Droogijs: Eigenschappen, Productie en Toepassingen van Vast CO₂

Achtergrond

Droogijs is de naam voor kooldioxide in vaste toestand. Kooldioxide komt voor in de aardatmosfeer; het is een gas dat mensen uidademen en planten gebruiken voor fotosynthese. Deze chemische verbinding is kleurloos, geurloos, smaakloos, en ongeveer 1,5 keer zo dicht als lucht. Kooldioxide gaat van gas naar een opaak wit vast stof onder druk en bij lage temperaturen, vast wordend bij -78,3°C. Droogijs wordt primair in twee vormen geproduceerd: als blok droogijs van meer dan 22,7 kg of in kleine stukjes variërend van korrelgrootte tot grotere pellets. Droogijs smelt niet, het sublimeert, wat betekent dat het vaste direct in gas overgaat (de vloeistoftoestand overslaand) als de temperatuur stijgt en het vaste begint te verdampen. Deze ongewoon kenmerk resulteert in een rookachtig effect, en droogijs lijkt te stoken tijdens sublimatie. Daarom wordt droogijs vaak gebruikt om mist of rook te simuleren.

Droogijs zelf is niet giftig, maar het oppervlak van het vaste is zo koud dat het niet zonder handschoenen aangeraakt mag worden. Ook, hoewel het gas stabiel en inert is, is het zwaarder dan lucht en kan het zich concentreren in lage gebieden of gesloten ruimtes. Wanneer de concentratie kooldioxide in de lucht 5% overschrijdt, wordt het giftig. Elk gebied waar droogijs gebruikt wordt, moet daarom goed geventileerd zijn.

Het is relatief eenvoudig om kooldioxide van gas naar vast om te zetten. Veel droogijsfabrikanten bestaan in de Verenigde Staten, en droogijs wordt naar alle delen van het land verzonden voor diverse toepassingen. Het is een belangrijk koelmiddel voor het koel houden van voedsel en het voorkomen van bacteriegroei tijdens verzending. Droogijs gebruikt voor koelen of vriezen van voedsel moet erg schoon zijn en als "voedselgraad" beschouwd worden om te waarborgen dat voedsel dat het aanraakt niet gecontamineerd wordt. Omdat het vaste sublimeert in plaats van smelt, kunnen grote hoeveelheden droogijs in verzendcontainers geplaatst worden zonder rekening te hoeven houden met het volume smeltwater dat ontstaat bij gebruik van gewone ijs als koelmiddel. Voedselgerelateerde toepassingen zijn uitgebreid en omvatten snellvriezen van voedsel voor toekomstig gebruik in voedselverwerkingsfabrieken, remmen van actieve gistgroei in bakkerijen, en voedsel koel houden voor catering voor de luchtvaartindustrie.

Andere toepassingen omvatten: vertragen van knopgroei in kwekerijen om planten vers te houden voor consumenten, flitsvriezen in de rubberindustrie tijdens productie, absorberen van ammoniakkoellekkages, en rook creëren voor theaterproducties. De meest significante recente toepassing is droogijs-blasten (of reinigen) waarbij droogijspellets met hoge snelheid op een te reinigen oppervlak geschoten worden. De pellets strippen het oppervlak van verontreinigingen, sublimeren in de atmosfeer, en achterlaten geen giftige gassen. Het enige residu is de vuil of verf die voor verwijdering overblijft.

Geschiedenis

Droogijs is niet uitgevonden, maar de eigenschappen van vast kooldioxide werden in de early twintigste eeuw ontdekt. Het werd voor het eerst commercieel geproduceerd in de jaren 1920 in de Verenigde Staten. Een commercieel bedrijf registreerde de naam droogijs als handelsmerk in 1925 en vast kooldioxide wordt sinds een droogijs genoemd. Tot redelijk recent werd droogijs vaak aangeduid als heet ijs, een verwijzing naar het feit dat wanneer men het koude oppervlak aanraakte, de hand verbrand voelde.

