Глава 9. Загальні відомості про змішування газів.
Цілі та завдання глави:
Дізнатися про правила пожежної безпеки під час роботи з киснем
Дізнатися про правила поводження та роботи з киснем
Дізнатись про застосування "правила 40%"
Дізнатися про різні системи змішування газів.
Нові терміни у цьому розділі.
Вогненебезпечний (пожежонебезпечний) трикутник
Киснево-сумісне мастило
Адіабатичне нагрівання (процес Дизеля)
Кисневе очищення
Правило 40%
Змішування парціальних тисків
Змішування із постійним потоком
Абсорбція з періодичним очищенням абсорбенту
Мембранний поділ.
Будучи дайвером, що використовує у своїх зануреннях збагачені суміші, ви повинні мати можливість одержувати ці суміші. Вам не потрібно знати, як готувати нітрокс самостійно, однак, ви повинні мати уявлення про те, як вони готуються, і знати про вимоги до очищення обладнання, що накладаються використанням нітроксу. Деякі із загальновживаних методів отримання збагачених сумішей розглядаються в цьому розділі, обговорюються їх переваги та недоліки. Суміш, якою ви дихаєте, повинна обов'язково мати відповідний вміст кисню.
1.Звернення та робота з киснем.
Кисень – дивовижний газ. Він може бути як другом, так і ворогом. При змішуванні газів для використання в аквалангах оператор повинен отримати відповідний вміст кисню в суміші, що знаходиться під високим тиском. Це може бути виконано шляхом змішування чистого кисню з азотом або повітрям або видалення частини азоту з повітря. Головна проблема при змішуванні кисню, що знаходиться під високим тиском, - пожежонебезпека. Все, що не є повністю окисленим - а це означає, практично все, - горітиме в кисні, що знаходиться під високим тиском, за наявності джерела займання. Деякий ризик існує і при поводженні із сумішами, але набагато більший ризик несе поводження з чистим стисненим киснем. Дайвер, який використовує збагачені суміші, не повинен вміти поводитися з чистим киснем, але він повинен мати деяке уявлення про супутні фактори ризику, оскільки кисень починає використовуватися в міру ускладнення та розширення діяльності дайвера.
2. Вогненебезпечний (пожежонебезпечний) трикутник.
Для запобігання пожежі необхідно знати, які складові викликають пожежу та підтримують її. Ці складові зображені на малюнку
у вигляді так званого "вогнебезпечного або пожежонебезпечного трикутника". Вогонь – швидка хімічна реакція між паливом та киснем (окислювачем), яка може виникнути лише за наявності джерела займання (тепла). Окислення може протікати без загоряння, як, наприклад, у процесі іржавіння. Вогонь виникає за наявності джерела займання (тепла). Після займання під час хімічної реакції горіння виділяється енергія (тепло), що й підтримує подальше горіння. Якщо ми вилучимо одну із складових (паливо, кисень, джерело займання), вогонь не може виникнути. Якщо, таким чином, одночасно немає всі три складові, загоряння буде запобігти. Якщо вогонь вже існує, видалення однієї зі складових призведе до згасання полум'я. Це основи теорії боротьби із пожежею. Ще один важливий момент полягає в тому, що вогонь має поширюватися для того, щоб підтримувати своє існування. Іноді прагнення до поширення вогню навіть додають як ще одну складову вищеописаного "трикутника".
3.Кисень.
У цих ситуаціях кисень присутній у концентраціях, більших, ніж його концентрація у повітрі. Це означає, що окислювач у " вогненебезпечному трикутнику " за замовчуванням є завжди і може бути видалено з цієї " формули пожежі " . Відомо всім, що кисень повітря за відповідних обставин може брати активну участь у реакції горіння, так що не повинно дивувати, що вища його концентрація здатна лише збільшити ризик. Далі необхідно згадати, що збільшений вміст кисню в повітрі означає зменшений вміст інертного газу. З цієї та інших причин інтенсивність горіння залежить від відсоткового вмісту кисню не лінійним чином. Вона залежить і від відсоткового вмісту (частки) кисню в суміші, і від його парціального тиску і суттєво зростає у разі зростання цих параметрів.
4.Паливо.
У цьому параграфі ми говоритимемо про паливі, що є в газовій системі, що забезпечує використання газу для дихання. При високих тисках кисню у разі загоряння сама система може стати паливом для хімічної реакції, проте для початку загоряння необхідно щось легко займисте. Це може бути якась окрема частина системи, розчинник, мастило, м'які компоненти системи (гума, пластик).
Деякі типи палива, що є в газових системах, можуть бути практично негорючими у звичайних умовах і дуже пальними в збагаченому киснем середовищі. До цих типів палива відносяться силіконове мастило, силіконова гума, неопрен, компресорні мастила, пластикові та металеві стружки та задирки, органічні речовини та матеріали, пил різного характеру, навіть жир на п'яльцях. Можливо, найнебезпечнішим паливом є різні мастила. Існує поширена помилка про те, що силікон (ймовірно, через екзотичність назви) безпечний при використанні з киснем. Насправді, це не так. Існують спеціальні киснево-сумісні мастила, такі як Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Саме такі самозки повинні використовуватися в киснево-збагаченому середовищі.
5. Запалення.
Деякі джерела займання очевидні, проте більшість із них знаходяться поза газовою системою і нами не розглядаються. Два основних джерела займання усередині системи: тертя і стиск газу процесі його проходження системою. Термін "тертя" використаний тут у загальному сенсі: у сенсі наявності будь-яких частинок у газовому потоці або у сенсі руху самого газового потоку та зіткнення його з кутами газопроводів чи іншими перешкодами. Ще одне явище - те, що викликає нагрівання балона, - може викликати і загоряння (при виділенні достатньої кількості тепла). Це той самий ефект, який викликає запалення палива в циліндрах дизельного двигуна без запалення свічки. Цей ефект називається "адіабатичне нагрівання (процес Дизеля)".
Різке відкриття та закриття вентиля циліндра в процесі стиснення газу може спричинити наростання температури до точки займання, а за наявності в газовому потоці забруднень – і саме запалення. Тому в компресорах не використовуються клапани швидкого перемикання ("кулькові клапани").
6.Використання кисневих систем.
Важлива думка даної глави у тому, що ризик під час поводження з киснем може бути мінімізований шляхом дотримання певних правил розробки систем і поводження з ними. Зокрема, важливо уникати гострих кутів та клапанів швидкого перемикання, а також використати відповідні матеріали. Метали, які використовуються виготовлення повітряних систем, придатні й у виготовлення кисневих систем. Що стосується "м'яких складових", таких як прокладки, гнучкі зчленування, діафрагми, то вони повинні бути замінені на киснево-сумісні. У деяких випадках основний критерій – менша горючість у кисні, але в більшості випадків – підвищена стійкість до кисню, що знаходиться під високим тиском. Випускаються спеціальні набори, що дозволяють перетворити повітряне обладнання на обладнання для використання нітроксу.
Необхідно, зокрема, виконувати правильне очищення обладнання та підтримувати обладнання у чистому вигляді, використовувати відповідні мастила, поводитися з газами так, щоб не викликати займання, відкривати вентилі повільно та плавно.
7. Очищення устаткування використання його з киснем. Деякі міркування щодо очищення обладнання.
Поняття "киснева очищення" викликає певну плутанину в лавах дайверів-аматорів. Причина полягає в тому, що не цілком зрозуміло, чи потрібне очищення обладнання для використання його із сумішами, що містять від 21% до 40% кисню. Ця проблема має більш глибоке коріння: не існує розроблених та стандартизованих промислових процедур для поводження зі сумішами, що містять деяку проміжну кількість кисню в діапазоні від 21% (повітря) до 100% (чистий кисень). Стандарти існують лише на поводження з чистим киснем; таким чином, будь-яка суміш, що містить кисню більше 21%, з точки зору існуючих стандартів еквівалентна чистому кисню. Тому, щоб виконувати всі операції відповідно до промислових стандартів, доводиться поводитися з будь-якою збагаченою змістю як з чистим киснем.
