Ciecze kriogeniczne własności, zastosowania i źródła pochodzenia skraplanych gazów.

Transkrypt

1 Ciecze kriogeniczne własności, zastosowania i źródła pochodzenia skraplanych gazów. Michał Bartmański Inżynieria Mechaniczno- Medyczna Rok IV Gdańsk 2013

2 Spis treści. 1. Wstęp. 2. Ciekły tlen. 3. Ciekły azot. 4. Ciekły wodór. 5. Ciekły hel. 6. Podsumowanie i wnioski.

3 1. Wstęp. Definicją kriotechniki jest określenie jej jako techniki która zajmuje się niskimi temperaturami związanymi z otrzymywaniem, utrzymywaniem i wykorzystywaniem temperatur poniżej 120K. Do najbardziej znanych i najczęściej używanych czynników kriogenicznych zaliczyć możemy m.in. tlen, azot, wodór, hel oraz argon. Ciecze kriogeniczne stanowią czynnik roboczy urządzenia oraz zapewniają właściwe warunki eksploatacji. System kriogenicznym można określić jako zespół urządzeń, których zadaniem jest otrzymywanie odpowiednio niskich temperatur i utrzymanie optymalnych warunków pracy urządzenia, poprzez wykorzystanie instalacji chłodniczych pracujących na cieczach kriogenicznych.

4 2. Ciekły tlen. Rys 1. Ciekły tlen Historia. Jako pierwsi w historii ciekły tlen otrzymali w roku 1883, dokładnie 5 kwietnia, polscy profesorowie Uniwersytetu Jagielońskiego. Byli nimi profesor Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski, 5 kwietnia 1883 roku. Wcześniej, w 1877, mgłę skroplonego tlenu zaobserwowali niezależnie Szwajcar Raoul Pictet i Francuz Louis-Paul Cailletet Otrzymywanie. Ciekły tlen otrzymujemy przez destylację frakcyjną skroplonego powietrza. Na pokazach fizycznych gdańskiego Festiwalu Nauki Pan dr Andrzej Kuczkowski z PG zademonstrował otrzymywanie czystego tlenu. Do demonstracji wystarczy dysponować zapasem ciekłego azotu i aluminiową puszką po piwie (pustą). Pochyloną pod kątem puszkę umieścić w łapie statywu i ostrożnie napełnić ją w 2/3 skroplonym azotem. Zewnętrzne ścianki pokrywają się szybko białym nalotem lodu i stałego dwutlenku węgla. Po chwili szron w dolnej części naczynia wilgotnieje, a po kilkunastu kolejnych sekundach z najniższego miejsca zewnętrznej krawędzi puszki zaczynają dość szybko kapać kropelki. Jest to czysty skroplony tlen. Tlen pochodzi z otaczającego powietrza, a zanieczyszczenia wodą i dwutlenkiem węgla pozostają w postaci zestalonego szronu, przyczepione do powierzchni puszki.

5 Rys 2. Otrzymywanie ciekłego tlenu Właściwości. Tlen w stanie ciekłym charakteryzuje się następującymi właściwościami: bez zapachu, bez smaku, silne właściwości paramagnetyczne, bezbarwny gaz, bladoniebieski kolor cieczy związany z budową cząsteczki zawiera dwa niesparowane elektrony, temperatura wrzenia 90,1 K (-182,97 C ), temperatura topnienia 54,75 K (-218,40 C ), temperatura krytyczna 154,6 K (-118,56 C ), ciśnienie krytyczne 50,4 bar, gęstość gazu 1,429 g/l, gęstość cieczy 1,14 kg/l, współczynnik ekspansji 853.

6 2.4. Zastosowanie. Ciekły tlen znalazł wiele zastosowań w różnych gałęziach przemysłu, między innymi w takich jak przemyśl wojskowy, medyczny lub chemicznym. Do przykładowych zastosowań tej cieczy kriogenicznych należą: jako utleniacz paliwa rakietowego na statkach kosmicznych, zazwyczaj w połączeniu z ciekłym wodorem lub naftą, zastosowanie ciekłego tlenu pozwala na uzyskanie jednej z najmniejszych mas utleniacza przez co silnik rakietowy uzyskuje duży impuls właściwy, w przemyśle petrochemicznym, w przeszłości stosowany także do produkcji materiałów wybuchowych (obecnie wycofany ze względu na dużą liczbę wypadków).

