Хим.генератор СО2 с трубой и иголкой

[oltrew]

По мотивам генератора Славкина несколько усовершенствований, устраняющих пороки, и теория.

Широкая высокая труба-диффузор. Вместо обрезка шприца использую широкую трубу на всю высоту бутылки. Такое решение уменьшает объем возвратной кислоты и уменьшает вероятность обратного хода раствора соды или забивания иглы содой. В качестве трубки проще всего использовать обрезок прозрачного шланга или трубку из ПЭТ-кеги. У меня стоит прозрачная трубка от Струмка.
Фитинг из обрезка шприца для соединения вверху насаживается на/в широкую трубку герметично. Герметичность важна, чтобы газ не выходил в этом месте, иначе получится вариант капания "на воду", а не "в соду".
Трубу эту НЕ нужно опускать до дна бутылки, не надо ее глубоко закапывать в соду. Достаточно, чтобы трубка немного была погружена в соду. Ее задача - перемешивать раствор, реакция должна идти ПОД трубкой. При втыкании трубки в мокрую соду образуется пробка из соды, реакция идет внутри трубки по принципу капания "на воду", постепенно поднимаясь вверх и забивая иголку. Выделяющийся газ продавливается вдоль стенок, но не выдавливает содовую пробку. Когда ложил мало соды - взбалтывал водоворот, в центр этого водоворота опускал трубку и она оставалась почти пустой. Но с большим количеством мокрой соды такой способ не работает.


Игла-полуклапан. Игла обязательно должна выходить в открытое пространство широкой трубы (не в узкую трубку), перед ней не должна накапливаться кислота, чтобы при обратном движении в нее сразу мог поступать газ, без выдавливания обратно кислоты. Иголка в этом случае работает "полуклапаном" - дозированно медленно пропускает кислоту, но быстро пропускает газ в обратном направлении. Она же дроссель - главный ограничитель скорости системы.
Я загнул иголку так, что она касается стенки трубки, капля кислоты не накапливается, а стекает по стенке. Это имеет значение, особенно для малых подач. При прямой игле реактор постепенно замедлялся - капля быстро падает вниз и сразу идет реакция, поднимающая давление - вторая капля уже не успевала выйти.
С инсулиновыми иглами, даже укороченными, мне так и не удалось добиться стабильной подачи раствора. Поэтому лучше начинать с игл 27G, 25G, 23G, 22G. Ставил желтую 20G от 20 мл шприца - насыщенный раствор кислоты проходит слишком легко.
Размеры игл стандартизированы ISO 9626, проще ориентироваться по цветовой маркировке игл.

Трубки - обычные аквариумные компрессорные 6/4мм с толстой стенкой 1 мм. Трубка соединяется с иголкой шприца через 4 мм стержень от шариковой или гелевой ручки, он идеально плотно входит в иглу. Стержень хорошо отмывается от пасты спиртом, ацетоном и даже бензином, но в бензине долго держать нужно. Гелевые стержни моются водой.

Запускается генератор несколькими сдавливаниями кислотной бутылки с паузами.
Для остановки генератора нужно пережать трубку между кислотой и содой и только затем открывать бутылки.

Под спойлером Метафизика гистерезиса:
Скрытый текст

Как минимум, можно выделить три группы гистерезиса:
- гидродинамический - сопротивление трубок при движении раствора кислоты - замедляет генератор.
- газодинамический, динамика газовых емкостей. Уменьшение газового буфера в содовой бутылке и увеличение в кислотной - постепенно замедляет генератор.
- химический - более длительное течение хим. реакции - разгоняет генератор.

С гидродинамическим гистерезисом не все просто. Распространено мнение, что "чем он меньше - тем лучше". Чем тоньше (в разумных пределах) и короче трубка - тем меньший объем кислоты нужно продавить (или подсосать) для достижения кислотой соды или газом кислоты, тем быстрее давление от реакции поступит назад в кислотную бутылку. Но здесь нужен баланс. При слишком малом гистерезисе давление в системе разгоняется.
Чем разбавленнее раствор, тем быстрее он проходит по трубками и игле - меньше гистерезис.
Со временем гидродинамический гистерезис (задержка) не изменяется, он зависит только от сопротивления трубок, заужений и от вязкости раствора.
Объемы бутылок. Обычно советуют использовать одинаковые бутылки. Оказывается, объемы бутылок связаны с гидродинамическим гистерезисом обратной зависимостью. Чем больше объем кислотной - тем меньше должен быть гистерезис. И наоборот. Отсюда вытекает интересный метод отладки. Переделывать трубки на более тонкие-толстые/короткие сложно, гораздо проще заменить кислотную бутылку. Если система разгоняется - заменить кислотную бутылку на бОльшую. Если тормозится - на меньшую. Содовую бутылку менять сложно, мокрую соду не просто перелить.

