О криогенных жидкостях
Технология разделения воздуха с использованием криогенных температур на различные газовые компоненты известна уже довольно давно. Базовый принцип функционирования современных криогенных установок заключается в сжижении воздуха и его последующем разделении на аргон, азот и кислород. Данный вид получения жидких газов называется разделением воздуха с помощью метода глубокого охлаждения.
Вначале воздух сжимается специальным компрессором, а затем после прохождения теплообменников расширяется в дроссельном вентиле или машине-детандере.
Таким образом, происходит его охлаждение и превращение в жидкость. Последующее разделение жидкого воздуха, состоящего преимущественно из жидкого кислорода и жидкого азота, основано на различных показателях их температуры кипения. При испарении жидкого воздуха выпаривается азот, а остальная жидкость обогащается кислородом. В результате получают жидкие азот, кислород, азот и аргон необходимой чистоты.
Стоит отметить, что работа с криогенными жидкостями требует особого внимания к материалам, которые используются при их производстве, транспортировке и хранении - в условиях сверхнизких температур у многих материалов значительно изменяются физико-механические свойства.
Для различных конструкционных материалов в процессе понижения температуры повышаются предел текучести, сопротивление и предел усталости. В то же время, понижается ударная вязкость и показатели пластичности. У многих, прежде всего, металлических материалов появляется склонность к хрупкому разрушению, так называемому явлению хладноломкости.
Криогенные жидкости транспортируются и хранятся в специальных сосудах с очень качественной экранно-вакуумной и порошково-вакуумной теплоизоляцией. О том, для какой именно криогенной жидкости предназначен сосуд можно узнать по надписи на нем и окраске сосуда. При необходимости применения одной емкости для хранения другой, не профильной, криогенной жидкости необходимо проведение специальных мероприятий. К примеру, при переходе с азота на кислород проводится обезжиривание всех внутренних полостей и испарителя.
Азот жидкий
Азот жидкий получают из атмосферного воздуха путем глубокого охлаждения. Жидкий азот представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Температура кипения жидкого азота - 77,35 К при давлении 101,3 кПа.
Азот не оказывает опасного влияния на окружающую среду. При попадании слизистые оболочки или кожу человека может вызывать их поражение и обморожение. Жидкий азот активно используется как высокоэффективный хладагент, в криотерапии, а также при розливе негазированных напитков и масел для создания нужного давления и инертной среды в мягкой таре.
Жидкий азот имеет низкую теплоёмкость. Один литр жидкого азота при испарении и нагревании до 20 градусов Цельсия способен образовать около 700 литров газа. Во многом именно по этой причине жидкий азот хранят в сосудах Дьюара, имеющих вакуумную изоляцию, а также в криогенных ёмкостях под давлением.
Жидкий азот показал свою высочайшую эффективность при тушении пожаров — при испарении азот вытесняет большое количество кислорода, столь необходимого для горения, после чего пожар прекращается. При этом жидкий азот полностью испаряется, не оказывая никаких негативных воздействий на окружающую среду. Таким образом, в отличие от пенного, водного или порошкового, азотное пожаротушение можно считать самым эффективным и экологически безопасным способом пожаротушения.
Жидкий азот хранится и транспортируется в специальных цистернах согласно ГОСТ 17518-79, а также в криогенных сосудах согласно ГОСТ 16024-79. Транспортирование железнодорожным транспортом проводится в специальных вагонах-цистернах. Стационарно жидкий азот хранят на открытых площадках под навесом или в специальных складских помещениях, защищающих его от прямых солнечных лучей и атмосферных осадков.
Аргон жидкий
Жидкий аргон получают из воздуха и остаточных газов аммиачных производств. Он представляет собой бесцветную жидкость без запаха с температурой кипения в 185,5 при нормальном давлении. Данный вид аргона принадлежит к классу опасных грузов. Таким образом, и транспорт для его перевозки должен быть оборудован в соответствии со всеми правилами перевозки опасных грузов.
Основные характеристики жидкого аргона:
Объёмная доля, не менее - 99,993 %
Объёмная доля кислорода, не более - 0,0007 %
Объёмная доля азота, не более - 0,005 %
Объёмная доля водяных паров, не более - 0,0009 %
Объёмная доля всей суммы углеродсодержащих соединений в пересчете на СО2, не более - 0,0005
Жидкий аргон — это кипящая при низких температурах жидкость. Жидкий аргон подвергают специальному испарению, для чего он подается в теплообменник с помощью насоса под давлением 165 атмосфер. После этого он накачивается в баллоны серого цвета с зеленой полосой и надписью. Аргон выгодно перевозить в жидком виде. Для этого используются сосуды Дьюара, а также специальные цистерны. Количество жидкого аргона обычно измеряют в килограммах или тоннах.
Кислород жидкий
Жидкий кислород (ЖК) представляет собой жидкость бледно-синего цвета и относится к сильным парамагнетикам. Кислород в жидком виде является одним из четырёх известных агрегатных состояний кислорода.
ЖК имеет удельную плотность в 1,141 г/см³, обладает умеренными криогенными свойствами с точкой замерзания −222,65 градусов Цельсия и точкой кипения в −182,96 градусов Цельсия. Сегодня жидкий кислород с успехом применяется в газовой и космической отраслях, в медицине, а также при эксплуатации подводных лодок.
Промышленное получение жидкого кислорода основывается на процессе фракционной перегонке воздуха. В силу своей криогенной природы ЖК может вызвать ощутимую хрупкость материалов, находящихся с ним в соприкосновении. Помимо этого, кислород жидкий является серьезным окислительным агентом: в его среде органическое вещество очень быстро сгорает с внушительным выделением тепла. Кроме того, данные вещества, пропитанные жидким гелием имеют свойство взрываться, причем совершенно непредсказуемо.
Жидкий кислород является весьма распространённым окислительным компонентом в ракетном топливе (обычно в комбинации с керосином и жидким водородом). Его применение обусловлено также очень высоким удельным импульсом.
Жидкий кислород долгое время применялся при производстве взрывчатки. Жидкий кислород имеет очень высокий коэффициентом расширения при переходе в газообразное состояние (соотношение составляет 860:1 при температуре 20 градусов Цельсия).
Данные возможности ЖК широко используется сегодня на производствах, где есть необходимость получения больших объемов газа.
Углекислота жидкая
Жидкую углекислоту получают методом химической очистки газа двуокиси углерода от сернистых соединений с последующей конденсацией его в жидкую фазу. Жидкая углекислота представляет собой сжиженный углекислый газ, который хранится под очень высоким давлением (примерно 65-70 атмосфер). Это бесцветная жидкость, при выпуске которой из баллона в атмосферу одна ее часть испаряется, а другая образует хлопья сухого льда. Жидкая углекислота широко используется сегодня при производстве огнетушителей, а также для изготовления различных консервантов, лимонада и газированной воды. Углекислота в баллонах также востребована в производстве фармацевтических препаратов, потребительских и пищевых продуктов.
Гелий жидкий
Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при атмосферном давлении при температуре 4,2 К. Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым коэффициентом преломления, из-за чего его трудно увидеть. При нормальном давлении гелий не затвердевает даже при сколь угодно низкой температуре. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше 25 атм.
Применение ЖГ:
-криожидкость для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях);
-охлаждение сверхпроводящих магнитов;
-использование в криостатах растворения;
-использование в туннельных сканирующих микроскопах;
-ускорители элементарных частиц, так в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9 K
-криогенные электрические машины;
-охлаждение детекторов инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометров;
-медицинская техника.
