Чему равна масса 1 м3 углекислого газа: Чему равна масса 1 м3 углекислого газа CO2? Объемы газов даны при нормальных условиях

Главная / Справочники / Статьи / Физические свойства углекислоты

Физические свойства углекислоты

Углекислота  (СО2, двуокись углерода, диоксид углерода) – вещество с химическое формулой СО2 и молекулярной массой 44,011 г/моль, которое может существовать в четырёх фазовых состояниях – газообразном, жидком, твёрдом и сверхкритическом.

Газообразное состояние СО2 носит общеупотребительное название «углекислый газ». При атмосферном давлении это бесцветный газ без цвета и запаха, при температуре +20 ?С плотностью 1,839 кг/м? (в 1,52 раза тяжелее воздуха), хорошо растворяется в воде (0,88 объёма в 1 объёме воды), частично взаимодействуя в ней с образованием угольной кислоты. Входит в состав атмосферы в среднем 0,035% по объёму.

Газообразный диоксид углерода ранее нередко хранили в стационарных газгольдерах. В настоящее время такой способ хранения не применяется; углекислый газ в необходимом количестве получают непосредственно на месте – путём испарения жидкой углекислоты в газификаторе. Далее газ можно легко перекачать по любому газопроводу под давлением 2-6 атмосфер.

Жидкое состояние СО2 носит техническое название «жидкая углекислота» или просто «углекислота». Это бесцветная жидкость без запаха, средней плотностью 771 кг/м3, которая существует только под давлением 3 482…519 кПа при температуре 0…-56,5 град.С («низкотемпературная углекислота»), либо под давлением 3 482…7 383 кПа при температуре 0…+31,0 град.С («углекислота высокого давления»). Углекислоту высокого давления получают чаще всего путём сжатия углекислого газа до давления конденсации, при одновременном охлаждении водой.

При небольшом и среднем потреблении углекислоты (высокого давления),т для её хранения и транспортировки используют разнообразные стальные баллоны (от баллончиков для бытовых сифонов до ёмкостей вместимостью 55 л). Самым распространенным является 40 л баллон с рабочим давление 15 000 кПа, вмещающим 24 кг углекислоты. За стальными баллонами не требуется дополнительный уход,  углекислота сохраняется без потерь в течение длительного времени. Баллоны с углекислотой высокого давления окрашивают в чёрный цвет.

При значительном потреблении, для хранения и транспортировки низкотемпературной жидкой углекислоты используют изотермические цистерны самой разнообразной вместимости, оснащённые служебными холодильными установками. Существуют накопительные (стационарные) вертикальные и горизонтальные цистерны вместимостью от 3 до 250 т, транспортируемые цистерны вместимостью от 3 до 18 т. Цистерны вертикального исполнения требуют строительства фундамента и используются преимущественно в условиях ограниченного пространства для размещения. Применение горизонтальных цистерн позволяет снизить затраты на фундаменты, особенно при наличии общей рамы с углекислотной станцией. Цистерны состоят из внутреннего сварного сосуда, изготовленного из низкотемпературной стали и имеющего пенополиуретановую или вакуумную теплоизоляцию; наружного кожуха из пластика, оцинкованной или нержавеющей стали; трубопроводов, арматуры и приборов контроля. Внутренняя и наружная поверхности сварного сосуда подвергаются специальной обработке, благодаря чему снижена до вероятность поверхностной коррозии металла. В дорогих импортных моделях наружный герметичный кожух выполнен из алюминия. Использование цистерн обеспечивает заправку и слив жидкой углекислоты; хранение и транспортировку без потерь продукта; визуальный контроль массы и рабочего давления при заправке, в процессе хранения и выдачи. Все типы цистерн оснащены многоуровневой системой безопасности.

При мгновенном снижении давления до атмосферного, происходящем при впрыске в специальную расширительную камеру (дросселировании), жидкий диоксид углерода мгновенно превращается в газ и тончайшую снегообразную массу, которую прессуют и получают диоксид углерода в твёрдом состоянии, который носит общеупотребительное название «сухой лёд». При атмосферном давлении это белая стекловидная масса плотностью 1 562 кг/м?, с температурой -78,5 ?С, которая на открытом воздухе сублимируется – постепенно испаряется, минуя жидкое состояние. Сухой лёд может быть также получен непосредственно на установках высокого давления, применяемых для получения низкотемпературной углекислоты, из газовых смесей, содержащих СО2 в количестве не менее 75-80%. Объёмная холодопроизводительность сухого льда почти в 3 раза больше, чем у водяного льда, и составляет 573,6 кДж/кг.

