Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich uŝytkowania

Transkrypt

1 Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich uŝytkowania

2 Ciecze kriogeniczne ciekły azot ciekły tlen ciekły wodór ciekły hel Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem do uzyskania niskich temperatur Wszystkie metody chłodzenia poniŝej 10 K wykorzystują ciekły hel

3 Ciekły azot Podstawowa ciecz w kriogenice Główny składnik atmosfery 78,09% obj. i 75,5% wagowo Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza: spręŝanie oczyszczanie chłodzenie (wymiennik ciepła) rozdzielenie na poszczególne składniki (kolumna rektyfikacyjna) destylacja (kolumna ( niskociśnieniowa Zastosowanie - zamraŝanie Ŝywności, obróbka metali, przechowywanie materiału biologicznego, rozdrabnianie tworzyw sztucznych

4 Ciekły azot - właściwości bezbarwny bez zapachu bez smaku niepalny obojętny chemicznie

5 Ciekły azot - właściwości 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

6 Ciekły azot - właściwości

7 Ciekły azot - właściwości

8 Ciekły tlen Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza Skroplony w 1883 r. Olszewski i Wróblewski Zastosowanie m.in. paliwo rakietowe, obecnie nie stosuje się do chłodzenia bardzo reaktywny Temperatura wrzenia wyŝsza niŝ temp. wrzenia azotu wzbogacanie ciekłego powietrza w tlen

9 bez zapachu bez smaku paramagnetyczny Ciekły tlen - właściwości

10 Ciekły tlen - właściwości bezbarwny gaz niebieski kolor cieczy związany z budową cząsteczki zawiera dwa niesparowane elektrony

11 Ciekły tlen - właściwości 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

12 Ciekły tlen - właściwości

13 Ciekły wodór Najpowszechniej występujący pierwiastek we Wszechświecie Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie Izotopy: ( 6400:1 (ok. stabilne: wodór H, deuter D niestabilny: tryt T NajlŜejszy gęstość w kaŝdym stanie skupienia mniejsza niŝ innych substancji

14 Ciekły wodór Wytwarzanie: z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary wodnej CH 4 + 2H 2 O CO + 3H 2 + Q1 CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q2 Q1, Q2 ciepło wydzielone w reakcjach elektroliza wody 2H 2 O 2H 2 +O 2

15 Ciekły wodór - skraplanie temperatura konwersji ok. 200 K przy chłodzeniu metodą Joule a-thomsona naleŝy schłodzić do ok. 120 K oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu po skropleniu uniemoŝliwić kontakt z powietrzem lub tlenem

16 Ciekły wodór - właściwości bezbarwny bez zapachu bez smaku palny nietoksyczny

17 Ciekły wodór - właściwości 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

18 Ciekły wodór - właściwości Wodór gazowy 75% ortowodoru (spiny zgodne), 25% parawodoru (spiny przeciwne) w temp. 300 K Koncentracja równowagowa tych dwóch składników zaleŝy od temperatury ze spadkiem temperatury wzrasta koncentracja parawodoru W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru

19 Ciekły wodór - właściwości Bezpośrednio po skropleniu 25% parawodoru Zmiana stęŝenia parawodoru w czasie: x p (0,25 + 0,00855 t)/(1 + 0,00855 t) po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru po 1000 godzinach ok. 0,92 Temp., K 20, Parawodór w wodorze, % 99,8 97,02 88,73 55,88 32,96 25,97 25,26 25,07

20 Ciekły wodór - właściwości Stosunek orto-para w funkcji temperatury

21 Ciekły wodór - właściwości Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła w ciekłym wodorze występuje parowanie wywołane konwersją. Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po 100h Konwersja wodoru w trakcie skraplania katalizatory, np. węgiel aktywowany, tlenki metali Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok C w obecności katalizatora Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w ultraniskich temperaturach

22 Ciekły wodór - zastosowania Paliwo rakietowe Ogniwa paliwowe w reakcji z tlenem powstaje woda Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów Przemysł spoŝywczy utwardzanie tłuszczów ( margaryny (produkcja Metalurgia redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu

23 Ciekły hel Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody 1868 odkrycie helu w widmie Słońca przez Pierra Jansena 20 października 1868 r. Norman Lockyer zaobserwował tę samąŝółtą linię w widmie Słońca ( Ramsey odkrycie helu na ziemi (William lipca 1908 skroplenie helu (H. Kamerlingh ( Onnes 1947 pierwsza komercyjna skraplarka helowa (Collins) rozwój badań niskotemperaturowych

24 Ciekły hel Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego Dwa stałe izotopy: 4 He i 3 He 3 He: He z gazu ziemnego i ok. 1, He w atmosferze Zawartość He w powietrzu: 0, % wag., 5, % obj. 3 He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny wytwarzania trytu

25 Ciekły hel właściwości 3 He 4 He Temperatura wrzenia, K Temperatura krytyczna, K Gęstość, g/cm 3 Ciśnienie topnienia, bar Współczynnik ekspansji 3,19 3,32 0,082 34, ,21 5,20 0, ,36 749