Асоціація зі стиснутих газів CGA, Національна протипожежна асоціація NFPA, NASA та низка інших організацій рекомендують поводитися з газами з проміжними концентраціями як із чистим киснем. Це не говорить про те, що вони виконали якісь дослідження в цьому діапазоні концентрацій. Це говорить лише про те, що не існує промислово вироблених і прийнятих норм, і ці організації вважають за краще займати консервативну позицію. З іншого боку, ВМФ США розробив процедури, що свідчать, що суміші з концентрацією кисню до 40% з погляду звернення можна як повітря. Не було опубліковано жодних результатів тестів, які могли б сказати, що цей висновок істинний, однак такий підхід практикується вже багато років, і звітів про пов'язані з цим питанням аварійні ситуації не надходило. NOAA прийняла цю межу концентрації при роботі зі збагаченими сумішами; NAUI, загалом, теж, проте, з деякими обмеженнями.
Чисте стиснене повітря.
Ще одна плутанина виникає стосовно поняття "чистоти повітря". Різні "ступеня" чистоти дихальних газів, що застосовуються різними асоціаціями та організаціями (CGA, ВМФ США), збивають з пантелику, коли йдеться про чистоту збагаченої суміші. Стандарти допускають наявність деякої кількості парів олії (вуглеводнів) у стислому повітрі (зазвичай 5 мг/куб. м). Ця кількість безпечна з точки зору дихання, але може бути небезпечною з точки зору займання при роботі зі стисненим киснем.
Таким чином, відсутні загальноприйняті та узгоджені градації чистоти повітря, що визначають його придатність для змішування із чистим киснем. Законодавці промислових стандартів домовилися про те, що рівень вуглеводнів близько 0.1 мг/куб. м може вважатися прийнятним для повітря, яке "далі має бути змішане з киснем". В останні кілька років стали доступні фільтруючі системи (на фотографії), що дозволяють отримувати стиснене повітря, яке б задовольняло цим вимогам. Компресори, які запобігають контакту повітря з мастилом, звичайно, справляються з цим завданням краще, але вони коштують істотно дорожче. Формалізований підхід до кисневого очищення.
Словосполучення "кисневе очищення" звучить страшно ще й з тієї причини, що при її промисловому здійсненні потрібне дотримання досить суворих процедур. Ці процедури, що періодично виконуються, опубліковані CGA та іншими організаціями. Вони призначені для того, щоб підтримувати безпеку під час роботи зі стисненим киснем.
NAUI стверджує, що будь-яке обладнання, призначене для використання з чистим киснем або сумішами, що містять більше 40% кисню при тиску більше 200 psi (приблизно 13 атм), має бути киснево-сумісним і очищеним для використання з киснем. Очищенню підлягають балон, перший ступінь регулятора та всі шланги. Деякі елементи обладнання можуть бути перетворені для роботи з такими сумішами, використовуючи компоненти зі спеціальних наборів.
8.Неформалізований підхід до кисневого очищення: "правило 40%"
Незважаючи на брак формального тестування, у галузі дайвінгу досить успішно застосовується так зване "правило 40%", і його застосування не виявило жодних проблем. Численні пожежі в системах змішування газів для дайвінгу мали місце, але були спричинені вищими концентраціями кисню.
NAUI приймає це правило, але вимагає, щоб обладнання було піддано кисневому очищенню і щоб у ньому використовувалися киснево-сумісні мастила. Цей підхід менш суворий, ніж формальний, проте, при правильному виконанні дуже ефективний. Очищення має виконуватися кваліфікованими техніками.
Обладнання повинно бути очищене від усіх видимих забруднень і слідів мастила, потім очищено щіткою або ультразвуком з використанням сильного засобу для чищення в гарячій воді. Хороші рідкі засоби для чищення для домашнього використання типу Joy. Чистота має бути не гіршою за ту, яка очікується від тарілок і срібних столових виробів. Після висихання м'які складові підлягають заміні на киснево-сумісні, після чого обладнання змащується киснево-сумісним мастилом.
Після виконання очищення обладнання має бути використане тільки для роботи зі збагаченими сумішами і не повинно використовуватися зі стисненим повітрям, інакше його доведеться очищати повторно.
9.Приготування збагачених сумішей.
Традиційна схема побудови системи змішування газів заснована на додаванні кисню у повітря тим чи іншим способом. Нещодавно розроблені та стали доступні два нові методи, які збагачують повітря іншим шляхом – видаляючи азот. У цьому параграфі будуть розглянуті 3 методи з додаванням кисню: змішування за вагою, змішування парціальних тисків, змішування з постійним потоком; та 2 методи з видаленням азоту: абсорбція з періодичним очищенням абсорбенту, мембранний поділ (Ballantyne and Delp, 1996).
Тип системи змішування газів важливий для кінцевого користувача з тієї точки зору, що він визначає процедури заповнення балонів і діапазон можливих концентрацій кисню в одержуваної суміші.
Змішування газів за вагою.
Найбільш простий та надійний метод отримання точних за складом сумішей – купівля готових сумішей. Промислові виробники газів зазвичай змішують чистий кисень та чистий азот, а не чистий кисень та повітря.
Гази поєднуються за вагою. Це дозволяє ігнорувати багато аномалій у поведінці газів, викликані їхньою відмінністю від ідеальних і забезпечує дуже точний газовий склад сумішей. Змішування може проводитись у балонах, банках балонів чи цистернах. Необхідно мати точні ваги, які дуже дорогі, тому що повинні вміти вимірювати малі зміни за великої ваги. Цей спосіб змішування газів найбільш точний і отримані суміші ретельно аналізуються на відповідність фактичного складу заявленому. При складанні таких сумішей промислова компанія змушена використовувати чистий кисень, проте роздрібний продавець сумішей може цього уникнути. Цей метод досить дорогий, і його вартість збільшується ще й тим, що ємності для зберігання сумішей належать постачальнику сумішей, а отже, беруться продавцем сумішей в оренду.
Змішування парціальних тисків.
Як каже сама назва методу, за основу у ньому береться співвідношення парціальних тисків. Технік заповнює балон заданою кількістю кисню (яке вимірюється за величиною тиску), потім доповнює його надчистим повітрям до кінцевого тиску. Насамперед закачується кисень, коли балон ще порожній, що знижує пожежонебезпечність процедури, оскільки відсутня необхідність маніпуляцій з киснем при повному тиску заправленого балона. Так як використовується чистий кисень, вся система, включаючи балон, що наповнюється, повинна бути киснево-сумісна і очищена. Так як тиск залежить від температури, а балон при наповненні нагрівається, необхідно або давати охолодити балону, або враховувати вплив температури при вимірюванні тиску. Оскільки остаточна корекція складу часто проводиться після остаточного остигання балона, весь процес приготування суміші займає багато часу. Цей процес може також використовуватися для того, щоб доповнити балон із сумішшю відомого складу до отримання суміші такого ж чи іншого певного складу.
Компресор для змішування за таким методом не потрібний, якщо повітря поставляється під тиском, достатнім для того, щоб заповнювати балони аквалангів без додаткового стиснення. Щоб досягти максимального використання банку заправних балонів, використовують так звану "каскадну технологію", яка полягає в тому, що спочатку використовується заправний балон із найнижчим тиском, після чого використовується балон із великим тиском і так далі. Іноді і сам метод називають "методом каскадного змішування".
Компресори також часто використовуються у цьому методі. У них не повинні використовуватися масляні мастила, або вони повинні забезпечувати повітря ультрависокої чистоти, придатний для змішування з киснем. Ще один спосіб закачати повітря в балон - використовувати пневматичний насос, що стискає повітря в наборі різних діаметрів циліндрів, порші яких з'єднані з одним распредвалом. Вогнища з найбільш популярних моделей - Haskel.
Змішування парціальних тисків дуже популярне серед дайвінг-центрів, які готують безліч різних за складом сумішей у малих обсягах для різних цілей аматорського та технічного дайвінгу, у тому числі й суміші із вмістом кисню понад 40%. У разі значна частка вартості системи - високоточний манометр. При цьому дуже ефективним є використання пневматичного насоса. Такий спосіб використовується у віддалених місцях дайвінгу. Оскільки кисень додається при малому тиску, деякі техніки не очищають балони для кисню. Такої практики слід уникати: балон завжди повинен очищатися для використання з киснем.
