Углекислый газ, он же углекислота, он же двуокись углерода…. Агрегатные состояния вещества. Различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

В условиях атмосферного давления СО2 чаще всего находится именно в газообразном агрегатном состоянии. Однако при особых условиях, а в частности при пониженных температурах (от -78 °С), двуокись углерода способна превращаться в сухой лед.

Имеет ли СО2 запах

Одной из особенностей углекислого газа является то, что весит он больше воздуха. Также СО2 очень хорошо растворяется в воде. Относится этот газ к типичным кислотным оксидам и взаимодействовать может со щелочами или водой.

Помимо всего прочего, СО2 не является горючим газом и даже не поддерживает горения. В отличие от своего ближайшего родственника угарного газа (СО), двуокись углерода не ядовита и не представляет собой слишком уж большой опасности для человека в плане отравлений.

Запаха углекислый газ, как и угарный, не имеет совершенно никакого. Причем касается это как газообразной его формы, так и твердой.

Обнаружить присутствие в помещении двуокись углерода человек, таким образом, не может. Единственное, в больших количествах СО2 иногда начинает раздражать слизистую носа.

Может ли вызывать отравления

Так коварно на организм человека, как угарный, углекислый газ не действует. Однако обращаться с ним нужно все же поосторожнее.

Поскольку весит СО2 больше воздуха, в помещении он всегда опускается вниз. И если его будет слишком много, он вытеснит от пола кислород, из-за чего у находящихся в комнате людей может начаться гипоксия или аноксемия.

Сила воздействия на организм человека углекислого газа невысока. Но при длительном его вдыхании у пострадавшего, помимо всего прочего, могут развиться и симптомы интоксикации. В данном случае все зависит от того, сколько двуокиси углерода попадет в организм.

С проблемой отравления СО2 зачастую сталкиваются, к примеру, аквалангисты или люди, плавающие под водой со слишком длинной трубкой для дыхания. В группу риска также попадают шахтеры, электросварщики, работники производств, специализирующихся на выпуске сахара, пива, сухого льда.

В избыточных количествах в организме человека углекислый газ начинает связывать гемоглобин. В результате у пострадавшего, как частный случай гипоксии, может развиться гиперкапния, сопровождающаяся такими симптомами, как тошнота, брадикардия или даже паралич дыхательной системы. Врачи в таких случаях обычно выписывают пострадавшим препарат «Ацизол», способный, помимо всего прочего, выгонять СО2 из организма.

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. При резком охлаждении за счёт расширения (детандирование) СО2 способен десублимироваться - переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.

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. Низкотемпературную углекислоту, являющейся основной формой диоксида углерода для промышленного потребления, чаще всего получают по циклу высокого давления путём трехступенчатого охлаждения и дросселирования в специальных установках.

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. Предохранительные клапаны позволяют производить проверку и ремонт без остановки и опорожнения цистерны.

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. Нерастворимыми веществами для сверхкритического CO2 являются целлюлоза, крахмал, органические и неорганические полимеры с высоким молекулярным весом, сахара, гликозидные вещества, протеины, металлы и соли многих металлов. Обладая подобными свойствами, сверхкритический диоксид углерода всё шире применяется в процессах экстракции, фракционирования и импрегнации органических и неорганических веществ. Он является также перспективным рабочим телом для современных тепловых машин.

• 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.

Углекислый газ, или диоксид углерода, или CO 2 — одно из самых распространенных на Земле газообразных веществ. Он окружает нас в течение всей нашей жизни. Углекислый газ не имеет цвета, вкуса и запаха и никак не ощущается человеком.

Он является важным участником обмена веществ живых организмов. Газ сам по себе не ядовит, но не поддерживает дыхание, поэтому превышение его концентрации ведет к ухудшению снабжения тканей организма кислородом и к удушью. Углекислый газ широко применяется в быту и в промышленности.

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

Свойства углекислого газа

В 17 веке Жан-Батист Ван Гельмонт из Фландрии открыл углекислый газ и определил его формулу. Подробное исследование и описание было сделано столетие спустя шотландцем Джозефом Блэком. Он исследовал свойства углекислого газа и провел серию опытов, в которых доказал, что он выделяется при дыхании животных.

В состав молекулы вещества входит один атом углерода и два атома кислорода. Химическая формула углекислого газа записывается как CO 2

В нормальных условиях не обладает вкусом, цветом и запахом. Только вдыхая большое его количество, человек ощущает кислый привкус. Его дает угольная кислота, образующаяся в малых дозах при растворении углекислого газа в слюне. Эта особенность применяется для приготовления газированных напитков. Пузырьки в шампанском, просекко, пиве и лимонаде — это и есть углекислый газ, образовавшийся в результате естественных процессов брожения или добавленный в напиток искусственно.

Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому при отсутствии вентиляции он скапливается внизу. Он не поддерживает окислительные процессы, такие, как дыхание и горение.

Поэтому углекислоту применяют в огнетушителях. Это свойство углекислого газа иллюстрируют с помощью фокуса — горящую свечу опускают в «пустой» стакан, где она и гаснет. В действительности стакан заполнен CO 2 .

Углекислый газ в природе естественные источники

К таким источникам относятся окислительные процессы разной интенсивности:

• Дыхание живых организмов. Из школьного курса химии и ботаники все помнят, что в ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но не все помнят, что это происходит только днем, при достаточном уровне освещения. В темное время суток растения наоборот, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Так что попытка улучшить качество воздуха в комнате, превращая ее в заросли фикусов и герани может сыграть злую шутку.
• Извержения и другая вулканическая активность. CO 2 выбрасывается из глубин мантии Земли вместе с вулканическими газами. В долинах рядом с источниками извержений газа настолько много, что, скапливаясь в низинах, он вызывает удушье животных и даже людей. Известны несколько случаев в Африке, когда задыхались целые деревни.
• Горение и гниение органики. Горение и гниение — это одна и та же реакция окисления, но протекающая с разной скоростью. Богатые углеродом разлагающиеся органические остатки растений и животных, лесные пожары и тлеющие торфяники — все это источники диоксида углерода.
• Самым же большим природным хранилищем CO 2 являются воды мирового океана, в которых он растворен.

За миллионы лет эволюции основанной на углеродных соединениях жизни на Земле в различных источниках накопились многие миллиарды тонн углекислого газа. Его одномоментный выброс в атмосферу приведет к гибели всего живого на планете из-за невозможности дыхания. Хорошо, что вероятность такого одномоментного выброса стремится к нулю.

И скусственные источники углекислого газа

Углекислый газ попадает в атмосферу и в результате человеческой жизнедеятельности. Самыми активными источниками в наше время считаются:

• Индустриальные выбросы, происходящие в ходе сгорания топлива на электростанциях и в технологических установках
• Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств: автомобилей, поездов, самолетов и судов.
• Сельскохозяйственные отходы — гниение навоза в больших животноводческих комплексах

Кроме прямых выбросов, существует и косвенное воздействие человека на содержание CO 2 в атмосфере. Это массовая вырубка лесов в тропической и субтропической зоне, прежде всего в бассейне Амазонки.

Несмотря на то, что в атмосфере Земли содержится менее процента диоксида углерода, он оказывает все возрастающее действие на климат и природные явления. Углекислый газ участвует в создании так называемого парникового эффекта путем поглощения теплового излучения планеты и удерживания этого тепла в атмосфере. Это ведет к постепенному, но весьма угрожающему повышению среднегодовой температуры планеты, таянию горных ледников и полярных ледяных шапок, росту уровня мирового океана, затоплению прибрежных регионов и ухудшению климата в далеких от моря странах.

Знаменательно, что на фоне общего потепления на планете происходит значительное перераспределение воздушных масс и морских течений, и в отдельных регионах среднегодовая температура не повышается, а понижается. Это дает козыри в руки критикам теории глобального потепления, обвиняющим ее сторонников в подтасовке фактов и манипуляции общественным мнением в угоду определенным политическим центрам влияния и финансово-экономическим интересам

Человечество пытается взять под контроль содержание углекислого газа в воздухе, были подписаны Киотский и Парижский протоколы, накладывающие на национальные экономики определенные обязательства. Кроме того, многие ведущие автопроизводители автомобилей объявили о сворачивании к 2020-25 годам выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания и переходе на гибриды и электромобили. Однако некоторые ведущие экономики мира, такие, как Китай и США, не торопятся выполнять старые и брать на себя новые обязательства, мотивируя это угрозой уровню жизни в своих странах.

Углекислый газ и мы: чем опасен CO 2

Углекислый газ — один из продуктов обмена веществ в организме человека. Он играет большую роль в управлении дыханием и снабжением кровью органов. Рост содержания CO 2 в крови вызывает расширение сосудов, способных таким образом транспортировать больше кислорода к тканям и органам. Аналогично и система дыхания понуждается к большей активности, если концентрация углекислоты в организме растет. Это свойство используют в аппаратах искусственной вентиляции легких, чтобы подстегнуть собственные органы дыхания пациента к большей активности.

