Supercritical carbon dioxide

Введение

Сверхкритический углекислый газ (СКД) - это жидкое состояние углекислого газа, когда оно сохраняется при критической температуре и критическом давлении или выше. Углекислый газ обычно ведет себя как газ в воздухе при стандартной температуре и давлении (СТП) или как твердое вещество, называемое сухим льдом, когда охлаждается и/или оказывается под давлением в достаточной степени. Если температура и давление увеличены с STP до критической точки для углекислого газа или выше, то он может принимать свойства на полпути между газом и жидкостью. Более конкретно, он ведет себя как сверхкритическая жидкость выше критической температуры и критического давления, позволяя селективную экстракцию.

Растворитель

Углекислый газ набирает популярность среди производителей кофе, которые хотят отказаться от классических растворителей без кофеина. Кофеин в кофеинной смеси проникает через зеленые кофейные зерна, которые затем распыляются водой под высоким давлением для удаления кофеина. Кофеин может быть изолирован для перепродажи (например, фармацевтическим или производителям напитков) путем пропуска воды через фильтры с активированным углем или путем дистилляции, кристаллизации или обратного осмоса. Сверхкритический углекислый газ используется для удаления хлорорганических пестицидов и металлов из сельскохозяйственных культур без фальсификации желаемых компонентов из растительного вещества в отрасли растительных добавок. Сверхкритический углекислый газ может использоваться в качестве растворителя в химической чистке. Сверхкритический углекислый газ используется в качестве растворителя для экстракции эфирных масел и других травяных дистиллятов. Его основные преимущества перед растворителями, такими как гексан и ацетон, в этом процессе заключаются в том, что он не воспламеняется и не оставляет токсичных остатков. Кроме того, отделение компонентов реакции от исходного материала намного проще, чем при использовании традиционных органических растворителей. Они могут испаряться в воздухе или перерабатываться путем конденсации в емкости для утилизации. Его преимущество перед паровой дистилляцией заключается в том, что он работает при более низкой температуре, что позволяет отделять воски растений от масел. В лабораториях s используется в качестве растворителя для экстракции, например, для определения общего количества восстанавливаемых углеводородов из почв, осадков, летучих пепла и других сред, а также определения полициклических ароматических углеводородов в почве и твердых отходах. Суперкритическая экстракция жидкости использовалась для определения углеводородных компонентов в воде. Процессы, использующие S для производства микро- и наночастиц, часто для фармацевтического использования, находятся в стадии разработки. Газовый антирастворительный процесс, быстрое расширение сверхкритических растворов и осаждение сверхкритическими антирастворителями (а также несколько связанных методов) обрабатывают различные вещества в частицы. Из-за его способности избирательно растворять органические соединения и помогать функционированию ферментов, s было предложено в качестве потенциального растворителя для поддержки биологической активности на Венере или планетах типа супер Земли.

Carbon dioxide is gaining popularity among coffee manufacturers looking to move away from classic decaffeinating solvents. s is forced through green coffee beans which are then sprayed with water at high pressure to remove the caffeine. The caffeine can then be isolated for resale (e. g., to pharmaceutical or beverage manufacturers) by passing the water through activated charcoal filters or by distillation, crystallization or reverse osmosis. Supercritical carbon dioxide is used to remove organochloride pesticides and metals from agricultural crops without adulterating the desired constituents from plant matter in the herbal supplement industry. Supercritical carbon dioxide can be used as a solvent in dry cleaning. Supercritical carbon dioxide is used as the extraction solvent for creation of essential oils and other herbal distillates. Its main advantages over solvents such as hexane and acetone in this process are that it is non flammable and does not leave toxic residue. Furthermore, separation of the reaction components from the starting material is much simpler than with traditional organic solvents. The can evaporate into the air or be recycled by condensation into a recovery vessel. Its advantage over steam distillation is that it operates at a lower temperature, which can separate the plant waxes from the oils. In laboratories, s is used as an extraction solvent, for example for determining total recoverable hydrocarbons from soils, sediments, fly ash, and other media, and determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil and solid wastes. Supercritical fluid extraction has been used in determining hydrocarbon components in water. Processes that use s to produce micro and nano scale particles, often for pharmaceutical uses, are under development. The gas antisolvent process, rapid expansion of supercritical solutions, and supercritical antisolvent precipitation (as well as several related methods) process a variety of substances into particles. Due to its ability to selectively dissolve organic compounds and assist enzyme functioning, s has been suggested as a potential solvent to support biological activity on Venus or super Earth type planets.

Производимые изделия

Экологически выгодные, недорогие заменители жесткого термопластика и обжигаемой керамики производятся с использованием s в качестве химического реагента. В этих процессах S реагирует с щелочными компонентами полностью закаленного гидравлического цемента или гипсовой штукатурки для образования различных карбонатов. Основным побочным продуктом является вода. s используется при пенообразовании полимеров. Сверхкритический углекислый газ может насытить полимер растворителем. При разгерметизации и нагревании углекислый газ быстро расширяется, вызывая пустоты внутри полимерной матрицы, т. е. создавая пену. Продолжаются исследования микроклеточных пен. Электрохимическое карбоксилирование параизобутилбензилхлорида в ибупрофен содействует в соответствии с п.