7 3. Ciekły azot. Rys 3. Ciekły azot Informacje ogólne. Ciekły azot jest podstawową cieczą w kriogenice. Jest głównym składnikiem atmosfery, zajmuję 78,09% objętości, natomiast pod względem wagowym jest to 75,5 masy atmosfery Otrzymywanie. Dzisiaj ciekły azot otrzymywany jest podczas procesów skraplania i parowania frakcjonujące powietrza atmosferycznego. Przechowywany jest w naczyniach termostatycznych. W otwartym naczyniu w warunkach normalnych czysty azot wrze w temperaturze 195,8 C (77,35 K w zależności od czystości i aktualnego ciśnienia atmosferycznego w zakresie K), a ulega zestaleniu przy 210,0 C (63,14 K). Ciekły azot cały najpierw wrze, bo ścianki naczynia, których dotyka, są prawie o ok. 200C cieplejsze (tzn. mają ok. 0C). Ścianki w kontakcie z tak zimną substancją wyziębiają się i po pewnym czasie mają temperaturę zbliżoną do temperatury ciekłego azotu. Wówczas nie obserwujemy wrzenia. Dym który uwalnia się ze zbiornika to skroplona para wodna. Woda w postaci gazowej unosi się w powietrzu w znacznych ilościach. W kontakcie z czymś zimnym gazowa woda ochładza się i skrapla, tworzą się miliony malutkich kropelek i powstaje mgła.

8 Rys 4. Otrzymywanie ciekłego azotu Właściwości. Ciekły azot posiada szereg właściwości. Oto najważniejsze z nich: bezbarwny, bez zapachu, bez smaku, niepalny, obojętny chemicznie, temperatura wrzenia - 77,2 K (-195,8 C ), temperatura topnienia - 63,2 K (-210,0 C ), temperatura krytyczna - 126,2 K (-118,56 C ), ciśnienie krytyczne - 34,0 bar, gęstość gazu - 1,2506 g/l, gęstość cieczy - 0,808 kg/l, współczynnik ekspansji 696.

9 3.4. Zastosowanie. Do głównych zastosowań ciekłego azotu należą: zamrażanie żywności, kriochirurgia, krioterapia, przechowywanie materiału biologicznego, obróbka metali, w przemyśle elektrycznym, rozdrabnianie tworzyw sztucznych, leczenie schorzeń dermatologicznych praz reumatycznych. Rys 5. Leczenie schorzeń dermatologicznych. Rys 6. Krioterapia.

10 Rys 7. Leczenie schorzeń reumatycznych. Rys 8. Zamrażanie żywności.

11 4. Ciekły wodór. Rys 9. Ciekły wodór Informacje podstawowe. Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem na Ziemi. Występuje w dwóch postaciach. Pierwszą jest wolny wodór występujący w powietrzu, natomiast drugą postacią jest wodór związany występujący w wodzie. Izotopami wodoru są deuter i tryt. Deuter to tak zwany izotop stabilny występujący naturalnie. W wodzie morskiej występuje w ilości około 1 atomu na 6420 atomów protu (wodoru zwykłego). Ze względu na małą masę i mały przekrój czynny (0,11 σ/fm2) deuter jest dobrym moderatorem szybkich neutronów. Związki deuteru (np. ciężka woda) wykorzystywane są w reaktorach jądrowych. Tryt, izotop niestabilny używany jest jako wskaźnik izotopowy np. do określania wieku przedmiotów czy badań mechanizmów reakcji chemicznych i procesów biologicznych. Tryt w minimalnych ilościach występuje w atmosferze, jednak głównym źródłem jego pozyskiwania są reakcje jądrowe. Wodór jest najlżejszym ze wszystkich pierwiastków a jego gęstość w każdym ze stanów skupienia jest mniejsza od innych substancji.

12 4.2. Otrzymywanie. Wodór gazowy otrzymywany jest najczęściej na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest otrzymywanie wodoru z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej. Reakcję tę można przedstawić za pomogą schematycznych równań: CH4 + 2H2O CO + 3H2 + Q1 CO + H2O CO2 + H2 + Q2 Q1, Q2 ciepło wydzielone w reakcjach Drugim sposobem otrzymywania jest elektroliza wody. Reakcję te przedstawić można następująco: 2H2O 2H2 +O2 Otrzymywanie ciekłego wodoru odbywa się poprzez chłodzenie metodą Joule a Thomsona przy temperaturze konwersji ok. 200 K, którą należy schłodzić do 120K. Efekt Joule a Thomsona polega na zmianie temperatury gazu rzeczywistego podczas izentalpowego przeciskania gazu przez porowatą przegrodę (dławienie) z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o ciśnieniu niższym. Zmiana temperatury jest zależna od tzw. współczynnika Joule'a-Thomsona:, gdzie n- liczba moli gazu, Cp- ciepło molowe gazu, H- entalpia. Gdy μ jest ujemny, temperatura gazu w procesie Joule'a-Thomsona rośnie, zaś dla dodatniego μ temperatura maleje. Zależności te prezentuje poniższa tabela:

