Различие углекислого газа и азота: Сравните свойства веществ:а) углекислого газа и кислорода; б) азота…

Азот: что это такое и где он используется?

Поиск по вики-сайту о сжатом воздухе

• Компрессоры
• Подготовка воздуха
• Промышленные газы
• Основная информация
• Рекомендации

Gas generation Industrial Gases Nitrogen Compressed Air Wiki Compressed Air Nitrogen generation Basic Theory

Знаете ли вы, что большая часть воздуха, которым мы дышим, состоит из азота? Кислород необходим для выживания, однако воздух на 78% состоит из азота, и всего лишь на 21% – из кислорода и незначительного количества других газов.

Несмотря на то, что человеческий организм не использует этот азот, он очень полезен в различных направлениях промышленности. Проще говоря, существует неограниченный источник азота, доступный для использования, который позволяет вам производить собственный азот, а не приобретать его у различных поставщиков. Все, что вам нужно – это компрессор и генератор азота, который отделяет молекулы азота от молекул кислорода в сжатом воздухе. В результате вы получаете неограниченную, экономичную и безопасную подачу газа, доступную в любое время суток.  

Что такое азот?

Во-первых, это инертный газ. Он не имеет запаха, цвета и не поддерживает жизнь, однако он важен для роста растений и является ключевой добавкой в удобрениях. Его применение распространяется далеко за пределы садоводства. Азот обычно имеет жидкую или газообразную форму (однако также можно получить твердый азот). Жидкий азот используется в качестве хладагента, который способен быстро замораживать продукты и объекты медицинских исследований, а также возможно его применение для репродуктивных технологий. Для пояснения мы остановимся на газообразном азоте.

Азот широко используется, главным образом, по причине того, что он не вступает в реакцию с другими газами, в отличие от кислорода, который является крайне реактивным. Из-за своего химического состава атомы азота требуют больше энергии для разрушения и взаимодействия с другими веществами. С другой стороны, молекулы кислорода легче разрываются, поэтому газ становится гораздо более реактивным. Газообразный азот обладает противоположными свойствами, обеспечивая, при необходимости, инертную среду.

Генераторы азота обеспечивают преимущества практически для всех отраслей промышленности

Отсутствие реактивной способности у азота является его самым важным качеством. В результате газ используется для предотвращения медленного и быстрого окисления. Электронная промышленность представляет собой прекрасный пример такого использования, поскольку при производстве печатных плат и других небольших компонентов может возникать медленное окисление в виде коррозии. Кроме того, медленное окисление характерно для производства продуктов питания и напитков, в этом случае азот используется для замещения или замены воздуха, чтобы лучше сохранить конечный продукт. Взрывы и пожары являются хорошим примером быстрого окисления, поскольку для их распространения требуется кислород. Удаление кислорода из резервуара с помощью азота уменьшает вероятность возникновения этих аварий.

Собственное производство азота

Если в системе необходимо использовать азот, то рекомендуется рассмотреть три основных способа получения газа. Первым является аренда резервуара с азотом на месте и подача газа, вторым – использование газообразного азота, поставляемого в баллонах под высоким давлением.

Третьим способом является производство собственного азота с использованием сжатого воздуха. Покупка или аренда азота может оказаться очень неудобной, неэффективной и дорогостоящей, поскольку приходится иметь дело со сторонним поставщиком. По этим причинам многие компании отказались от аренды и приняли решение производить свой собственный азот с возможностью контроля количества, чистоты и давления для требуемого применения. Дополнительные преимущества включают стабильную стоимость, отсутствие транспортных расходов или задержек, устранение опасностей, связанных с криогенным хранением, и исключение отходов, вызванных потерями от испарения или возврата баллонов под высоким давлением, которые никогда не опустошаются полностью. Существует два типа генераторов азота: мембранные генераторы азота, а также генераторы азота, использующие технологию PSA (метод короткоцикловой адсорбции), которые обеспечивают очень высокую степень чистоты – 99,999% или 10 PPM (частей на миллион) и даже выше. Узнайте больше о последнем варианте здесь.

Какие варианты практического применения газообразного азота существуют?

Поскольку азот является инертным газом, он подходит для широкого спектра применений во многих отраслях промышленности. Следует отметить, что для разных областей применения могут потребоваться разные уровни чистоты. Несмотря на то, что для некоторых областей применения может потребоваться исключительно чистый азот, например, в пищевой промышленности или фармацевтическом секторе, этот газ может иметь меньшую степень чистоты в других областях, таких как предотвращение пожаров. 

Взгляните на некоторые типичные промышленные применения газообразного азота ниже.