Твёрдый диоксид углерода обычно выпускают в брикетах размером 200?100?20-70 мм,  в гранулах диаметром 3, 6, 10, 12 и 16 мм, редко в виде тончайшего порошка («сухой снег»). Брикеты, гранулы и снег хранят не более 1-2 суток в стационарных заглублённых хранилищах шахтного типа, разбитых на небольшие отсеки; перевозят в специальных изотермических контейнерах с предохранительным клапаном. Используются контейнеры разных производителей вместимостью от 40 до 300 кг и более. Потери на сублимацию составляют, в зависимости от температуры окружающего воздуха 4-6% и более в сутки.

При давлении свыше 7,39 кПа и температуре более 31,6 град.С диоксид углерода находится в так называемом сверхкритическом состоянии, при котором его плотность как у жидкости, а вязкость и поверхностное натяжение как у газа. Эта необычная физическая субстанция (флюид) является отличным неполярным растворителем. Сверхкритический CO2 способен полностью или выборочно экстрагировать любые неполярные составляющие с молекулярной массой менее 2 000 дальтон: терпеновые соединения, воски, пигменты, высокомолекулярные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, алкалоиды, жирорастворимые витамины и фитостерины.

• Удельный вес. Удельный вес углекислоты зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится.
• Критическая температура углекислоты  +31 град. Удельный вес углекислого газа при 0 град и давлении 760 мм рт.ст. равен 1, 9769 кг/м3.
• Молекулярный вес углекислого газа 44,0. Относительный вес углекислого газа по сравнению с воздухом составляет 1,529.
• Жидкая углекислота при температурах выше 0 град. значительно легче воды, и ее можно хранить только под давлением.
• Удельный вес твердой углекислоты зависит от метода ее получения. Жидкая углекислота при замораживании превращается в сухой лед, представляющий прозрачное , стеклообразное твердое тело. В этом случае твердая углекислота имеет наибольшую плотность (при нормальном давлении в сосуде, охлаждаемом до минус 79 град., плотность равна 1,56). Промышленная твердая углекислота имеет белый цвет, по твердости близка к  мелу,
• ее удельный вес колеблется в зависимости от способа получения в пределах 1,3 — 1,6.

• Уравнение состояния. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением 
• V= R T/p — A,                                                где 
• V — объем, м3/кг;
• R — газовая постоянная 848/44 = 19,273;
• Т — температура, К град.;
• р  давление, кг/м2;
• А — дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния для идеального газа.  Он выражается зависимостью А =( 0, 0825 + (1,225)10-7 р)/(Т/100)10/3.

• Тройная точка углекислоты. Тройная точка характеризуется давлением 5,28 ата (кг/см2) и температурой минус 56,6 град.
• Углекислота может находиться во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном) только в тройной точке. При давлениях ниже  5,28 ата  (кг/см2)  (или при температуре ниже минус 56,6 град.) углекислота может находиться только в твердом и газообразном состояниях.
•  В парожидкостной области, т.е. выше тройной точки, справедливы следующие соотношения
•                                          i’ x + i» у = i,
•                                             x + у = 1,                                                          где, 
• x    и   у — доля вещества в жидком и парообразном   виде;
• i’   — энтальпия жидкости;
• i» — энтальпия пара;
• i —  энтальпия смеси.
• По этим величинам легко определить величины x и у. Соответственно для области ниже тройной точки будут действительны следующие уравнения:
•                                          i» у   + i» z = i,
•                                              у  + z = 1,                                        где,
• i» — энтальпия  твердой углекислоты;
•  z  — доля вещества в твердом состоянии.
•  В тройной точке для трех фаз имеются также только два уравнения
•                                  i’ x + i» у + i»’ z  = i,
•                                   x + у + z  = 1.
• Зная значения  i,’   i’,’   i»’  для тройной точки и используя приведенные уравнения можно определить энтальпию смеси для любой точки.

• Теплоемкость.  Теплоемкость углекислого газа при температуре 20 град. и 1 ата составляет
• Ср = 0,202 и Сv = 0,156 ккал/кг*град. Показатель адиабаты k =1,30.
• Теплоемкость жидкой углекислоты в диапазоне температур от -50 до +20 град. характеризуется следующими значениями, ккал/кг*град.                 :
• Град.С          -50               -40                    -30                -20             -10              0             10                   20
• Ср,                0,47           0,49                  0,515            0,514          0,517         0,6           0,64               0,68

• Точка плавления. Плавление твердой углекислоты происходит при температурах и давлениях, соответствующих тройной точке (t = -56,6 град. и р = 5,28 ата) или находящихся выше ее.
• Ниже тройной точки твердая углекислота сублимирует. Температура сублимации является  функцией давления: при нормальном давлении она равна  -78,5 град.,  в вакууме она может быть  -100 град. и ниже.