13 4.3. Właściwości. Główne właściwości ciekłego wodoru: bezbarwny, bez zapachu, bez smaku, palny, nietoksyczny, temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 C ), temperatura topnienia 14 K (-259,2 C ), temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 C ), ciśnienie krytyczne 13,2 bar, gęstość gazu 0,084 g/l, gęstość cieczy 0,071 kg/l, współczynnik ekspansji 845. Wodór gazowy posiada w sobie 75 % ortowodoru i 25 % parawodoru w temp. 300 K. Ortowodór jest to odmiana wodoru zawierająca cząsteczki wodoru istniejące w stanach rotacyjnych o nieparzystych wartościach liczby kwantowej wypadkowego momentu pędu atomu (spiny obu protonów w cząsteczce są zgodnie skierowane). Natomiast parawodór posiada spiny przeciwne. Koncentracja równowagowa tych dwóch składników zależy od temperatury jako że ze spadkiem temperatury wzrasta koncentracja parawodoru. W ciekłym wodorze (temp. ok 20,4 K) występuje aż 99,8 % parawodoru.

14 Rys 10. Stosunek wodoru orto- do para- w funkcji temperatury Zastosowanie. paliwo rakietowe, ogniwa paliwowe, produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów, przemysł spożywczy ( np. utwardzanie tłuszczów), metalurgia ( np. redukcja rud metali). Rys 11. Paliwo rakietowe.

15 5. Ciekły hel. Rys 12. Ciekły hel Informacje podstawowe. Ciekły hel jest jak dotąd najlepiej przebadaną cieczą nie licząc wody. Pierwszy raz skroplenie helu udało się holenderskiemu fizykowi Heike Kamerlingh Onnes 10 lipca Obecnie uzyskuje się Hel wyłącznie z gazu ziemnego. Występuje w postaci dwóch stałych izotopów a mianowicie 4 He i 3 He. 3 He uzyskuje się w reakcjach się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny wytwarzania trytu. Rys 13. Struktura 4 He i 3 He.

16 5.2. Właściwości. Właściwości ciekłego helu można odczytać z wykresów fazowych. Poniżej przedstawiono wykresy fazowe dla obu izotopowych odmian helu. Wykresy przedstawiają zależność ciśnienia od temperatury i pokazują nam jaką postać przyjmuje izotop helu w określonych warunkach. Rys 14. Wykresy fazowe izotopów helu. Porównanie właściwości obu izotopów przedstawić można także w postaci tabeli. Rys 15. Właściwości izotopów helu. Innymi właściwościami helu są między innymi ciepło parowania oraz ciśnienie par helu. Wielkości te pokazują przydatność helu do chłodzenia. Hel w porównaniu do innych cieczy charakteryzuje się bardzo wysokim ciśnieniem par w zakresie niskich temperatur. Ciekły hel ma również bardzo duże ciepło właściwe w porównaniu z innymi substancjami. Hel wykazuje przewodność cieplną na poziomie ok. 1/10 przewodności stali i ok. 1/104 przewodności miedzi. Natomiast w stanie nadciekłości poniżej temperatury 2,2 K przewodność cieplna helu jest bardzo wysoka. Wykresy ciepła parowania oraz ciśnienia par przedstawione zostały poniżej.

17 Rys 16. Wykres ciepła parowania helu. Rys 17. Wykres ciśnienia par helu Zastosowanie. Głównymi obszarami zastosowań helu są: kriogenika, jak chłodzenie dla nadprzewodzących magnesów stosowanych w spektroskopii, w akceleratorach cząstek, w chłodziarkach rozcieńczalnikowych.

18 6. Podsumowanie Praca przedstawia główne właściwości oraz obszary zastosowań cieczy kriogenicznych. Wynika z niej jasno, że z racji swoich specyficznych właściwości znalazły one szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu oraz w obszarach naszego życia.