Перегретая вода в открытом сосуде при

Скороварки производят перегретую воду, которая готовит пищу быстрее, чем кипящая вода.

Перегретая вода – это жидкая вода под давлением при температуре от обычной точки кипения 100 ° C (212 ° F) до критической температуры 374 ° C (705 ° F). Она также известна как «докритическая вода» или «горячая вода под давлением». Перегретая вода стабильна из-за избыточного давления, повышающего точку кипения, или из-за ее нагревания в герметичном сосуде с свободным пространством, где жидкая вода находится в равновесии с паром при давлении насыщенного пара. Это отличается от использования термина « перегрев» для обозначения воды при атмосферном давлении выше ее нормальной точки кипения, которая не кипела из-за отсутствия центров зародышеобразования (иногда наблюдается при нагревании жидкостей в микроволновой печи).

Многие аномальные свойства воды связаны с очень сильной водородной связью . В диапазоне перегретых температур водородные связи разрываются, изменяя свойства в большей степени, чем обычно ожидается, только за счет повышения температуры. Вода становится менее полярной и ведет себя больше как органический растворитель, такой как метанол или этанол . Растворимость органических материалов и газов увеличивается на несколько порядков, а сама вода может действовать как растворитель, реагент и катализатор в промышленных и аналитических приложениях, включая экстракцию, химические реакции и очистку.

Изменение свойств с температурой

Все материалы меняются с температурой, но перегретая вода показывает большие изменения, чем можно было бы ожидать, исходя только из температурных соображений. Вязкость и поверхностное натяжение капли воды и коэффициент диффузии увеличиваются с повышением температуры. Самоионизация воды увеличивается с повышением температуры, и pKw воды при 250 ° C ближе к 11, чем более известные 14 при 25 ° C. Это означает концентрацию иона гидроксония ( H

3 О +

) и концентрации гидроксида ( OH –

) увеличиваются, а pH остается нейтральным. Удельная теплоемкость при постоянном давлении также увеличивается с температурой с 4,187 кДж / кг при 25 ° C до 8,138 кДж / кг при 350 ° C. Существенное влияние на поведение воды при высоких температурах оказывает снижение диэлектрической проницаемости ( относительной диэлектрической проницаемости ).

Объяснение аномального поведения

Вода – полярная молекула, в которой центры положительного и отрицательного заряда разделены; так молекулы будут выровнены с электрическим полем . Обширная водородная сеть в воде имеет тенденцию препятствовать этому выравниванию, и степень выравнивания измеряется относительной диэлектрической проницаемостью . Вода имеет высокую относительную диэлектрическую проницаемость около 80 при комнатной температуре; потому что сдвиги полярности быстро передаются через сдвиги ориентации связанных водородных связей. Это позволяет воде растворять соли, так как притягивающее электрическое поле между ионами уменьшается примерно в 80 раз. Тепловое движение молекул разрушает сеть водородных связей при повышении температуры; поэтому относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается с температурой примерно до 7 при критической температуре. При 205 ° C относительная диэлектрическая проницаемость падает до 33, как у метанола при комнатной температуре. Таким образом, вода ведет себя как смесь воды и метанола при температуре от 100 ° C до 200 ° C. Нарушение протяженных водородных связей позволяет молекулам двигаться более свободно (эффекты вязкости, диффузии и поверхностного натяжения), и для разрыва связей требуется дополнительная энергия (повышенная теплоемкость).

Растворимость

Органические соединения

Органические молекулы часто демонстрируют резкое увеличение растворимости с температурой, отчасти из-за изменений полярности, описанных выше, а также из-за того, что растворимость труднорастворимых материалов имеет тенденцию увеличиваться с температурой, поскольку они имеют высокую энтальпию растворения . Таким образом, материалы, которые обычно считаются «нерастворимыми», могут стать растворимыми в перегретой воде. Например, растворимость ПАУ увеличивается на 5 порядков с 25 ° C до 225 ° C, а нафталин , например, образует 10% -ный раствор в воде при 270 ° C, а растворимость пестицида хлороталонила с температурой составляет показано в таблице ниже.