Het lijkt erop dat de Prest-Air Devices Company van Long Island, New York, voor het eerst met succes droogijs produceerde in 1925. Ook in dat jaar gebruikte Schrafft's van New York City het product voor het eerst om hun beroemde ijsje te laten smelten in hun salon. Droogijs werd veel uitgebreider gebruikt voor koeling en vriezen van voedsel in de middeleeuwen van de twintigste eeuw dan vandaag de dag. Practisch elke ijsjesalon in de wereld gebruikte droogijs om ijsje bevroren te houden tot wel na de Tweede Wereldoorlog, toen elektrische koeling betaalbaar en efficiënt werd. De productie van droogijs is in veel decennia niet significant veranderd en is een relatief simpel proces van onder druk zetten en afkoelen van gasvormige kooldioxide. Toepassingen voor droogijs zijn enigszins afgenomen met de komst van betere elektrische koeling. Enkele recente ontwikkelingen voor gebruik zijn het gebruik van pellets in blasten of reinigen en het toenemende gebruik in het transporteren van medische monsters, waaronder harten, ledematen, en weefsels, voor herhechting en transplantatie.

Grondstoffen

De enige grondstof gebruikt in de productie van droogijs is kooldioxide. Deze grondstof is het bijproduct van de raffinage van gassen die vrijkomen tijdens de productie of raffinage van andere producten. Meeste kooldioxide gebruikt in de productie van droogijs in de Verenigde Staten is afgeleid van raffinage van gassen die vrijkomen tijdens de raffinage van petroleum en ammonia. De kooldioxide die tijdens deze processen vrijkomt, wordt afgetrokken en "gescrubd" om onzuiverheden te verwijderen voor voedselgraad kooldioxide dat uiteindelijk droogijs wordt.

Het Productieproces

Kooldioxide wordt verfloust door te comprimeren en te koelen, verflouwend bij een druk van ongeveer 395 kg/cm² bij kamertemperatuur. Vloeibare kooldioxide wordt via buisleidingen in enorme opslagtanks gepompt zodat droogijsfabrikanten de benodigde vloeistof kunnen onttrekken.
De vloeibare kooldioxide wordt in enorme hoeveelheden verzonden, soms vele tonnen zwaarte. Daarom kiezen de meeste droogijsfabrikanten hun fabrieken in de buurt van petroleum- of ammoniakraffinaderijen om transportkosten betaalbaar te houden. De onder druk staande, gekoelde vloeibare kooldioxide wordt direct via buizen in een onder druk staande tank of railwagon van de droogijsfabrikant gepompt en gaat naar het fabriek.
De tankwagen rijdt het fabriek op en stort de vloeibare kooldioxide in enorme tanks op het terrein. Deze tanks houden de vloeistof onder druk, gekoeld zodat het in vloeibare toestand blijft. Deze tanks zijn gelegen aan de fabrieksmuur en, via buisleidingen, wordt de vloeistof direct naar binnen gebracht wanneer nodig voor productie.
De vloeibare kooldioxide wordt weer vrijgegeven, via buisleidingen, van de aangrenzende tanks door de fabrieksmuur en in de droogijspres. Wanneer de vloeistof van een hoog-gepresuriseerde omgeving naar atmosferische druk gaat, expandeert en verdampt het met hoge snelheid, wat de vloeistof afkoelt tot zijn vriespunt van -78,3°C. Een monding zet de vloeistof in het bovenste blok van een droogijspres, dat ongeveer 4,9 m hoog staat. Deze pers omvat een groot blok bovenaan dat extreme druk kan uitoefenen op het product dat erin gebracht wordt. Wanneer de vloeibare kooldioxide het blok van de droogijspres raakt, solidificeert het direct omdat het nu bij kamertemperatuur is. De kooldioxide lijkt nu op sneeuw.
Deze sneeuw, nu in het bovenste deel van de pers, moet gecomprimeerd worden tot een blok droogijs. Dus gaat dit bovenste deel van de pers omhoog en omlaag met buitengewone druk (ongeveer 60 ton), de sneeuw inperkend tot een vast blok droogijs. Dit is ongeveer een vijfminutenproces. Wanneer het blok vast is, is het doorgaans ongeveer 61 cm breed en 25 cm hoog, en weegt ongeveer 100 kg.
Dit blok opaak wit droogijs wordt uit de pers geduwd op een rol. Een pneumatische zaag zaagt het blok in tweeën en de blokken worden naar een andere zaag geduwd die de kleinere blokken nogmaals zaagt. Zo is het enkele blok gemaakt in de droogijspres nu in vier stukken, elk van ongeveer 25 kg.
De kleinere blokken worden in containers gelegd die de blokken koud houden zodat sublimatie geminimaliseerd wordt. Als onverpakt verzonden, moeten ze dicht gepakt in een container, doorgaans inclusief vier blokken, met heel weinig lucht binnen om sublimatie te reduceren. Als een blok tijdens verzending verwijderd wordt, zullen de andere blokken snel beginnen te verdampen. Veel droogijsfabrikanten verpakken de blokken in papier met machines (het is verstandig de erg koude oppervlakte niet aan te raken) en sturen het naar distributeurs of groothandelaren.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole kwesties draaien voornamelijk om de graad van de kooldioxide gebruikt in de productie van voedselgraad droogijs. Recentelijk stelde de federale overheid redelijk strenge normen voor de zuiverheid van kooldioxide gebruikt in de productie van droogijs, wat fabrikanten dwingt om de vloeibare kooldioxide te certificeren en testen, evenals de zuiverheid van het geproduceerde product.