 

Нефтегазовая отрасль

Нефтегазовая отрасль

Электроника

Электроника

Упаковка продуктов питания и напитков

Упаковка продуктов питания и напитков

Лаборатории

Лаборатории

Предотвращение пожара

Предотвращение пожара

Фармацевтика

Фармацевтика

Судостроение и судоходство

Судостроение и судоходство

Основные сферы применения

Основные сферы применения

Другие статьи по этой теме

Read more

What is Compressed Air?

4 August, 2022

Compressed air is all around us, but what is it exactly? Let us introduce you to the world of compressed air and the basic workings of a compressor.

Read more

Compressed Air Applications: Where is compressed air used?

30 June, 2022

Compressed air is all around us, but where is it used exactly? Discover the different ways compressed air is used and how it impacts our everyday lives.

Read more

Вечное движение

БИОГРАФИЯ АТМОСФЕРЫ

 

Наша жизнь — уникальное явление не только в пределах Галактики, но, возможно, и во Вселенной. Эта точка зрения находит все больше сторонников: установлено, что для возникновения и развития жизни на Земле требовалось одновременное и потому чрезвычайно редкое сочетание нескольких независимых событий в ее геологической и астрономической истории, а также в эволюции Солнца и живого вещества планеты. Так что мы с вами — великая случайность природы. Столь же уникально и наше воздушное окружение. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на таблицу:

Характеристики планет земной группы

* За единицу массы принята масса Земли

Несмотря на сходство астрономических характеристик ближайших к Земле планет (планет земной группы) химический состав их атмосфер и физические условия на поверхности существенно различаются. В атмосфере Венеры и Марса преобладает углекислый газ (С0₂), помимо этого в ее состав входит небольшое количество азота (N₂). На Земле, наоборот, углекислого газа мало и основным газом является азот. Кроме того, в атмосфере нашей планеты относительно много водяного пара (Н₂0), но главное — 21% ее объема составляет кислород (0₂), которого на других планетах земной группы практически нет. Нет его и в атмосферах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, где господствуют водород и гелий.

Чтобы понять причины таких различий, необходимо вспомнить историю Солнечной системы. По современным представлениям, она сформировалась из однородного газово-пылевого облака. Под действием сил гравитации облако разбилось на отдельные сгустки, которые сжимаясь превратились в известные нам планеты и их спутники. Однако на этот процесс пошло не более 10% массы газово-пылевого облака, остальное вещество сформировало Солнце.

В процессе образования планет тяжелые химические элементы стремились к центру сжатия, а легкие оставались на периферии. Таким образом, к тому времени, когда возникли планеты, у каждой из них уже была первичная атмосфера, состоявшая из наиболее легких, летучих газов — водорода и гелия. Но удержать вокруг себя первичные атмосферы смогли лишь планеты-гиганты, обладавшие мощными гравитационными полями, а планеты земной группы утратили водородно-гелиевые оболочки около 5 миллиардов лет назад. Одновременно с этим твердые недра планет разогревались за счет их гравитационного сжатия и медленного распада радиоактивных элементов — урана и тория. Примерно через 1 миллиард лет от момента образования планет земной группы температура в их центрах достигла 1000 — 1500 °С, что, конечно, привело к расплавлению недр. Выделявшиеся газы и пары сформировали вторичные атмосферы планет.

Сейчас мы уже можем ответить на вопрос, какой была вторичная атмосфера Земли. Для этого нужно заглянуть в жерла современных вулканов, через которые, как и миллиарды лет назад, продолжается выделение газов — дегазация земных недр.

Продукты дегазации вулкана Килауэа (он находится на острове Гавайи и является одним из самых активных на земном шаре вулканов) состоят из 71% водяного пара, 13% углекислого газа, 5% азота, 9% двуокиси серы, а также некоторых других примесей. Судя по этим данным, которые считаются достаточно показательными не только для Земли, но и для других планет земной группы, вторичные атмосферы Венеры, Земли и Марса должны, были состоять в основном из углекислого газа и водяного пара. На Земле пары воды имели возможность конденсироваться во вторичной атмосфере и выпадать на поверхность в виде дождя, и в результате этого медленно, но необратимо формировался современный Мировой океан. На Венере вследствие ее близкого положения к Солнцу происходил быстрый разогрев атмосферы, при котором вода не могла существовать в жидком состоянии, и если на этой планете и был когда-то первичный океан, то он быстро испарился. На удаленном от Солнца Марсе низкая температура поверхности способствовала частичному оледенению планеты, и там также не мог образоваться океан. Климатологи доказали, что если бы Земля была ближе к Солнцу на расстояние, равное всего 5% современного, она не избежала бы участи Венеры и имела бы тяжелую углекислую атмосферу и очень высокую температуру поверхности. При удалении Земли от Солнца на расстояние, равное 1%, возникли бы условия, близкие к марсианским, за тем лишь исключением, что оледенение Земли было бы полным. Это ли не впечатляющее доказательство уникальности жизни на Земле?!

