TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

Transkrypt

1 TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE TEMAT: Ciecze kriogeniczne własności, zastosowania i źródła pochodzenia skraplanych gazów. Żaneta Cabaj Damian Miotke Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Wydział Mechaniczny Gdańsk 2011/2012

2 Spis treści Wprowadzenie Historia Własności cieczy kriogenicznych 6 4. Przykłady cieczy kriogenicznych, ich charakterystyka oraz zastosowanie Ciekły tlen Ciekły azot Ciekły wodór Ciekły hel Zasady bezpieczeństwa BHP. 20 Literatura. 22 2

3 1. WPROWADZENIE Specyficzną dziedziną chłodnictwa jest kriogenika zajmująca się techniką niskich temperatur związaną z otrzymywaniem, utrzymywaniem i wykorzystywaniem temperatur poniżej 120K [1]. System kriogeniczny można więc 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. Do najpowszechniej używanych w technice kriogenicznej czynników zalicza się azot, tlen, hel, wodór, argon. Ciecze kriogeniczne stanowiące czynnik roboczy urządzenia oraz zapewniające właściwe warunki jego eksploatacji ze względu na swoje własności, głównie z powodu niskiej temperatury, stają się istotnym zagadnieniem w przypadku omawiania bezpieczeństwa systemów kriogenicznych [2]. 3

4 2. HISTORIA Wiek XIX można uznać za okres intensywnych badań nad skropleniem gazów. Zapoczątkował je A.L. Lavoisier, który w 1789 roku wysunął hipotezę, że każdy gaz można przeprowadzić w stan płynny. Badania M. Faradaya zapoczątkowane w 1823 roku doprowadziły do uzyskania w 1845 r. temperatury 110 C, co pozwoliło skroplić wszystkie znane gazy z wyjątkiem sześciu: tlenu, azotu, wodoru, tlenku węgla, tlenku azotu i metanu. Gazy te nazwano wtedy trwałymi. W lutym 1883 r. w Zakładzie Fizyki mieszczącym się w Collegium Physicum Wróblewski z Olszewskim rozpoczęli prace nad skropleniem składników powietrza. Już 29 marca 1883 r. uzyskali skroplony tlen w postaci cieczy, w następnych dniach wielokrotnie powtórzyli ten eksperyment. Następnie skroplili azot i tlenek węgla. Zasadniczym etapem skroplenia było gwałtowne zmniejszenie ciśnienia gazu silnie sprężonego i oziębionego oraz zastosowanie metody kaskadowej obniżenia temperatury. Badanie własności fizycznych kryształów doprowadziło do odkrycia nowych zjawisk fizycznych takich jak zanik (zupełny) oporu elektrycznego (nadprzewodnictwo) czy nadpłynność helu. H. Kamerlingh Onnes skroplił ostatni z gazów hel i rozwinął w Lejdzie badania przewodnictwa metali w niskich temperaturach, co doprowadziło go do odkrycia w 1911 roku zjawiska nadprzewodnictwa, za co otrzymał w 1913 roku Nagrodę Nobla. 4

5 W referacie wygłoszonym w trakcie wręczania tej nagrody odwołał się do swoich poprzedników, wymieniając na pierwszym miejscu Wróblewskiego i Olszewskiego (fot.1,2) pionierów kriogeniki [3]. Fot. 1. Karol Olszewski Fot. 2. Zygmunt Wróblewski 5

6 3. WŁASNOŚCI CIECZY KRIOGENICZNYCH. Podstawę do określania termofizycznych własności cieczy kriogenicznych stanowią wykresy fazowe podobne w swojej budowie dla wszystkich cieczy z wyjątkiem helu [4]. Jako typowy można tu podać wykres fazowy tlenu (Rys. 1). Rys.1. Wykres fazowy tlenu. [4] Ciśnienie, temperatura i gęstość w punkcie krytycznym stanowią parametry opisujące ciecz oraz pozwalające porównać ją z innymi. Linie parowania i topnienia oddzielające poszczególne fazy (gazową, ciekłą i stałą)schodzą się w charakterystycznym punkcie potrójnym. Istotną cechę stanowi także wydłużenie linii nasycenia (parowania) powyżej punktu krytycznego (linia kreskowana na wykresie) nazwane krytyczną linia transportową. Jej długość maleje wraz ze wzrostem temperatury krytycznej [2]. Typowe kriociecze oraz ich własności przedstawia tabela 1 [5]. Uwidacznia ona fakt, iż własności fizyczne cieczy kriogenicznych są silną funkcją temperatury z czego wynikają trudności w posługiwaniu się nimi [5]. Ich własności w temperaturze otoczenia znacznie różnią się od własności w temperaturach wrzenia. Duża różnica temperatur pomiędzy kriocieczą, a otoczeniem jest siłą napędową dla ciepła wnikającego z otoczenia do objętości z cieczami i powodującego jej gwałtowne odparowanie, co z kolei przyczynia się do niebezpiecznego wzrostu ciśnienia w naczyniu. Wynika stąd konieczność izolowania naczyń zawierających takie ciecze oraz chronienia ich zaworami bezpieczeństwa. Izolacja ma tu za zadanie ograniczać dopływy ciepła do naczynia, zaś zawory zabezpieczają przed nadmiernym i niepożądanym wzrostem w nich ciśnienia. 6