10. Змішування з постійним потоком.
Цей метод (який також називається методом завантаження атмосферного повітря) був вперше розроблений NOAA (1979, 1991) і є найбільш дружнім користувачем методом (Рис. 9-7). Відповідно до цього методу кисень при низькому тиску додається у вхідний повітряний потік, що надходить компресор з високим ступенем очищення від парів масла. Вихідний потік безперервно аналізується на склад, і результат аналізу використовується для того, щоб відповідним чином змінити підмішування кисню у вхідний потік. Вихідний потік може пускатися в обхід банку заправних балонів на час підстроювання складу суміші. Після того, як суміш закачана в заправні балони, вона може бути перекачана в балони аквалангів перепуском або з використанням пневматичного насоса. В установці з постійним потоком як джерело кисню може також використовуватися підсистема абсорбції з періодичним очищенням абсорбенту PSA.
Існує ще один клас установок з постійним потоком, що забезпечують подачу повітря комерційному водолазу по шлангу повітрозабезпечення. Такі установки мають засоби контролю сталості складу суміші - різні вимірювачі потоку та регулятори. Їхній вихідний тиск, як правило, лежить в районі менше 200 psi (13 атм).
11. Абсорбція з періодичним очищенням абсорбенту (PSA).
Даний метод заснований на використанні матеріалу, що називається "молекулярним ситом" - синтетичного пористого глиноподібного матеріалу, пори якого забезпечують дуже велику площу поверхні. Ця поверхня адсорбує гази ("адсорбувати" означає "абсорбувати на поверхні"). Азот адсорбується швидше, ніж кисень, тому повітря, що проходить через адсорбент, стає багатшим киснем (точніше, бідніше азотом). Використовуються дві адсорбуючі пластини, між якими перемикається потік повітря. Коли потік спрямований на одну пластину, вона адсорбує азот, друга пластина тим часом очищається від раніше адсорбованого азоту. Потім пластини змінюються ролями.
Змінюючи тиску та періодичність очищення пластин, можна отримувати різні значення вмісту кисню у вихідній суміші. Максимальний досяжний вміст кисню – 95%, решта – аргон. Аргон поводиться стосовно даного типу адсорбенту майже як кисень (тобто не адсорбується), тому буде утримуватися у виході суміші майже в тій же пропорції до кисню, що і у вхідному повітрі. Цей аргон не впливає на дайвера.
Установки цього не вимагають наявності кисню під великим тиском, але вони складні і досить дорогі у сенсі придбання та обслуговування; вихідний потік повинен закачуватись у балони за допомогою киснево-сумісного очищеного компресора або пневматичного насоса (на фотографії).
12.Мембранний поділ.
Даний метод заснований на використанні мембрани, яка при проходженні через неї чистого повітря пропускає молекули кисню краще ніж азоту. Вихідна суміш у такий спосіб збагачується киснем, а концентрація кисню визначається вхідним потоком. Максимальне значення значення вмісту кисню в комерційно доступних системах - близько 40%. Ця ж технологія, між іншим, використовується для виділення гелію та в деяких інших процесах.
За аналогією з установками PSA немає необхідності у використанні кисню під великим тиском. Вихідний потік повинен закачуватись у балони за допомогою киснево-сумісного очищеного компресора або пневматичного насоса. Мембранні системи досить надійні і не потребують особливого обслуговування за умови, що чистота вхідного потоку достатня.
газів архів
Газової суміші водню та кисню, якщо їхмасові частки 1 та 2 рівні відповідно... параметрів, що характеризують, індивідуальні властивостігазуі тому є... T=400 К. 8 РОЗДІЛ 1 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕХАНІКИ РОЗДІЛ 1 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕХАНІКИ...
Вступ 3 Розділ 1 Вчені та їх відкриття
Автореферат дисертації... глав. Вступ Глава 1: Вчені та їхвідкриття. - Досвід Прістлі Глава 2. Історія фотосинтезу. Глава 3: Значення фотосинтезу у природі. Глава... вуглекислий газу кисень. Вуглекислий газнеобхідний... електрохімічного потенціалу. Властивостітилакоїдної мембрани...
Нехай змішуються n хімічно невзаємодіючих між собою ідеальних газів. Передбачається, що відомі початкові термодинамічні параметри стану всіх компонентів до змішування та умови змішування (умови взаємодії з довкіллям). Потрібно знайти рівноважні параметри стану газів після змішування
Розглянемо два випадки змішування, для простоти вважаючи, що цей процес триває без теплообміну з довкіллям .
2.1. Змішування при W=Const
У цьому випадку умови змішування такі, що обсяг суміші, що утворюється Wсм дорівнює сумі початкових обсягів компонентів суміші W H i:
(Не слід плутати W H iз парціальними обсягами W i, розглянутими у параграфі 1.4.3.)
Позначимо:
Р H i- Початковий тиск i-го газу;
Т H i,t H i- Початкова температура i-го газу відповідно до 0 Доабо 0 З.
Т.к. вся система з nгазів при змішуванні в умовах W=Constне здійснює зовнішньої роботи, то відповідно до першого початку термодинаміки для цього випадку () можна записати:
Тут: Uсм – внутрішня енергія суміші газів масою mсм кілограмів
з температурою Т 0 К;
U H i- внутрішня енергія i-го газу масою m iкілограмів
з початковою температурою Т H i .
Введемо позначення:
uсм – питома внутрішня енергія суміші газів за температури Т 0 К;
u H i –питома внутрішня енергія i-го газу з початковою температурою Т H i .
Тоді рівняння (2.1.1) набуває такого вигляду:
(2.1.2)
Як відомо, для ідеального газу du=C v dTзвідки при відліку внутрішньої енергії від 0 0 Доможна записати:
Тут: - Середня в діапазоні 0 Т 0 Кмасова ізохорна теплоємність суміші газів;
Середня у діапазоні 0 Т H i 0 Кмасова ізохорна теплоємність i-го газу.
Після підстановки (2.1.3) у (2.1.2) отримаємо:
Але відповідно до параграфа 1.4.10 справжня масова теплоємність суміші газів виражається через масові частки компонентів g iта їх справжні теплоємності наступним чином:
Аналогічно середня в діапазоні 0 Т 0 Кмасова ізохорна теплоємність суміші газів визначиться як:
Підставляючи цей вираз у ліву частину рівняння (2.1.4) отримаємо:
звідки (2.1.5)
Т.к. з рівняння стану, то після підстановки m iдо рівняння (2.1.5) остаточно отримаємо формулу для температури суміші nгазів:
Як відомо, тому формула (2.1.6) може бути записана в наступному вигляді:
(Слід нагадати, що твір - це середня в діапазоні 0- Т H i 0 Кмолярна ізохорна теплоємність i-го газу.)
У довідковій літературі емпіричні залежності теплоємності від температури часто даються для діапазону 0 t 0 С .
Після підстановки (2.1.8) та (2.1.9) до рівняння (2.1.2) отримаємо:
Замінюючи m iйого значенням остаточно отримаємо формулу для температури суміші газів у градусах Цельсія :
Висловлюючи R iчерез молекулярну масу отримаємо ще одну формулу:
У знаменниках формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) та (2.1.11) містяться середні теплоємності, у яких як верхня межа опосередкування використовується температура суміші ( tабо Т), що підлягає визначенню. В силу цього температура суміші за цими формулами визначається методом послідовних наближень .
2.1.1. Приватні випадки змішування газів при W=Const
Розглянемо кілька окремих випадків формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) і (2.1.11).
1. Нехай поєднуються гази, у яких залежністю показника адіабати До iвід температури можна знехтувати.
(В дійсності Дозменшується зі зростанням температури, т. до.
де сор , а- Емперичні позитивні коефіцієнти.
Для технічних розрахунків у діапазоні від 0 до 2000 0 С можна скористатися такими формулами:
а) для двоатомних газів До 1,40 - 0,50 10 -4 t;
б) для продуктів згоряння До 1,35 - 0,55 10 -4 t.