Очень большую роль в становлении земной атмосферы сыграл Мировой океан. Если химический состав атмосфер Венеры и Марса остался таким же, как и 3 – 3,5 миллиарда лет назад, то на Земле сформировалась совершенно новая, уже третья по счету, кислородно-азотная атмосфера. Как же это произошло? Прежде всего, Мировой океан — прекрасный поглотитель углекислого газа. Мощные геологические пласты известняка и мела, которые находят на суше повсеместно, — это отложения карбонатов на дне древних морей, образовавшиеся вследствие растворения углекислого газа в морской воде и соединения его с кальцием. Если превратить весь углерод, который имеется в известняковых отложениях Земли, в углекислый газ, то его получится ровно столько, сколько в настоящее время содержится в атмосфере Венеры, и это является одним из доказательств идентичности вторичных атмосфер рассматриваемых планет. Океаны Земли «выкачали» почти весь СО₂ из атмосферы.

Именно в океане зародилась жизнь. Около 2 миллиардов лет назад в верхних слоях океанской толщи появились простейшие одноклеточные — органеллы, предки нынешних синезеленых водорослей, которые стали снабжать атмосферу кислородом. Так было положено начало самому замечательному на Земле биохимическому процессу — фотосинтезу. Благодаря этому процессу сформировался весь наличный кислород атмосферы, причем особенно интенсивное поступление фотосинтетического кислорода началось около 600 миллионов лет назад, когда на голые палеозойские скалы выбрались из моря первые растения.

Борьбу между углекислым газом и кислородом в атмосфере можно представить во времени с помощью данных, полученных при изучении осадочных горных пород. Если вычислить отношение mх = М_х^геол/ М_х^совр (где М_х^геол — масса газа х по геологическим данным, а М_х^совр — масса того же газа в настоящее время) для О₂ и СО₂, то изменения их относительного количества в атмосфере Земли за время ее существования будут выглядеть следующим образом:

Сначала количество углекислого газа в атмосфере Земли уменьшалось очень быстро, затем этот процесс стал протекать все медленнее, так как масса поглощаемого океаном СО₂ пропорциональна массе СО₂, содержащегося в атмосфере.

Кислород в атмосфере Земли появился между 1 миллиардом и 600 миллионами лет назад, и в этот период фотосинтез «набрал темпы», близкие к современным.

Азот — основной газ той смеси, которую мы называем воздухом. По своим химическим свойствам он близок к инертным газам: плохо вступает в реакции и поэтому долго сохраняется в атмосфере. Если кислород и углекислый газ обновляются в атмосфере каждые 5 — 5 лет, то время одного цикла круговорота азота — примерно 2 миллиарда лет. Понятно, что дегазированный из недр Земли азот все время накапливался в атмосфере, поскольку скорость его поглощения океанами, почвой и живыми организмами была очень мала.

Из малых по содержанию газовых компонентов воздуха самый важный и интересный — озон. Этот газ обладает чрезвычайно высокой способностью поглощать ту часть солнечной радиации, которая называется ультрафиолетовой. Если собрать весь озон, содержащийся у поверхности земли, то он покроет планету слоем толщиной всего 0,3 — 0,5 см. Однако этого вполне достаточно, чтобы предохранить все живое на Земле от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения. Сохранение озонного слоя в атмосфере — одна из важнейших задач человечества, вот почему в последнее время заговорили о разрушительном воздействии на озон реактивных двигателей, ядерных взрывов, холодильных установок и …баллончиков с аэрозолями. Последние, безобидные, на первый взгляд, спутники цивилизации выбрасывают в атмосферу фреоны — содержащие фтор и хлор вещества, используемые для мелкого распыления многих жидкостей. Хотя пагубное влияние фреонов на озоносферу доказано уже несколько лет назад, производство аэрозольных баллончиков в 1988 г. составляло 8,6 миллиарда штук. Производство и использование фреонов нужно строго контролировать, лучший же выход из создавшейся ситуации — применение их заменителей. Летом 1989 г. в газетах сообщалось, что Джон Лесли из Хобарта (остров Тасмания) предложил заменить фреоны в аэрозольных баллончиках на обыкновенный азот. По мнению специалистов, с помощью азота можно успешно распылять до 65% всех жидкостей, которые обычно содержатся в аэрозольных упаковках.

