Сухой лед

Физические свойства сухого льда

Сухой лед представляет собой твердую фазу двуокиси углерода СО₂ или углекислого газа, что принято назы­вать также углекислотой. Отличительной особенностью углекислого газа (СО₂) является высокая тройная точка, которой соответствуют давление p_тр =0,536 МПа = 5,26 кгс/см² и температура t_тр = —56,6° С. Это значит, что при давлении 0,536 МПа и соответствующей темпера­туре —56,6° С углекислота может находиться сразу в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При более низком давлении, а значит, и при атмосферном давлении могут быть только два состояния — твердое и газообразное.

Таким образом, в атмосферных условиях твердая углекислота переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, т. е. сублимирует, не оставляя жидкости, отчего и произошло название «сухой лед».

При давлении 0,1 МПа (1 кгс/см²) сухой лед субли­мирует при —78,9° С. При уменьшении давления темпе­ратура сублимации понижается. В нормальных условиях плотность углекислого газа 1,877 кг/м³. Этот газ тяже­лее воздуха в 1,529 раза. При отвердевании объем угле­кислоты уменьшается примерно на 28% в противополож­ность водному льду, объем которого при отвердевании увеличивается на 9%.

Твердая углекислота имеет плотность 1560 кг/м³ и представляет собой стеклообразное тело. Однако твердая углекислота, полученная обычным промышленным способом, имеет мутно-белый цвет и по твердости близка к мелу. Объемная масса промышленной твердой углекис­лоты меньше вследствие некоторой пористости и состав­ляет 1300—1500 кг/м³ в зависимости от способа произ­водства.

Холодопроизводительность сухого льда при атмо­сферном давлении и температуре сублимации — 78,9° С равна теплоте сублимации, т. е. 574 кДж/кг, а с учетом отепления образовавшегося при сублимации пара до 0° С холодопроизводительность сухого льда будет 633 кДж/кг.

Таким образом, массовая холодопроизводительность сухого льда в 1,7 раза (574:335) больше, чем водного льда, а объемная холодопроизводительность при сред­ней объемной массе сухого льда 1400 кг/м³ будет почти в 3 раза больше, чем водного льда.

Углекислота нейтральна к металлам и является от­носительно безвредным газом.

Сухой лед удобен для использования (как источник холода) и позволяет легко получить температуру до —60 ÷ —70° С. Несмотря на сравнительно высокую стои­мость (он в 10 раз дороже водного льда), сухой лед при­меняют во многих отраслях промышленности, метеоро­логии, медицине и особенно там, где требуется эпизоди­ческое, непродолжительное охлаждение. Однако наибо­лее широко его используют для сохранения мороженого при перевозках и продаже (до 90% общего количества производимого сухого льда). На реализацию 1 кг моро­женого отпускается 100 г сухого льда.

Производство сухого льда

Процесс производства сухого льда состоит из полу­чения чистого углекислого газа, жидкой углекислоты и сухого льда.

Чистый углекислый газ получают из смеси газов, содержащих достаточно большое количество СО₂. Для этого можно использовать естественные и искусственные источники.

Естественные источники природной углекислоты на­ходятся на Кавказе и Курильских островах, и, несмотря на высокое содержание СO₂ (до 98%), их практически не используют из-за отдаленности от центров потребле­ния сухого льда и недостаточности местной энергетичес­кой базы.

Искусственными источниками СО₂ являются газооб­разные отходы различных производств: спиртового бро­жения, химических производств, газы известково-обжигательных печей, дымовые газы промышленных котель­ных и котельных ТЭЦ.

Последний источник углекислоты, несмотря на отно­сительную бедность (в дымовых газах содержится всего 10—16% углекислого газа, в то время как в других ис­точниках— 50—90%), довольно широко применяют. Объясняется это тем, что на базе дымовых газов завод сухого льда можно построить в любом месте независимо от наличия источников углекислоты. Таких заводов много построено при хладокомбинатах. В качестве исходного сырья на них используют твердое, жидкое и газооб­разное топливо. Извлечение углекислого газа из дымо­вых газов, полученных при сжигании топлива, осуществ­ляется абсорбционно-десорбционным методом с приме­нением поглотителей — абсорбентов углекислоты.

Сжижение углекислого газа осуществляют в конден­саторах путем охлаждения сжатого газа водой или хо­лодильным агентом, кипящим в испарителе другой хо­лодильной машины. При охлаждении водой в конденса­торе следует создать высокое давление (0,6—0,7 МПа ≈ 60—70 кгс/см²). Такое давление получают, сжимая газ в трехступенчатом компрессоре.

