Сверхкритический углекислый газ. Применения.
Сверхкритическим флюидом (сокр. СКФ) называется состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Вещество, которое по температуре и давлению находится выше критической точки, является сверхкритическим флюидом, свойства которого находятся между свойствами жидкости и газа. Углекислый газ переходит в сверхкритическое состояние при критических температуре 31,1°С и давлении 72,9 атм (7,39 МПа) (см. диаграмму). В этом состоянии вещество расширяется, занимая весь предоставленный объем подобно газу, но имеет высокую плотность, как у жидкости.
Именно уникальные свойства CO2 в сверхкритическом состоянии делают возможными его применения в различных индустриях: нефтехимической, пищевой, парфюмерной, фармацевтической и других отраслях промышленности. Так, сверхкритический СО2 (далее СК СО2) обладает характеристикой более быстрого массового передвижения по сравнению с традиционными жидкими органическими растворителями, благодаря низкой вязкости и высокому коэффициенту диффузии (в 10 раз выше, чем у жидкости) при плотности, незначительно отличающейся от жидкости. Таким образом, сверхкритический СО2 может принципиально лучше, чем классический растворитель проникать в экстрагируемый материал, поглощать и транспортировать растворяемые составляющие. Это свойство сверхкритических газов широко применяется при экстракции различных органических соединений (сверхкритическая флюидная экстракция), например кофеина. Кроме того, растворяющая способность флюида в близкритической области претерпевает значительные изменения при малых изменениях температуры и давления. Это, в свою очередь, позволяет проводить фракционирование исходного сырья и регенерацию растворителя без дополнительных энергетических затрат. Простое изменение параметров давления и температуры позволяет регулировать концентрацию веществ в экстракте. Все это обеспечивает наиболее полную экстракцию веществ, при этом применение углекислого газа позволяет полностью и в щадящем режиме отделять его от экстракта и материала - носителя в противовес классическим растворителям.
Уникальная растворяющая способность СК СО2 вместе с высоким коэффициентом диффузии также делает чрезвычайно перспективным его использование в качестве растворителя химических реакций. Изменение температуры и давления позволяют влиять на свойства растворителя и маршрут реакции. Кроме того, существует сверхкритическая флюидная хроматография, которая имеет ряд преимуществ перед жидкостной и газовой хроматографией. В ней возможно разделение термически нестабильных веществ и нелетучих веществ (в отличие от газовой хроматографии). СК СО2 в качестве растворителя широко применяется для очистки (например, для удаления запахов из переработанных пластмасс) вместо органических растворителей, которые могут вызывать трудности при их последующем удалении из исходного материала.
Вторая широкая область применений СК СО2 связана с производством новых материалов. В 1980-х годах был разработан метод вспенивания полимеров с помощью СК СО2 для производства микроячеистых материалов. Технология была названа MuCell (Microcellular Injection Molding Process). Использование в качестве вспенивающего агента сверхкритического газа обеспечивает получение исключительно мелкоячеистой структуры материала. При понижении давления и нагреве введенный в материал СК СО2 быстро расширяется, образуя пену. Технология имеет ряд преимуществ по сравнению с химическим вспениванием: отсутствие хим. реагента, более мелкие ячейки, возможность изготовления очень мелких деталей (толщиной до 0,5 мм), равномерность внутреннего давления в материале. Сверхкритический СО2 применяется также в производстве аэрогеля, мезопористого материала, в котором объемная часть пор занимает более 50%. Аэрогели широко применяются в качестве теплоизолирующих материалов, а также в аэрокосмической промышленности.
Особенности измерения и регулирования расхода вещества в сверхкритическом состоянии.
Помимо углекислого газа в качестве сверхкритических флюидов широко используются и другие вещества, например этилен (С2Н4) или сверхкритическая вода. Определенные сложности возникают при необходимости измерения/регулирования расхода таких веществ. Как было сказано выше, сверхкритический флюид не является ни жидкостью, ни газом. В таком состоянии такие параметры как плотность и теплоемкость изменяются очень быстро в результате флуктуаций температуры и давления. Это сильно затрудняет точное измерение расхода тепловыми методами.
Использование кориолисовых расходомеров производства Bronkhorst Cori-Tech (серии CORI-FLOW и mini CORI-FLOW) в этом случае поможет решить эту проблему, так как кориолисовый прибор измеряет непосредственно массовый расход независимо от свойств среды. Таким образом, отпадает необходимость в калибровке по плотности и теплоемкости. Измеряется реальная масса прошедшего вещества, независимо от того, в каком состоянии находится вещество, в жидком, газообразном или межфазном.
Кроме того, расходомеры CORI-FLOW и mini CORI-FLOW обладают высочайшей точностью при работе как с жидкостями, так и с газами (0,2% от показаний для жидкостей и 0,5% от показаний для газов для mini CORI-FLOW). Также приборы отличаются высокой скоростью, стабильностью и надежностью работы и не имеют движущихся частей. Регуляторы и измерители новой серии компактных кориолисовых приборов занимают ту же площадь, что и тепловые приборы и имеют защищенный корпус IP65. Для регулирования расхода измеритель может быть дополнен пневматическим регулирующим клапаном с металлическими уплотнениями (см. рисунок).
Компания Bronkhorst имеет огромный опыт работы со многими газами, жидкостями и сверхкритическими флюидами, такими как углекислый газ. Несколько применений сверхкритического СО2 уже были реализованы с использованием приборов Bronkhorst. Опыт показал, что кориолисовый метод измерения расхода веществ в сверхкритическом состоянии дает очень точные и надежные результаты.
Статья подготовлена по материалам сайтов:
http://ru.wikipedia.org/
http://www.extract.ru/
http://www.polymery.ru/
http://www.tehno-plast.ru/
