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氟利昂

幾種氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的總稱。氟里昂在常溫下都是無色氣體或易揮發(fā)液體,略有香味,低毒,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。其中最重要的是二氯二氟甲烷CCl2F2(F-12)。二氯二氟甲烷在常溫常壓下為無色氣體;熔點-158℃,沸點-29.8℃,密度1.486克/厘米(-30℃);稍溶于水,易溶于乙醇、乙醚;與酸、堿不反應(yīng)。二氯二氟甲烷可由四氯化碳與無水氟化氫在催化劑存在下反應(yīng)制得,反應(yīng)產(chǎn)物主要是二氯二氟甲烷,還有CCl3F和CClF3,可通過分餾將CCl2F2分離出來。

作用

  由于氟利昂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有不燃、低毒、介電常數(shù)低、臨界溫度高、易液化等特性,因而廣泛用作冷凍設(shè)備和空氣調(diào)節(jié)裝置的制冷劑。它們的商業(yè)代號R表示氟代烴,第一個數(shù)字等于碳原子數(shù)減1(如果是零就省略),第二個數(shù)字等于氫原子數(shù)加1,第三個數(shù)字等于氟原子數(shù)目,氯原子數(shù)目不列。由于氟利昂可能破壞大氣臭氧層,已限制使用。地球上已出現(xiàn)很多臭氧層漏洞,有些漏洞已超過非洲面積,其中很大的原因是因為氟利昂的化學(xué)性質(zhì)。

危害

  氟利昂是臭氧層破壞的元兇,它是20世紀(jì)20年代合成的,其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不具有可燃性和毒性,被當(dāng)作制冷劑、發(fā)泡劑和清洗劑,廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學(xué)品、汽車、消防器材等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代后期,氟利昂的生產(chǎn)達(dá)到了高峰,產(chǎn)量達(dá)到了144萬噸。在對氟利昂實行控制之前,全世界向大氣中排放的氟利昂已達(dá)到了2000萬噸。由于它們在大氣中的平均壽命達(dá)數(shù)百年,所以排放的大部分仍留在大氣層中,其中大部分仍然停留在對流層,一小部分升入平流層。在對流層相當(dāng)穩(wěn)定的氟利昂,在上升進(jìn)入平流層后,在一定的氣象條件下,會在強(qiáng)烈紫外線的作用下被分解,分解釋放出的氯原子同臭氧會發(fā)生連鎖反應(yīng),不斷破壞臭氧分子??茖W(xué)家估計一個氯原子可以破壞數(shù)萬個臭氧分子。

  根據(jù)資料,2003年臭氧空洞面積已達(dá)2500萬平方公里。臭氧層被大量損耗后,吸收紫外線輻射的能力大大減弱,導(dǎo)致到達(dá)地球表面的紫外線明顯增加,給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來多方面的危害。據(jù)分析,平流層臭氧減少萬分之一,全球白內(nèi)障的發(fā)病率將增加0.6-0.8%,即意味著因此引起失明的人數(shù)將增加1萬到1.5萬人。

  在對流層的氟利昂分子很穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是,當(dāng)它們上升到平流層后,會在強(qiáng)烈紫外線的作用下被分解,含氯的氟利昂分子會離解出氯原子(稱為“自由基”),然后同臭氧發(fā)生連鎖反應(yīng)(氯原子與臭氧分子反應(yīng),生成氧氣分子和一氧化氯基;一氧化氯基不穩(wěn)定,很快又變回氯原子,氯原子又與臭氧反應(yīng)生成氧氣和一氧化氯基……),不斷破壞臭氧分子。

  Cl+O3===O2+ClOClO+O3===O2+Cl

  如此周而復(fù)始,結(jié)果一個氯氟利昂分子就能破壞多達(dá)10萬個臭氧分子。即一千克氟利昂可以捕捉消滅約七萬千克臭氧??偟慕Y(jié)果,可以用化學(xué)方程式表示為:

  2O3===3O2(在反應(yīng)中氟里昂分子起到催化劑的作用)。

  反應(yīng)機(jī)理:

  臭氧在紫外線作用下(反應(yīng)條件不好打,自己加上)

  O3===O2+O

  氯氟烴分解(以CF2Cl2為例)

  CF2Cl2===CF2Cl+Cl

  自由基鏈反應(yīng)