При высокой температуре воды (выше 24° С) водяное охлаждение конденсатора неприемлемо, так как угле­кислота имеет низкую критическую точку (t_кр = 31°С, p_кр=72,65 МПа = 74,06 кгс/см²), а при температуре вы­ше критической сжижение невозможно. В таких случаях для сжижения углекислого газа применяют каскадные холодильные машины, в которых конденсатор углекис­лого газа охлаждают холодильной машиной, работаю­щей на другом холодильном агенте (аммиаке, хладонах).

Жидкую углекислоту, полученную в конденсаторах, можно зарядить в баллоны и использовать для различ­ных целей (газирование питьевой воды, тушение пожа­ров и т. д.) или превратить её в сухой лед.

Сухой лед получают из жидкой углекислоты в виде блоков, применяя при этом два способа:

дросселирование жидкой углекислоты до давления тройной точки с последующим прессованием полученного рыхлого влажного углекислотного снега в блоки сухого льда;

дросселирование жидкой углекислоты до атмосфер­ного давления с уплотнением блока льда в процессе льдообразования.

В зависимости от давления, при котором получена жидкая углекислота, различают производство сухого льда по циклу высокого, среднего и низкого давления. Практическое применение находят способы получения сухого льда по циклам высокого и среднего давления.

Производство сухого льда по циклу высокого дав­ления. В этом цикле (рис. ) газообразная углекис­лота сжимается в трехступенчатом компрессоре до дав­ления 6,0—7,0 МПа ≈ 60—70 кгс/см² и выталкивается в конденсатор КД в состоянии 6. В конденсаторе углекис­лый газ при охлаждении водой сжижается (процесс 6— 7), а затем дросселируется до атмосферного давления.

В первом регулирующем вентиле РВ\ жидкость дрос­селируется до промежуточного давления p_пр1 = 3 ÷ 2,5 МПа ≈ 30 ÷ 25 кгс/см² по линии 7—8. После перво­го дросселирования влажный пар в состоянии 8 направ­ляется в первый промежуточный сосуд ПС₁, где насы­щенный сухой пар (состояние 9) отделяется от насы­щенной жидкости (состояние 10). Эта жидкость направ­ляется ко второму регулирующему вентилю РВ₂, где в процессе 10—11 второй раз дросселируется до промежу­точного давления p_пр2 =0,9 ÷ 0,7 МПа ≈ 9 ÷ 7 кгс/см². Влажный пар в состоянии 11 направляется во второй промежуточный сосуд ПС₂, где насыщенный сухой пар в состоянии 12 также отделяется от насыщенной жидко­сти 13. Жидкость в третий раз дросселируется в регули­рующем вентиле РВ₃ по линии 13—14 до атмосферного давления р_0.

Последний процесс дросселирования 13—14 пересека­ет тройную точку, в результате чего получается смесь пара и твердой углекислоты. Третий дроссельный вен­тиль устанавливают в аппарате (льдогенераторе), в ко­тором и образуется блок сухого льда.

Полученный сухой лед (состояние 16) периодически вынимают из льдогенератора ЛГ и используют как ис­точник с низкой температурой для охлаждения.

Сухой пар, полученный в результате последнего дросселирования, отсасывается из льдогенератора, в со­стоянии 15 цилиндром первой ступени КМ₁. Кроме того, в цилиндр КМ₁ засасывается газообразная углекислота в состоянии 0. Такой газообразной углекислоты добав­ляют столько, сколько выделилось твердой углекислоты льдогенераторе. Перед цилиндром первой ступени газообразная углекислота в состоянии 15 и 0 смешивается и в состоянии 1 поступает в компрессор KМ₁, где сжимается до промежуточного давления рпр₂ = 0,7 ÷ 0,9 МПа ≈ 7 ÷ 9 кгс/см² по линии 1—2.

После первой ступени сжатия углекислота охлаждается в водяном холодильнике ПХ₁ до состояния 2', смешивается с паром состояния 12 и в состоянии 3 всасывается цилиндром второй ступени компрессора КМ₂.

Во второй ступени углекислота сжимается до промежуточного давления

р_пр1 = 2,5 ÷ 3,0 МПа ≈ 25 ÷ 30 кгс/см² по линии 3 - 4_t затем охлаждается в водяном

холодильнике ПХ₂ до состояния 4' смешивается с паром состояния 9 и в состоянии 5 всасывается цилиндром третьей ступени КМ₃. Там пар сжимается до давления p_к и в

состоянии 6 нагнетается в конденсатор КД, где опять сжижается и последовательно дросселируется до атмосферного давления, при котором получается сухой лёд.