З цих формул видно, що вплив температури на показник адіабати Достає помітним лише за температур, порядку сотень градусів за шкалою Цельсия.)
Т. о., якщо припустити, що
то формула (2.1.6) набуде наступного вигляду:
Формулу (2.1.12) можна використовувати як перший наближення для формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) і (2.1.11)
2. Нехай змішуються гази, у яких молярні ізохорні теплоємності рівні і залежністю цих теплоємностей від температури можна знехтувати, тобто:
Тоді рівняння (2.1.7) набуває дуже простого вигляду:
Якщо у газів рівні між собою молярні ізохорні теплоємності, то відповідно до рівняння Майєра
повинні дорівнювати між собою і мольні ізобарні теплоємності, а, отже, рівні і показники адіабати, тобто.
При цій умові рівняння (2.1.12) перетворюється на (2.1.13).
2.1.2. Тиск після змішування газів при W=Const
Тиск, що встановлюється після змішування газів, можна визначити або за формулами параграфа 1.4.2 або за умови:
Рсм Wсм = mсм Rсм Т= mсм Т.
Вирішення великої кількості технічних завдань часто пов'язане зі змішуванням різних газів (рідин) або різних кількостей одного і того ж газу (рідини), що знаходяться в різних термодинамічних станах. Для організації процесів усунення розроблено досить великий ряд найрізноманітніших змішувальних пристроїв та апаратів.
При термодинамічному аналізі процесів змішування зазвичай завдання зводиться до визначення параметрів стану суміші за відомими параметрами стану вихідних компонентів, що змішуються.
Вирішення цього завдання буде різним залежно від умов, за яких здійснюється цей процес. Усі способи утворення сумішей газів чи рідин, які у реальних умовах, можна розділити втричі групи: 1) процес змішування у постійному обсязі; 2) процес змішування у потоці; 3) змішання під час заповнення обсягу.
Процеси змішування розглядаються зазвичай такими, що відбуваються без теплообміну системи, що змішується з навколишнім середовищем, тобто протікають адіабатно. Змішування за наявності теплообміну можна розбити на два етапи: адіабатне змішування без теплообміну та теплообмін в отриманій суміші з навколишнім середовищем.
З метою спрощення висновків розглянемо змішання двох реальних газів. Одночасне змішування трьох і більше газів може бути знайдено за допомогою розрахункових формул двох газів шляхом послідовного додавання нового компонента.
Всі випадки змішування є незворотними процесами хоча б тому, що для поділу суміші на її складові обов'язково потрібна витрата роботи. Як у будь-якому незворотному процесі, при змішуванні має місце збільшення ентропії S c системи та відповідні втрати працездатності (ексергії): De
= Tо.с 
S c , де Tо.с – температура довкілля.
При змішуванні газів, що мають різні тиск і температуру, виникають додаткові втрати працездатності від незворотного теплообміну між газами, що змішуються, і від невикористання різниці їх тисків. Таким чином, збільшення ентропії при змішуванні відбувається як в результаті власне змішування (дифузії) різних за своєю природою газів або рідин, так і за рахунок вирівнювання температур і тиску речовин, що змішуються.
Розглянемо можливі способи змішування.
2.1. Процеси змішування у постійному обсязі
Нехай деяка теплоізольована посудина обсягу Vрозділений перегородкою на два відсіки, в одному з яких знаходиться газ (рідина) з параметрами p 1 , u 1 , T 1 , U 1 , в іншому - інший газ (рідина) з 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 |
Мал. 2.1. Схема процесу змішування
у постійному обсязі
Масу газу в одному відсіку та обсяг цього відсіку позначимо відповідно m 1 і V 1 , а в іншому відсіку – m 2 та V 2 . При знятті перегородки, що розділяє, кожен газ шляхом дифузії пошириться на весь об'єм, а результуючий об'єм суміші дорівнюватиме, очевидно, сумі. V = V 1 + V 2 . В результаті змішування тиск, температура і густина газу по всьому об'єму судини вирівнюються. Значення параметрів стану газу після змішування позначимо p, u, T, U.
Відповідно до закону збереження енергії, отримана суміш газів матиме внутрішню енергію, що дорівнює сумі внутрішніх енергій кожного газу:
U = U 1 + U 2
m 1 u 1 + m 2 u 2 = (m 1 + m 2) u = mu. (2.1)
Питома внутрішня енергія газу після змішування визначається так:
.
(2.2)
Аналогічно, питомий обсяг суміші дорівнює:
.
(2.3)
Щодо інших параметрів газу після змішування ( p, T, S), то для газів та рідин вони аналітично у загальному вигляді через значення параметрів компонентів суміші не можуть бути розраховані. Для їх визначення необхідно скористатися U u-діаграмою, на якій нанесені ізобари та ізотерми або U, T-діаграмою з нанесеними на ній ізохорами та ізобарами (для змішування одного і того ж газу), або таблицями термодинамічних властивостей газів та рідин. Визначивши за допомогою співвідношень (2.2) та (2.3) та u газу після змішування, з діаграм або таблиць можна знайти p, T, S.
Значення p,
Tі Sгазу після змішування можуть бути безпосередньо виражені через відомі значення параметрів стану порцій, що змішуються тільки для ідеальних газів. Позначимо середнє значення теплоємності першого газу в інтервалі температур від T 1 до Tчерез 
, а іншого газу в інтервалі температур від T 2 до Tчерез 
.
Враховуючи що 
;
;
з виразу (2.2), отримаємо:
T
=
або T
=
,
(2.4)
де g 1 та g 2 – масові частки ідеальних газів, що становлять суміш.
З рівняння стану ідеальних газів випливає:
m 1
=
;m 2
=
.
Після підстановки значень мас (2.4) температура газової суміші може бути знайдена з виразу
T
=
.
(2.5)
Тиск суміші ідеальних газів визначимо як суму парціальних тисків компонентів газової суміші 
де парціальний тиск 
і 
визначаються за допомогою рівняння Клапейрон.
Збільшення ентропії 
S c системи від незворотного змішування знаходять по різниці сум ентропії газів, що входять до суміші, після змішування та вихідних компонентів до змішування:
S
= S
– (m 1 S 1
+ m 2 S 2).
Для суміші ідеальних газів при змішуванні двох газів.
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),
де r i– об'ємна частка ідеальних газів, що становлять суміш;
R- Постійна газова суміші, що визначається рівнянням:
R = g 1 R 1 + g 2 R 2 .
Діаграма ексергії та анергії при змішуванні у постійному обсязі представлена на рис. 2.2.
Мал. 2.2. Діаграма ексергії та анергії при
змішуванні у постійному обсязі: 
- Втрати питомої ексергії при змішуванні
2. Змішування газів і парів, що мають різні температури.
Так утворюються атмосферні тумани. Найчастіше туман з'являється за ясної погоди вночі, коли поверхня Землі, інтенсивно віддаючи тепло, сильно охолоджується. Тепле вологе повітря стикається з Землею, що охолоджується, або з холодним повітрям поблизу її поверхні і в ньому утворюються крапельки рідини. Те саме відбувається при змішуванні фронтів теплого та холодного повітря.
3. Охолодження газової суміші, що містить пару.
Цей випадок можна проілюструвати з прикладу чайника, у якому закипіла вода. З носика виривається водяна пара, яка невидима, оскільки не розсіює світло. Далі водяна пара швидко охолоджується, вода в ній конденсується, і вже на невеликій відстані від носика чайника ми бачимо молочну хмарку - туман, що став видимим через здатність розсіювати світло. Аналогічне явище спостерігається, коли ми відкриваємо кватирку у морозний день. Більш міцний аерозоль утворюється, коли масло, що закипіло на сковорідці, створює в приміщенні газ (масляний аерозоль), видалити який можна лише добре провітривши приміщення.
Крім того, конденсаційний аерозоль може утворюватися в результаті газових реакцій, що ведуть до утворення нелетких продуктів:
· При згорянні палива утворюються димові гази, конденсація яких призводить до появи диму топки;
· При згорянні фосфору на повітрі утворюється білий дим (Р 2 Про 5);
· При взаємодії газоподібних NH 3 та НС1 утворюється дим МН 4 С1 (тв);
· Окислення металів на повітрі, що відбувається в різних металургійних та хімічних процесах, супроводжується утворенням димів, що складаються з частинок оксидів металів.