  Cl2+O3===ClO+O2

  ClO2+O===Cl+O2

  總反應(yīng):O3+O===2O2

  二氯二氟甲烷氟利昂的介電常數(shù)為2,可以采用脈沖時域反射物位計進(jìn)行物位測量。此外,氟利昂也是重要的溫室氣體。一個氟利昂分子增加溫室效應(yīng)的效果相當(dāng)于一萬個二氧化碳分子。

特性

  氟利昂是制冷劑

  是一種透明、無味、低毒、不易燃燒、爆炸和化學(xué)性穩(wěn)定的制冷劑。不同的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的氟里昂制冷劑熱力性質(zhì)相差很大,可適用于高溫、中溫和低溫制冷機(jī),以適應(yīng)不同制冷溫度的要求。

  氟利昂的冰堵

  氟利昂對水的溶解度小,制冷裝置中進(jìn)入水分后會產(chǎn)生酸性物質(zhì),并容易造成低溫系統(tǒng)的“冰堵”,堵塞節(jié)流閥或管道。另外避免氟里昂與天然橡膠起作用,其裝置應(yīng)采用丁晴橡膠作墊片或密封圈。

制冷劑

  總述

  有R12.R22.R502、R123及R134a,由于其他型號的制冷劑已經(jīng)停用或禁用。在此不做說明。

  氟利昂12(CF2Cl2,R12)

  是氟利昂制冷劑中應(yīng)用較多的一種,CFC制冷劑,主要以中、小型食品庫、家用電冰箱以及水、路冷藏運(yùn)輸?shù)戎评溲b置中被廣泛采用。R12具有較好的熱力學(xué)性能,冷藏壓力較低,采用風(fēng)冷或自然冷凝壓力約0.8-1.2KPa。R12的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為-29℃,屬中溫制冷劑,用于中、小型活塞式壓縮機(jī)可獲得-70℃的低溫。而對大型離心式壓縮機(jī)可獲得-80℃的低溫。電冰箱的代替冷媒為R134a。

  氟利昂-13

  分子式CClF3,分子量104.46。學(xué)名三氟一氯甲烷。熔點-182℃、沸點-82℃、密度(-130℃)1.703克/厘米3。無色氣體。氟利昂22(CHF2CL,R22)

  HCFC制冷劑,是氟里昂制冷劑中應(yīng)用較多的一種,主要以家用空調(diào)和低溫冰箱中采用。R22的熱力學(xué)性能與氨相近。標(biāo)準(zhǔn)氣化溫度為-40.8℃,通常冷凝壓力不超過1.6MPa。R22不燃、不爆,使用中比氨安全可靠。R22的單位容積比R12約高60%,其低溫時單位容積制冷量和飽和壓力均高于R12和氨。對大型空調(diào)冷水機(jī)組的冷媒大都采用R134a來代替。

  氟里昂502(R502)

  R502是由R12.R22以51.2%和48.8%的百分比混合而成的共沸溶液。R502與R115.R22相比具有更好的熱力學(xué)性能,更適用于低溫。R502的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為-45.6℃,正常工作壓力與R22相近。在相同的工況下的單位容積制冷量比R22大,但排氣溫度卻比R22低。R502用于全封閉、半封閉或某些中、小制冷裝置,其蒸發(fā)溫度可低達(dá)-55℃。R502在冷藏柜中使用較多。

  氟利昂134a(C2H2F4,R134a)

  是一種較新型的制冷劑,HFC制冷劑,其蒸發(fā)溫度為-26.5℃。它的主要熱力學(xué)性質(zhì)與R12相似,不會破壞空氣中的臭氧層,是鼓吹的環(huán)保冷媒,但會造成溫室效應(yīng)。是比較理想的R12替代制冷劑。

  氟利昂R407C

  是一種新型環(huán)保制冷劑,HFC制冷劑,由二氟甲烷R32(CH2F2),五氟乙烷R125(C2HF5),四氟乙烷R134a(C2H2F4)以23%,25%,52%的質(zhì)量百分比混合而成的非共沸制冷劑,溫度滑移較高。