Кроме упомянутой пользы, превышение концентрации СO 2 может принести организму и вред. Повышенное содержание во вдыхаемом воздухе приводит к тошноте, головной боли, удушью и даже к потере сознания. Организм протестует против углекислого газа и подает человеку сигналы. При дальнейшем увеличении концентрации развивается кислородное голодание, или гипоксия. Co 2 мешает кислороду присоединяться к молекулам гемоглобина, которые и осуществляют перемещение связанных газов по кровеносной системе. Кислородное голодание ведет к снижению работоспособности, ослаблению реакции и способностей к анализу ситуации и принятию решений, апатии и может привести к смерти.

Такие концентрации углекислого газа, к сожалению, достижимы не только в тесных шахтах, но и в плохо проветриваемых школьных классах, концертных залах, офисных помещениях и транспортных средствах — везде, где в замкнутом пространстве без достаточного воздухообмена с окружающей средой скапливается большое количество людей.

Основное применение

CO 2 широко применяется в промышленности и в быту – в огнетушителях и для изготовления газировки, для охлаждения продуктов и для создания инертной среды при сварке.

Применение углекислого газа отмечено в таких отраслях, как:

• для чистки поверхностей сухим льдом.

Фармацевтика

• для химического синтеза компонентов лекарственных средств;
• создания инертной атмосферы;
• нормализация индекса pH отходов производства.

Пищевая отрасль

• производство газированных напитков;
• упаковка продуктов питания в инертной атмосфере для продления срока годности;
• декаффеинизация кофейных зерен;
• замораживание или охлаждение продуктов.

Медицина, анализы и экология

• Создание защитной атмосферы при полостных операциях.
• Включение в дыхательные смеси в качестве стимулятора дыхания.
• В хроматографических анализах.
• Поддержание уровня pH в жидких отходах производства.

Электроника

• Охлаждение электронных компонентов и устройств при тестировании на температурную стойкость.
• Абразивная очистка в микроэлектронике (в твердой фазе).
• Очищающее средство в производстве кремниевых кристаллов.

Химическая отрасль

Широко применяется в химическом синтезе в качестве реагента и в качестве регулятора температур в реакторе. CO 2 отлично подходит для обеззараживания жидких отходов с низким индексом pH.

Применяется также для осушения полимерных веществ, растительных или животных фиброматериалов, в целлюлозном производстве для нормализации уровня pH как компонентов основного процесса, так и его отходов.

Металлургическая отрасль

В металлургии CO 2 в основном служит делу экологии, защиты природы от вредных выбросов путем их нейтрализации:

• В черной металлургии — для нейтрализации плавильных газов и для донного перемешивания расплава.
• В цветной металлургии при производстве свинца, меди, никеля и цинка — для нейтрализации газов при транспортировке ковша с расплавом или горячих слитков.
• В качестве восстановительного агента при организации оборота кислотных шахтных вод.

Сварка в углекислой среде

Разновидность сварки под флюсом является сварка в углекислой среде. Операции сварочных работ с углекислым газом осуществляется плавящимся электродом и распространен в процессе монтажных работ, устранении дефектов и исправления деталей с тонкими стенками.

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .

В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. . В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота» , а в - термин «двуокись углерода» .

Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье .

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед» .

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и только при температуре выше 2000°С.

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество . В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont ) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black) .

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой , поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа . При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

Двуокись углерода чаще всего применяют :

• для создания защитной среды при металлов;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• для чистки поверхностей сухим льдом.

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие .

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка ).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + О = МэО

где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при . Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Углекислый газ поставляется по . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги

Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА» .

Углекислый газ CO 2 (углекислота, двуокись углерода, диоксид углерода, угольный ангидрид) в зависимости от давления и температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.

В газообразном состоянии диоксид углерода представляет собой бесцветный газ с немного кисловатым вкусом и запахом. В атмосфере Земли содержится около 0,04% углекислого газа. При нормальных условиях его плотность составляет 1,98 г/л - примерно в 1,5 раза больше плотности воздуха.

Диаграмма. Фазовое равновесие углекислоты

Жидкий диоксид углерода (углекислота) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. При комнатной температуре она существует только при давлении свыше 5850 кПа. Плотность жидкой углекислоты сильно зависит от температуры. Например, при температуре ниже +11°С жидкая углекислота тяжелее воды, при температуре выше +11°С - легче. В результате испарения 1 кг жидкой углекислоты при нормальных условиях образуется примерно 509 л газа.

При температуре около -56,6°С и давлении около 519 кПа жидкая углекислота превращается в твердое вещество - «сухой лед» .