Льдогенератор ЛГ представляет собой аппарат с двойными стенками и откидным дном. Межстенное прост­ранство льдогенератора соединено со всасывающей стороной первой ступени компрессора. Внутренняя полость льдогенератора заполняется жидкостью давлением 0,7— 0,9 МПа ≈ 7—9 кгс/см² из второго промежуточного со­суда ПС₂ через патрубок с вентилем а. Паровая уравни­тельная линия с вентилем б способствует беспрепятст­венному поступлению жидкости в льдогенератор. После заполнения льдогенератора вентиль б закрывают. Затем открывают диафрагмы (третий дросселирующий вентиль РВ₃), расположенные в стенках внутренней полости (в нижней части), и в них дросселируется жидкость до ат­мосферного давления. В диафрагмах образуются первые кристаллы льда, а пар выходит в межстенное простран­ство, откуда отсасывается компрессором КМ₁.

Рис. . Принципиальная схема и цикл получения сухого льда по циклу высокого давления.

Дальнейшее дросселирование осуществляется через поры образовавшихся кристаллов льда, которые сначала нарастают у диафрагмы, а затем распространяются по всему объему внутренней полости льдогенератора. В те­чение всего процесса льдообразования вентиль а остает­ся открытым. Таким образом, под действием давления промежуточного сосуда ПС₂ кристаллы льда спрессовы­ваются в плотный блок. Кроме того, через вентиль а льдогенератор непрерывно пополняется жидкостью, ком­пенсирующей уменьшение объема углекислоты при ее затвердевании.

В конце процесса льдом заполняется весь объем льдогенератора и закупоривается вентиль а, а так как отсос пара продолжается, давление в льдогенераторе падает, что указывает манометр, установленный на льдо­генераторе. Когда давление становится равным атмо­сферному, закрывают вентиль а и диафрагмы. После этого открывают "крышку, и блок льда выпадает из льдо­генератора на тележку для транспортировки в льдохра­нилище. Продолжительность образования блока льда массой 25—40 кг 40—50 мин. В зависимости от произ­водительности завода устанавливают необходимое коли­чество льдогенераторов.

Схемы действительных установок по производству сухого льда имеют в своем составе не только элементы, указанные в принципиальной схеме (см. рис. ), но и ряд дополнительных аппаратов, которые способствуют повышению экономичности и надежности работы. К ним относят теплообменники-переохладители жидкой угле­кислоты перед регулирующим вентилем, маслоотделите­ли, фильтры, осушители газа с поглощением и выморажи­ванием влаги, емкости для запаса жидкой углекислоты (стапельные баллоны-ресиверы) и т. п.

Производство сухого льда по циклу среднего дав­ления. Этот цикл осуществляется с помощью двух хо­лодильных машин — двухступенчатой углекислотной и двухступенчатой аммиачной (компрессорной или аб­сорбционной). Его называют каскадным.

Принципиальная схема и каскадный цикл получения сухого льда показаны на рис. . В схеме использован углекислотно-аммиачный компрессор 2УАП, выполнен­ный в одном прямоугольном корпусе с приводом от асинхронного электродвигателя. Два углекислотных ци­линдра простого действия с дифференциальным алюми­ниевым поршнем расположены вертикально, а цилиндры для двухступенчатого сжатия аммиака — горизон­тально.

Рис Принципиальная схема и цикл получения сухого льда по циклу среднего давления (каскадный цикл).

В нижнем каскаде углекислый газ, сжатый в первой ступени углекислотного компрессора (процесс 1—2) до промежуточного давления 0,7—0,9 МПа, направляется в промежуточный водяной холодильник ПХ₁ где охлаждается до состояния 2'. Затем она смешивается с паром состояния 7, поступающим из горизонтального промежуточного сосуда ПС, и в состоянии 3 засасывается второй ступенью углекислотного компрессора. Во второй ступе­ни компрессора пар С0₂, сжимаясь (процесс 3—4) до давления 1,5—2 МПа, поступает в конденсатор К—И, который одновременно является испарителем аммиачной холодильной машины (верхний каскад). Углекислый газ сжижается (процесс 4—6) в результате отвода теплоты кипящим аммиаком. Полученная в конденсаторе жид­кость, дросселируясь в регулирующем вентиле PB₁ (про­цесс 5 – 6), поступает в горизонтальный промежуточный сосуд ПС. Здесь пар состояния 7 отделяется от жидко­сти и отсасывается компрессором второй ступени, а жид­кость (состояние 8) сливается во внутреннюю полость льдогенератора ЛГ. При открытии диафрагм РВ₂ в кор­пусе льдогенератора жидкость дросселируется до атмо­сферного давления (процесс 8—9). В льдогенераторе образуется плотный блок льда (состояние 11) аналогич­но тому, как показано в трехступенчатом цикле. Из ру­башки льдогенератора пар состояния 10 отсасывается первой ступенью компрессора. В эту ступень компрессо­ра засасывается также газ СО₂ (состояние 0) в количе­стве, равном блоку льда, вынутого из льдогенератора.

