Сухой лёд: свойства, производство и применение твёрдого CO₂

Основы

Сухой лёд — твёрдое состояние углекислого газа (CO₂). CO₂ присутствует в атмосфере; газ, который люди выдыхают, растения используют для фотосинтеза. Соединение бесцветно, беззапашно, безвкусно, в ~1,5 раза плотнее воздуха. CO₂ переходит из газа в непрозрачный белый твёрдый фазу под давлением и при низких температурах, затвердевая при −78,5 °C (−109 °F). Сухой лёд производят в основном в двух формах: блоки >22,7 кг и мелкие частицы — от размера рисового зёрна до крупных гранул. Сухой лёд не плавит, а сублимирует — твёрдое сразу переходит в газ (пропуская жидкую фазу) при повышении температуры. Это даёт эффект «дыма», сухой лёд кажеется парящим. Поэтому его часто используют для имитации тумана/дыма.

Сам сухой лёд не ядовит, но поверхность настолько холодна, что касаться без перчаток нельзя. Газ стабилен и инертен, но тяжелее воздуха и может скапливаться в низинах и замкнутых пространствах. При концентрации CO₂ в воздухе >5% он становится токсичным. Любая зона использования сухого льда должна быть хорошо проветриваемой.

Перевод CO₂ из газа в твёрдое состояние относительно прост. Много производителей в США, сухой лёд доставляют во все штаты для разного применения. Важный хладагент для охлаждения продуктов и предотвращения бактериального роста при перевозке. Сухой лёд для пищевых целей должен быть очень чистым — «пищевой класс» — чтобы исключить загрязнение контактирующей еды. Поскольку твёрдое сублимирует, а не плавит, большие объёмы можно загружать в контейнеры без учёта объёма тающей воды как при обычном льду. Пищевые применения широки: быстрое заморозка продуктов на заводах, задержка активных дрожжей в пекарнях, охлаждение кейтеринга для авиации.

Другие применения: замедление цветения в питомниках для свежести растений, мгновенная заморозка в резиновой промышленности, абсорбация утечек аммиачного хлада, дым для театральных постановок. Самое значимое недавнее применение — сухая лёдная очистка (дёрстка), где гранулы разгоняют к поверхности на высокой скорости. Гранулы сдирают загрязнения, сублимируют в атмосферу, не оставляя токсичных газов. Единственный остаток — грязь/краска для утилизации.

История

Сухой лёд не изобрели, а открыли свойства твёрдого CO₂ в начале XX века. Первое коммерческое производство — 1920-е в США. Коммерческое предприятие зарегистрировало торговое название dry ice в 1925 г., с тех пор твёрдый CO₂ называют сухим льдом. До недавнего времени часто называли hot ice — отсылка к ощущению обжига при прикосновении к холодной поверхности.

Похоже, Prest-Air Devices Company из Лонг-Айленда, Нью-Йорк, первая успешно произвела сухой лёд в 1925 г. Тоже в 1925 г. Schrafft's Нью-Йорка впервые использовали продукт для предотвращения таяния знаменитого мороженого в своих залах. Сухой лёд гораздо шире использовали для рефрижерации и заморозки продуктов в середине XX века, чем сейчас. Практически каждое мороженое в мире использовало сухой лёд до после ВВ, когда электрическая рефрижерация стала доступной и эффективной. Производство сухого льда не менялось значительно десятилетиями — относительно простой процесс прессования и охлаждения газообразного CO₂. Применения немного сократились с приходом лучшей электрической рефрижерации. Недавние разработки: гранулы для дёрстки/очистки и растущее применение в транспортировке медицинских образцов — сердец, конечностей, тканей — для пересадки.

Сырьё

Единственное сырьё — углекислый газ. Это побочный продукт очистки газов, выделяемых при производстве/рафинировании других продуктов. Большинство CO₂ для сухого льда в США получено из очистки газов, выделяемых при рафинировании нефти и аммиака. CO₂, выделяемый в этих процессах, откачивают и «очищают» (scrub) от примесей для пищевого CO₂, который станет сухим льдом.