ДИСПЕРГАЦІЙНІ МЕТОДИ
Диспергаційні аерозолі утворюються при подрібненні (розпорошенні) твердих і рідких тіл у газовому середовищі та при переході порошкоподібних речовин у завислих станах при дії повітряних потоків.
Розпилення твердих тіл відбувається у дві стадії:
подрібнення, а потім розпорошення. Переведення речовини в стан аерозолю має бути здійснено в момент застосування аерозолю, тому що на відміну від інших дисперсних систем - емульсій, суспензій, аерозолі не можна приготувати заздалегідь. У побутових умовах майже єдиним засобом отримання рідких та порошкоподібних аерозолів є пристрій, що називається «аерозольною упаковкою» або «аерозольним балоном». Речовина в ньому пакується під тиском і розпорошується за допомогою зріджених або стиснутих газів.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА АЕРОЗОЛІВ
Властивості аерозолів визначаються:
Природою речовин дисперсної фази та дисперсійного середовища;
Частковою та масовою концентрацією аерозолю;
Розміром частинок та розподілом частинок за розмірами;
Формою первинних (неагрегованих) частинок;
структурою аерозолю;
Заряд частинок.
Для характеристики концентрації аерозолів, як та інших дисперсних систем, використовуються масова концентрація та чисельна (часткова) концентрація.
Масова концентрація - маса всіх завислих частинок в одиниці обсягу газу.
Чисельна концентрація – число частинок в одиниці об'єму аерозолю. Якою б великою була чисельна концентрація в момент утворення аерозолю, вже через кілька секунд вона не може перевищувати 10 3 частинок/см 3 .
РОЗМІРИ ЧАСТОК АЕРОЗОЛЯ
Мінімальний розмір частинок визначено можливістю існування речовини в агрегатному стані. Так, одна молекула води неспроможна утворити ні газу, ні рідини, ні твердого тіла. Для утворення фази необхідні агрегати принаймні 20-30 молекул. Найменша частка твердої речовини або рідини не може мати розмір менше 110 -3 мкм. Щоб розглядати газ як безперервне середовище, необхідно, щоб розміри частинок були набагато більшими, ніж вільний пробіг молекул газу. Верхня межа розмірів частинок строго не визначена, але частинки більші за 100 мкм не здатні тривалий час залишатися зваженими в повітрі.
МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЕРОЗОЛІВ
Особливості молекулярно-кінетичних властивостей аерозолів обумовлені:
Малою концентрацією частинок дисперсної фази - так, якщо в 1 см 3 гідрозолю золота міститься 10 16 частинок, то в такому обсязі аерозолю золота менше 10 7 частинок;
Малою в'язкістю дисперсійного середовища - повітря, отже, малим коефіцієнтом тертя (В), що виникає під час руху частинок;
Малою щільністю дисперсійного середовища, отже ρ част » ρ газу.
Усе це призводить до того, що рух частинок в аерозолях відбувається значно інтенсивніше, ніж у ліозолі.
Розглянемо найпростіший випадок, коли аерозоль знаходиться в закритій посудині (тобто виключені зовнішні потоки повітря) і частинки мають сферичну форму радіусом і щільність р. На таку частинку одночасно діють сила тяжіння, спрямована вертикально донизу, і сила тертя прямо протилежного напрямку. Крім того, частка перебуває в броунівському русі, наслідком якого є дифузія.
Для кількісної оцінки процесів дифузії та седиментації в аерозолях можна використовувати значення
питомого потоку дифузії i диф і
питомого потоку седиментації i сід. .
Щоб з'ясувати, який потік переважатиме, розглядають їхнє співвідношення:
У цьому виразі (р - р 0) 0. Отже, величина дробу визначатиметься розміром частинок.
Якщо r > 1 мкм, то i сед »i диф, тобто дифузією можна знехтувати - йде швидка седиментація і частки осідають на дно судини.
Якщо 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 чином, з аерозолю швидко зникають дуже дрібні, так і дуже великі частинки: перші внаслідок прилипання до стінок або злипання, другі - в результаті осідання на дно. Частинки проміжних розмірів мають максимальну стійкість. Тому, якою б великою була чисельна концентрація частинок у момент утворення аерозолю, вже за кілька секунд вона перевищує 10 3 част/см 3 .
ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЕРОЗОЛІВ
Електричні властивості частинок аерозолю значно відрізняються від електричних властивостей частинок у ліозолі.
1. На частках аерозолю не виникає ДЕС, оскільки через низьку діелектричну проникність газового середовища в ній практично не відбувається електролітична дисоціація.
2. Заряд на частках виникає головним чином за рахунок невиборчої адсорбції іонів, які утворюються в газовій фазі в результаті іонізації газу космічними, ультрафіолетовими або радіоактивними променями.
3. Заряд частинок носить випадковий характер, і частинок однієї природи і однакового розміру то, можливо різним як за величиною, і по знаку.
4. Заряд частки змінюється у часі як за величиною, і за знаком.
5. За відсутності специфічної адсорбції заряди часток дуже малі і зазвичай перевищують елементарний електричний заряд не більше ніж у 10 разів.
6. Специфічна адсорбція характерна для аерозолів, частинки яких утворені сильно полярною речовиною, тому що в цьому випадку на міжфазній поверхні виникає досить великий стрибок потенціалу, зумовлений поверхневою орієнтацією молекул. Наприклад, на міжфазній поверхні аерозолів води або снігу існує позитивний електричний потенціал близько 250 мВ.
З практики відомо, що частинки аерозолів металів та їх оксидів зазвичай несуть негативний заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe 2 0 3), а частинки аерозолів неметалів та їх оксидів (SiO 2 P 2 O 5) заряджені позитивно. Позитивно заряджені частинки NaCl, крохмалю, а частинки борошна несуть негативні заряди.
АГРЕГАТИВНА СТІЙКІСТЬ. КОАГУЛЯЦІЯ
На відміну від інших дисперсних систем в аерозолях відсутня всяка взаємодія між поверхнею частинок і газовим середовищем, а значить, відсутні сили, що перешкоджають зчепленню частинок між собою та з макроскопічними тілами при зіткненні. Таким чином, аерозолі є агрегатно нестійкими системами. Коагуляція у яких відбувається на кшталт швидкої коагуляції, т. е. кожне зіткнення частинок призводить до їх злипання.
Швидкість коагуляції швидко зростає із збільшенням чисельної концентрації аерозолю.
Незалежно від початкової концентрації аерозолю через кілька хвилин 1 см 3 знаходиться 10 8 -10 6 частинок (для порівняння - в ліозолях ~ 10 15 частинок). Таким чином, ми маємо справу з дуже розведеними системами.
| Залежність швидкості коагуляції від збільшення чисельності концентрації аерозолю | |
| Початкова чисельна концентрація 1 см 3 | Час, необхідний зменшення концентрації аерозолю вдвічі |
| Частки секунди | |
| 15-30 з | |
| 30 хв | |
| Декілька діб | |
МЕТОДИ руйнування аерозолів
Незважаючи на те, що аерозолі є агрегативно нестійкими, проблема їхнього руйнування стоїть дуже гостро. Основні проблеми, при вирішенні яких виникає необхідність руйнування аерозолів:
Очищення атмосферного повітря від промислових аерозолів;
Уловлювання з промислового диму цінних продуктів;
Штучне дощування або розсіювання хмар та туману.
Руйнування аерозолів відбувається шляхом
· Розсіювання під дією повітряних течій або внаслідок однойменних зарядів частинок;
· Седиментації;
· Дифузії до стінок судини;
· Коагуляції;
· Випаровування частинок дисперсної фази (у разі аерозолів летких речовин).
З очисних споруд найдавнішим є димова труба. Шкідливі аерозолі намагаються випускати в атмосферу якомога вище, тому що деякі хімічні сполуки, потрапляючи в приземний шар атмосфери під дією сонячних променів і в результаті різних реакцій, перетворюються на менш небезпечні речовини (на Норильському гірничо-металургійному комбінаті, наприклад, триканальна труба 420 м).