  氟利昂R410A

  是一種新型環(huán)保制冷劑,HFC制冷劑,由二氟甲烷R32(CH2F2),五氟乙烷R125(C2HF5)以50%,50%的質(zhì)量百分比混合而成的非(近)共沸制冷劑,溫度滑移較小,發(fā)生相變時兩組分比例基本保持恒定,物性接近單組分制冷劑。工作壓力為普通R22空調(diào)的1.6倍左右,制冷(熱)效率更高,不破壞臭氧層。另外,采用新冷媒的空調(diào)在性能方面也會有一定的提高。R410A是目前為止國際公認(rèn)的用來替代R22最合適的的冷媒,并在歐美,日本等國家得到普及。

  氟利昂R600a(C4H10

  2-甲基丙烷(異丁烷),屬于CH類制冷劑A3類物質(zhì),充灌量很少時可用作冰箱制冷劑,具有節(jié)能、低噪、對大氣無破壞的優(yōu)勢,但其易燃、易爆、安全性差。

生產(chǎn)方法

  置換法

  主要用于生產(chǎn)R-11.R-12.R-22.R-21.R-13.R-113和R-114等。此法有液相法和氣相法兩種:①液相法技術(shù)較成熟,溫度易控制,副產(chǎn)物少,是工業(yè)上采用的主要方法。所用的鹵化銻催化劑(見固體酸催化劑)壽命也較長(約1~2年,每2~3個月需進(jìn)行一次再生和補(bǔ)充)。根據(jù)原料和目的產(chǎn)品的不同而采取不同的反應(yīng)溫度(一般為45~200℃)和壓力(最高可達(dá)3.5MPa),以促使反應(yīng)在均相下進(jìn)行。不同的氯代烴原料可以制得不同的氟化合物,如以四氯化碳為原料,可以生產(chǎn)R-11和R-12;以三氯甲烷為原料,可以生產(chǎn)R-22;以四氯乙烯為原料可以生產(chǎn)R-113和R-114。反應(yīng)生成物一般要經(jīng)水洗、堿洗、干燥、壓縮和蒸餾等后處理,才制得純品。②氣相法使用裝有氟化鋁、氟化鉻和氟氧化鉻催化劑的固定床反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器,其后處理與液相法相似。

  甲烷氟氯化法

  以甲烷、氯氣和氟化氫為原料,在催化劑存在下,一步合成氟氯甲烷。反應(yīng)產(chǎn)物中主要含R-11.R-12,沸點較高的氟化物和氯化氫,經(jīng)汽提塔使部分氟化合物再循環(huán),剩余氣體進(jìn)入氯化氫蒸餾塔,脫除氯化氫后經(jīng)水洗、中和、干燥和精餾,得到R-11和R-12成品。所用催化劑是金屬氟化物或氯化物,載體為活性炭、硫酸鋁或碳酸鋇。反應(yīng)溫度為370~470℃,接觸時間約4~10s。反應(yīng)收率以甲烷計為96%~99%;以氯計為97%;以氟計為94%。該過程的優(yōu)點是工藝過程較簡單、產(chǎn)品純度高。

物質(zhì)關(guān)系

  氟利昂與水的關(guān)系

  氟利昂和水幾乎完全相互不溶解,對水分的溶解度極小。從低溫側(cè)進(jìn)入裝置的水分呈水蒸氣狀態(tài),它和氟利昂蒸氣一起被壓縮而進(jìn)入冷凝器,再冷凝成液態(tài)水,水以液滴狀混于氟利昂液體中,在膨脹閥處因低溫而凍結(jié)成冰,堵塞閥門,使制冷裝置不能正常工作。水分還能使氟里昂發(fā)生水解而產(chǎn)生酸,使制冷系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生“鍍銅”現(xiàn)象。