Рабочая жидкость

s является химически стабильным, надежным, недорогим, не воспламеняющимся и легкодоступным, что делает его желательным кандидатом в рабочую жидкость для транскритических циклов. Сверхкритический используется в качестве рабочей жидкости в бытовых водяных тепловых насосах. Производятся и широко используются тепловые насосы для отопления и охлаждения в быту и на предприятиях. Для концентрированной солнечной энергии критическая температура углекислого газа недостаточно высока для получения максимальной эффективности преобразования энергии. Солнечные тепловые установки обычно расположены в засушливых районах, поэтому невозможно охладить теплоотвод до критических температур. Поэтому для улучшения производства электроэнергии на солнечной энергии разрабатываются сверхкритические смеси углекислого газа с более высокими критическими температурами. Кроме того, благодаря превосходной тепловой стабильности и несгораемости, возможен прямой теплообмен из высокотемпературных источников, позволяющий повысить температуру рабочей жидкости и, следовательно, повысить эффективность цикла. В отличие от двухфазного потока, однофазный характер s устраняет необходимость в тепловом входе для изменения фазы, который необходим для преобразования воды в пар, тем самым также устраняя связанную с этим термическую усталость и коррозию. Использование s представляет собой инженерные проблемы коррозии, выбора материала и проектирования. Материалы в компонентах для производства электроэнергии должны обладать устойчивостью к повреждениям, вызванным высокой температурой, окислением и ползучести. Материалы-кандидаты, которые соответствуют этим целям по свойствам и производительности, включают действующие сплавы в производстве электроэнергии, такие как суперсплавы на основе никеля для компонентов турбомашины и аустенитные нержавеющие стали для трубопроводов. Компоненты в пределах петлей Брейтона страдают от коррозии и эрозии, в частности, эрозии в турбомашинах и рекуперативных компонентах теплообменника, а также межгранулярной коррозии и пробоин в трубопроводе. Испытания на коррозионную стойкость в циклах s были проведены на легированных на основе Ni, аустенитных сталях, ферритных сталях и керамике. Интерес к этим материалам обусловлен образованием защитных поверхностных оксидных слоев в присутствии углекислого газа, однако в большинстве случаев требуется дальнейшая оценка механизма реакции и кинетики и механизмов коррозии/эрозии, поскольку ни один из материалов не соответствует необходимым целям. В 2016 году General Electric анонсировала турбину на основе S, которая обеспечивала 50% эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. В ней нагревается до 700 °C. Это требует меньше сжатия и позволяет передавать тепло. Она достигает полной мощности за 2 минуты, тогда как паровой турбине требуется не менее 30 минут. Прототип генерировал 10 МВт и примерно на 10% больше, чем у сопоставимой паровой турбины. Пилотная станция мощностью 10 МВт мощности сверхкритической трансформационной электроэнергии (STEP) стоимостью 155 миллионов долларов США была завершена в 2023 году в Сан-Антонио. Она размером с письменный стол и может обеспечить энергией около 10 000 домов.

s is chemically stable, reliable, low cost, non flammable and readily available, making it a desirable candidate working fluid for transcritical cycles. Supercritical is used as the working fluid in domestic water heat pumps. Manufactured and widely used, heat pumps are available for domestic and business heating and cooling. For concentrated solar power, carbon dioxide critical temperature is not high enough to obtain the maximum energy conversion efficiency. Solar thermal plants are usually located in arid areas, so it is impossible to cool down the heat sink to sub critical temperatures. Therefore, supercritical carbon dioxide blends, with higher critical temperatures, are in development to improve concentrated solar power electricity production. Further, due to its superior thermal stability and non flammability, direct heat exchange from high temperature sources is possible, permitting higher working fluid temperatures and therefore higher cycle efficiency. Unlike two phase flow, the single phase nature of s eliminates the necessity of a heat input for phase change that is required for the water to steam conversion, thereby also eliminating associated thermal fatigue and corrosion. The use of s presents corrosion engineering, material selection and design issues. Materials in power generation components must display resistance to damage caused by high temperature, oxidation and creep. Candidate materials that meet these property and performance goals include incumbent alloys in power generation, such as nickel based superalloys for turbomachinery components and austenitic stainless steels for piping. Components within s Brayton loops suffer from corrosion and erosion, specifically erosion in turbomachinery and recuperative heat exchanger components and intergranular corrosion and pitting in the piping. Testing has been conducted on candidate Ni based alloys, austenitic steels, ferritic steels and ceramics for corrosion resistance in s cycles. The interest in these materials derive from their formation of protective surface oxide layers in the presence of carbon dioxide, however in most cases further evaluation of the reaction mechanics and corrosion/erosion kinetics and mechanisms is required, as none of the materials meet the necessary goals. In 2016, General Electric announced a s based turbine that enabled a 50% efficiency of converting heat energy to electrical energy. In it the is heated to 700 °C. It requires less compression and allows heat transfer. It reaches full power in 2 minutes, whereas steam turbines need at least 30 minutes. The prototype generated 10 MW and is approximately 10% the size of a comparable steam turbine. The 10 MW US$155 million Supercritical Transformational Electric Power (STEP) pilot plant was completed in 2023 in San Antonio. It is the size of a desk and can power around 10,000 homes.