7 Tab.1. Znaczenie symboli: M masa cząsteczkowa, TN normalna temperatura wrzenia przy p=1ata, DHv ciepło parowania, r - gęstość, V-objętość, TC temperatura krytyczna, PC ciśnienie krytyczne. Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 ata i 00C, c w punkcie krytycznym, * - powietrze. Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje kilkaset litrów gazu. W tabeli 2 przedstawiona jest temperatura wrzenia tlenu, azotu, wodoru, helu, metanu i dwutlenku węgla oraz ilość gazu z 1l cieczy. Najwięcej litrów gazu otrzymamy z litra tlenu, którego temp. wrzenia wynosi C. tlen azot wodór hel LNG Dwutlenek węgla O 2 N 2 H 2 He CH 4 CO 2 Temp. wrzenia. 0 C ,5 Ilość gazu z 1l cieczy Tab.2. Temperatura wrzenia tlenu, azotu, wodoru, helu, metanu i dwutlenku węgla oraz ilość gazu z 1l cieczy. 7

8 4. PRZYKŁADY CIECZY KRIOGENICZNYCH, ICH CHARAKTERYSTYKA ORAZ ZASTOSOWANIE CIEKŁY TLEN bez zapachu bez smaku paramagnetyczny Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza (rys.2) Zastosowanie jako paliwo rakietowe, obecnie nie stosuje się do chłodzenia bardzo reaktywny temperatura wrzenia 90,1 K (-182,97 C) temperatura topnienia 54,75 K (-218,40 C ) temperatura krytyczna 154,6 K (-118,56 C ) 8

9 Rys. 2. Otrzymywanie czystego tlenu [6]. 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.[6]. 9

10 4.2. CIEKŁY AZOT Główny składnik atmosfery 78,09% obj. i 75,5% wagowo Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza bezbarwny bez zapachu bez smaku niepalny obojętny chemicznie najłatwiej dostępny, najtańszy temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 C ) temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 C ) temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 C ) Zastosowanie: Krioterapia (rys.4) Kriochirurgia (rys.5) Zamrażanie żywności (rys.6) Obróbka metali Przechowywanie, transport materiału biologicznego (krew, tkanki, narządy) (rys.3) 10

11 Rozdrabnianie tworzyw sztucznych Rys. 3 Rys.4 Rys. 5 Rys. 6 11

12 Otrzymywanie: przez skraplanie i destylację sprężanie -> oczyszczanie -> chłodzenie (wymiennik ciepła) -> rozdzielenie na poszczególne składniki (kolumna rektyfikacyjna) -> destylacja (kolumna niskociśnieniowa) Podstawowymi elementami niskotemperaturowych instalacji rozdziału mieszanin gazowych są kolumny rektyfikacyjne. Rektyfikacja jest procesem rozdzielania mieszaniny poprzez jej wielokrotne skraplanie i odparowywanie. Procesy te zachodzą w kolumnie rektyfikacyjnej. Schemat kolumny rektyfikacyjnej pokazano na rysunku 7. Rys. 7 Procesy w kolumnie rektyfikacyjnej, a schemat kolumny, b proces rektyfikacji na wykresie temperatura-skład [7]. Mieszanina podlegająca rozdzieleniu dopływa w postaci pary nasyconej w punkcie 1. Skład mieszaniny jest taki sam jak skład cieczy znajdującej się na półce powyżej punktu zasilania kolumny (2), natomiast temperatura w punkcie 2 jest niższa od temperatury mieszaniny zasilającej kolumnę. Z mieszaniny zasilającej unosi się para i barbotuje przez ciecz znajdującą się na półce powyżej. Ponieważ temperatura pary jest wyższa od temperatury cieczy, następuje złożony proces wymiany ciepła i masy pomiędzy obiema fazami. W wyniku wymiany ciepła temperatura pęcherzyka pary obniża się. W efekcie następuje kondensacja pary i wymieszanie nowo powstałej cieczy z cieczą obecną na półce kolumny. W tym samym czasie na skutek doprowadzenia ciepła, ciecz znajdująca się w bezpośrednim sąsiedztwie 12

