Углекислый газ: получение в промышленности

Углекислый газ — применение

Углекислый газ формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые в свою очередь производят кислород. Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни. Углекислый газ замерзает при температуре −78,5 °C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.

Основное применение

Химическая отрасль

Углекислый газ используется при производстве синтетических химических веществ и регулировании реакторных температур.

CO₂ также служит для нейтрализации щелочных сточных вод. В закритических условиях диоксид углерода используется в процессах очистки или осушки полимеров, волокон животного или растительного происхождения.

Фармацевтика

Углекислый газ используется для создания инертной среды, синтеза химических веществ, сверхкритической флюидной экстракции (SFE), подкисления (pH) сточных вод или продукта при их низкотемпературной транспортировке (−78 °C или −108 °F).

Пищевая отрасль

В пищевой отрасли выделяются следующие основные направления применения CO₂

• Насыщение углекислотой шипучих напитков, в том числе безалкогольных напитков, минеральной воды и пива.
• Упаковка пищевых продуктов — инертные и бактерицидные свойства газа успешно используются в азотных смесях (упаковка в модифицированной атмосфере) для увеличения срока хранения многих продуктов питания (§ ALIGAL™).
• Процессы охлаждения или заморозки (в виде криогенной жидкости) и контроль температуры при распределении пищевых продуктов (в виде сухого льда).
• Удаление кофеина из кофе с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии.

Медицина

При проведении операций на искусственных органах углекислый газ служит для создания атмосферных условий, близких к физиологическим.

В качестве одного из компонентов кислородной или воздушной смеси углекислый газ служит стимулятором глубокого дыхания. Другим его применением является хирургическая дилатация при интраабдоминальных инсуффляциях.

Металлургическая отрасль

Наиболее популярным применением углекислого газа в металлургии является защита окружающей среды

• CO₂ применяется для осаждения бурого дыма в процессах завалки лома и закачки углерода, для сокращения объема поглощения азота в процессе вскрытия электродуговых печей, а также для донного перемешивания.
• Отрасль переработки цветных металлов использует углекислый газ для осаждения дыма в процессе ковшовой транспортировки штейна (производство Cu/Ni) или слитков (производство Zn/Pb).
• Небольшое количество жидкого диоксида углерода может использоваться при рециркуляции воды в процессе отвода кислотных шахтных вод.
• Лазеры, использующие CO₂, хорошо известны еще и как потребители некоторых специальных марок диоксида углерода (§ LASAL™).

Лабораторные исследования и анализ

Диоксид углерода в сверхкритическом состоянии представляет собой подвижную фазу, используемую как в процессе хроматографического анализа, так и в процессах экстрагирования.

отрасль

После щелочной отбелки древесной массы или целлюлозы диоксид углерода позволяет с высокой точностью регулировать уровень pH в переработанном сырье.

CO₂ может использоваться в процессах нейтрализации талового масла и в целях повышения производительности бумагоделательных машин.

Электроника

Диоксид углерода стандартно применяется для обработки сточных вод, а в качестве охладителя он используется при испытании электронных приборов на воздействие окружающей среды.

Помимо этого диоксид углерода позволяет повышать проводимость сверхчистой воды, а в виде снега используется для абразивной очистки деталей или удаления осадков на кристаллических пластинах.

Дополнительно диоксид углерода может использоваться в качестве экологически чистой сверхкритической жидкости для удаления фототвердеющих материалов из кристаллических пластин без применения органических растворителей.

Охрана окружающей среды

Добавление диоксида углерода позволяет поддерживать необходимый уровень pH в жидких стоках. В качестве регулятора рН он является прекрасной альтернативой серной кислоте.

Способы получения углекислого газа

Углекислый газ не является редким и получают его как побочный продукт, что положительно сказывается на его стоимости. Поэтому он является самым дешевым газом, применяемым для защиты, металла сварного шва в процессе сварки. Кратко о способах производства углекислоты говорилось в статье о свойствах углекислого газа и теперь настало время рассмотреть их более подробно.

Содержание

В промышленном масштабе углекислый газ получают следующими способами:

1. из известняка, в котором содержится до 40% СО₂, кокса или антрацита до 18% CO₂ путем их обжига в специальных печах;
2. на установках, работающих по сернокислому методу за счет реакций взаимодействия серной кислоты с эмульсией мела;
3. из газов, образующихся при брожении спирта, пива, расщепления жиров;
4. из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо. Дымовой газ содержит 12-20% СО₂;
5. из отходящих газов химических производств, в первую очередь синтетического аммиака и метанола. Отходящие газы содержат примерно 90% СО₂.

На данный момент наиболее распространенным способом производства углекислоты является – получение из газов при брожении.

Получение углекислого газа из газов при брожении

Отходящий газ при брожении представляет собой почти чистый углекислый газ и является дешевым побочным продуктом производства.

На гидролизных заводах при брожении дрожжей с опилками выделяются газы, содержащие 99% CO₂.

1 — бродильный чан; 2 — газгольдер; 3 — промывочная башня; 4 — предварительный компрессор; 5 — трубчатый холодильник; 6 — маслоотделитель; 7 — башня; 8 — башня; 9 — двухступенчатый компрессор; 10 — холодильник; 11 — маслоотделитель; 12 — цистерна.