Другое

В настоящее время ведутся работы по разработке газовой турбины с замкнутым циклом, которая будет работать при температуре около 550 °C. Это будет иметь последствия для массового теплового и ядерного производства электроэнергии, потому что сверхкритические свойства углекислого газа при температуре выше 500 °C и 20 МПа позволяют достигать тепловой эффективности около 45 процентов. Это может увеличить электрическую мощность, производимую на единицу топлива, на 40 процентов или более. Учитывая объем углеродного топлива, используемого для производства электроэнергии, воздействие повышения эффективности цикла на окружающую среду будет значительным. Суперкритический является новым природным хладагентом, используемым в новых низкоуглеродных растворах для бытовых тепловых насосов. Суперкритические тепловые насосы коммерчески продаются в Азии. Системы EcoCute из Японии, разработанные компанией Mayekawa, производят высокотемпературную бытовую воду с небольшим вводом электрической энергии, перемещая тепло в систему из окружающей среды. Сверхкритический метод применяется с 1980-х годов для повышения эффективности добычи на зрелых нефтяных месторождениях. Появляются технологии "чистого угля", которые могут сочетать такие усовершенствованные методы извлечения с секвестрацией углерода. Используя газификаторы вместо обычных печей, уголь и вода превращаются в газообразный водород, углекислый газ и пепел. Этот газообразный водород может быть использован для производства электроэнергии в газовых турбинах комбинированного цикла, захвачен, сжат до сверхкритического состояния и вводится в геологическое хранилище, возможно, в существующие нефтяные месторождения для повышения урожайности. Сверхкритический может использоваться в качестве рабочей жидкости для производства геотермальной электроэнергии как в усиленных геотермальных системах, так и в осадочных геотермальных системах (так называемые геотермальные шлейфы). Системы EGS используют искусственно сломанный резервуар в подземных породах, в то время как системы CPG используют более мелкие естественно проницаемые осадочные резервуары. Возможные преимущества использования в геологическом резервуаре по сравнению с водой включают более высокую энергетическую отдачу, обусловленную его более низкой вязкостью, лучшим химическим взаимодействием и постоянным хранением, поскольку резервуар должен быть заполнен большими массами воды. К 2011 году концепция не была протестирована в полевых условиях.

Work is underway to develop a s closed cycle gas turbine to operate at temperatures near 550 °C. This would have implications for bulk thermal and nuclear generation of electricity, because the supercritical properties of carbon dioxide at above 500 °C and 20 MPa enable thermal efficiencies approaching 45 percent. This could increase the electrical power produced per unit of fuel required by 40 percent or more. Given the volume of carbon fuels used in producing electricity, the environmental impact of cycle efficiency increases would be significant. Supercritical is an emerging natural refrigerant, used in new, low carbon solutions for domestic heat pumps. Supercritical heat pumps are commercially marketed in Asia. EcoCute systems from Japan, developed by Mayekawa, develop high temperature domestic water with small inputs of electric power by moving heat into the system from the surroundings. Supercritical has been used since the 1980s to enhance recovery in mature oil fields. "Clean coal" technologies are emerging that could combine such enhanced recovery methods with carbon sequestration. Using gasifiers instead of conventional furnaces, coal and water is reduced to hydrogen gas, carbon dioxide and ash. This hydrogen gas can be used to produce electrical power In combined cycle gas turbines, is captured, compressed to the supercritical state and injected into geological storage, possibly into existing oil fields to improve yields. Supercritical can be used as a working fluid for geothermal electricity generation in both enhanced geothermal systems and sedimentary geothermal systems (so called Plume Geothermal). EGS systems utilize an artificially fractured reservoir in basement rock while CPG systems utilize shallower naturally permeable sedimentary reservoirs. Possible advantages of using in a geologic reservoir, compared to water, include higher energy yield resulting from its lower viscosity, better chemical interaction, and permanent storage as the reservoir must be filled with large masses of As of 2011, the concept had not been tested in the field.

Производство аэрогелей

Сверхкритический углекислый газ используется в производстве кремнезема, углерода и аэрогелей на основе металлов. Например, образуется гель диоксида кремния, а затем подвергается воздействию s. Когда температура становится сверхкритической, все поверхностное напряжение устраняется, что позволяет жидкости покинуть аэрогель и создавать поры размером с нанометр.

Стерилизация биомедицинских материалов

Суперкритический метод является альтернативой термической стерилизации биологических материалов и медицинских изделий с использованием добавки перацетной кислоты (ПАК). Суперкритический не стерилизует среду, потому что не убивает споры микроорганизмов. Кроме того, этот процесс нежный, так как сохранилась морфология, ультраструктура и белковые профили инактивированных микробов.

Уборка

Сверхкритический используется в некоторых промышленных процессах очистки.