В верхнем каскаде осуществляется двухступенчатый аммиачный цикл (на рис. это показано пунктиром). Аммиак кипит в аппарате К-И, обеспечивая конденсацию углекислого газа. Пар отсасывается первой сту­пенью аммиачного компрессора и сжимается до проме­жуточного давления (процесс 1°—2°). Затем пар аммиа­ка направляется в промежуточный сосуд ПС для полного промежуточного охлаждения. Из промежуточного сосу­да ПС пар засасывается второй ступенью аммиачного компрессора и сжимается до давления конденсации (процесс 3°—4°). Конденсатор КД аммиачной машины охлаждается водой. В конденсаторе аммиак сжижается (процесс 4°—5°). Часть жидкости дросселируется в ре­гулирующем вентиле РВ₁ до промежуточного давления (процесс 5°—6°), а основная часть жидкости поступает в змеевик ПС, где значительно переохлаждается (про­цесс 5°—7°), и поступает в отделитель жидкости ОЖ через регулирующий вентиль РВ₂, в котором дроссели­руется от давления конденсации до давления кипения (процесс 7°—8°). Из отделителя жидкости О Ж жидкость направляется в испаритель-конденсатор К-И, а пар из испарителя через отделитель жидкости О Ж направляет­ся опять в аммиачный компрессор.

При производстве сухого льда по каскадному циклу сокращается расход энергии (примерно на 10%) по сравнению с трехступенчатым циклом. В углекислотной системе не создаются высокие давления и температуры, что способствует лучшей очистке газа от смазочных масел.

К недостаткам производства сухого льда по каскад­ному циклу надо отнести неизбежное повышение температуры и давления в конденсаторе углекислотной уста­новки в случае остановки машин, работающих по кас­кадному циклу. Во избежание резкого повышения дав­ления в схеме можно предусматривать дополнительную емкость для расширения углекислоты при повышении температуры до температуры окружающей среды.

В схемах производства сухого льда по каскадному циклу (среднего давления) вместо аммиачной компрес­сорной холодильной машины можно применить абсорб­ционную. При использовании в абсорбционной машине избыточной (бросовой) теплоты вместо электроэнергии получают значительный эффект.

Хранение сухого льда

При хранении льда должны быть возможно меньшие потери его в результате сублимации. В воздухе сухой лед сублимирует довольно активно вследствие больших разностей между температурами и парциальными дав­лениями углекислотного газа над поверхностью сухого льда и в окружающем воздухе. Гораздо медленнее проте­кает сублимация сухого льда в атмосфере углекислого газа. Поэтому сухой лед хранят в хорошо изолирован­ных льдохранилищах, разделенных на небольшие отсе­ки, в которых ледяные блоки можно хранить в атмосфе­ре почти 100%-ной углекислоты. Лед загружают через крышки, расположенные сверху, что почти исключает выход газа при открытии крышек (углекислый газ в 1,56 раза тяжелее воздуха) и попадание теплого воздуха.

Для облегчения загрузки и выгрузки льда в каждом отсеке помещают металлическую этажерку, на полки которой укладывают блоки льда. Этажерка вместе с крышкой поднимается и опускается с помощью тельфе­ра или кран-балки, установленных над льдохранилищем.

Контейнеры, в которых перевозят и хранят сухой лед, изготовляют в виде ларей с крышками, расположенны­ми сверху. Стенки и крышки контейнера имеют тепло­вую изоляцию до 250 мм.

Несмотря на предусмотренные мероприятия, потери сухого льда при хранении довольно большие и состав­ляют за сутки 3—4% количества хранящегося льда. Льдохранилища рассчитывают на 2—3-дневное хране­ние сухого льда.