Схема получения углекислого газа на гидролизных заводах

Газ из бродильного чана 1 подается насосами, а при наличии достаточного давления поступает самостоятельно в газгольдер 2, где происходит отделение от него твердых частиц. Затем газ поступает в промывочную башню 3, заполненную коксом или керамическими кольцами, где он омывается встречным потоком воды и окончательно освобождается от твердых частиц и растворимых в воде примесей. После промывки газ поступает в предварительный компрессор 4, где он сжимается до давления 400-550 кПа.

Так как при сжатии температура углекислого газа повышается до 90-100°С, то после компрессора газ поступает в трубчатый холодильник 5, где охлаждается до 15°С. Затем углекислота направляется в маслоотделитель 6, где отделяется масло, попавшее в газ при сжатии. После этого углекислый газ подвергается очистке водными растворами окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂P₇, гипохромитом) в башне 7, а затем осушке активированным углем или силикагелем в башне 8.

После очистки и осушки углекислота поступает в двухступенчатый компрессор 9. На ступени I происходит сжатие его до 1-1,2 МПа. Затем углекислый газ поступает в холодильник 10, где охлаждается со 100 до 15°C, проходит маслоотделитель 11 и поступает на II ступень компрессора, где сжимается до 6-7 МПа, превращается в жидкую двуокись углерода и собирается в цистерну 12, из которой производится заправка стандартных баллонов или других емкостей (танков).

Принципиально процесс производства углекислого газа другими методами ничем не отличается от вышеуказанного: сначала газ очищается, потом производят осушку, а на последнем этапе охлаждение и сжатие для превращения в жидкость, поскольку в данном виде его удобно хранить и транспортировать.

Диоксид углерода — Википедия с видео

Углерод образует два устойчивых оксида – оксид углерода (II) СО (монооксид углерода) и оксид углерода (IV) СO₂ (диоксид углерода).

Оксид углерода (II) — угарный газ

Оксид углерода (II) (монооксид углерода, угарный газ СО) – вещество молекулярного строения. В молекуле СО связь ковалентная полярная, тройная. Две общие электронные пары образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному:

Тройная связь в молекуле СО очень прочная, её энергия больше, чем в молекуле N₂ (1069 кДж/моль в молекуле СО, 946 кДж/моль в молекуле N₂).

При обычных условиях оксид углерода (II) – газ без цвета, без запаха, чуть легче воздуха, плохо растворяется в воде и с ней не взаимодействует, сжижается при –191,5 °С, затвердевает при –205 °С.

Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид, при обычных условиях не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, но при нагревании под давлением реакция со щёлочью становится возможной, продуктами реакции являются формиаты – соли муравьиной кислоты:

Оксид углерода (II) обладает ярко выраженными восстановительными свойствами за счёт углерода в промежуточной степени окисления +2. Восстановительные свойства оксида углерода (II) в обычных условиях выражены сильнее, чем у водорода. При нагревании он восстанавливает некоторые металлы из их оксидов:

На этом основана, например, выплавка чугуна из железных руд в домне.

Оксид углерода (II) горит в кислороде и образует с ним взрывчатые смеси (воспламенение происходит только при t° = 700 °С):

Оксид углерода (II) в лаборатории получают при нагревании смеси муравьиной кислоты и серной концентрированной. Серная кислота выступает в роли водоотнимающего (дегидратирующего) реагента:

Оксид углерода (II) имеет большое значение как составная часть газообразного топлива – воздушного, водяного или смешанного газа. Воздушный газ получают продуванием воздуха через раскалённый уголь в специальных цилиндрических печах – газогенераторах. Сверху в генератор загружают уголь, а снизу подают воздух. При горении угля в нижней зоне происходит полное окисление углерода:

Образующийся в нижней части генератора углекислый газ поднимается вверх и, проходя через раскалённые слои угля, взаимодействует с ним:

Образующийся оксид углерода (II) вместе с азотом воздуха выходит из генератора. Смесь этих газов в соотношении 1 : 2 (по объёму) называют генераторным газом.

Водяной газ получают путём пропускания водяных паров через раскалённый уголь (t° = 800– 1000 °С):

Оксид углерода (II) крайне токсичен, он связывается с гемоглобином крови, образуя очень прочный комплекс карбоксигемоглобина. Такой гемоглобин уже не может переносить кислород.

Видео

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта. Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ невозможно определить органами зрения или обоняния. Если концентрация СО2 невелика, то не будет ощущаться и вкуса, но при наличии большого количества этого газа в воздухе может ощущаться кисловатый привкус.

При большой концентрации углекислоты во вдыхаемом воздухе может наступить отравление. Признаками негативного воздействия СО2 на организм человека являются:

• Шум и гул в ушах.
• Обильный холодный пот.
• Потеря сознания.

Учитывая тот факт, что углекислый газ тяжелее воздуха, его концентрация в нижней части помещения будет более значительной. По этой причине, первую очередь симптомы отравления могут наблюдаться у животных и детей, а также у взрослых очень маленького роста. Большая концентрация СО2 может привести к гибели людей. При потере сознания человек может оказаться на полу, где количество кислорода будет недостаточным для поддержания нормального процесса дыхания.