13 pęcherzyka odparowuje i powstała para miesza się z parą obecną w pęcherzyku. W efekcie zmienia się skład barbotującej pary w ten sposób, że wzbogaca się ona w składnik niżej wrzący, odparowujący z cieczy, natomiast ciecz wzbogaca się w składnik wyżej wrzący, który w większej ilości wykrapla się z pary. Opisane powyżej procesy zachodzące w kolumnie rektyfikacyjnej na drodze pokazanej punktami 1, 2, 3 przedstawiono schematycznie na rysunku 7 b. Najpierw następuje obniżenie temperatury unoszącej się pary bez zmiany jej składu na drodze 1 2. Następnie w izotermicznym opisanym powyżej procesie wymiany ciepła i masy zachodzi wzbogacenie składu pary w składnik niżej wrzący i osiągnięcie przez parę parametrów punktu 3. [7] W tym samym czasie faza ciekła mieszaniny zasilającej kolumnę opada na półkę poniżej, na której znajduje się ciecz opisana punktem 2. Na półce tej zachodzi ogrzewanie nowo doprowadzonej cieczy przez parę unoszącą się z ciepłego dołu kolumny, która zaczyna barbotować przez ciecz przy temperaturze 3. W efekcie procesów analogicznych do zachodzących na wyższej półce następuje wzbogacenie cieczy w składnik wyżej wrzący i ciecz osiąga stan punktu 2. W opisany sposób ciecz spływająca na coraz niższe półki zaczyna składać się w przeważającej części ze składnika o wyższej temperaturze wrzenia, natomiast para unosząca się ku górnej części kolumny w przeważającej części składa się ze składnika niskowrzącego. Stosując odpowiednio dużą ilość półek w kolumnie rektyfikacyjnej, można osiągnąć bardzo dużą czystość rozdzielanych składników. [7] Przy założeniu, że temperatura pary opuszczającej półkę jest równa średniej temperaturze cieczy na tej półce można określić teoretyczną (minimalną) ilość półek niezbędnych do rozdzielenia mieszaniny przy wymaganej czystości rozdzielanych składników. W rzeczywistości temperatura pary jest zawsze nieco wyższa od średniej temperatury cieczy pozostającej na półce i w efekcie para zawiera więcej składnika wyżej wrzącego, niżby to wynikało z analizy zilustrowanej rysunkiem 7 b. Dla zapewnienia wymaganej czystości rozdzielanych składników mieszaniny należy zastosować większą ilość półek niż ilość teoretyczna. Ponadto z analizy procesów wymiany ciepła i masy zachodzących na półce wynika, że półki powinny być tak zbudowane, aby rozmiary pęcherzyków pary były niewielkie, kontakt pęcherzyka z cieczą możliwie długi dzięki wysokiemu poziomowi cieczy na półce, współczynnik wymiany ciepła pomiędzy pęcherzykiem a cieczą możliwie wysoki.[7]. 13

14 4.3. CIEKŁY WODÓR Wodór otwierający układ okresowy pierwiastków ma dwa stabilne izotopy: wodór H o liczbie masowej równej 1, deuter D o liczbie masowej 2 oraz niestabilny izotop tryt T o liczbie masowej 3 i czasie połowicznego rozpadu równym 12 lat. Jądro wodoru składa się z pojedynczego protonu, jądro deuteru z protonu i neutronu, natomiast w skład jądra trytu wchodzą proton i dwa neutrony. Każdy z trzech izotopów ma po jednym elektronie. Produktem rozpadu trytu T jest 3He. Wodór jest najlżejszym ze wszystkich gazów, jego gęstość w każdym ze stanów skupienia jest najmniejsza w porównaniu z innymi substancjami (ciekły wodór ma najmniejszą gęstość w porównaniu z innymi cieczami, zestalony wodór jest ciałem stałym o najmniejszej gęstości). Stąd ciepło właściwe wodoru wyrażone na jednostkę masy jest najwyższe. Prędkość molekuł gazowego wodoru jest najwyższa ze wszystkich gazów w danej temperaturze, stąd wodór charakteryzuje duża wartość współczynnika dyfuzji. W stanie gazowym wodór jest charakteryzowany najwyższą przewodnością cieplną oraz najniższą lepkością. Ciężar właściwy zestalonego wodoru jest większy od ciężaru właściwego cieczy. Wodór charakteryzuje się bardzo wysokim ciepłem spalania równym 120 MJ/kg, chociaż stosunkowo niewielkim stopniem upakowania energii wynoszącym około 9 MJ/l. Porównanie własności energetycznych wodoru z innymi paliwami pokazano na rysunku 8 a, b. Rysunek 8 a. Gęstość upakowania energii paliw, MJ/kg. 14

