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干冰

简称:  工业碳气
化学式: CO2
分子量: 44

    产品由煤制合成氨工艺中产生的二氧化碳经变压吸附、高温脱烃、脱硫、脱水等一系列过程制得。产品无色、无臭味,有酸味。比重1.101,沸点-78.5℃。液体二氧化碳能被气化成气体,密度1.977,比重1.53。气体溶于水,部分生成碳酸,化学性质很稳定。植物能利用二氧化碳和水在光和叶绿素的作用下合成淀粉等有机物。液体二氧化碳蒸发时吸收大量的热而凝成固体二氧化碳,俗称干冰。比重1.56,熔点-56.6℃。气体二氧化碳用于制碱工业、制糖工业,并用于钢铸件的淬火和铅白的制造等。

固态物质在升华时,粒子直接由点阵结构转变为蒸气分子,一方面要克服固态粒子之间的结合力作功,另一方面因体积膨胀还要克服外界的压强作功,所以物质升华时需要吸收大量的热。1千克固态物质在升华时,全部转变为同温度的气态所吸收的热量称为升华热。例如,二氧化碳的三相点温度为216.55开、相应的压强为0.5176兆帕(或5.11大气压)。由于二氧化碳的三相点压强很高,所以在1大气压下,它只能以固态或气态存在。在1大气压下,对敞开在空气中的固态二氧化碳加热,它就会升华为气态,因而称固态二氧化碳为“干冰”。在1大气压下,固态二氧化碳升华温度为194.65开(或-78.5℃),升华热为573千焦/千克。由于干冰的升华热很大,利用干冰升华吸热可以获得较满意的低温效果,所以在食品工业或运输上常用干冰作食品冷却剂。


1.1.2 物质相变制冷概述


冰相变冷却
  冰相变冷却是最早使用的降温方法,现在仍在广泛应用于日常生活、农业、科学研究等各种领域。冰融化和冰升华均可用于冷却。实际主要是利用冰融化的潜热。
  常压下冰在0摄氏度融化,冰的汽化潜热为335kj/kg。能够满足0摄氏度以上的制冷要求。
  冰冷却时,常借助空气或水作中间介质以吸收贝冷却对象的潜热。此时,换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10摄氏度。厚度10厘米左右的冰块,其比表面积在25-30平方米/立方米之间。为了增大比表面积,可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116W/(平方米*K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。
冰盐相变冷却
  冰盐是指冰和盐类的混合物。用冰盐制作制冷剂可以获得更低的温度。
  冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程的吸热包括冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初,冰吸热在0摄氏度下融化,融化水在冰表面形成一层水膜;接着,盐溶解于水,变成盐水膜,由于溶解要吸收溶解热,造成盐水膜的温度降低;继而,在较低的温度下冰进一步溶化,并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换。这样的过程一直进行到冰的全部融化,与盐形成均匀的盐水溶液。 冰盐冷却能到达的低温程度与盐的种类和混合物中盐与水的比例有关。
  工业上应用最广的冰盐是冰块与工业食盐NaCl的混合物。
干冰相变冷却
  固态CO2俗称干冰。
  CO2的三相点参数为:温度-56摄氏度,压力0.52MPa。干冰在三相点以上吸热时融化为液态二氧化碳;在三相点和三相点一下吸热时,则直接升华为二氧化碳蒸气。
  干冰是良好的制冷剂,它化学性质稳定,对人体无害。早在19世纪,干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。
其他固体升华冷却
  近代科学研究中心为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要。采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的被压和温度,就可以保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的热负荷决定,有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大,制冷温度低,固体制冷剂的贮存密度大。


液体蒸发制冷
  液体气化形成蒸汽,利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。
  当液体处在密闭的容器内时,若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外不含任何其它气体,那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽出,液体就必然要再气化出一部分蒸汽来维持平衡。我们以该液体为制冷剂,制冷剂液体气化时要吸收气化潜热,该热量来自被冷却对象,只要液体的蒸发温度比环境温度低,便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度下的某一低温。
  为了使上述过程得以连续进行,必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽,再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出,再令其凝结为液体后返回到容器中,就能满足这一要求。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现,需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力,这样,制冷剂将在低温低压下蒸发,产生制冷效应;又在常温和高压下凝结向环境温度的介质排放热量。凝结后的制冷剂液体由于压力较高,返回容器之前需要先降低压力。由此可见,液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程:制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸汽,将低压蒸汽抽出并提高压力变成高压气。将高压气冷凝为高压液体,高压液体再降低压力回到初始的低压状态。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。
氧化碳是不燃烧的气体,经压缩灌入钢瓶内以液态存放。使用时,液态二氧化碳急速从钢瓶喷出后,压力迅速下降,变成气态或呈雪花状干冰二氧化碳。二氧化碳气化时,体积扩大500倍,并吸收大量的热能,1千克二氧化碳能吸收580千焦热量。由于二氧化碳具有吸热降温、稀释空气和比空气重的性能,所以在灭火中可以冷却燃烧物质温度,冲淡燃烧区的空气含氧量,覆盖在燃烧物质表面起隔绝空气作用,从而达到灭火的效果。例如,2千克重的二氧化碳灭火器,喷射时间为8秒,有效喷射距离为15米,能扑救液体火灾面积约02平方米。

二氧化碳的物理性质


在通常状况下是一种无色、无臭、无味的气体能溶于水,溶解度为0.144g/100g水(25℃)。在20℃时,将二氧化碳加压到5.73×106 Pa即可变成无色液体,常压缩在钢瓶中存,在-56.6℃、5.27×105 Pa时变为固体。液态二氧化碳碱压迅速蒸发时,一部分气化吸热,二另一部分骤冷变成雪状固体,将雪状固体压缩,成为冰状固体,即俗你“干冰”。“干冰”在1.013×105 Pa、-78.5℃时可直接升华变成气体。二氧化碳比空气重,在标准状况下密度为1.977g/L,约是空气的1.5倍。二氧化碳无毒,但不能供给动物呼吸,是一种窒息性气体。在空气中通常含量为0.03%(体积),若含量达到10%时,就会使人呼吸逐渐停止,最后窒息死亡)枯井、地窖、地洞底部一般二氧化碳的浓度较高,所以在进入之前,应先用灯火试验,如灯火熄灭或燃烧减弱,就不能贸然进入,以免发生危险。

 

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