параметри на състоянието на първоначалните смесващи компоненти.
Решението на този проблем ще бъде различно в зависимост от условията, при които се извършва този процес. Всички методи за образуване на смеси от газове или течности, които се срещат в реални условия, могат да бъдат разделени на три групи: 1) процесът на смесване в постоянен обем; 2) процесът на смесване в поток; 3) смесване при запълване на обема.
Обикновено се счита, че процесите на смесване протичат без топлообмен между смесителната система и околната среда, т.е. протичат адиабатично. Смесването при наличие на топлообмен може да се раздели на два етапа: адиабатно смесване без топлообмен и топлообмен в получената смес с околната среда.
За да опростим изводите, нека разгледаме смесването на два реални газа. Едновременното смесване на три или повече газа може да се установи с помощта на изчислителни формули за два газа чрез последователно добавяне на нов компонент.
Всички случаи на смесване са необратими процеси, дори само защото разделянето на сместа на нейните компоненти непременно изисква разход на работа. Както при всеки необратим процес, по време на смесването има увеличение на ентропията С c системи и съответната загуба на производителност (ексергия): Де
= Tоперационна система. 
С c , където Tо.с – температура на околната среда.
При смесване на газове, които имат различни налягания и температури, възникват допълнителни загуби в производителността от необратим топлообмен между смесените газове и от невъзможността да се използва разликата в техните налягания. По този начин увеличаването на ентропията по време на смесване възниква както в резултат на действителното смесване (дифузия) на газове или течности, които са различни по природа, така и поради изравняването на температурите и наляганията на смесените вещества.
Нека да разгледаме възможните методи за смесване.
2.1. Процеси на смесване с постоянен обем
Нека някакъв топлоизолиран съд с обем Vразделен с преграда на две отделения, едното от които съдържа газ (течност) с параметри стр 1, u 1, T 1 , U 1, в другата – друг газ (течност) с параметри стр 2, u 2, T 2 , U 2, (фиг. 2.1).
|
стр 1 , T 1, u 1, U 1 , м 1 |
стр 2 , T 2, u 2, U 2 , м 2 |
|
стр, T, ти, U, м |
Ориз. 2.1. Диаграма на процеса на смесване
в постоянен обем
Означаваме съответно масата на газа в едно отделение и обема на това отделение м 1 и V 1, а в другото отделение - м 2 и V 2. Когато разделителната преграда бъде премахната, всеки газ ще се разпространи чрез дифузия в целия обем и полученият обем на сместа очевидно ще бъде равен на сумата V = V 1 + V 2. В резултат на смесването налягането, температурата и плътността на газа в целия обем на съда се изравняват. Нека обозначим стойностите на параметрите на състоянието на газа след смесване стр, ти, T, U.
Съгласно закона за запазване на енергията получената смес от газове ще има вътрешна енергия, равна на сумата от вътрешните енергии на всеки газ:
U = U 1 + U 2
м 1 u 1 + м 2 u 2 = (м 1 + м 2) u = му. (2.1)
Специфичната вътрешна енергия на газа след смесване се определя, както следва:
.
(2.2)
По същия начин, специфичният обем на сместа е равен на:
.
(2.3)
Що се отнася до останалите параметри на газа след смесване ( стр, T, С), тогава за газове и течности те не могат да бъдат изчислени аналитично в общ вид чрез стойностите на параметрите на компонентите на сместа. За да ги определите, трябва да използвате U, u-диаграма, върху която се нанасят изобарите и изотермите или U, T- диаграма с отбелязани върху нея изохори и изобари (за смесване на един и същи газ) или таблици на термодинамичните свойства на газове и течности. След като се определи с помощта на съотношения (2.2) и (2.3) и u на газа след смесване, може да се намери от диаграми или таблици стр, T, С.
Стойности стр,
TИ Сгазове след смесване могат да бъдат директно изразени чрез известните стойности на параметрите на състоянието на смесените порции само за идеални газове. Нека обозначим средната стойност на топлинния капацитет на първия газ в температурния диапазон от T 1 към Tпрез 
, и друг газ в температурния диапазон от T 2 към Tпрез 
.
Като се има предвид това 
;
;
от израз (2.2), получаваме:
T
=
или T
=
,
(2.4)
Където ж 1 и ж 2 – масови дялове на идеалните газове, съставляващи сместа.
От уравнението на състоянието на идеалните газове следва:
м 1
=
;м 2
=
.
След заместване на стойностите на масата в (2.4), температурата на газовата смес може да се намери от израза
T
=
.
(2.5)
Ние определяме налягането на смес от идеални газове като сумата от парциалните налягания на компонентите на газовата смес 
, където парциалните налягания 
И 
се определят с помощта на уравнението на Клапейрон.
Увеличаване на ентропията 
С c системи от необратимо смесване се намират чрез разликата в сумите на ентропията на газовете, включени в сместа след смесване и първоначалните компоненти преди смесването:
С
= С
– (м 1 С 1
+ м 2 С 2).
За смес от идеални газове при смесване на два газа.