Однак сучасна концентрація промислового виробництва вимагає, щоб димові викиди проходили попереднє очищення. Розроблено багато способів руйнування аерозолів, але кожен із них складається з двох стадій:
перша - уловлювання дисперсних частинок, відокремлення їх від газу,
друга - запобігання повторному попаданню частинок у газове середовище, це пов'язано з проблемою адгезії уловлених частинок, формуванням з них міцного осаду.
АЕРОЗОЛЬНІ БАЛОНИ
Принцип дії аерозольного балона полягає в тому, що поміщений в упаковку препарат змішується з рідиною, що евакуює, тиск насиченої пари якої в інтервалі температур, при яких експлуатується упаковка, вище атмосферного.
Викид суміші з балона відбувається під дією тиску насиченої пари, що знаходиться над рідиною.
Відомо, що тиск насиченої пари будь-якої стабільної речовини визначається лише температурою і не залежить від об'єму. Тому протягом усього часу роботи балона тиск у ньому залишатиметься постійним, отже практично постійною залишатиметься дальність польоту частинок і кут конуса розпилення.
Залежно від характеру взаємодії речовини, що розпилюється, з евакуюючою рідиною та її агрегатного стану, системи в аерозольній упаковці будуть складатися з різного числа фаз. У разі взаємної розчинності компонентів утворюється гомогенний рідкий розчин, в інших випадках - емульсія або суспензія і, нарешті, гетерогенна система, коли препарат та рідина, що евакуює, утворюють макроскопічно неоднорідну систему. Очевидно, що в першому випадку в аерозольній упаковці знаходиться двофазна система - рідина та насичена пара. При випуску в атмосферу емульсії або суспензії відбувається дроблення тільки дисперсійного середовища - частки, що отримуються, в кращому випадку будуть мати розміри, які вони мали в рідкій фазі.
Коли препарат і рідина, що евакуює, не змішуються або обмежено змішуються між собою, причому одна з рідин диспергована в іншій у вигляді дрібних крапельок, утворюються емульсії.
Характер системи, що утворюється при виході продукту з упаковки в атмосферу, залежить від того, яка рідина є дисперсною фазою. Якщо дисперсна фаза – це препарат, то утворюється аерозоль. Якщо дисперсною фазою є рідина, що евакуює, то виходить піна. Розмір часток, одержуваних за допомогою аерозольних балонів, залежить від фізико-хімічних властивостей речовин, що входять до складу препарату, співвідношення компонентів, конструктивних особливостей балона та температурних умов його експлуатації.
Ступінь дисперсності можна регулювати: варіюючи розміри вихідного отвору;
Змінюючи тиск насиченої пари евакуюючої рідини;
Змінюючи кількісне співвідношення препарату та евакуюючого агента.
ЕВАКУЮЮЧІ РЕЧОВИНИ
Найважливішим допоміжним компонентом є речовина, яка забезпечує викид препарату в атмосферу та подальше його диспергування. Ці речовини одержали назву пропелентів (лат. «рго-peilere» - гнати). Пропелент повинен виконувати дві функції:
Створювати потрібний тиск для викиду препарату;
Диспергувати продукт, випущений атмосферу. Як пропеленти використовують фреони і стислі гази. Фреони - це низькомолекулярні фторорганічні сполуки аліфатичного ряду.
Прийнято таку систему позначень фреонів: остання цифра (число одиниць) означає число атомів фтору в молекулі, попередня цифра (число десятків) - число атомів водню, збільшене на одиницю, і третя (число сотень) - число атомів вуглецю, зменшене на одиницю. Наприклад: F-22 - це CHC1F 2 F-114 - це C 2 C1 2 F 4 .
Речовини, що складаються з молекул циклічної будови, також мають цифрове позначення, але перед цифрами ставиться буква «З», наприклад: С318 - C4F8 (октафторциклобутан).
Як стислих газів застосовують N 2 , N 2 O, CO 2 та ін.
ПЕРЕВАГИ АЕРОЗОЛЬНИХ УПАКОВОК
1. Переведення препарату в дрібнодисперсний стан відбувається за рахунок потенційної енергії зрідженого палива і не потрібне застосування будь-яких сторонніх пристроїв.
2. Для створення аерозолів не потрібні будь-які насадки.
3. В одиницю часу можна диспергувати значну кількість речовини з отриманням частинок малого розміру - у разі застосування інших способів знадобилося б набагато більше енергії.
4. Режим туманоутворення стабільний: розмір одержуваних частинок, дальність їхнього польоту, кут у вершині конуса протягом усього часу експлуатації мало змінюються.
5. Можна заздалегідь фіксувати дозування речовини, що розпилюється.
6. Можна встановити розмір частинок.
7. Ступінь полідисперсності аерозолю невелика.
8. Усі частки мають однаковий хімічний склад.
9. Забезпечується стерильність препаратів, що розпилюються.
10. Препарат в упаковці не стикається з киснем повітря, що забезпечує його стабільність.
11. Автоматично клапан, що закривається, виключає можливість втрати за рахунок проливання або випаровування невикористаної частини продукту.
12. Упаковка завжди готова до роботи.
13. Упаковка компактна. Надає можливість індивідуального чи колективного використання.
Перші аерозольні упаковки з'явилися у 80-х роках. XX ст. в Європі. Під час Другої світової війни ініціативу в галузі їхньої розробки захопили США. У 1941 р. було створено аерозольну упаковку - засіб знищення комах, упаковане в скляну посудину. Пропелентом служив фреон-12.
У промислових масштабах виробництво почалося після Другої світової війни у США, а згодом в інших країнах світу.
ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ АЕРОЗОЛІВ
Широке використання аерозолів обумовлено їхньою високою ефективністю. Відомо, що збільшення поверхні речовини супроводжується збільшенням її активності. Незначна кількість речовини, розпорошена у вигляді аерозолю, займає великий обсяг і має велику реакційну здатність. У цьому полягають переваги аерозолів перед іншими дисперсними системами.
Аерозолі застосовуються:
У різних галузях техніки, у тому числі у військовій та космічній;
у сільському господарстві; «у охороні здоров'я;
У метеорології; у побуті і т. д.
Останнім часом у фармацевтичній практиці широко застосовують приготування лікарських форм у вигляді аерозолів. Використання лікарських речовин у вигляді аерозолів зручно у тих випадках, коли потрібна впливати препаратом на великі поверхні (гострі захворювання дихальних шляхів, опіки тощо). Великий ефект дають лікарські форми, що містять у своєму складі рідкі плівкоутворювальні речовини. При розпиленні такого препарату на уражену ділянку він покривається тонкою прозорою плівкою, яка замінює пов'язку.
Зупинимося докладніше на застосуванні аерозольних упаковок.
Нині налічується понад 300 видів товарів у аерозольних упаковках.
Перша група: засоби побутової хімії.
Інсектициди – препарати для знищення комах.
Кошти проти молі.
Інсектициди для обробки тварин.
Засоби захисту кімнатних рослин та плодово-ягідних культур від грибкових хвороб та шкідників.
Лаки та фарби.
Освіжувачі повітря.
Поліруючі та чистячі суміші.
Друга група:
Парфумерно-косметичні засоби. Засоби догляду за волоссям (лаки, шампуні і т. д.).
Піни та гелі для гоління.
Креми для рук та ніг.
Олія для та від засмаги.
Дезодоранти.
Духи, одеколони, туалетна вода.
Третя група: медичні аерозолі.
Четверта група: технічні аерозолі.
Мастильні олії.
Антикорозійні покриття.
Захисні плівки. «Сухі мастила.
Емульсії для охолодження різців на свердлильних верстатах.
П'ята група: харчові аерозолі.
Харчові аерозолі
Перші балони з харчовими продуктами з'явилися 1947 р. у США. Вони містили креми для обробки тортів та тістечок і застосовувалися лише в ресторанах, які повертали їх для повторного заповнення. Масове виробництво цього виду аерозольних упаковок почалося лише 1958 р.
