Очистка сухим льдом - криогеннная очистка

Категория: Производство

Очистка сухим льдом считается в России экзотической технологией, однако за рубежом она эффективно используется в широком спектре практического применения - от удаления шлака до очистки печатных плат. Этот способ очистки может быть с успехом использован для эксплуатирующегося оборудования без повреждения и демонтажа, что значительно снижает время его простоя. В отличие от обычных токсичных химических веществ, воды под высоким давлением и абразивной очистки, при криогенной очистке используются сухие частицы льда в потоке воздуха с высокой скоростью. При этом нет технологических неудобств, связанных с обработкой вторичного сырья и утилизации отходов.

Сухой лед представляет собой углекислый газ (двуокись углерода) в твердой форме, без цвета, вкуса и запаха, нетоксичный, не воспламеняющийся и бактериологически нейтральный. Сухой лед получают из двуокиси углерода в жидкой форме. Внутри генератора сухого льда жидкий диоксид углерода расширяется при контролируемых условиях с образованием хлопьев сухого льда. Эти хлопья пропускают через пластины экструдера, получая гранулы в виде вытянутых зерен диаметром 1,7...3 мм, или более крупные гранулы для охлаждающих целей. Сухой лед имеет температуру - 78 градусов Цельсия, его плотность при этой температуре составляет 97,5 кг/куб.м. Углекислый газ, из которого изготавливают сухой лед, является естественным побочным продуктом некоторых производственных процессов (переработка бензина).

Производство твердой фазы двуокиси углерода (CO2) началось в 1930-х годах. Первое практическое использование было в холодильных установках, и сухой лед до сих пор широко применяется в пищевой промышленности для упаковки и защиты скоропортящихся продуктов. В 1945г. начались эксперименты с сухим льдом в качестве абразивного материала для обезжиривания поверхностей. В 1977г. получен патент на пескоструйную обработку гранулами сухого льда, способного к сублимации (превращению вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) при нормальных атмосферных условиях. К концу 1980-х годов за рубежом появляется множество компаний, предлагающих услуги и оборудование для очистки сухим льдом.

Физика процесса очистки углекислотой заключается в следующем. Частицы сухого льда ускоряются в носителе (сжатый воздух). В этом струйная очистка сухим льдом в принципе аналогична пескоструйной обработке. Так как сухой лед имеют относительно низкую плотность, процесс основан на высокой скорости частиц для получения необходимой энергии удара. При столкновении с поверхностью сухой лед сублимирует (испаряется), при этом происходит чрезвычайно быстрый процесс теплообмена между гранулами льда и поверхностью. Влага при испарении сухого льда не образуется. Затем газ расширяется в сотни раз по сравнению с объемом гранулированного сухого льда в течение нескольких миллисекунд, вызывая микровзрыв в точке удара, в результате чего загрязнение разрушается. Из-за большой разности температур между частицами льда и очищаемой поверхностью происходит также тепловой удар, разрушающий загрязняющее покрытие. Это явление особенно ярко проявляется при обработке неметаллического покрытия (например, лакокрасочного) на металлической подложке.

Область применения технологии очистки сухим льдом обширна: очистка насосов и резервуаров, нефтепромыслового оборудования; удаление различных органических покрытий и загрязнений (лаки, краски, масла, воск, мастика, плесень, водоросли, клей, сажа и другие отложения); очистка от ржавчины; удаление граффити со стен; очистка электротехнического оборудования: генераторов, электродвигателей, вентиляторов, компрессоров, радиаторов, печатных плат; очистка прессформ, изложниц, стержневых ящиков в литейной промышленности; очистка автомобильных узлов на автомойках; очистка технологического оборудования в пищевой промышленности; удаление радиоактивных загрязнений. При этом очищаемая поверхность может быть металлической, стеклянной, пластмассовой, резиновой, из кирпича и т.д.

Довольно часто потребители, изучающие возможность применения криогенной очистки, обеспокоены возможностью влияния эффекта теплового удара на основной материал. Исследования доказали, что резкое падение температуры происходит лишь на поверхности. Термопары, погруженные на 2 мм в основной материал, в процессе исследования показали снижение температуры всего лишь на 10 градусов в течение 30 сек.