С ° С
= м[(ж 1 ° С стр 1
+ ж 2 ° С стр 2) в T
– (ж 1 Р 1
+ ж 2 Р 2) в стр]–
– [м 1 (° С стр 1 инч T 1 – Рвътре стр 1) + м 2 (° С стр 2 инч T 2 – Рвътре стр 2)]–
–м(Р 1 ж 1 инч r 1 + Р 2 ж 2 инч r 2),
Където r аз– обемна част на идеалните газове, съставляващи сместа;
Р– газова константа на сместа, определена от уравнението:
Р = ж 1 Р 1 + ж 2 Р 2 .
Диаграма на ексергията и анергията за смесване в постоянен обем е показана на фиг. 2.2.
Ориз. 2.2. Диаграма на ексергията и анергията при
смесване в постоянен обем: 
– загуба на специфична ексергия при смесване
2. Смесване на газове и пари с различна температура.
Така се образуват атмосферните мъгли. Най-често мъглата се появява при ясно време през нощта, когато земната повърхност, интензивно отделяща топлина, се охлажда силно. Топлият, влажен въздух влиза в контакт с охлаждащата се Земя или със студен въздух близо до нейната повърхност и в нея се образуват капчици течност. Същото се случва при смесване на топъл и студен въздушен фронт.
3. Охлаждане на газовата смес, съдържаща пара.
Този случай може да се илюстрира с примера на чайник, в който е завряла вода. Водните пари излизат от чучура, който е невидим, защото не разпръсква светлина. След това водната пара бързо се охлажда, водата в нея кондензира и вече на кратко разстояние от чучура на чайника виждаме млечен облак - мъгла, която е станала видима поради способността да разпръсква светлина. Подобно явление се наблюдава, когато отворим прозореца в мразовит ден. По-издръжлив аерозол се образува, когато маслото, което кипи в тиган, създава газ (маслен аерозол) в помещението, който може да бъде отстранен само чрез добро проветряване на помещението.
В допълнение, кондензационен аерозол може да се образува в резултат на газови реакции, водещи до образуването на нелетливи продукти:
· при изгаряне на горивото се образуват димни газове, чиято кондензация води до появата на дим от горенето;
· при изгаряне на фосфор във въздуха се образува бял дим (P 2 O 5);
· взаимодействието на газообразен NH 3 и HC1 произвежда дим MH 4 C1 (sv);
· окисляването на металите във въздуха, което се случва в различни металургични и химични процеси, е придружено от образуването на изпарения, състоящи се от частици от метални оксиди.
ДИСПЕРСИОННИ МЕТОДИ
Диспергиращите аерозоли се образуват при смилането (разпръскването) на твърди и течни тела в газова среда и при прехода на прахообразни вещества в суспендирани състояния под действието на въздушни течения.
Пръскането на твърди вещества се извършва на два етапа:
смилане и след това пръскане. Прехвърлянето на вещество в аерозолно състояние трябва да се извърши в момента на прилагане на аерозола, тъй като за разлика от други дисперсни системи - емулсии, суспензии, аерозолите не могат да бъдат приготвени предварително. В домашни условия почти единственото средство за получаване на течни и прахообразни аерозоли е устройство, наречено „аерозолна опаковка“ или „аерозолна кутия“. Веществото в него се опакова под налягане и се разпръсква с помощта на втечнени или сгъстени газове.
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА АЕРОЗОЛИТЕ
Свойствата на аерозолите се определят от:
Естеството на веществата от дисперсната фаза и дисперсионната среда;
Частична и масова концентрация на аерозола;
Размер на частиците и гранулометричен състав;
Форма на първичните (неагрегирани) частици;
Аерозолна структура;
Заряд на частиците.
За характеризиране на концентрацията на аерозоли, подобно на други дисперсни системи, се използват масова концентрация и числена (частична) концентрация.
Масовата концентрация е масата на всички суспендирани частици в единица обем газ.
Числената концентрация е броят на частиците в единица обем аерозол. Колкото и голяма да е числената концентрация в момента на образуване на аерозола, след няколко секунди тя не може да надвишава 10 3 частици/cm 3 .
РАЗМЕРИ НА АЕРОЗОЛНИТЕ ЧАСТИЦИ
Минималният размер на частиците се определя от възможността веществото да съществува в състояние на агрегиране. По този начин една молекула вода не може да образува газ, течност или твърдо вещество. За да се образува фаза, са необходими агрегати от поне 20-30 молекули. Най-малката частица от твърдо или течно вещество не може да има размер по-малък от 1 10 -3 микрона. За да се разглежда газ като непрекъсната среда, е необходимо размерите на частиците да са много по-големи от свободния път на газовите молекули. Горната граница на размера на частиците не е строго определена, но частици, по-големи от 100 микрона, не могат да останат във въздуха дълго време.