Итак, в результате длительной эволюции Земли вокруг нее образовалась уникальная кислородно-азотная оболочка, простирающаяся до высоты… Хотелось бы назвать здесь определенное число, чтобы читатель мог представить пространственные масштабы атмосферы, но это невозможно — атмосфера не имеет четко выраженной верхней границы. Воздух хорошо сжимается, и поэтому его плотность сильно зависит от давления. С высотой давление в атмосфере падает, плотность воздуха также постепенно уменьшается и наконец где-то на высоте 2000 — 2500 км от поверхности земли становится равной плотности межпланетного газа (1 молекула в 1 см³). Атмосфера незаметно переходит в космос. Но мы тем не менее условимся считать. что уровень верхней границы атмосферы, вернее, того ее слоя, который интересен нам с точки зрения прогнозов погоды, находится на высоте 80 — 100 км. Здесь движение воздуха, а следовательно, и формирование погоды подчиняются законам термодинамики и гидродинамики. Выше 80 — 100 км однородность химического состава атмосферы нарушается: солнечное излучение разбивает значительную часть молекул на электрически заряженные частицы — ионы и электроны, движение которых в весьма значительной степени зависит от магнитных полей. Здесь, в ионосфере, заканчивается область применения закономерностей синоптической метеорологии и начинают действовать законы аэрономии — науки о физике верхней разреженной атмосферы.

 

ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

 

Солнце — практически единственный источник тепла и всех известных форм движения материи на Земле. Внутренние области нашего светила недоступны наблюдениям, однако современные теоретические модели Солнца представляют его в виде гигантского термоядерного котла. В центре этого котла давление достигает 10 млрд. атм., а температура — 14 млн. °С. При таких физических условиях солнечное вещество является плазмой, то есть состоит из протонов (ядер водорода), электронов и небольшого числа ядер гелия (четырех объединенных протонов). Основная химическая реакция, протекающая в недрах Солнца, — это переработка водорода в гелий путем ядерного синтеза, в процессе которого часть энергии атомных ядер освобождается и рассеивается в космическом пространстве в виде электромагнитного излучения.

Солнечный «реактор» отличается большой стабильностью: за 100 лет наблюдений не было замечено никаких серьезных изменений общего потока солнечного излучения. Судя по результатам теоретического моделирования Солнца, скорость протекания ядерных реакций в его недрах очень устойчива, любые ее изменения быстро компенсируются за счет соответствующих изменений температуры и давления.

Благодаря стабильности потока солнечного излучения была установлена фундаментальная метеорологическая величина — солнечная постоянная (то есть количество энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы при среднем расстоянии Земли от Солнца). По последним данным, она составляет 1,36 кВт/м². Много это или мало? Судите сами: примерно такое же количество энергии исходит от 50 лампочек по 60 Вт при освещении площадки в 1 м². Во всяком случае, энергии Солнца вполне достаточно и для поддержания жизни, и для непрерывной работы разнообразных природных механизмов Земли.

Излучение Солнца слагается из потоков энергии, которые несут с собой электромагнитные волны различной длины. Солнечный спектр начинается со сверхкоротких рентгеновских лучей с длиной волны около одной миллиардной доли метра и заканчивается радиоволнами длиной несколько десятков метров. Нас интересует более узкий диапазон спектра, в котором сосредоточена основная часть энергии излучения Солнца, простирающийся от 0,2 до 2,4 мкм (мкм — единица длины, равная 10-6 м). В данном диапазоне выделяется прежде всего видимая нами область солнечного спектра с длинами волн X от 0,4 до 0,7 мкм, заключенная между фиолетовыми и красными лучами.

Спектр солнечного излучения.
1 — на верхней границе атмосферы,
2 — на уровне моря.

Слева от этого диапазона находится небольшой участок жесткой ультрафиолетовой радиации с длинами волн 0,18 — 0,4 мкм, а справа — довольно значительная область инфракрасного излучения с длинами волн 0,73 — 2,4 мкм. Оба вида излучения неразличимы глазом, но вполне ощутимы: ультрафиолетовые лучи биологически активны (им мы обязаны загару), инфракрасные лучи переносят тепло. Максимальная мощность солнечного излучения приходится на видимый, или оптический, диапазон спектра, на голубые и зеленые лучи, но в этом диапазоне заключено всего 40% суммарной энергии излучения. Больше всего энергии, 50%, содержит инфракрасный диапазон, на ультрафиолетовую радиацию приходится 10%.

От того, как распределяется солнечное тепло в атмосфере, полностью зависят и климат, и атмосферные движения, и погода. Проследим путь солнечного луча от верхней границы атмосферы до поверхности земли.

Самая жесткая часть излучения — рентген — теряется еще в ионосфере. До высоты 100 км свободно доходят все лучи солнечного спектра, начиная с тех, длина волны которых составляет 0,15 мкм. В слое 30 — 70 км полностью поглощается ультрафиолетовая радиация в диапазоне 0,15 — 5,29 мкм. Не будь этого, все живые организмы на Земле погибли бы в результате разрушения клеток жестким ультрафиолетовым излучением. Однако именно благодаря ультрафиолетовому излучению сильно нагревается верхняя атмосфера, создаются ее тепловые запасы и формируется своеобразная циркуляция воздуха.