Газодинамический гистерезис не встречал, чтобы где-то обсуждался.
По мере выработки кислоты объем газового буфера в этой емкости увеличивается и нужно все больше и больше газа, чтобы поднять (уравновесить) давление на одну и ту же величину.
В содовой бутылке, наоборот, газовый буфер постепенно уменьшается и нужно все меньше и меньше кислоты, чтобы поднять давление на ту же самую величину.
Еще стоит упомянуть (несущественно) разную упругость воздуха и углекислого газа. Для создания одного и того же давления нужно на 52% меньше объем СО2, чем воздуха. Сжимаемость СО2 на 52% меньше. На старте бутылки заполнены воздухом - газовый гистерезис максимальный. Газовый буфер в содовой бутылке через пару дней работы становится "жестким", быстрее отвечает на реакцию, быстрее изменяет давление, т.е. требуется меньшее количество кислоты. Циклы становятся немного короче и генератор немного замедляется. В кислотной бутылке эти изменения слабы - там в начале до 50% воздуха.
Как же с этими замедлениями бороться?
Вижу два варианта:
1 - увеличением объемов газовых буферов, т.е. увеличением объема бутылок, при сохранении количества реагентов, чтобы изменения объемов газовых буферов в процессе работы были незначительными;
Представленные в интернете генераторы как правило только на четверть или меньше заполнены кислотой, т.е. минимизируют газодинамический гистерезис большим газовым буфером. Но при таком подходе вообще нет особого смысла в обратном движении давления в кислотную бутылку - большой газовый буфер в кислотной бутылке сам обеспечивает почти постоянное давление в процессе работы. Недостатки - большущие бутылки, малый объем реагентов и газа, малое время работы.
2 - химическим гистерезисом.

Химический гистерезис. Он разгоняет генератор и может уравновесить затухание. В начале реакции концентрация соды максимальная. Чем менее доступной становится сода в зоне реакции, тем больше кислоты успевает вытечь до достижения равновесного давления, тем дольше кислота будет реагировать и тем большее давление создаст в результате. Циклы при этом удлиняются, давление растет. Естественный процесс уменьшения концентрации в зоне реакции (в соде образуется яма) в идеале может привести к балансу с газодинамическим затуханием или хотя бы уменьшить его. Поэтому не нужно взбалтывать содовую бутылку! Взбалтывая бутылку, устраняем химический гистерезис.
Еще, имеет значение диаметр бутылки. Чем шире бутылка, тем меньше слой соды, тем меньше соды со временем будет в зоне реакции - это увеличивает химический гистерезис.

Увеличить химический гистерезис может и цитрат натрия, но не плавно. В разбавленном растворе он не мешает соде. А при насыщении, и особенно при выпадении в осадок в зоне реакции, слишком сильно и резко уменьшит концентрацию в растворе и доступность соды - генератор слишком быстро уйдет в разгон.

Химический генератор устойчиво работает только под давлением от 1 ат и выше. При малом давлении генератор постепенно останавливается. Изменять производительность в каком-то диапазоне можно изменением давления. Немного снизить давление можно небольшим стравливанием кислотной. Если газа поступает недостаточно, то не нужно сразу увеличивать подачу краником. Если бутылки еще не очень крепкие, то лучше это делать поднятием давления - сдавливанием бутылки.

Пропорции реагентов
Хотелось бы использовать насыщенный раствор кислоты (остальную воду - в соду) - получится минимальный объем кислоты и минимальное изменение объемов газовых буферов со временем, меньше объемы бутылок, дольше работа, в общем, эффективнее и рациональнее. НО насыщенный раствор очень вязкий, очень медленно проходит по трубке и особенно в игле. Получается, что уменьшая газовый, увеличиваем гидро-динамический гистерезис. Пробовал 50%-й и насыщенный (57%) растворы, остановился на 46%-ом из-за ненужности взвешивания. Для создания такой концентрации нужно в 100 г горячей воды растворить 100 г моногидрата. Для насыщенного нужен намного больший диаметр иглы. Важно, чтобы концентрация раствора кислоты при каждой новой зарядке была одинаковая. Тогда один раз отрегулировав генератор, получим повторяемую стабильность.

Минимальная пропорция сода/кислота 1,2, но соды для полной реакции должно быть с избытком. Также сода напитывает влагу, насыпная плотность может быть намного больше паспортной - как-то замерял - была 1,2 кг/л. Значит, пропорция сода/кислота не менее 1,5 для безводной и 1,3-1,4 для моногидрата.

Роль Цитрата натрия - пропорция воды
Цитрат натрия (ЦН). При постепенном насыщении ЦН вытесняет из раствора значительно менее растворимую соду. В насыщенном растворе цитрата натрия вместо 96 г/л соды будет всего 13 г/л, т.е. в 7,5 раз меньше (пропорционально растворимостям). Такое сильное изменение концентрации соды в растворе заметно увеличивает химический гистерезис и разгоняет давление.
От 100 г безводной кислоты образуется 153 г ЦН. Для его полного растворения нужно не менее 185 мл воды. При использовании моногидрата нужно не менее 137 мл воды на каждые 100 г кислоты.
Итого: 100 г лимонной кислоты растворяем в 100 г горячей воды. В соду - 100 г холодной воды (на каждые 100 г кислоты).

Считаю еще, нужно честно предупредить начинающих и потенциальных генераторщиков, что все химические генераторы - очень непростые, небезопасные устройства и дают дорогой газ. Рекомендуются только энтузиастам.