Растворимость хлороталонила в воде

Таким образом, перегретая вода может использоваться для обработки многих органических соединений со значительными экологическими преимуществами по сравнению с использованием обычных органических растворителей.

Соли

Несмотря на снижение относительной диэлектрической проницаемости, многие соли остаются растворимыми в перегретой воде до достижения критической точки. Хлорид натрия , например, растворяется до 37 мас.% При 300 ° C. По мере приближения к критической точке растворимость заметно падает до нескольких частей на миллион , и соли плохо растворяются в сверхкритической воде. Некоторые соли показывают снижение растворимости с температурой, но такое поведение встречается реже.

Газы

Обычно считается, что растворимость газов в воде уменьшается с температурой, но это происходит только до определенной температуры, а затем снова увеличивается. Для азота этот минимум составляет 74 ° C, а для кислорода – 94 ° C. Газы растворимы в перегретой воде при повышенном давлении. Выше критической температуры вода полностью смешивается со всеми газами. Повышенная растворимость кислорода, в частности, позволяет использовать перегретую воду для процессов влажного окисления .

Коррозия

Перегретая вода может быть более агрессивной, чем вода при обычных температурах, а при температурах выше 300 ° C могут потребоваться специальные коррозионно-стойкие сплавы , в зависимости от других растворенных компонентов. Сообщалось о непрерывном использовании труб из углеродистой стали в течение 20 лет при 282 ° C без значительной коррозии, а ячейки из нержавеющей стали показали лишь незначительное ухудшение после 40-50 использований при температурах до 350 ° C. Допустимая степень коррозии зависит от использования, и даже коррозионно-стойкие сплавы со временем могут выйти из строя. Коррозия U- образной трубки из инконеля в теплообменнике стала причиной аварии на атомной электростанции . Поэтому для периодического или экспериментального использования обычные сорта нержавеющей стали, вероятно, подходят для постоянного контроля, но для критически важных применений и деталей, трудных в обслуживании, необходимо проявлять особую осторожность при выборе материалов.

Эффект давления

При температурах ниже 300 ° C вода практически несжимаема, а это означает, что давление мало влияет на физические свойства воды при условии, что его достаточно для поддержания жидкого состояния. Это давление определяется давлением насыщенного пара, и его можно посмотреть в таблицах пара или рассчитать. Ориентировочно давление насыщенного пара при 121 ° C составляет 200 кПа , 150 ° C – 470 кПа и 200 ° C – 1550 кПа. Критическая точка 21,7 МПа при температуре 374 ° С, выше которой вода в сверхкритическом состоянии, а не перегретым. При температуре выше 300 ° C вода начинает вести себя как жидкость, близкая к критической, и физические свойства, такие как плотность, начинают более существенно изменяться с давлением. Однако более высокое давление увеличивает скорость экстракции с использованием перегретой воды ниже 300 ° C. Это может быть связано с воздействием на субстрат, особенно на растительные материалы, а не с изменением свойств воды.

Энергетические требования

Энергия, необходимая для нагрева воды, значительно ниже, чем энергия, необходимая для ее испарения, например, для паровой дистилляции, и эту энергию легче утилизировать с помощью теплообменников. Потребность в энергии можно рассчитать по таблицам пара. Например, для нагрева воды с 25 ° C до пара при 250 ° C и давлении 1 атм требуется 2869 кДж / кг. Для нагрева воды при 25 ° C до жидкой воды при 250 ° C при 5 МПа требуется всего 976 кДж / кг. Также можно рекуперировать большую часть тепла (скажем, 75%) из перегретой воды, и поэтому потребление энергии для извлечения перегретой воды составляет менее одной шестой от того, что необходимо для паровой дистилляции. Это также означает, что энергии, содержащейся в перегретой воде, недостаточно для испарения воды при декомпрессии. В приведенном выше примере только 30% воды будет преобразовано в пар при декомпрессии от 5 МПа до атмосферного давления.