МОЛЕКУЛАРНО-КИНЕТИЧНИ СВОЙСТВА НА АЕРОЗОЛИ
Характеристиките на молекулярно-кинетичните свойства на аерозолите се дължат на:
Ниска концентрация на частици от дисперсна фаза - така че, ако 1 cm 3 златен хидрозол съдържа 10 16 частици, тогава същият обем златен аерозол съдържа по-малко от 10 7 частици;
Нисък вискозитет на дисперсионната среда - въздух, следователно нисък коефициент на триене (B), възникващ по време на движението на частиците;
Ниска плътност на дисперсионната среда, следователно ρ част » ρ газ.
Всичко това води до факта, че движението на частиците в аерозолите се извършва много по-интензивно, отколкото в лиозолите.
Нека разгледаме най-простия случай, когато аерозолът е в затворен контейнер (т.е. външни въздушни потоци са изключени) и частиците имат сферична форма с радиус r и плътност p. Върху такава частица едновременно действа сила на гравитация, насочена вертикално надолу, и сила на триене в противоположна посока. Освен това частицата е в брауново движение, следствие от което е дифузия.
За да определите количествено процесите на дифузия и утаяване в аерозолите, можете да използвате стойностите
специфичен дифузионен поток i diff и
специфичен седиментационен поток i sed. .
За да разберете кой поток ще преобладава, разгледайте съотношението им:
В този израз (p - p 0) » 0. Следователно размерът на фракцията ще се определя от размера на частиците.
Ако r > 1 μm, тогава i sed » i diff, т.е. дифузията може да бъде пренебрегната - възниква бързо утаяване и частиците се утаяват на дъното на съда.
Ако 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.
По този начин както много малките, така и много големите частици бързо изчезват от аерозола: първите поради адхезия към стените или адхезия, вторите в резултат на утаяване на дъното. Частиците с междинни размери имат максимална стабилност. Следователно, колкото и голяма да е числената концентрация на частици в момента на образуване на аерозол, след няколко секунди тя не надвишава 10 3 части/cm 3 .
ЕЛЕКТРИЧЕСКИ СВОЙСТВА НА АЕРОЗОЛИТЕ
Електрическите свойства на аерозолните частици се различават значително от електрическите свойства на частиците в лиозола.
1. EDL не се появява върху аерозолни частици, тъй като поради ниската диелектрична константа на газовата среда в нея практически не се случва електролитна дисоциация.
2. Зарядът на частиците възниква главно поради безразборната адсорбция на йони, които се образуват в газовата фаза в резултат на йонизация на газа от космически, ултравиолетови или радиоактивни лъчи.
3. Зарядът на частиците е случаен по природа и за частици от една и съща природа и с еднакъв размер той може да бъде различен както по големина, така и по знак.
4. Зарядът на една частица се променя във времето както по големина, така и по знак.
5. При липса на специфична адсорбция зарядите на частиците са много малки и обикновено превишават елементарния електрически заряд не повече от 10 пъти.
6. Специфичната адсорбция е характерна за аерозолите, чиито частици са образувани от силно полярно вещество, тъй като в този случай на интерфазната повърхност възниква доста голям потенциален скок поради повърхностната ориентация на молекулите. Например на междинната повърхност на водни или снежни аерозоли има положителен електрически потенциал от порядъка на 250 mV.
От практиката е известно, че частиците на аерозолите на металите и техните оксиди обикновено носят отрицателен заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), а частиците на аерозолите на неметали и техните оксиди (SiO 2, P 2 O 5) са положително заредени. Частиците NaCl и нишестето са положително заредени, докато частиците от брашно носят отрицателни заряди.
АГРЕГАТИВНА СТАБИЛНОСТ. КОАГУЛАЦИЯ
За разлика от други дисперсни системи, при аерозолите няма взаимодействие между повърхността на частиците и газовата среда, което означава, че няма сили, които пречат на частиците да се слепят една с друга и с макроскопични тела при сблъсък. Следователно аерозолите са агрегатно нестабилни системи. Коагулацията в тях се извършва според типа бърза коагулация, т.е. всеки сблъсък на частици води до тяхното слепване.
Скоростта на коагулация нараства бързо с увеличаване на числената концентрация на аерозола.
Независимо от първоначалната концентрация на аерозола, след няколко минути има 10 8 -10 6 частици в 1 cm 3 (за сравнение, в лиозолите има ~ 10 15 частици). Така имаме работа с много силно разредени системи.
| Зависимост на скоростта на коагулация от увеличаване на броя на аерозолните концентрации | |
| Първоначална числена концентрация в 1 cm3 | Времето, необходимо за намаляване на аерозолната концентрация 2 пъти |
| Части от секундата | |
| 15-30 с | |
| 30 мин | |
| Няколко дни | |
МЕТОДИ ЗА АЕРОЗОЛНО УНИЩОЖАВАНЕ
Въпреки факта, че аерозолите са агрегатно нестабилни, проблемът с тяхното унищожаване е много остър. Основните проблеми, чието решение изисква унищожаване на аерозолите:
Пречистване на атмосферния въздух от промишлени аерозоли;
Улавяне на ценни продукти от промишлен дим;
Изкуствено напръскване или разпръскване на облаци и мъгла.