• Энтальпия. Энтальпию пара углекислоты в широком диапазоне температур и давлений  определяют по   уравнению Планка и Куприянова.
•        i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t — 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3),                               где
• I – ккал/кг,                 р – кг/см2,  Т – град.К,      t – град.С.
• Энтальпию жидкой углекислоты в любой точке   можно легко определить путем вычитания из энтальпии насыщенного пара величины скрытой  теплоты парообразования. Точно так же , вычитая скрытую теплоту сублимации, можно определить энтальпию твердой углекислоты.

• Теплопроводность. Теплопроводность углекислого газа при  0 град. составляет 0,012 ккал/м*час*град.С,  а при температуре  -78 град. она понижается до 0,008 ккал/м*час*град.С.
• Данные о теплопроводности углекислоты в 10 4 ст. ккал/м*час*град.С  при плюсовых температурах приведены в таблице.
• Давление, кг/см2              10 град.               20 град.                     30 град.                  40 град.
•                                                                     Газообразная       углекислота
•         1                                    130                   136                            142                          148
•        20                                      —                     147                            152                          157
•        40                                      —                     173                            174                          175
•        60                                      —                        —                               228                         213
•        80                                      —                        —                                 —                            325
•                                                                         Жидкая          углекислота    
•        50                                    848                     —                                  —                             —
•        60                                    870                   753                               —                              —
•        70                                    888                   776                               —                              —
•        80                                    906                   795                            670                          
                      Теплопроводность твердой углекислоты  может быть вычислена по формуле :
                                                       236,5/Т1,216 ст. , ккал/м*час*град.С. 

• Коэффициент теплового расширения. Объемный коэффициент расширения  а твердой углекислоты рассчитывают в зависимости от изменения удельного веса и температуры. Линейный коэффициент расширения определяют  по выражению b =  a/3. В диапазоне температур от -56 до -80 град. коэффициенты имеют следующие значения: а *10*5ст. = 185,5-117,0,  b* 10* 5 cт. =  61,8-39,0.

• Вязкость.   Вязкость углекислоты 10 *6ст. в зависимости от давления и температуры (кг*сек/м2)
•  
• Давление, ата              -15 град.                  0 град.                      20 град.                40 град .                  
•         5                               1,38                        1,42                          1,49                      1,60
•         30                           12,04                        1,63                          1,61                      1,72
•         75                           13,13                      12,01                          8,32                      2,30

• Диэлектрическая постоянная.   Диэлектрическая постоянная жидкой  углекислоты при 50 – 125 ати, находится  в  пределах 1,6016 – 1,6425.
• Диэлектрическая постоянная углекислого газа при 15 град. и давлении 9,4  — 39 ати      1,009 – 1,060.

• Влагосодержание углекислого газа.  Содержание водяных паров во влажном углекислом газе  определяют с помощью уравнения,
• Х = 18/44 * p’/p – p’ = 0,41 p’/p – p’   кг/кг,              где 
•  p’ – парциальное давление водяных паров при 100%-м насыщении;
• р – общее давление паро-газовой смеси.

• Растворимость углекислоты в воде.  Растворимость газов измеряется объемами газа, приведенными к нормальным условиям (0 град, С и 760 мм рт. ст.) на объем растворителя.
• Растворимость углекислоты в воде при умеренных температурах и давлениях до 4 – 5 ати подчиняется закону Генри, который выражается уравнением
•                                           Р = Н Х,                            где
• Р —  парциальное давление газа над жидкостью;
• Х —  количество газа в молях;
• Н – коэффициент Генри.

• Жидкая углекислота как растворитель.  Растворимость смазочного масла в жидкой углекислоте  при    температуре  -20град.  до +25 град. составляет 0,388 г в100 СО2,
• и увеличивается до 0,718 г  в 100 г СО2 при температуре  +25 град. С.
• Растворимость воды в жидкой углекислоте в диапазоне температур от  -5,8 до +22,9 град. составляет не более 0,05% по весу.

Техника безопасности

По степени воздействия на организм человека газообразный диоксид углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТу 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации следует ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5%.

При применении сухого льда, при использовании сосудов с жидкой низкотемпературной углекислотой должно обеспечиваться соблюдение мер безопасности, предупреждающих обморожение рук и других участков тела работника.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Дата : 2023-02-15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28