Экстракция с использованием перегретой воды имеет тенденцию быть быстрой, поскольку скорость диффузии увеличивается с температурой. Органические материалы имеют тенденцию увеличиваться в растворимости с температурой, но не все с одинаковой скоростью. Например, при экстракции эфирных масел из розмарина и кориандра более ценные кислородсодержащие терпены извлекались намного быстрее, чем углеводороды. Следовательно, экстракция перегретой водой может быть как селективной, так и быстрой, и использовалась для фракционирования частиц дизельного топлива и древесного дыма. Перегретая вода коммерчески используется для извлечения крахмала из корня мальвы болотной в целях ухода за кожей и для удаления низких уровней металлов из термостойкого полимера .

В аналитических целях перегретая вода может заменить органические растворители во многих областях, например, для экстракции ПАУ из почв, а также может использоваться в больших масштабах для восстановления загрязненных почв либо путем экстракции, либо путем экстракции, связанной с сверхкритическим или влажным окислением.

Реакции

Перегретая вода вместе со сверхкритической водой использовалась для окисления опасных материалов в процессе влажного окисления. Органические соединения быстро окисляются без образования токсичных материалов, иногда образующихся при сгорании. Однако при более низком уровне кислорода органические соединения могут быть довольно стабильными в перегретой воде. Поскольку концентрация гидроксония ( H

3 О +

) и гидроксид ( OH –

) ионы в 100 раз больше, чем в воде при 25 ° C, перегретая вода может действовать как более сильная кислота и более сильное основание , и можно проводить множество различных типов реакций. Примером селективной реакции является окисление этилбензола до ацетофенона без признаков образования фенилэтановой кислоты или продуктов пиролиза . Katritzky et al. Описали несколько различных типов реакций, в которых вода ведет себя как реагент, катализатор и растворитель. Триглицериды можно гидролизовать до свободных жирных кислот и глицерина перегретой водой при 275 ° C, что может быть первым в двухстадийном процессе производства биодизеля . Перегретая вода может использоваться для химического превращения органических материалов в топливные продукты. Это известно под несколькими терминами, включая прямое гидротермальное сжижение и водный пиролиз . Существует несколько приложений коммерческого масштаба. В термической деполимеризации или термической конверсии (ТСС) используется перегретая вода с температурой около 250 ° C для преобразования отходов индейки в легкое жидкое топливо и, как говорят, для переработки 200 тонн низкосортных отходов в мазут в день. Исходный продукт реакции гидролиза обезвоживают и затем обрабатывают сухим крекингом при 500 ° C. В процессе «SlurryCarb», которым управляет EnerTech, используется аналогичная технология декарбоксилирования влажных твердых биологических отходов, которые затем можно физически обезвоживать и использовать в качестве твердого топлива, называемого E-Fuel. Сообщается, что завод в Риальто может перерабатывать 683 тонны отходов в день. Процесс HTU или Hydro Thermal Upgrading похож на первый этап процесса TCC. Демонстрационная установка должна быть запущена в Нидерландах, как сообщается, способной перерабатывать 64 тонны биомассы (в сухом состоянии ) в день в нефть.

Хроматография

Обратно-фазовая ВЭЖХ часто использует смеси метанол-вода в качестве подвижной фазы. Поскольку полярность воды находится в том же диапазоне от 25 до 205 ° C, можно использовать температурный градиент для осуществления аналогичного разделения, например, фенолов . Использование воды позволяет использовать пламенно-ионизационный детектор (FID), который дает чувствительный к массе выходной сигнал почти для всех органических соединений. Максимальная температура ограничена той, при которой стационарная фаза устойчива. Связанные C18 фазы, которые являются обычными для ВЭЖХ, кажутся стабильными при температурах до 200 ° C, что намного выше, чем у чистого кремнезема, а полимерные стирол- дивинилбензольные фазы обладают аналогичной температурной стабильностью. Вода также совместима с использованием ультрафиолетового детектора до длины волны 190 нм.

Смотрите также

• Реактор с водой под давлением
• Паровой крекинг
• Сверхкритический диоксид углерода
• Перегретый пар
• Водяное отопление

использованная литература

внешние ссылки

• Международная ассоциация свойств воды и пара
• Калькулятор давления пара и энтальпии перегретой воды.

Источник