Поглощаются ультрафиолетовые лучи не кислородом и даже не азотом, который имеется в атмосфере в изобилии, а озоном. Следы озона можно уловить уже на высоте 80 км, и по мере снижения высоты его становится все больше. Максимум содержания озона в атмосфере приходится на слой, находящийся между 20 и 25 км, а ниже этого слоя содержание озона вновь уменьшается. Однако наибольшее поглощение солнечной радиации озоном наблюдается не на высоте 20- 25 км, как следовало бы ожидать, а значительно выше — на уровне 55 км, где содержание озона примерно в 100 раз меньше. Этот факт свидетельствует о чрезвычайно активном поглощении озоном радиации в диапазоне 0,15 — 1,29 мкм. Она практически вся поглощается в слое 40 — 80 км, где озона относительно мало. На высоте 55 км озон может нагревать атмосферу на 10 — 12 °С в сутки. Именно на этой высоте отмечается первый на пути солнечных лучей к нашей планете максимум температуры в атмосфере: здесь так же тепло, как у поверхности земли в зимнюю оттепель .

Сильное снижение интенсивности видимой части солнечного излучения при прохождении через атмосферу связано не с поглощением его какими-либо газами, а с рассеянием. Встречаясь с молекулами воздуха или частицами атмосферной пыли — эрозолями, солнечный свет как бы разлетается в разные стороны, причем молекулы воздуха наиболее интенсивно рассеивают голубые лучи, а аэрозоль (довольно равномерно) — все лучи видимого спектра. Цвет неба обусловлен рассеянием радиации, поэтому в прозрачном воздухе небо насыщенно-голубое, а в запыленном — белесоватое.

В инфракрасном диапазоне солнечного излучения вновь начинает работать механизм поглощения солнечной радиации, но уже другими составляющими воздуха, главная из которых — водяной пар. Поглощение радиации водяным паром носит избирательный характер: инфракрасная радиация поглощается лишь в отдельных спектральных полосах.

Какая же часть радиации достигает в итоге поверхности земли? Если принять всю солнечную радиацию на верхней границе атмосферы за 100%, то оказывается, что 7% общего количества радиации рассеивают молекулы воздуха и аэрозоли, около 3% поглощает озон и примерно 10% — водяной пар. Следовательно, поверхности земли достигает 80% всего направленного к нашей планете солнечного излучения. При наличии облачности весьма значительная часть радиации (в среднем около 45%) отражается обратно в космос и поглощается облаками (10%), в рассматриваемом случае поверхности земли достигает лишь 25% солнечного излучения.

Вертикальный профиль температуры воздуха в атмосфере.

Земная поверхность также является важным аккумулятором тепла в системе Земля — атмосфера. Количество поглощаемой солнечной энергии во многом зависит от природных свойств поверхности. Например, свежевыпавший снег отражает до 90% падающей на него радиации, песок — 35%, а лес и трава — только 10 — 25%. Наиболее сильно поглощается солнечная радиация водой: штилевое море отражает всего 2% радиации.

Водные пространства Земли обладают замечательным свойством. Хотя солнечная радиация поглощается практически целиком в слое воды толщиной 10 — 15 м, солнечное тепло переносится и дальше, распространяясь вглубь на десятки метров вследствие ее вертикального перемешивания. Перемешивание воды осуществляется ветровыми волнами, конвекцией, вертикальной составляющей течений. Добавим, что теплоемкость воды, то есть ее способность поглощать тепло, в несколько раз больше теплоемкости любого другого природного материала. Благодаря этим свойствам природных вод самым мощным накопителем солнечного тепла является Мировой океан. Суша в этом отношении сильно проигрывает. Например, в почву тепло проникает до глубины 5 — 6 м, причем ее теплоемкость в пять раз меньше, чем теплоемкость морской воды.

Колоссальное количество солнечного тепла, запасаемое верхним слоем Земли, расходуется на поддержание высокой температуры ее поверхности. Здесь, в зоне контакта Земли и воздуха, отмечается второй максимум температуры атмосферы, которая в среднем за год по всему земному шару равна 15° С.

Итак, в атмосфере есть два уровня, на которых происходит наиболее интенсивное нагревание воздуха — 55 и 0 км. Теперь нетрудно объяснить, как формируется в атмосфере распределение температуры воздуха с высотой (см. рис. выше): если на указанных уровнях температура максимальна, то по мере удаления от — них она монотонно понижается (как вверх, так и вниз). Самая низкая температура обычно отмечается в слоях атмосферы 10 — 12 км (в тропиках — 17 — 18 км) и 80 — 90 км. В соответствии с характером температурного профиля в атмосфере выделяют слои (сферы) и тонкие переходные зоны между ними (паузы).