Аерозольні упаковки харчових продуктів можна розділити на три основні групи:
упаковки, що вимагають зберігання при низькій температурі;
упакування з подальшою тепловою обробкою;
упакування без подальшої теплової обробки.
У аерозольних упаковках випускаються харчові продукти трьох видів: креми, рідини, пасти. В аерозольних упаковках можна купити приправи для салатів, плавлений сир, соки, корицю, майонез, томатний сік, 30% -е збиті вершки і т.д.
Зростання виробництва харчових аерозолів пояснюється наступним:
перевагами перед звичайними видами тари;
розробкою нових палива;
удосконаленням технології заповнення.
Переваги аерозольної упаковки харчових продуктів:
зручність використання;
економія часу;
їжа упаковується у підготовленому до вживання стані та видається з упаковки в однорідному вигляді;
немає витоку продуктів;
волога не втрачається і проникає в упаковку;
не втрачається аромат;
продукт зберігається у стерильному вигляді.
До рецептур харчових аерозолів пред'являються такі вимоги:
1. Пропеленти повинні бути високої чистоти, не бути токсичними, не мати смаку та запаху. В даний час використовуються діоксид вуглецю, закис азоту, азот, аргон та фреон С318.
2. Стислі гази, що мають дуже обмежену розчинність у водних розчинах, не можуть брати участь в утворенні піни, а це необхідно для збитих вершків, декоративних кремів, мусів і т. п. З цими продуктами краще використовувати фреон С318, хоча він значно дорожчий.
Таблиця 18.4 Приклади рецептур різних харчових аерозолів
| Інгредієнти, що сходять до складу аерозолів | Кількість, % маси | |
| 1. Збитий крем для бутербродів. | ||
| Сир із вершками | 50-60 | |
| 25-30 | ||
| Рослинна олія та ароматичні добавки | 6-10 | |
| Фреон С318 | 7 | |
| 2. Цукрова глазур для обробки кондитерських виробів | ||
| Цукор | 55-60 | |
| Вода | 15-25 | |
| Рослинна олія | ||
| тверде | 9-14 | |
| рідке | 3-5 | |
| Сіль кухонна | 0,1-0,3 | |
| Мікрокристалічна целюлоза | 1,0 | |
| Віддушки | 1-4 | |
| Емульгатори | 0,5-1 | |
| Фреон С318 | 7 | |
| 3. Мус | ||
| Мед або фруктовий сироп | 78-83 | |
| Вода | 7-9 | |
| Рослинна олія (тверда) | 3-5 | |
| Мікрокристалічна целюлоза | 1-2 | |
| Моногліцериди | 0,5-1 | |
| Поліефіри сорбіту | 0,05-1 | |
| Фреон СЗ18 | 7 | |
| Продовження таблиці 18.4 | ||
| Інгредієнти, що входять до складу аерозолів | Кількість, % маси | |
| 4. Декоративний соус у вигляді піни | ||
| Гірчиця (тонко подрібнений порошок) | 0,94 | |
| Лимонний сік | 4,72 | |
| Оцет | 9,44 | |
| Вода | 34 | |
| Полісорбат 80 | 0,5 | |
| Емульгувальна суміш | 2,25 | |
| Мікрокристалічна целюлоза | 2,5 | |
| Добавки – стабілізатори піни | 4,59 | |
| Фреон С318 + закис азоту (Р=8 атм) | 7 | |
| 5. Олійно-оцтова заправка у вигляді піни | ||
| Вода | 11,80 | |
| Сіль | 1,96 | |
| Цукор | 1,47 | |
| Винний оцет | 22,81 | |
| Оливкова олія | 61,75 | |
| Полісорбат 80 | 0,10 | |
| Часникова олія | 0,12 | |
| Олія чорного перцю | 0,10 | |
| Фреон С318 | 10,0 | |
| 6. Заправка для смажених кукурудзяних зерен | ||
| Сіль (екстра) | 10,00 | |
| Рослинна олія | 58,97 | |
| Інші добавки з олій | 0,03 | |
| Барвник | 1,00 | |
| Фреон-С318 | 10,00 | |
3. Використання фреонів дає ще одну перевагу: зріджені гази вводяться в рецептури продуктів, що виділяються у вигляді піни, у кількості не більше 10% ваги, при цьому вони займають порівняно невеликий об'єм. Це дозволяє завантажити в балон значно більше продуктів – 90% ємності балона (в упаковках зі стисненим газом лише 50%) та гарантує повну видачу продукту з упаковки.
4. Вибір палива диктується типом харчового продукту та передбачуваною формою його видачі (крем, рідина, паста). Добре зарекомендували себе суміші СОг та закису азоту високої чистоти. Для отримання піни застосовуються суміші фреону С318 із закисом азоту. Упакований з цією сумішшю крем для обробки тортів дає стійку піну, що добре зберігає колір. Для сиропів найбільш підходящим пропелентом вважається СО2.
Якість видачі вмісту з балона залежить від наступних факторів:
технології приготування продукту;
Стабілізатора (широко використовується мікрокристалічна целюлоза);
Правильного вибору балона та клапана.
Для кориці та лимонного соку розроблена керована розпилювальна головка, яка за бажанням може видавати продукти або у вигляді крапель, або у вигляді струменя. Для штучних підсолоджувачів застосовуються дозуючі клапани, одна доза, що видається ними, відповідає одному шматку пиляного цукру і т. д.
АЕРОЗОЛЬНИЙ ТРАНСПОРТ
У борошномельній, круп'яній, комбікормової промисловості широко застосовується пневматичний транспорт, який створює умови для впровадження автоматизації, підвищення продуктивності праці та зниження собівартості. Однак застосування пневматичного транспорту пов'язане з великою витратою електроенергії на переміщення великого обсягу повітря (1 кг повітря переміщує 5-6 кг сипучого матеріалу).
Більш прогресивним є аерозольний транспорт, при якому велика концентрація матеріалу в повітряному потоці досягається завдяки аерації борошна на початку транспортування та високого тиску повітря. Аерація порушує зчеплення між частинками борошна, і вона набуває властивість плинності, подібно до рідини, в результаті 1 кг повітря переміщає до 200 кг борошна.
Аерозольтранспортна установка складається з живильника, нагнітача, матеріалопроводу та розвантажувача. Основним елементом є живильник, в якому поєднуються повітря з матеріалом і суміші повідомляється початкова швидкість, що забезпечує її подачу в матеріалопровід.
Впровадження аерозольтранспорту дає можливість підвищити продуктивність млинів та знизити питому витрату електроенергії.
Аерозольному транспорту належить майбутнє у борошномельної, а й у інших галузях промисловості, що з використанням сипких матеріалів і порошків.
Аерозолі - це мікрогетерогенні системи, в яких частинки твердої речовини або крапельки рідини зважені в газі (Т/Г або Ж/Г),
За агрегатним станом дисперсної фази аерозолі поділяють на: туман (Ж/Г); дим, пил (Т/Г); зміг [(Ж+Т)/Г)].
По дисперсності аерозолі бувають: туман, дим, пил.
Як і інші мікрогетерогенні системи, аерозолі можуть бути отримані з істинних розчинів (конденсаційні методи) або грубодисперсних систем (диспергаційні методи).
Крапельки води в туманах завжди сферичні, а тверді частинки диму можуть мати різну форму залежно від їхнього походження.
Завдяки дуже маленьким розмірам частинок дисперсної фази вони мають розвинену поверхню, де можуть активно протікати адсорбція, горіння, інші хімічні реакції.
Молекулярно-кінетичні властивості аерозолів обумовлені:
малою концентрацією частинок дисперсної фази; малою в'язкістю дисперсійного середовища; малою щільністю дисперсійного середовища.
Залежно від розмірів частинок дисперсної фази вони можуть швидко седиментувати (при г »1 мкм), або прилипати до стінок судини або злипатися (при г «0,01 мкм). Найбільшу стійкість мають частинки проміжних розмірів.
Для аерозолів характерні явища термофорезу, термопреципітації, фотофорезу.
Оптичні властивості аерозолів подібні до властивостей ліозолей, проте розсіювання світла ними виражено значно сильніше через великі відмінності показників заломлення дисперсної фази та дисперсійного середовища.