Аерозолите се унищожават от
· дисперсия под въздействието на въздушни течения или поради заряди на едноименни частици;
· утаяване;
· дифузия към стените на съда;
· коагулация;
· изпаряване на частици от дисперсна фаза (при аерозоли от летливи вещества).
Най-старото от пречиствателните съоръжения е коминът. Те се опитват да отделят вредни аерозоли в атмосферата възможно най-високо, тъй като някои химически съединения, навлизащи в приземния слой на атмосферата под въздействието на слънчевата светлина и в резултат на различни реакции, се превръщат в по-малко опасни вещества (в Норилския минен завод). и металургичен комбинат, например, триканална тръба има височина 420 м).
Въпреки това, съвременната концентрация на промишлено производство изисква димните емисии да бъдат предварително третирани. Разработени са много методи за унищожаване на аерозоли, но всеки от тях се състои от два етапа:
първият е улавянето на диспергирани частици, тяхното отделяне от газа,
второто е да се предотврати повторното навлизане на частици в газовата среда, което се дължи на проблема с адхезията на уловените частици и образуването на трайна утайка от тях.
АЕРОЗОЛНИ ЦИЛИНДРИ
Принципът на действие на аерозолната кутия е, че лекарството, поставено в опаковката, се смесва с евакуираща течност, чието налягане на наситените пари в температурния диапазон, при който работи опаковката, е по-високо от атмосферното.
Сместа се освобождава от цилиндъра под въздействието на налягането на наситените пари над течността.
Известно е, че налягането на наситените пари на всяко стабилно вещество се определя само от температурата и не зависи от обема. Следователно, по време на цялата работа на цилиндъра, налягането в него ще остане постоянно, следователно обхватът на полета на частиците и ъгълът на конуса на пръскането ще останат почти постоянни.
В зависимост от естеството на взаимодействието на разпръскваното вещество с евакуиращата течност и нейното агрегатно състояние, системите в аерозолните опаковки ще се състоят от различен брой фази. В случай на взаимна разтворимост на компонентите се образува хомогенен течен разтвор, в други случаи - емулсия или суспензия и накрая хетерогенна система, когато лекарството и евакуиращата течност образуват макроскопично хетерогенна система. Очевидно в първия случай аерозолната опаковка съдържа двуфазна система - течност и наситена пара. Когато емулсия или суспензия се изпусне в атмосферата, само дисперсионната среда се раздробява - получените частици в най-добрия случай ще имат размерите, които са имали в течната фаза.
Когато лекарството и течността за евакуация не се смесват или се смесват помежду си в ограничена степен, като едната течност се диспергира в другата под формата на малки капчици, се образуват емулсии.
Естеството на системата, образувана, когато продуктът напусне опаковката в атмосферата, зависи от това коя от течностите е дисперсната фаза. Ако дисперсната фаза е лекарство, тогава се образува аерозол. Ако дисперсната фаза е евакуираща течност, тогава се получава пяна. Размерът на частиците, получени с помощта на аерозолни кутии, зависи от физико-химичните свойства на веществата, включени в препарата, съотношението на компонентите, конструктивните характеристики на кутията и температурните условия на нейната работа.
Степента на дисперсия може да се регулира: „чрез промяна на размера на изхода;
Чрез промяна на налягането на наситените пари на евакуиращата течност;
Чрез промяна на количественото съотношение на лекарството и евакуационния агент.
ЕВАКЛИРАНЕ НА ВЕЩЕСТВА
Най-важният спомагателен компонент е вещество, което осигурява освобождаването на лекарството в атмосферата и последващото му разпръскване. Тези вещества се наричат пропеланти (на латински „pro-peilere“ - задвижвам). Пропелантът трябва да изпълнява две функции:
Създайте необходимото налягане за освобождаване на лекарството;
Разпръснат продукт, изпуснат в атмосферата. Като пропеланти се използват фреони и сгъстени газове. Фреоните са органофлуорни съединения с ниско молекулно тегло от алифатната серия.
Приета е следната система за обозначение на фреоните: последната цифра (брой единици) означава броя на флуорните атоми в молекулата, предходната цифра (брой десетки) означава броя на водородните атоми, увеличен с единица, а третата (брой стотици) означава броя на въглеродните атоми, намален с единица. Например: F-22 е CHC1F 2, F-114 е C 2 C1 2 F 4.
Веществата, състоящи се от молекули с циклична структура, също имат цифрово обозначение, но буквата „С“ се поставя пред числата, например: C318 - C 4 F 8 (октафлуороциклобутан).
Като сгъстени газове се използват N2, N2O, CO2 и др.
ПРЕДИМСТВА НА АЕРОЗОЛНИТЕ ОПАКОВКИ
1. Прехвърлянето на лекарството във фино диспергирано състояние се дължи на потенциалната енергия на втечнения пропелант и не изисква използването на никакви външни устройства.
2. Не са необходими приставки за създаване на аерозоли.