очистка сухим льдом

Даже при высоких скоростях удара и прямых углах бомбардирования поверхности частицами сухого льда, кинетическая энергия частиц является минимальной по сравнению с другими абразивами (песок, стеклянные шарики и т.д.). Это связано с относительно малой плотностью и твердостью частиц льда, и практически мгновенной фазой перехода в газ при ударе. Поскольку сухой лед считается мягким, малоабразивным материалом, а весь процесс опирается на тепловые эффекты, описанные выше, эта технология очистки может быть применена к широкому кругу материалов. Даже мягкие металлы - медь и алюминий - могут быть очищены сухим льдом с целью удаления покрытий или загрязнений без создания поверхностных напряжений, повреждений или шероховатости.
Размер частиц сухого льда, применяемых для криогенной очистки, составляет порядка 0,2...0,3 см диаметром, и 0,2...1 см в длину. Чем меньше размер гранул, тем быстрее они должны быть использованы, чтобы предотвратить их быстрое испарение ввиду большого отношения площади поверхности частиц к их объему. Мягкие типы покрытий и загрязнений (резина, силикон, пены и воск, пищевые остатки) требуют применения гранул большого размера и с невысокой плотностью потока смеси. Твердые типы покрытий, такие как лаки, краски, спеченый сахар, нагар и т.д., лучше очищаются частицами меньшего размера с высокой плотностью потока.

Если очистка сухим льдом ведется интенсивно, в больших объемах, то рациональнее в комплекте с абразивоструйным оборудованием приобретать грануляторы, или целую систему из генератора сухого льда и гранулятора. В этом случае экономия на собственном производстве сухого льда оправдывает капитальные затраты на оборудование.

В настоящее время есть два основных вида аппаратов для очистки сухим льдом, характеризующихся методом транспортировки гранул в сопло: двухтрубная и однотрубная.

В системе из двух патрубков (система Вентури) частицы льда и воздух доставляются и дозируются в двух разных шлангах, лед к соплу подается посредством вакуума, создаваемого соплом эжекторного типа. Поток сжатого воздуха проходит через первичное сопло с высокой околосверхзвуковой скоростью и расширяется внутри смесительной трубы, в результате вокруг сопла создается вакуум. Вакуум «подсасывает» частицы сухого льда из второго патрубка в смесительную камеру и далее смесь поступает во вторичное сопло. Преимуществами этого типа оборудования являются относительная простота и низкая стоимость, наряду с общей компактностью системы. Такие аппараты смешения льда с воздухом могут использоваться в 80% всех возможных применений технологии криогенной очистки. К недостаткам относятся ограничения по длине шланга из-за уменьшения всасывающей способности, невозможность вертикальной очистки, диаметр сопел ограничен нижним значением скорости потока.

В системе с одним шлангом (патрубком) есть только один шланг и существует специальная система подачи, которая разгоняет частицы льда и сжатый воздух в этом шланге. Преимуществами этого типа системы являются возможность применения всех видов сопел вне зависимости от подаваемого давления, возможность вертикального положения очистки, длина пистолетного шланга достигает 35...40 м. Однотрубные системы в большинстве случаев обеспечивают гораздо лучшую очистку и гибкость технологического процесса. Из недостатков можно назвать относительно высокую стоимость оборудования.
Общими недостатками технологии криогенной очистки являются следующие факторы:
1. Громкий шум в процессе работы, требующий применения защитных наушников.
2. Эффективная очистка возможна только в пределах прямой видимости от реактивного сопла. Иногда требуется разбирать узлы, чтобы прочистить труднодоступные места.
3. Образование большого объема углекислого газа, который может быть вредным, если не осуществляется вентиляция. Углекислый газ может привести к головной боли, головокружениям, снижению мыслительных процессов и удушью. Также необходимо учитывать, что углекислый газ имеет свойство накапливаться в нижней части рабочей зоны.