Andere kwaliteitscontrole kwesties omvatten het waarborgen dat tanks en apparatuur precies werken. Als druk niet correct gehandhaafd wordt, kan het product niet geproduceerd worden. Het product snel en efficiënt van snijden naar opslag verplaatsen is heel belangrijk, omdat droogijs snel sublimeert bij kamertemperatuur, wat het gewicht en de prijs van het verkoopbare product reduceert. Verzending moet de blokken dicht pakken om sublimatie in transitie te reduceren.

Bijproducten/Afval

Geen significante chemicaliën worden gecreëerd in de productie van droogijs. Aangezien het product alleen van kooldioxide gemaakt is, wanneer het product sublimeert worden de gassen in de atmosfeer geëmiteerd. De enige detecteerbare afval is sublimatie van het product in blokvorm, wat geminimaliseerd wordt.

De Toekomst

Terwijl het gebruik van droogijs in koeling en voedselopslag kan afnemen, heeft het gebruik in andere gebieden belofte. Zoals hierboven vermeld, zijn huishoudelijke reinigers en machineoperators geïnteresseerd in de kleine droogijspellets om hun vermogen een huis of machine onder hoge druk te bombarderen, vuil of andere verontreinigingen te verwijderen, en dan in de atmosfeer te verdampen. Onlangs gebruikte een telefoonbedrijf droogijspellets om gevoelige elektronische testapparatuur veilig te reinigen zonder gevaarlijke oplosmiddelen. Autocarrosseriewinkels ontdekten dat het aanbrengen van droogijs op deuken in de carrosserie soms de vervorming kan elimineren. Ook, tests op droogijsblokken pleiten ervoor het in muizenholen te droppen om de plagen te eradiceren of in de achtertuin te zetten om muggen aan te trekken om ze van mensen fern te houden.

Meer Informatie

Boeken

Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Vol. 5. New York: 1997.

The Handy Science Answer Book. Tweede dr. Detroit: 1997.

Overige

"Droogijs." About.com Web Page. Augustus 2001. < https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm >.

dryicelnfo.com Home Page. Juli 2001. < https://www.dryiceinfo.com >.

Interview met Chuck Hines. Eigenaar van Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31 juli 2001.

Nancy EV Bryk

Afvoerreinigers: Typen, Productie, Veiligheid en Milieu-impact EEG-Apparaten: Ontwerp, Productie en Opkomende Toepassingen

Productieproces

3d printen

Automatisering Besturingssysteem

Industriële technologie