3. За единица време значително количество вещество може да бъде разпръснато, за да се получат малки частици - ако се използват други методи, ще е необходима много повече енергия.
4. Режимът на мъгла е стабилен: размерът на получените частици, обхватът на полета им и ъгълът при върха на конуса се променят малко през целия период на работа.
5. Можете предварително да фиксирате дозировката на пръсканото вещество.
6. Можете да зададете размера на частиците.
7. Степента на полидисперсност на аерозола е ниска.
8. Всички частици имат еднакъв химичен състав.
9. Осигурена е стерилност на пръсканите лекарства.
10. Лекарството в опаковката не влиза в контакт с кислорода на въздуха, което гарантира неговата стабилност.
11. Автоматично затварящ се клапан елиминира възможността от загуба поради разливане или изпаряване на неизползвана част от продукта.
12. Опаковката винаги е готова за употреба.
13. Опаковката е компактна. Позволява индивидуална или колективна употреба.
Първите аерозолни опаковки се появяват през 80-те години. ХХ век в Европа. По време на Втората световна война САЩ поеха инициативата в тяхното развитие. През 1941 г. е създадена аерозолна опаковка - убиец на насекоми, опакован в стъклен съд. Горивното гориво е фреон-12.
Производството в индустриален мащаб започва след Втората световна война в Съединените щати, а след това и в други страни по света.
ПРАКТИЧЕСКО ПРИЛОЖЕНИЕ НА АЕРОЗОЛИ
Широкото разпространение на аерозолите се дължи на тяхната висока ефективност. Известно е, че увеличаването на повърхността на веществото е съпроводено с увеличаване на неговата активност. Малко количество вещество, разпръснато под формата на аерозол, заема голям обем и има висока реактивност. Това е предимството на аерозолите пред другите дисперсни системи.
Използват се аерозоли:
В различни области на технологиите, включително военна и космическа;
В селското стопанство; „в здравеопазването;
В метеорологията; в ежедневието и др.
Напоследък приготвянето на лекарствени форми под формата на аерозоли се използва широко във фармацевтичната практика. Използването на лекарствени вещества под формата на аерозоли е удобно в случаите, когато е необходимо да се приложи лекарството върху големи повърхности (остри респираторни заболявания, изгаряния и др.). Дозираните форми, съдържащи течни филмообразуващи вещества, имат голям ефект. Когато това лекарство се напръска върху засегнатата област, тя се покрива с тънък прозрачен филм, който замества превръзката.
Нека се спрем по-подробно на използването на аерозолни опаковки.
В момента има повече от 300 вида продукти в аерозолни опаковки.
Първа група: битова химия.
Инсектицидите са препарати за унищожаване на насекоми.
Продукти против молци.
Инсектициди за третиране на домашни животни.
Средства за защита на стайни растения и овощни и ягодоплодни култури от гъбични заболявания и вредители.
Лакове и бои.
Освежители за въздух.
c Полиращи и почистващи смеси.
Втора група:
Парфюмерия и козметика. „Продукти за грижа за косата (спрейове, шампоани и др.).
Пяни и гелове за бръснене.
Кремове за ръце и крака.
Масло за и против тен.
дезодоранти.
Парфюми, одеколони, тоалетни води.
Трета група: медицински аерозоли.
Четвърта група: технически аерозоли.
Смазочни масла.
Антикорозионни покрития.
Защитни фолиа. „Сухи лубриканти.
Емулсии за охлаждане на фрези на пробивни машини.
Пета група: хранителни аерозоли.
ХРАНИТЕЛНИ АЕРОЗОЛИ
Първите контейнери за храна се появяват през 1947 г. в САЩ. Съдържаха кремове за довършителни работи на торти и сладкиши и се използваха само от ресторанти, които ги връщаха за допълване. Масовото производство на този тип аерозолни опаковки започва едва през 1958 г.
Аерозолните опаковки за храни могат да бъдат разделени на три основни групи:
опаковки, изискващи съхранение при ниски температури;
опаковане с последваща топлинна обработка;
опаковка без последваща термична обработка.
В аерозолни опаковки се произвеждат три вида хранителни продукти: кремове, течности, пасти. В аерозолни опаковки можете да закупите дресинги за салати, топено сирене, сокове, канела, майонеза, доматен сок, 30% бита сметана и др.
Ръстът в производството на хранителни аерозоли се дължи на следното:
предимства пред конвенционалните видове опаковки;
разработване на нови горива;
подобряване на технологията за пълнене.
Предимства на аерозолните опаковки за храни:
Лекота на използване;
спестяване на време;
храната се опакова в състояние, готово за консумация и се освобождава от опаковката в еднаква форма;
няма изтичане на продукта;
влагата не се губи и не прониква в опаковката;
ароматът не се губи;
продуктът се поддържа стерилен.
Следните изисквания се прилагат за хранителни аерозолни формулировки:
1. Пропелантът трябва да бъде с висока чистота, нетоксичен, без вкус и мирис. В момента се използват въглероден диоксид, азотен оксид, азот, аргон и C318 фреон.