15 Rysunek 8 b. Gęstość upakowania energii paliw, MJ/l. Otrzymywanie wodoru: Wodór jest wytwarzany na skalę przemysłową w kilku procesach, z których najbardziej ekonomicznym jest wytwarzanie wodoru z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej. Obecne w gazie ziemnym węglowodory (metan, propan, butan i inne) są poddane procesowi katalitycznej konwersji zachodzącej w obecności pary wodnej: Pierwsza reakcja zachodzi przy temperaturze 1073 K w obecności katalizatora niklowego, natomiast druga przy temperaturze około 773 K w obecności żelaza i tlenków chromu. W niewielkich ilościach wodór jest wytwarzany na drodze elektrolizy wody. Pomimo bardzo dużej czystości uzyskiwanego wodoru (około 99,9%) elektroliza jest procesem niechętnie stosowanym ze względu na duży koszt energetyczny procesu kwh na 1 kg wodoru). Wodór wytwarza się również przez wydzielenie go z gazu koksowniczego, będącego mieszaniną wodoru, metanu i tlenku węgla.[8] Orto-para konwersja wodoru Wodór występuje w dwóch odmianach: orto-wodór (o-h2) oraz para-wodór (p-h2). Odmiany te rozróżnia się na podstawie kierunku wirowania jąder, czyli wektorów spinów. Przy temperaturze otoczenia wodór jest mieszaniną 75% ortowodoru (spiny równoległe) oraz 25% parawodoru (spiny antyrównoległe) i określany jest jako normalny wodór. Wraz ze spadkiem temperatury odziała parawodoru wzrasta tabela 3. W warunkach równowagowych ciekły wodór zawiera 99,8% parawodoru i może być traktowany jako parawodór. 15

16 Tab. 3 Równowagowy udział orto- i para-wodoru zależny od temperatury. Bezpośrednio po skropleniu udział ortowodoru w cieczy jest taki sam jak w gazie i wynosi około 25%. Następnie stężenie parawodoru wzrasta, a jego ilość po czasie t w godzinach może być obliczona ze wzoru: X p (0,25 + 0,00855 t)/(1 + 0,00855 t) Po stu godzinach udział parawodoru wzrasta do około 0,595, aby po tysiącu godzin osiągnąć wartość 0,92. Ciepło przemiany orto-para zachodzącej w niskich temperaturach przewyższa ciepło parowania wodoru wynoszące 447 J/g. Po skropleniu nawet w najlepiej zaizolowanych naczyniach zachodzi parowanie wodoru wywołana konwersją orto-para. Straty cieczy wynoszą około 18% po pierwszych 24 godzinach i ponad 40% po 100 godzinach przechowywania świeżo skroplonego wodoru. Aby zapobiec stratom ciekłego wodoru wynikającym ze spontanicznie zachodzącej przemiany orto-para, w trakcie skraplania wodór doprowadza się do szybkiej przemiany w parawodór w obecności stałego katalizatora. Cząsteczki ortowodoru zaadsorbowane na powierzchni katalizatora odrywają się od niej jako parawodór. Jako katalizatory stosuje się np. aktywowany węgiel i tlenki metali w postaci granulatu o średnicy rzędu 1 mm. Konwersja orto-para może być również przyspieszona ultradźwiękami, chociaż sposób ten nie jest wykorzystywany w praktyce. Po odparowaniu parawodór pozostaje w tym stanie nawet przy temperaturach przekraczających 300 K. Re-konwersja do 25% udziału ortowodoru zachodzi przy temperaturze około 1000 K w obecności katalizatora niklowego, platynowego lub z tungstenu.[8] Zastosowanie: Paliwo rakietowe Ogniwa paliwowe w reakcji z tlenem powstaje woda Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów Przemysł spożywczy utwardzanie tłuszczów (produkcja margaryny) Metalurgia redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu 16