  氟利昂與潤滑油的關(guān)系

  一般是易溶于冷凍油的,但在高溫時,氟利昂就會從冷凍油內(nèi)分解出來。所以在大型冷水機(jī)組中的油箱里都有加熱器,保持在一定的溫度來防止氟里昂的溶解。

  氟利昂與化妝品的關(guān)系

  女士愛美也會讓全球變暖“女士的愛美之心,也導(dǎo)致全球變暖。”昨2009年9月10日,來渝參加第11屆科協(xié)年會的中國科學(xué)院院士、氣象學(xué)家李崇銀,在市氣象局作關(guān)于“氣候變化與和諧社會建設(shè)”的報告,對熱門的天氣話題進(jìn)行了生動解釋?;瘖y品也是氣候殺手?“全球變暖的原因多種多樣,除了我們熟悉的溫室氣體排放,還有很多。”李崇銀說,汽車、飛機(jī)等交通工具的增多,空調(diào)的使用,城市熱島效應(yīng)等,甚至連化妝品的使用,也在一定程度上造成了全球變暖。李院士說,化妝品中含有氟利昂,其釋放出來后上升進(jìn)入平流層,如果沒有強(qiáng)烈的光化學(xué)作用,就無法分解,從而破壞臭氧層,導(dǎo)致了紫外線輻射加強(qiáng)。所以,從一定程度上說,愛美之心也推動了全球變暖。

泄漏事件

  俄羅斯核潛艇事故調(diào)查委員會2008年11月10日宣布,造成20人死亡的俄羅斯核潛艇事故的初步原因是有人非法啟動消防系統(tǒng)。

  俄羅斯濱海邊疆區(qū)聯(lián)邦總監(jiān)察員新聞秘書克謝尼婭·古先措娃表示,俄羅斯核潛艇事故調(diào)查委員會在大卡緬市舉行的事故調(diào)查會議上做出初步結(jié)論,造船廠員工8日在新型核潛艇試航時非法啟動了自動消防系統(tǒng),氟利昂泄漏,造成20人死亡。死亡人員中有3名軍人和17名技術(shù)人員。此外,21人受傷,現(xiàn)正在醫(yī)院接受治療。

  俄羅斯濱海邊疆區(qū)宣布11月11日為核潛艇事故死難者哀悼日。俄羅斯濱海邊疆區(qū)發(fā)言人解釋說:“由于核潛艇發(fā)生悲慘事故,邊疆區(qū)行政長官謝爾蓋·達(dá)爾金做出了這一決定。根據(jù)命令,哀悼日時邊疆區(qū)境內(nèi)俄羅斯聯(lián)邦國旗應(yīng)下半旗致哀,建議文化機(jī)構(gòu)和廣播電視公司分別取消娛樂活動和娛樂節(jié)目。”

  出事核潛艇是2008年9月份制造的8140噸級的“獵豹號”核潛艇。該潛艇使用1190MW級核反應(yīng)堆驅(qū)動渦輪機(jī),可以潛到水面以下450米。

  此事件中消防系統(tǒng)使用的滅火劑應(yīng)該是C2F4Br2,它是一種氟溴鹵烴,不叫氟利昂(如果上述對其定義準(zhǔn)確的話)應(yīng)該是廣義上的氟利昂。氟利昂產(chǎn)品主要用在制冷等行業(yè),消防很少使用。

禁止使用

  2010年后我國將全面禁止使用氟利昂。一項旨在保護(hù)臭氧層的措施日前在我國出臺。按照有關(guān)部門制定的日程表:到2010年,我國將全面禁止生產(chǎn)和使用消耗臭氧層的物質(zhì)--氟里昂。按照這個日程表,我國將從1999年7月1日開始把氟里昂的生產(chǎn)和消費(fèi)水平凍結(jié)在1995-1997年的平均水平上,以后逐年減少。2010年1月1日,氟利昂被我國禁止使用。

  據(jù)有關(guān)部門預(yù)測,在今后幾年中,我國對使用氟里昂等消耗臭氧層物質(zhì)的需求仍將保持旺盛的勢頭,保護(hù)臭氧層的形勢依然十分嚴(yán)峻。

制冷系統(tǒng)

  氟利昂制冷系統(tǒng)包括高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和融霜系統(tǒng)。氟利昂制冷系統(tǒng)設(shè)備選擇計算與氨制冷系統(tǒng)在方法上基本一致。制冷壓縮機(jī)的選擇應(yīng)以用冷單元的制冷機(jī)負(fù)荷為依據(jù),根據(jù)所確定的氟利昂制冷劑種類、制冷工況及壓縮機(jī)型式進(jìn)行選擇計算。待壓縮機(jī)選定后,以壓縮機(jī)的工作參數(shù)冰結(jié)合選定的冷凝器型式,進(jìn)行相應(yīng)的冷凝器選型計算。蒸發(fā)器根據(jù)設(shè)備負(fù)荷計算確定。


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