2. Сгъстените газове, които имат много ограничена разтворимост във водни разтвори, не могат да участват в образуването на пяна, а това е необходимо за бита сметана, декоративни кремове, мусове и др. За предпочитане е с тези продукти да се използва фреон C318, въпреки че той е много по-скъпо.
Таблица 18.4 Примери за състави за различни хранителни аерозоли
| Съставки, включени в аерозолите | Количество, % маса | |
| 1. Крем за разядка сандвичи | ||
| Извара със сметана | 50-60 | |
| 25-30 | ||
| Растително масло и ароматни добавки | 6-10 | |
| Фреон S318 | 7 | |
| 2. Захарна глазура за довършителни работи на сладкарски изделия | ||
| захар | 55-60 | |
| вода | 15-25 | |
| Растително масло | ||
| твърд | 9-14 | |
| течност | 3-5 | |
| Трапезна сол | 0,1-0,3 | |
| Микрокристална целулоза | 1,0 | |
| Аромати | 1-4 | |
| Емулгатори | 0,5-1 | |
| Фреон S318 | 7 | |
| 3. Мус | ||
| Мед или плодов сироп | 78-83 | |
| вода | 7-9 | |
| Растително масло (твърдо) | 3-5 | |
| Микрокристална целулоза | 1-2 | |
| Моноглицериди | 0,5-1 | |
| Сорбитолови полиестери | 0,05-1 | |
| Фреон SZ18 | 7 | |
| Продължение от Таблица 18.4 | ||
| Съставки, включени в аерозолите | Количество, % маса | |
| 4. Декоративен сос под формата на пяна | ||
| Горчица (фино смлян на прах) | 0,94 | |
| Лимонов сок | 4,72 | |
| Оцет | 9,44 | |
| вода | 34 | |
| Полисорбат 80 | 0,5 | |
| Емулгираща смес | 2,25 | |
| Микрокристална целулоза | 2,5 | |
| Добавки - стабилизатори на пяна | 4,59 | |
| Фреон C318 + азотен оксид (P=8 atm) | 7 | |
| 5. Маслено-оцетен дресинг под формата на пяна | ||
| вода | 11,80 | |
| Сол | 1,96 | |
| захар | 1,47 | |
| Оцет | 22,81 | |
| Зехтин | 61,75 | |
| Полисорбат 80 | 0,10 | |
| Чесново масло | 0,12 | |
| Масло от черен пипер | 0,10 | |
| Фреон S318 | 10,0 | |
| 6. Дресинг за печени царевични зърна | ||
| Сол (екстра) | 10,00 | |
| Растително масло | 58,97 | |
| Други добавки към маслото | 0,03 | |
| боядисване | 1,00 | |
| Фреон-S318 | 10,00 | |
3. Използването на фреони осигурява още едно предимство: в състава на продукта се въвеждат втечнени газове, които се освобождават под формата на пяна, в количество не повече от 10% от теглото, докато те заемат относително малък обем. Това ви позволява да заредите значително повече продукти в цилиндъра - 90% от капацитета на цилиндъра (в опаковки със сгъстен газ само 50%) и гарантира пълно освобождаване на продукта от опаковката.
4. Изборът на пропелант се диктува от вида на хранителния продукт и предвидената форма на доставка (крем, течност, паста). Смеси от CO2 и азотен оксид с висока чистота са се доказали добре. За получаване на пяна се използват смеси от фреон C318 с азотен оксид. Кремът за завършване на тортата, пакетиран с тази смес, образува стабилна пяна, която запазва добре цвета. За сиропите CO2 се счита за най-подходящ пропелант.
Качеството на дозиране на съдържанието от цилиндъра зависи от следните фактори:
Технологии за приготвяне на продукти;
Стабилизатор (широко се използва микрокристална целулоза);
Правилен избор на цилиндър и клапан.
За канелата и лимоновия сок е разработена контролирана разпръскваща глава, която може да разпределя продуктите или като капки, или като струя по желание. За изкуствените подсладители се използват дозиращи вентили, една доза, която те разпределят отговаря на едно парче захар и т.н.
АЕРОЗОЛЕН ТРАНСПОРТ
Пневматичният транспорт се използва широко в брашносмилателната, зърнената и фуражната промишленост, което създава условия за въвеждане на автоматизация, повишаване на производителността на труда и намаляване на разходите. Използването на пневматичен транспорт обаче е свързано с голям разход на електроенергия за преместване на голям обем въздух (1 kg въздух премества 5-6 kg насипен материал).
По-прогресивен е аерозолният транспорт, при който се постига голяма концентрация на материал във въздушния поток поради аериране на брашното в началото на транспортирането и високо въздушно налягане. Аерирането нарушава адхезията между частиците на брашното и придобива свойството на течливост, като течност; в резултат на това 1 кг въздух се движи до 200 кг брашно.
Аерозолната транспортна инсталация се състои от захранващо устройство, компресор, тръбопровод за материал и разтоварващо устройство. Основният елемент е захранващото устройство, в което въздухът се смесва с материала и се придава начална скорост на сместа, което осигурява подаването й към материалопровода.