Углекислый газ: получение в промышленности

Существует большое количество способов промышленного получения углекислоты. Наиболее рентабельными являются варианты добычи газа, основанные на получении СО2, который образовывается на химических производствах в виде отходов.

Газообразный оксид углерода (IV) получают из промышленного дыма способом адсорбции моноэтаноламина. Частицы этого вещества подаются в трубу с отходами и вбирают в себя углекислоту. После прохождение через смесь CO2 моноэтаноламины направляются на очистку в специальные резервуары, в которых, при определённых показателях температуры и давления, происходит высвобождение углекислого газа.

Углекислый газ высокого качества получается в результате брожения сырья при изготовлении спиртных напитков. На таких производствах газообразный СО2 обрабатывают водородом, перманганатом калия и углем. В результате реакции получают жидкую форму углекислоты.

Твёрдое состояние СО2 или «сухой лёд» также получают из отходов пивоваренных заводов и ликероводочных производств. Это агрегатное состояние вещества в промышленных масштабах образуется в такой последовательности:

• Из резервуара, где происходит брожение, газ подаётся в ёмкость для промывки.
• Углекислота направляется в газгольдер, в котором подвергается воздействию повышенного давления.
• В специальных холодильниках СО2 охлаждается до определённой температуры.
• Образовавшаяся жидкость фильтруется через слой угля.
• Углекислота снова направляется в холодильник, где производится дополнительное охлаждение вещества с последующим прессованием.

Таким образом получается высококачественный «сухой лёд», который может использоваться в пищевой промышленности, растениеводстве или в быту.

Получение оксидов углерода

В промышленных условиях углекислый газ можно получить в реакции конвертации метана в водород. Он получается в качестве побочного продукта.

Вторым методом полученияСО2 является реакция разложения известняка СаСО3 на известь СаО и СО2. Также углекислый газ выделяется при сжигании природного газа.

Лабораторное получение CO сводится к действию концентрированной серной кислоты на муравьиную либо щавелевую кислоты. При этом протекают реакции разложения органических кислот с выделением CO:

В промышленности СО получают в газогенераторах. В них углерод вначале соединяется с кислородом с образованием углекислого газа, который в дальнейшем реагирует с углеродом:

Получение CO происходит и в реакциях паровой конверсии метана:

CH4+H2O→CO+3H2, а также неполного окисления метана: 2CH4+3O2→2CO+4H2О

Применение углекислого газа

Благодаря наличию определённых физических и химических свойств углекислый газ может использоваться в различных сферах. В химической промышленности углекислота используется для:

• Синтеза искусственных химических соединений.
• Для очистки животной и растительной ткани.
• Регулирования температуры реакций.
• Нейтрализации щёлочи.

В металлургии CO2 применяется с целью:

• Регулирования отвода воды в шахтах.
• Создания лазерного луча для резки металлов.
• Осаждения вредных газообразных веществ.

Кроме перечисленных областей углекислый газ активно используется при производстве бумаги. Оксид углерода применяется регулирования водородного показателя древесной массы, а также усиления мощности производственных машин.

Углекислый газ используется в пищевой промышленности в качестве добавки, которая оказывает консервирующее действие. При изготовлении выпечки СО2 применяется в качестве разрыхлителя. Газированные напитки также изготавливаются с применением углекислоты, а для хранения быстро портящихся продуктов используется «сухой лёд».

Незаменим углекислый газ и при выращивании овощей и фруктов в зимних теплицах. В таких помещения в воздухе недостаточное количество СО2, который необходим для «дыхания» растений, поэтому приходится искусственно насыщать атмосферу этим газом.

В медицине углекислота применяется во время проведения сложных операций на внутренних органах. Наиболее ценным качеством этого газа, является использование его для реанимационных мероприятий, ведь благодаря возможности повысить его концентрацию можно эффективно стимулировать процесс дыхания пациента.

При сварке металлов углекислота применяется в качестве инертного облака, которое служит защитой расплавленного участка от попадания в него активного кислорода. В результате такой обработки сварочный шов получается идеально ровным и не подверженным окислению.

Благодаря способности охлаждаться при испарении, СО2 используется для тушения пожаров. Заправленные этим веществом огнетушители являются эффективным средством борьбы с возгораниями на объектах, где применение порошковых или пенных средств тушения невозможно.

В быту углекислота используется в качестве напорного газа в пневматическом оружии, а также для отпугивания комаров и борьбы с грызунами.

Польза и вред Диоксида углерода

Диоксид углерода не является токсичным веществом, поэтому считается безвредным для организма человека. Но, являясь ускорителем процесса всасывания веществ в слизистую желудка, провоцирует, например, быстрое опьянение при употреблении газированных алкогольных напитков. Не рекомендуется увлекаться употреблением газировки всем, имеющим любые проблемы с желудочно-кишечным трактом, потому что самыми безобидными негативными проявлениями действия Е290 являются вздутие живота и отрыжка.