Производственный процесс

1. CO₂ сжижают компрессией и охлаждением, сжижается при давлении ~395 кг/см² (870 фунт/дюйм²) при комнатной температуре. Жидкий CO₂ качают трубопроводами в огромные резервуары для забора производителями.
2. Жидкий CO₂ перевозят огромными партиями, иногда тысячи тонн. Большинство заводов размещают рядом с нефте/аммиачными заводами для доступной логистики. Прессуризированный охлаждённый жидкий CO₂ трубопроводом напрямую в резервуар или ж/д цистерну производителя и к заводу.
3. Цистерна подъезжает к заводу и сбрасывает жидкий CO₂ в огромные резервуары на территории. Резервуары держат жидкость под давлением, охлажденную, в жидком состоянии. Резервуары у стены завода, через трубопроводы жидкость подают внутрь при необходимости.
4. Жидкий CO₂ выпускают трубопроводом из соседних резервуаров через стену завода в пресс для сухого льда. При переходе из высокого давления в атмосферное оно расширяется и испаряется на высокой скорости, охлаждая жидкость до точки замерзания −78,3 °C (−109 °F). Сопло подаёт жидкость в верхний блок пресса, высотой ~4,9 м. Пресс включает большой верхний блок, способный давать экстремальное давление на продукт. При ударе жидкого CO₂ в блок пресса оно мгновенно затвердевает (теперь комнатная температура). CO₂ теперь يشبه снег.
5. Этот снег в верхней части пресса нужно сжать в блок сухого льда. Верхняя часть пресса ходит вверх-вниз с экстраординарным давлением (~60 тонн), прессуя снег в твёрдый блок. Процесс ~5 минут. Твёрдый блок ~61 см шириной, 25 см высотой, весом ~100 кг.
6. Блок выталкивают на ролик. Пневматическая пила режет пополам, блоки толкают к другой пиле, режущей ещё мельче. Один блок из пресса теперь в 4 куска по ~25 кг.
7. Меньшие блоки кладут в контейнеры, держащие холод, минимизируя сублимацию. Если отгружают как непокрытые куски — плотно упаковывают в контейнер, обычно 4 блока, с минимумом воздуха для снижения сублимации. Если блок извлекают при перевозке, остальные быстро начинают рассеяться. Многие производители оборачивают блоки бумагой машинами (разумно не касаться холодной поверхности) и отправляют дистрибьюторам/оптовикам.

Контроль качества

КК в основном вокруг класса CO₂ для пищевого сухого льда. Недавно федерал установил жёсткие стандарты чистоты CO₂ для производства сухого льда, заставляя производителей сертифицировать и тестировать жидкий CO₂ и чистоту готового продукта.

Другие вопросы КК: обеспечение точной работы резервуаров и оборудования. Если давление не поддерживается правильно, продукт не получается. Быстрое и эффективное перемещение продукта от резки к хранению критично, так как сухой лёд быстро сублимирует при комнатной температуре, снижая вес и цену продаваемого продукта. Отгрузка должна плотно упаковывать блоки для снижения сублимации в транзите.

Побочные продукты/отходы

В производстве сухого льда не создаётся значимых химических веществ. Продукт только из CO₂, при сублимации газы уходят в атмосферу. Единственный детектируемый отход — сублимация блока, минимизируемая.

Будущее

Пока использование сухого льда в рефрижерации и хранении пищи может сокращаться, в других сферах есть перспективы. Как упомянуто, клининговые компании и операторы техники заинтересованы в малых гранулах для бомбардирования дома/станка под высоким давлением, удаления грязи/загрязнений и рассеяния в атмосферу. Недавно телефонная компания использовала гранулы для безопасной очистки чувствительной электронной тест-аппаратуры без опасных растворителей. Кузовремонт обнаружил, что применение сухого льда к вмятинам иногда устраняет деформацию. Тесты на блоках сухого льда предлагают бросать в норы сусликов для истребления или выкладывать во двор для привлечения комаров от людей.

Где узнать больше

Книги

Рассел, Аллан С. Энциклопедия науки и техники МакГроу-Хилл. Т. 5. Нью-Йорк: 1997.

Удобная книга научных ответов. 2-е изд. Детройт: 1997.

Прочее

«Сухой лёд.» Веб-страница About.com. Август 2001. < https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm >.

Главная страница dryiceinfo.com. Июль 2001. < https://www.dryiceinfo.com >.

Интервью с Чаком Хайнсом. Владелец Arctic Dry Ice Company. Балтимор. 31 июля 2001.

Нэнси ЕВ Брик