Въвеждането на аерозолен транспорт позволява да се увеличи производителността на мелниците и да се намали специфичната консумация на енергия.
Аерозолният транспорт държи бъдещето не само в мелничката на брашно, но и в други индустрии, свързани с използването на насипни материали и прахове.
Аерозолите са микрохетерогенни системи, в които твърди частици или течни капчици са суспендирани в газ (S/G или L/G),
Според агрегатното състояние на дисперсната фаза аерозолите се делят на: мъгла (L/G); дим, прах (T/G); смог [(F+T)/G)].
Според дисперсността си аерозолите се делят на: мъгла, дим, прах.
Подобно на други микрохетерогенни системи, аерозолите могат да бъдат получени от истински разтвори (кондензационни методи) или от грубо диспергирани системи (дисперсионни методи).
Водните капки в мъглата винаги са сферични, докато твърдите частици дим могат да имат различни форми в зависимост от техния произход.
Поради много малкия размер на частиците на дисперсната фаза, те имат развита повърхност, върху която могат активно да протичат адсорбция, изгаряне и други химични реакции.
Молекулярно-кинетичните свойства на аерозолите се определят от:
ниска концентрация на частици от дисперсна фаза; нисък вискозитет на дисперсионната среда; ниска плътност на дисперсионната среда.
В зависимост от размера на частиците на дисперсната фаза, те могат или бързо да се утаят (при r < 1 μm), или да залепнат по стените на съда или да се слепят (при r < 0,01 μm). Частиците с междинни размери имат най-голяма стабилност.
Аерозолите се характеризират с явленията термофореза, термопреципитация и фотофореза.
Оптичните свойства на аерозолите са подобни на свойствата на лиозолите, но разсейването на светлината от тях е много по-изразено поради големите разлики в показателите на пречупване на дисперсната фаза и дисперсионната среда.
Специфичността на електрическите свойства на аерозолите е, че върху частиците не възниква EDL; зарядът на частиците е произволен и малък по величина. Когато частиците се приближават една към друга, не се получава електростатично отблъскване и настъпва бърза коагулация.
Унищожаването на аерозолите е важен проблем и се извършва чрез утаяване, коагулация, събиране на прах и други методи.
Праховете са висококонцентрирани дисперсни системи, в които дисперсната фаза е твърди частици, а дисперсионната среда е въздух или друг газ. Символ: T/G.
В праховете частиците от дисперсната фаза са в контакт една с друга. Традиционно повечето насипни материали се класифицират като прахове, но в тесен смисъл терминът "прахове" се прилага за силно диспергирани системи с размер на частиците по-малък от определена критична стойност, при която силите на взаимодействие между частиците стават съизмерими с масата на частици. Най-разпространени са праховете с размер на частиците от 1 до 100 микрона. Специфичната междинна повърхност на такива прахове варира от няколко m11.09.2011 (сажди) до фракции m2/g (фини пясъци).
Праховете се различават от аерозолите с твърда дисперсна фаза (също T/G) с много по-висока концентрация на твърди частици. Прахът се получава от аерозол с твърда дисперсна фаза по време на утаяването му. Суспензията (S/L) също се превръща в прах, когато се изсуши. От друга страна, от прах може да се получи както аерозол, така и суспензия.
КЛАСИФИКАЦИЯ НА ПРАХОВЕ
1. Според формата на частиците:
Равноосни (имат приблизително еднакви размери по три оси);
Влакнести (дължината на частиците е много по-голяма от ширината и дебелината);
Плосък (дължината и ширината са много по-големи от дебелината).
2. Според взаимодействието между частиците:
Свързващо диспергирани (частиците са свързани една с друга, т.е. системата има някаква структура);
Свободно диспергирани (устойчивостта на срязване се дължи само на триенето между частиците).
3. Класификация по размер на частиците на дисперсната фаза:
Пясък (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) m;
Прах (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) m;
Прах (d< 2∙10 -6) м.
МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ПРАХОВЕ
Праховете, както всяка друга дисперсна система, могат да бъдат получени по две групи методи:
От страна на грубите системи - чрез дисперсионни методи;
От страна на истинските разтвори - чрез кондензационни методи.
Изборът на метод зависи от естеството на материала, предназначението на праха и икономически фактори.
ДИСПЕРСИОННИ МЕТОДИ
Суровините се раздробяват в валцови, топкови, вибрационни или колоидни мелници, последвано от разделяне на фракции, тъй като в резултат на смилането се получават полидисперсни прахове (например брашно от същия тип може да съдържа частици от 5 до 60 микрона) .
Ефективна дисперсия може да се постигне чрез смилане на много концентрирани суспензии.
За улесняване на диспергирането се използват редуктори на твърдостта, които са повърхностно активни вещества. В съответствие с правилото за изравняване на полярността, когато се адсорбират върху повърхността на земното твърдо вещество, те намаляват повърхностното напрежение, намалявайки консумацията на енергия по време на дисперсията и увеличавайки дисперсията на основната фаза.