Выше 100 км обычными методами температуру измерить нельзя, так как слишком мала плотность воздуха, поэтому ее вычисляют по скорости движения молекул — определенная таким способом температура называется кинетической. Кинетическая температура воздуха с высотой непрерывно растет, поскольку плотность атмосферных газов становится все меньше, а скорость молекул за счет этого — все больше.

Для анализа процессов формирования погоды и климата очень важно, прежде всего, разобраться в том, как поверхность земли «обогревает» атмосферу. Обогрев атмосферы земной поверхностью осуществляется тремя различными способами, в зависимости от вида теплообмена. Первый вид теплообмена Q_P определяется разностью температур земной поверхности и воздуха: атмосфера нагревается от Земли, как от батареи парового отопления, и полученное ею тепло переносится выше мелкими вихревыми движениями воздуха — турбулентностью.

Второй вид теплообмена Q_E связан с испарением влаги с поверхности земли. Данный процесс требует очень больших затрат тепла. Попробуйте вскипятить и полностью испарить чайник воды на электроплите. Это удовольствие будет стоить не менее 15% обычной месячной платы за расход электричества в двухкомнатной квартире. Немало, правда? Так вот, все тепло земной поверхности, которое тратится ею на испарение, вместе с водяным паром уносится в атмосферу, где при конденсации пара в капли воды, образующие облака, непосредственно отдается воздуху. Это очень мощный вид теплообмена, и именно таким образом «обогревает» атмосферу океан. Подсчитано, что поток тепла Q_E в среднем за год по Мировому океану превышает поток тепла Q_P в четыре раза.

Наконец, поверхность земли, как и поверхность всякого другого тела, температура которого выше абсолютного нуля ( — 273,2 °С), излучает тепловую инфракрасную радиацию в диапазоне электромагнитных волн от 4 до 40 мкм. Механизм взаимодействия инфракрасной радиации с атмосферой довольно сложен. Часть энергии инфракрасной радиации Q_R в интервале 8 — 14 мкм (кстати, именно это излучение используется в целях определения температуры поверхности земли со спутников) свободно проходит в космос, другая же ее часть полностью поглощается водяным паром и углекислым газом. Атмосфера тоже испускает инфракрасные лучи, теряя при этом определенное количество тепла q_R. Разность Q_R — q_Rназывается длинноволновым балансом атмосферы, в среднем за год эта величина в любом уголке земного шара отрицательна.

Очень важное для метеорологии уравнение теплового баланса атмосферы можно представить в виде
(Q_R-q_R)+Q_E + Q_P = 0.

Однако фактические данные показывают, что в таком виде тепловой баланс атмосферы нигде не соблюдается, то есть приходные статьи приведенной формулы, Q_R, Q_E, Q_P, как правило, не уравновешивают расходную статью q_R. В тропических и субтропических районах баланс нарушен в положительную сторону, и в этих районах атмосфера накапливает тепло. В умеренном поясе и за полярным кругом, напротив, происходит охлаждение атмосферы: радиационная отдача тепла q_R здесь больше, чем сумма всех приходных статей уравнения теплового баланса.

Из всего сказанного следует, что в тропиках температура атмосферы должна непрерывно повышаться, а в приполярных районах — все время падать. На самом деле разность температур экватор — полюс из года в год остается примерно одинаковой. Значит, в уравнении теплового баланса не хватает еще одного члена, который бы выравнивал нарастающие контрасты содержания тепла в атмосфере тропиков и полярных районов. Таким членом может быть только адвекция тепла qa, то есть перенос его с воздушными течениями из тропических районов в полярные. Тогда уравнение теплового баланса будет выглядеть так:
(Q_R-q_R)+Q_E + Q_P = q_a

и соблюдаться для любого уголка земного шара. Правда, рассчитать адвективный поток тепла q_a очень непросто: во-первых, он сильно изменяется во времени, а также в зависимости от широты, долготы и высоты; во-вторых, адвективный перенос тепла из низких широт в высокие осуществляется не только в атмосфере, но и в океане, причем, по самым последним оценкам, роль океана и атмосферы равноценна.

Но если пока не принимать во внимание эти частности, то в результате анализа уравнения теплового баланса можно сделать важный вывод: на Земле, освещаемой Солнцем, неизбежно должна возникать глобальная циркуляция атмосферы. Посмотрим теперь, как она формируется.

Газообразный азот против. Углекислый газ

Обновлено 20 октября 2021 г.