Специфічність електричних властивостей аерозолів у тому, що у частках немає ДЕС, заряд частинок носить випадковий характері і малий за величиною. При зближенні частинок немає електростатичне відштовхування і відбувається швидка коагуляція.
Руйнування аерозолів є важливою проблемою і здійснюється шляхом седиментації, коагуляції, пиловловлення та іншими методами.
Порошками називаються висококонцентровані дисперсні системи, у яких дисперсною фазою є тверді частинки, а дисперсійним середовищем – повітря чи інший газ. Умовне позначення: Т/Р.
У порошках частинки дисперсної фази перебувають у контакті одна з одною. Традиційно до порошків відносять більшість сипких матеріалів, однак у вузькому сенсі термін «порошки» застосовують до високодисперсних систем з розміром частинок, меншим деякого критичного значення, при якому сили міжчасткової взаємодії стають сумірними з масою частинок. Найбільшого поширення мають порошки з розмірами частинок від 1 до 100 мкм. Питома міжфазна поверхня таких порошків змінюється в межах від кількох м11.09.2011 (сажа) до часток м2/г (дрібні піски).
Від аерозолів з твердою дисперсною фазою (теж Т/Г) порошки відрізняються значно більшою концентрацією твердих частинок. Порошок виходить із аерозолю з твердою дисперсною фазою при його седиментації. На порошок перетворюється також суспензія (Т/Ж) при її висушуванні. З іншого боку, аерозоль і суспензія можуть бути отримані з порошку.
КЛАСИФІКАЦІЯ ПОРОШКІВ
1. За формою частинок:
Рівновісні (мають приблизно однакові розміри за трьома осями);
Волокнисті (довжина частинок набагато більше ширини та товщини);
Плоскі (довжина і ширина значно більша за товщину).
2. За міжчастковою взаємодією:
Складно дисперсні (частки зчеплені між собою, тобто система має деяку структуру);
Вільнодисперсні (опір зрушенню обумовлено лише тертям між частинками).
3. Класифікація за розмірами частинок дисперсної фази:
Пісок (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) м;
Пил (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) м;
Пудра (d< 2∙10 -6) м.
МЕТОДИ ОТРИМАННЯ ПОРОШКІВ
Порошки, як і будь-яку іншу дисперсну систему, можна отримати двома групами методів:
З боку грубодисперсних систем – диспергаційними методами;
З боку дійсних розчинів – конденсаційними методами.
Вибір методу залежить від природи матеріалу, призначення порошку та економічних факторів.
ДИСПЕРГАЦІЙНІ МЕТОДИ
Виробляється дроблення сировини на вальцьових, кульових, вібраційних або колоїдних млинах з подальшим поділом на фракції, так як в результаті помелу виходять полідисперсні порошки (наприклад, борошно одного сорту може містити частинки від 5 до 60 мкм).
Ефективне диспергування може бути зроблено при перетиранні концентрованих суспензій.
Для полегшення диспергування застосовують низькі твердості, як яких виступають ПАР. Відповідно до правила зрівнювання полярностей, ад-орбируясь на поверхні подрібнюваного твердого тіла, вони зменшують поверхневий натяг, знижуючи енерговитрати при диспергуванні і підвищуючи дисперсність подрібненої фази.
У деяких випадках перед диспергуванням проводять попередню обробку матеріалу. Так, титан або тантал нагрівають в атмосфері водню, переводячи в гідриди, які подрібнюють та нагрівають у вакуумі - виходять чисті металеві порошки.
При отриманні лускатих порошків, що входять до складу фарб та піротехнічних складів, для подрібнення використовують кульові млини. Кулі розплющують і прокочують частинки матеріалу, що подрібнює.
Порошки з частинками сферичної форми з тугоплавких металів (вольфрам, молібден, ніобій) одержують у низькотемпературній плазмі дугового та високочастотного розряду. Проходячи через зону плазми, частинки плавляться і набувають сферичної форми, потім охолоджуються і тверднуть.
У ході диспергування хімічний склад матеріалу не змінюється.
КОНДЕНСАЦІЙНІ МЕТОДИ
Ці методи можна поділити на дві групи.
Перша група методів пов'язана з осадженням частинок внаслідок коагуляції ліофобних золів. В результаті упарювання розчину або часткової заміни розчинника (зниження розчинності) утворюється суспензія, а після її фільтрації та сушіння виходять порошки.
Друга група методів пов'язані з проведенням хімічних реакцій (хімічна конденсація). Методи хімічної конденсації можна класифікувати на основі типу реакції, що використовується:
1. Обмінні реакції між електролітами. Наприклад, обложений крейда (зубний порошок) отримують в результаті реакції:
Na 2 CO 3 + СаС1 2 = СаСО 3 + 2 NaCl.
2. Окислення металів.
Наприклад, високодисперсний оксид цинку, що є основним компонентом білків цинкових, отримують окисленням парів цинку повітрям при 300°С.
3. Окислення вуглеводнів.
Різні види сажі, яку застосовують при виробництві гуми, пластмас, друкарської фарби одержують спалюванням газоподібних або рідких вуглеводнів при нестачі кисню.
4. Відновлення оксидів металів.
Відновлення природним газом, воднем або твердими відновниками використовують для отримання високодисперсних металевих порошків.
І багато іншого, без чого немислиме саме життя. Все людське тіло – це світ частинок, що у постійному русі суворо за певними правилами, підпорядковується фізіології людини. Колоїдні системи організмів мають низку біологічних властивостей, що характеризують той чи інший колоїдний стан: 2.2 Колоїдна система клітин. З погляду колоїдно-хімічної фізіології...
Уявимо собі три горизонтальні шари А, В і С нашого газового стовпа, причому шар розташований вище А, а А - вище С. Завжди можна отримати будь-яку кількість суміші складу А, змішавши деякий об'єм з шару З з об'ємом з шару В. Назад, будь-яку кількість суміші складу А можна розкласти на дві суміші зі складом і С.
Це змішування та поділ двох газів можна здійснити і оборотним шляхом, зміцнивши в А, В та С горизонтальні труби. Той кінець кожної такої труби, що виходить із газового стовпа назовні, закривається поршнем. Будемо тепер у шарах В і С всувати поршні всередину, рухаючи їх, скажімо, зліва направо, а в точці А, навпаки, висуватимемо поршень назовні, тобто справа наліво. Тоді В і С деякі маси газу підуть зі стовпа, а А, навпаки, надійде якийсь обсяг суміші. Ми приймемо, що в кожній такій трубі міститься деяка маса суміші того самого складу, що і горизонтальний шар газового стовпа, з яким повідомляться дана труба.
Значення визначаться тоді із рівнянь
Звідси слідує що
Розділимо тепер суміш якимось оборотним шляхом і підрахуємо витрачену роботу.
Введемо в А одиницю обсягу суміші, а з і виведемо, відповідно, обсяги
Вся робота, витрачена при цьому процесі, дорівнює
підставляючи сюди значення бачимо, що це робота дорівнює нулю.
Тут є деяка тонкість: суміші і на які розпалася суміш А, підняті на різну висоту і придбали, таким чином, різну потенційну енергію. Але якщо робота дорівнює нулю і температура системи постійна, це можливо лише в тому випадку, якщо система віддала або отримала деяку кількість теплоти. Знаючи зміну потенційної енергії, знайдемо кількість теплоти, повідомлену системі, а звідси й зміну ентропії.
Приріст потенційної енергії складе
але воно дорівнює кількості теплоти, повідомленій системі, так що збільшення ентропії буде одно
На таку величину сума ентропій обсягу суміші та обсягу суміші С більше ентропії одиниці обсягу суміші А. Звідси можна знайти обсяги сумішей В і С, сума ентропій яких дорівнює ентропії одиниці обсягу суміші А; для цього доведемо обсяги сумішей В і З оборотним ізотермічним шляхом до обсягів та суму прирощень ентропій обох сумішей при цьому процесі прирівняємо виразу (75), взятому зі зворотним знаком.
Прирощення ентропії для суміші складе
Підставимо в рівняння (76) вираз для тиску через щільність