В някои случаи материалът е предварително обработен преди дисперсия. Така титанът или танталът се нагряват във водородна атмосфера, превръщат се в хидриди, които се раздробяват и нагряват във вакуум - получават се чисти метални прахове.
При производството на люспести прахове, които се включват в бои и пиротехнически състави, се използват топкови мелници за смилане. Топките се сплескват и се овалват частиците от натрошения материал.
Прахове със сферични частици от огнеупорни метали (волфрам, молибден, ниобий) се получават в нискотемпературна плазма на дъга и високочестотен разряд. Преминавайки през плазмената зона, частиците се стопяват и придобиват сферична форма, след което се охлаждат и втвърдяват.
По време на диспергирането химичният състав на материала не се променя.
КОНДЕНЗАЦИОННИ МЕТОДИ
Тези методи могат да бъдат разделени на две групи.
Първата група методи е свързана с отлагането на частици поради коагулацията на лиофобни золове. В резултат на изпаряване на разтвора или частично заместване на разтворителя (намаляване на разтворимостта) се образува суспензия, а след нейното филтриране и изсушаване се получават прахове.
Втората група методи са свързани с химични реакции (химична кондензация). Методите на химическа кондензация могат да бъдат класифицирани въз основа на вида на използваната реакция:
1. Обменни реакции между електролити. Например, утаена креда (прах за зъби) се получава в резултат на реакцията:
Na 2 CO 3 + CaCl 2 = CaCO 3 + 2 NaCl.
2. Окисляване на метали.
Например високо диспергираният цинков оксид, който е основният компонент на цинковата бяла, се получава чрез окисляване на цинкови пари с въздух при 300°C.
3. Окисляване на въглеводороди.
Различни видове сажди, които се използват в производството на каучук, пластмаси и печатарско мастило, се получават чрез изгаряне на газообразни или течни въглеводороди в отсъствието на кислород.
4. Редукция на метални оксиди.
Редукцията с природен газ, водород или твърди редуциращи агенти се използва за получаване на силно диспергирани метални прахове.
И много повече, без което самият живот е немислим. Цялото човешко тяло е свят от частици, които са в постоянно движение стриктно според определени правила, които се подчиняват на човешката физиология. Колоидните системи на организмите имат редица биологични свойства, които характеризират определено колоидно състояние: 2.2 Колоидна система от клетки. От гледна точка на колоидно-химичната физиология...
Нека си представим три хоризонтални слоя A, B и C на нашата газова колона, със слой B, разположен над A, и A над C. Винаги е възможно да се получи произволно количество смес от състав A чрез смесване на определен обем от слой C с обем от слой B. Обратно, всяко количество от смес от състав A може да бъде разделено на две смеси от състав B и C.
Това смесване и разделяне на двата газа може да се постигне и по обратим начин чрез укрепване на хоризонталните тръби в A, B и C. Краят на всяка такава тръба, която излиза от газовата колона, е затворена с бутало. Сега ще избутаме буталата навътре в слоеве B и C, като ги преместим, да речем, отляво надясно, а в точка A, напротив, ще избутаме буталото навън, т.е. отдясно наляво. Тогава в B и C някои маси газ ще напуснат колоната, а в A, напротив, ще влезе някакъв обем от сместа. Ще приемем, че всяка такава тръба съдържа определена маса от смес със същия състав като хоризонталния слой на газовия стълб, с който тази тръба комуникира.
След това стойностите ще бъдат определени от уравненията
Следва, че
Нека сега разделим сместа по някакъв обратим начин и да изчислим изразходваната работа.
Нека въведем в A единицата обем на сместа и от B ще изведем съответно обемите
Общата работа, изразходвана в този процес, е равна на
Замествайки стойностите тук, виждаме, че тази работа е равна на нула.
Тук има известна тънкост: смесите B и сместа A, на която се разпадна, бяха повдигнати на различни височини и по този начин придобиха различна потенциална енергия. Но тъй като работата е нула и температурата на системата е постоянна, това е възможно само ако системата е отдала или получила определено количество топлина. Като знаем промяната в потенциалната енергия, ще намерим количеството топлина, предадено на системата, а оттам и промяната в ентропията.
Увеличението на потенциалната енергия ще бъде
но е равно на количеството топлина, придадено на системата, така че увеличението на ентропията ще бъде равно на
С това количество сумата от ентропиите на обема на смес B и обема на смес C е по-голяма от ентропията на единица обем на смес A. От тук можем да намерим обемите на смесите B и C, сумата от чиято ентропия е равна на ентропията на единица обем от смес А; За да направим това, ние привеждаме обемите на смеси B и C по обратим изотермичен начин до обеми и приравняваме сумата от увеличенията в ентропиите на двете смеси по време на този процес към израз (75), взет с обратен знак.
Увеличението на ентропията за смес B ще бъде
Нека заместим в уравнение (76) израза за наляганията по отношение на плътностите