17 4.4. CIEKŁY HEL Hel należy do grupy gazów szlachetnych, chemicznie biernych, nietworzących związków z innymi pierwiastkami i jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Odkrycie helu nastąpiło w trakcie badań spektrograficznych promieniowania słonecznego stąd nazwa tego pierwiastka pochodzi od greckiego boga słońca Heliosa. Hel występuje w bardzo małych ilościach w atmosferze ziemskiej, jego stężenie w powietrzu jest niższe od 0,001%. Przy obecnie dostępnych technologiach odzysk helu z powietrza nie jest opłacalny. Jedną z najważniejszych pod względem zastosowań w technice własności helu jest jego bardzo niska temperatura skraplania pod ciśnieniem normalnym (4,2 K), najniższa ze wszystkich znanych substancji (temperatura wrzenia wodoru pod ciśnieniem normalnym wynosi 20,4 K i jest zbyt wysoka, aby mógł on być wykorzystywany do kriostatowania nadprzewodników niskotemperaturowych). Ponadto hel nie zestala się nawet przy temperaturach dążących do zera bezwzględnego, pod warunkiem, że nie jest poddany działaniu wysokich ciśnień (powyżej 2,5 MPa). Zapobiega to pojawianiu się fazy stałej w helowych instalacjach kriogenicznych mogącej zablokować przepływ kriogenu. Stąd najwięcej helu wykorzystuje się w instalacjach kriogenicznych służących do kriostatowania maszyn i urządzeń wykonanych z nadprzewodników. Poniżej zestawiono istotne ze względów zastosowań technicznych własności helu i odpowiadające im aplikacje. Własność helu Najniższa temperatura wrzenia ze wszystkich substancji, nie zestala się pod ciśnieniem atmosferycznym nawet przy temperaturze dążącej do zera bezwzględnego Pierwiastek o najmniejszym po wodorze ciężarze właściwym Pierwiastek o najmniejszej molekule Chemicznie obojętny Duży współczynnik przewodzenia ciepła Odporny na promieniowanie, brak radioaktywnych izotopów Wysoki potencjał jonizacyjny Zastosowanie Kriostatowanie nadprzewodników niskotemperaturowych, w tym magnesów stosowanych w detektorach NMR Płukanie helem instalacji wykorzystujących ciekły wodór Czynnik nośny dla balonów i sterowców Wykrywanie nieszczelności Atmosfery ochronne w produkcji półprzewodników Chłodzenie gazem, wyrównywanie temperatury Chłodzenie włókien światłowodów w trakcie ich wytwarzania Czynnik pośredniczący w wymianie ciepła w reaktorach wysokotemperaturowej fuzji Spawanie w łuku aluminium i innych metali w atmosferze helu 17

18 Topienie plazmą tytanu i innych metali w atmosferze helu Bardzo mała rozpuszczalność w cieczach Duża prędkość dźwięku Nadciekły poniżej 2,17 K Składnik mieszanek oddechowych przy głębokim nurkowaniu Nanoszenie powłok na powierzchni metali Kriostatowanie wysokopolowych magnesów oraz wnęk rezonansowych o wysokich częstotliwościach, np. w akceleratorach cząstek (rys.9) Rys. 9 Hel 3 jest stosowany do uzyskiwania temperatur znacznie niższych od 1 K w chłodziarkach rozcieńczalnikowych oraz w chłodziarkach wykorzystujących efekt Pomerańczuka. W zastosowaniach technicznych 3He praktycznie nie występuje. Na rysunku 10 pokazano schematycznie wykresy fazowe obu izotopów helu, natomiast na rysunku 11 wykres fazowy 4He z zaznaczonymi punktami charakterystycznymi. Zwróćmy uwagę, że na obu wykresach linie ciecz-para oraz ciecz-ciało stałe są połączone linią λ odgraniczającą od siebie dwie postaci helu, tzw. Hel I (zwykły, obdarzony lepkością i stosunkowo niewielką przewodnością cieplną) oraz Hel II (nadciekły, pozbawiony lepkości i charakteryzujący się bardzo dużą przewodnością cieplną, około 1000 razy większą od przewodności miedzi). Zauważmy również, że 4He przechodzi w stan nadciekłości w zakresie temperatur 2,17 1,77 K, natomiast 3He przy temperaturach rzędu kilku mk. Taka różnica zachowania obu izotopów wynika z ich odmiennych własności kwantowych. Izotop 4He posiada spin całkowity, podlega statystyce Bosego-Einsteina i wszystkie jego atomy mogą równocześnie znaleźć się w tym samym, podstawowym stanie kwantowym. Izotop 3He ma spin połówkowy (co wynika z braku jednego neutronu w stosunku do 4He), podlega statystyce Fermiego-Diraca oraz zakazowi Pauliego, z którego wynika, że żadne dwie cząstki o spinie połówkowym nie mogą równocześnie znaleźć się w tym samym stanie kwantowym. Dopiero w bardzo niskich temperaturach (właśnie rzędu pojedynczych mk) atomy 3He łączą 18