26 Ciekły hel właściwości Wykres fazowy 4 He

27 Ciekły hel właściwości Wykres fazowy 3 He

28 Ciekły hel właściwości 3 He i 4 He są cieczami kwantowymi energia kinetyczna (lub energia zerowa) jest większa niŝ energia potencjalna (energia wiązania) λ = E kin /E pot ciecz: Xe Kr Ar N 2 Ne H 2 3 He 4 He λ : 0,06 0,10 0,19 0,23 0,59 1,73 2,64 3,05

29 Ciepło parowania i ciśnienie par helu Wielkości te określają przydatność cieczy do chłodzenia Ciepło parowania 4 He: - ok. 1/3 wartości dla cieczy klasycznej - łatwo odparować - wymagane dobre ekranowanie

30 Ciepło parowania 3 He i 4 He

31 Ciśnienie par ciekłego 3 He i 4 He w przybliŝeniu: p vap e -L/RT

32 Ciśnienie par róŝnych cieczy kriogenicznych

33 w zakresie niskich temperatur wszystkie substancje za wyjątkiem helu mają bardzo niskie ciśnienie par zimna powierzchnia pompa kriogeniczna; nie pompować obszarów chłodzonych helem obniŝenie temperatury ciekłego helu poniŝej punktu wrzenia poprzez obniŝenie ciśnienia par wykorzystanie zaleŝności p(t) w termometrii

34 Ciekły hel ciepło właściwe W niskich temp. bardzo duŝe w porównaniu z innymi ciałami w 1K 1000 razy wyŝsze niŝ Cu Zachowanie termiczne układu jest określane przez ilość i zachowanie termiczne helu Chłodzenie parami helu

35 Ciekły hel ciepło właściwe Przy T = 2,17 K ciepło właściwe He wykazuje ostre maksimum przejście fazowe, hel staje się nadciekły

36 Ciekły hel przewodność cieplna W stanie normalnym (powyŝej 2,2 K): ok. 1/10 przewodności stali ok. 1/10 4 przewodności Cu, wrzenie w całej objętości z silnym bulgotaniem W stanie nadciekłym (poniŝej 2,2 K): bardzo duŝa, jednorodna temperatura, doskonały transport ciepła, parowanie tylko z powierzchni

37 Ciekły hel przewodność cieplna

38 Właściwości 3 He nadpłynny w temperaturze 2,4 mk ciepło właściwe: w niskich temp. bardzo duŝe w porównaniu do metali poniŝej 10 mk zaleŝność liniowa od T

39 3 He ciepło właściwe ciepło właściwe C podzielone prze stałą gazową R i temperaturę T

40 3 He ciepło właściwe

41 Właściwości 3 He poniŝej 0,3 K entropia cieczy niŝsza niŝ entropia ciała stałego ciecz przechodzi w ciało stałe pobierając ciepło efekt Pomerańczuka

42 Zasady bezpieczeństwa przy pracy z cieczami kriogenicznymi

43 Ciecze kriogeniczne BHP ZagroŜenia związane z cieczami kriogenicznymi 1. Bardzo niska temperatura cieczy i par 2. Bardzo duŝy współczynnik ekspansji 3. Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu 4. ZagroŜenie poŝarowe

44 BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par Szybkie i głębokie odmroŝenia podobne do oparzeń Szczególnie naraŝone delikatne tkanki Niebezpieczne zimne pary OdzieŜ: osłonięte całe ciało niezbyt obcisła moŝliwość szybkiego zdjęcia spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni buty z cholewami nie są zalecane nogawki na zewnątrz w razie potrzeby osłona na twarz

45 BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami ( metale (szczególnie przymarznięcie do ciała nie nosić biŝuterii Rękawice odpowiednio luźne specjalne kriogeniczne lub skórzane Kruchość materiałów

46 BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par. Pierwsza pomoc OdmroŜonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie Nie trzeć Nie ogrzewać na sucho, zamroŝony obszar umieścić w wodzie o temperaturze ok. 40 C Wezwać lekarza DłuŜsze przebywanie w zimnych parach moŝe doprowadzić do wychłodzenia całego organizmu równieŝ ogrzewać powoli

47 BHP. Współczynnik ekspansji Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje kilkaset litrów gazu tlen azot wodór hel LNG dwutlenek węgla O 2 N 2 H 2 He CH 4 CO 2 Temp. wrzenia, C ,5 Ilość gazu z 1l cieczy

48 BHP. Współczynnik ekspansji Ciecze kriogeniczne nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych naczyniach niebezpieczeństwo rozerwania Zbiorniki ciśnieniowe zwykle dwa zawory bezpieczeństwa Zbiorniki otwarte luźno dopasowany korek

49 BHP. Współczynnik ekspansji Nie zostawiać cieczy w zamkniętych przestrzeniach stosować zawory bezpieczeństwa

50 BHP. Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu Gazy z cieczy kriogenicznych: bezbarwne bez zapachu bez smaku brak oznak, Ŝe dany gaz jest w powietrzu Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu odpowiednia wentylacja Minimalna zawartość tlenu w powietrzu 19,5% PoniŜej 15% tlenu moŝe nastąpić uduszenie

51 BHP. Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu Zimne pary powodują kondensację widoczna ( ostrzegawczy mgła (sygnał Cieplejsze pary mogą się rozciągać daleko poza obszar mgły Rozlana ciecz szybko paruje