Автор Кэмерон Дьюк Молекулярная биология и генетика

Атмосфера Земли состоит не только из кислорода. Конечно, это то, к чему стремятся ваши легкие, когда вы делаете глубокий вдох, но в атмосфере есть и другие газы. На самом деле, подавляющая часть окружающего вас воздуха не состоит из кислорода. В основном это азот с небольшим количеством углекислого газа или CO 9.0009 2 , там же. Что делают эти газы и почему они составляют большую часть атмосферы?

Азот по сравнению с CO2

Кислород составляет только около 21% атмосферы Земли. Азот, аргон и углекислый газ составляют большую часть остальных 78%. Но из этих 78% это неравномерное распределение. Подавляющее большинство из них составляет азот, а аргона и углекислого газа гораздо меньше. Аргон составляет примерно 0,93% окружающего вас воздуха, а углекислый газ — ничтожные 0,04%. Другие газы присутствуют, но они редки.

Так в чем же разница между азотом и углекислым газом? Почему они важны? Они важны, потому что они, как и кислород, играют большую роль в обеспечении жизни на нашей планете. Однако эти роли сильно отличаются друг от друга.

Азот

Азот находится в атмосфере в виде газа. Он имеет химическую формулу N ₂ , что означает, что каждая молекула азота состоит из двух атомов азота, соединенных вместе тройной ковалентной связью. Это означает, что они имеют три общие пары электронов. Это довольно сильная связь, и большинство форм жизни на Земле не могут разорвать эту связь.

Азот проникает из атмосферы в вашу пищу в качестве питательного вещества благодаря бактериям. Растениям для роста требуется азот, но они не могут получить доступ к азоту в атмосфере. Вот тут-то и появляются бактерии. Специализированные бактерии, называемые азотфиксирующими бактериями, живут в почве, где укореняются растения. Они способны поглощать атмосферный азот и превращать его в органический азот. Это означает, что они берут молекулу азота, расщепляют ее и превращают в аммиак или NH 9.0009 3 . В этой форме это питательное вещество, которое могут использовать растения.

Как только азот поглощается растениями, он становится доступным для человека. Азот также является важным питательным веществом в рационе человека, и мы получаем его из пищи.

Двуокись углерода

Углекислый газ, хотя его гораздо меньше в атмосфере, чем азота, не менее важен. Углекислый газ выполняет в атмосфере не одну работу. Его первая задача — обеспечить углерод для фотосинтеза.​ Автотрофы ​, подобно растениям и водорослям, нуждается в углероде, чтобы производить себе пищу. Поглощая углекислый газ из атмосферы, растения могут использовать углерод в этих молекулах для производства глюкозы (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) в процессе фотосинтеза ​. Затем растения могут использовать глюкозу в качестве источника энергии.

Газообразный диоксид углерода является важным резервуаром для удовлетворения потребностей растений в углероде. Поскольку глюкоза хранится в растениях, это означает, что она является важным источником энергии и для человека. В человеческом рационе глюкозу называют просто сахаром или углеводами.

Углекислый газ и парниковый эффект

Углекислый газ выполняет еще одну важную функцию в атмосфере. Это парниковый газ , что означает, что он способен удерживать тепло в атмосфере. Термин «парниковый газ» часто имеет негативный оттенок, потому что этот термин чаще всего появляется в разговорах о глобальном потеплении. Но негативным является усиление парникового эффекта, а не сам эффект.

На самом деле жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы на нашей планете без парниковый эффект ​. Углекислый газ способен создавать парниковый эффект из-за формы молекулы. В то время как кислород и азот совершенно симметричны, углекислый газ — нет. Это означает, что кислород и азот не задерживают тепло, а углекислый газ делает это.

Это происходит потому, что тепло, поднимающееся с поверхности Земли, взаимодействует с углекислым газом, заставляя его вибрировать и, таким образом, задерживать часть этого тепла, удерживая его немного дольше, прежде чем отпустить. Таким образом, углекислый газ помогает атмосфере действовать как одеяло, сохраняющее тепло на поверхности. Однако если одеяло станет слишком толстым, все быстро нагреется, но без него планета замерзнет.

Выбор подходящего газа для вашего применения

Азот может служить заменителем двуокиси углерода (CO ₂ ) в самых разных областях применения. В связи с сегодняшним снижением доступности CO ₂ в масштабах всей отрасли из-за сокращения имеющихся поставок и роста цен на CO ₂ из-за увеличения спроса и более высоких транспортных расходов переработчики ищут альтернативные решения. Например, в пищевой промышленности многие процессы охлаждения традиционно выполняются с использованием CO 9 .0009 2 можно получить азотом. Для напитков некоторые производители используют азот вместо CO ₂ в некоторых случаях, таких как покрытие резервуаров или передача давления (вы можете узнать больше об этих применениях здесь). Хотя замена газов возможна для широкого круга целей, для достижения успеха необходимо учитывать и надлежащим образом решать технические вопросы.