19 się w pary o łącznym spinie całkowitym i dzięki temu mogą równocześnie przejść w podstawowy stan kwantowy.[9]. a) b) Rysunek 10. Wykres fazowy 4He a) oraz 3 He b); solid ciało stałe, superfluid nadciekły, hcp, bcc rodzaje sieci krystalicznych [9]. Rysunek 11. Wykres fazowy 4He [9]. Otrzymywanie: Występowanie złóż helonośnych jest wypadkową jednoczesnego działania kilku czynników takich jak: stężenie pierwiastków promieniotwórczych, długotrwałość procesu akumulacji produktów rozpadu oraz skuteczność izolacji warstw, w której następuje akumulacja helu. 19

20 Stężenie helu w gazie ziemnym waha się od setnych części procenta do kilku procent, przy czym opłacalną granicą odzysku helu jest stężenie 0.2%. [10]. 5. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA (BHP). Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi [11]: 1.) Bardzo niska temperatura cieczy i par 2.) Bardzo duży współczynnik ekspansji 3.) Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu 4.) Zagrożenie pożarowe 1.) Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń Szczególnie narażone delikatne tkanki Niebezpieczne zimne pary Odzież: osłonięte całe ciało niezbyt obcisła możliwość szybkiego zdjęcia spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni buty z cholewami nie są zalecane nogawki na zewnątrz w razie potrzeby osłona na twarz Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami (szczególnie metale) przymarznięcie do ciała nie nosić biżuterii Rękawice odpowiednio luźne specjalne kriogeniczne lub skórzane Kruchość materiałów 2.) Ciecze kriogeniczne nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych naczyniach niebezpieczeństwo rozerwania Zbiorniki ciśnieniowe zwykle dwa zawory bezpieczeństwa Zbiorniki otwarte luźno dopasowany korek (rys.12) Nie zostawiać cieczy w zamkniętych przestrzeniach stosować zawory bezpieczeństwa (rys.13) 20

21 Rys.12 Przechowywanie cieczy kriogenicznych[11]. Rys.13 Zawory bezpieczeństwa[11]. 3.) Gazy z cieczy kriogenicznych: bezbarwne bez zapachu bez smaku brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu odpowiednia wentylacja Minimalna zawartość tlenu w powietrzu 19,5% Poniżej 15% tlenu może nastąpić uduszenie Zimne pary powodują kondensację widoczna mgła (sygnał ostrzegawczy) Cieplejsze pary mogą się rozciągać daleko poza obszar mgły Rozlana ciecz szybko paruje BHP [11]. 21

22 LITERATURA [1] Bodio E.: Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne ; skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1987 [2] Gabriela Konopka, Maciej Chorowski: Zasady bezpiecznego posługiwania się czynnikami kriogenicznymi ; Politechnika Wrocławska, Wrocław, 1999 [3] Andrzej Szytuła: 125 rocznica skroplenia składników powietrza ; FOTON 101, Lato 2008 [4] Weised II J. G.: Handbook of cryogenic engineering ; Taylor Francis, USA, 1998 [5] Edeskuty F. J., Stewart W. F.: Safety in the handling of cryogenic fluids ; Plenum Press, New York, 1996 [6] Pdf Niezwykłe eksperymenty z niezwykłym tlenem. [7] Maciej Chorowski: Technologie kriogeniczne; Rozdział mieszanin gazowych cz.2, Pdf [8] Maciej Chorowski: Wodór własności, wytwarzanie, zastosowania, Pdf [9] Maciej Chorowski: Metody uzyskiwania temperatur poniżej 1 K. Pdf [10] Maciej Chorowski: Produkcja i zastosowania helu. Pdf [11] prezentacja: Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich użytkowania. [12] M. Chorowski: Kriogenika. Podstawy i zastosowania. Wydawnictwo I.P.P.U. MASTA. Gdańsk,