В промышленности наиболее распространены 3 способа получения углекислого газа:

• из отходящих газов химических производств, прежде всего синтетического аммиака и метанола; в отходящем газе содержится примерно 90% углекислого газа;
• из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих природный газ, уголь и другое топливо; в дымовом газе содержится 12-20% углекислого газа;
• из отходящих газов, образующихся при брожении в процессе получения пива, спирта, при расщеплении жиров; отходящий газ представляет собой почти чистый углекислый газ.

Согласно ГОСТ 8050-85 газообразная и жидкая углекислота поставляется трех видов: высшего, первого и второго сортов. Для сварки рекомендуется использовать углекислоту высшего и первого сорта. Применение углекислоты второго сорта для сварки допускается, однако желательно наличие осушителей газа. Допустимое содержание углекислого газа и некоторых примесей в различных марках углекислоты приведено в таблице ниже.

Таблица. Характеристики марок углекислоты

Меры безопасности при работе с углекислым газом:

• Углекислота не токсична и не взрывоопасна, однако при ее концентрациях в воздухе свыше 5% (92г/м 3) снижается доля кислорода, что может привести к кислородной недостаточности и удушью. Поэтому следует опасаться ее скапливания в плохо проветриваемых помещениях. Для регистрации концентрации углекислоты в воздухе производственных помещений применяются газоанализаторы - стационарные автоматические или переносные.
• При уменьшении давления до атмосферного жидкая углекислота превращается в газ и снег с температурой -78,5°C и может привести к поражению слизистой оболочки глаз и обморожению кожи. Поэтому при отборе проб жидкой углекислоты необходимо пользоваться защитными очками и рукавицами.
• Осмотр внутренней емкости ранее эксплуатируемой цистерны для хранения и транспортирования жидкой углекислоты необходимо проводить в шланговом противогазе. Цистерну необходимо отогреть до температуры окружающей среды, а внутреннюю емкость продуть воздухом или провентилировать. Противогаз разрешается не использовать только после того, как объемная доля углекислоты внутри оборудования станет ниже 0,5%.

Применение углекислого газа при сварке

Углекислый газ применяется в качестве активного защитного газа при дуговой сварке (обычно при полуавтоматической сварке) плавящимся электродом (проволокой), в том числе в составе газовой смеси (с кислородом, аргоном).

Снабжение сварочных постов углекислым газом может осуществляться следующими способами:

• непосредственно от автономной станции по производству углекислоты;
• от стационарного сосуда-накопителя - при значительных объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия собственной автономной станции;
• от транспортной углекислотной емкости - при меньших объемах потребления углекислого газа;
• от баллонов - при незначительных объемах применения углекислого газа или невозможности прокладки трубопроводов к сварочному посту.

Автономная станция по производству углекислоты - отдельный специализированный цех предприятия, производящий диоксид углерода для собственных нужд и поставки другим организациям. Углекислый газ подается к сварочным постам по газопроводам, проложенным в сварочных цехах.

При больших объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия автономной станции углекислота хранится в стационарных сосудах-накопителях, в которые она поступает из транспортных емкостей (см. рисунок ниже).

Рисунок. Схема снабжения сварочных постов углекислым газом от стационарного сосуда-накопителя

При меньших объемах потребления подача углекислоты по трубопроводам может осуществляться непосредственно от транспортной емкости. Характеристики некоторых стационарных и транспортных емкостей приведены в таблице ниже.

Таблица. Характеристики емкостей для хранения и транспортировки углекислого газа (углекислоты)

При небольших объемах потребления углекислого газа или невозможности проведения трубопроводов к сварочным постам для снабжения углекислым газом используются баллоны. В стандартный черный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, которая обычно хранится при давлении 5-6 МПа. В результате испарения 25 кг жидкой углекислоты образуется примерно 12 600 л газа. Схема хранения углекислоты в баллоне приведена на рисунке ниже.

Рисунок. Схема хранения углекислого газа (углекислоты) в баллоне

Для отбора газа из баллона он должен оснащаться редуктором, подогревателем газа и осушителем газа. При выходе углекислого газа из баллона в результате его расширения происходит адиабатическое охлаждение газа. При высокой скорости расхода газа (более 18 л/мин) это может привести к замерзанию содержащихся в газе паров воды и закупорке редуктора. В связи с этим между редуктором и вентилем баллона желательно размещать подогреватель газа. При прохождении газа по змеевику он подогревается электрическим нагревательным элементом, включенным в сеть с напряжением 24 или 36В.

Для извлечения влаги из углекислого газа применяется осушитель газа. Он представляет собой корпус, заполненный материалом (обычно силикагелем, медным купоросом или алюмогелем), хорошо впитывающим влагу. Осушители бывают высокого давления, устанавливаемые до редуктора, и низкого давления, устанавливаемые после редуктора.