В этом блоге мы сосредоточимся на выборе между жидким азотом (LIN или LN ₂ ) и CO ₂ в особом контексте охлаждения и замораживания пищевых продуктов . Для предприятий пищевой промышленности, которые используют CO ₂ для этих целей, азот представляет собой потенциально ценную альтернативу. Он может обеспечить повышенную эффективность, облегчая проблемы, связанные с ограниченной доступностью CO ₂ . В большинстве случаев существующие системы замораживания или охлаждения на основе CO ₂ можно легко переоборудовать для использования азота.

Но подходит ли азот для вашего предприятия пищевой промышленности?

Что такое преобразование CO

₂ в жидкий азот для морозильного и холодильного оборудования?

Короче говоря, преобразование CO ₂ в LIN — это процесс замены хладагента, используемого в вашей системе замораживания или охлаждения. Это преобразование часто требует инженерного решения из-за совершенно разных свойств CO ₂ (-109 градусов по Фаренгейту, обычно хранится при 300 фунтов на кв. дюйм изб.) и жидкого азота (-320 градусов по Фаренгейту, обычно хранится при 30-100 фунтов на кв. дюйм).

Планирование процесса преобразования обычно может занять несколько месяцев, но время простоя, необходимое для установки предприятия, невелико, а окончательное решение может принести большую пользу пользователям, что приведет к чистой экономии и созданию ценности.

 

Каковы потенциальные преимущества перехода на азот?

CO ₂ отлично подходит для многих применений в области заморозки и охлаждения. Однако, поскольку CO ₂ производится как побочный продукт других промышленных процессов, таких как переработка или производство этанола, его доступность может быть непредсказуемой. Мы увидели этот риск в начале пандемии COVID, когда внезапное сокращение количества вождений привело к снижению доступности исходного газа CO ₂ в масштабах всей отрасли. Кроме того, некоторое количество CO ₂ источников навсегда прекратили работу в результате пандемии COVID. Компания Messer быстро приняла меры по смягчению последствий снижения производства CO ₂ , в том числе помогла своим клиентам перейти с CO ₂ на LIN. Messer понимает, что ограниченная доступность CO ₂ может снизить производительность предприятия пищевой промышленности и повлиять на доступность продукта для потребителей.

В этом контексте решения для замораживания и охлаждения на основе азота предлагают производителям продуктов питания отличный способ диверсифицировать свою цепочку поставок (даже если они планируют продолжать использовать CO ₂ в некоторых операциях), снижая риск простоя. Решения на основе азота могут повысить устойчивость цепочки поставок для достижения производственных целей, а также предложить эксплуатационные преимущества, такие как:

• Более высокая производительность при той же занимаемой площади
• Меньше труда требуется для планового технического обслуживания (например, для очистки CO ₂ от снега).
• Повышение эффективности до 20% в зависимости от приложения.

В каких областях хорошо подходит CO ₂ в преобразование азота?

Азот можно использовать в туннельных морозильных камерах, спиральных морозильных камерах и системах охлаждения блендеров.

Например, азотный морозильный аппарат Messer Wave Impingement Freezer может увеличить производительность и сократить трудозатраты при индивидуальной быстрой заморозке (IQF) продуктов, предлагая прекрасную альтернативу традиционным туннельным или пролетным морозильным камерам на основе CO ₂ . В этой статье ProFood World подробно рассказывается о том, как морозильная камера Wave Impingement Freezer увеличила производство Pierino Foods до 30%, сократив при этом их рабочий день.

Вы также можете узнать, как компания Tyson Foods заменила свой туннельный морозильник CO ₂ на морозильник Messer Wave Impingement и увеличила производительность с 4500 фунтов в час в среднем до 8000 фунтов в час.

В другом примере компания Interstate Meats, клиент Messer, более десяти лет назад стала первым переработчиком мяса в Северной Америке, использующим азот для охлаждения с нижним впрыском. Переход с CO ₂ на LIN сократил время охлаждения партии с 8 до 3 минут, что значительно повысило производительность. Президент Interstate Meats Даррин Хой сообщил, что:

«Команда Messer Food работала в тесном сотрудничестве с моим руководством над внедрением, часто в нерабочее время, чтобы свести к минимуму время простоя, вплоть до обучения всех наших сотрудников новой технологии… все лучше, чем наша система CO ₂ ».

Подходит ли азот для вашей пищевой производственной линии?

В конечном счете, несмотря на то, что целесообразность использования азота вместо CO ₂ для охлаждения во многих случаях может быть относительно простой, мы рекомендуем обратиться к нашим опытным специалистам по пищевым продуктам за помощью в оценке того, что требуется для перехода на азот для вашего объект пищевой промышленности.