Wykład 3

Komentarze

Transkrypt

Wykład 3
Ciecze kriogeniczne i zasady
bezpiecznego ich uŜytkowania
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
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
Ciekły azot - właściwości
•
•
•
•
•
bezbarwny
bez zapachu
bez smaku
niepalny
obojętny chemicznie
Ciekły azot - właściwości
77,2 K
(-195,8 °C ) ‫‏‬
temperatura topnienia 63,2 K
(-210,0 °C ) ‫‏‬
temperatura krytyczna 126,2 K
(-118,56 °C ) ‫‏‬
temperatura wrzenia
ciśnienie krytyczne
34,0 bar
gęstość gazu
1,2506 g/l
gęstość cieczy
0,808 kg/l
współłczynnik ekspansji
696
Ciekły azot - właściwości
Ciekły azot - właściwości
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
Ciekły tlen - właściwości
• bez zapachu
• bez smaku
• paramagnetyczny
Ciekły tlen - właściwości
• bezbarwny – gaz
• niebieski kolor cieczy związany
z budową cząsteczki – zawiera
dwa niesparowane elektrony
Ciekły tlen - właściwości
temperatura wrzenia
90,1 K
(-182,97 °C ) ‫‏‬
temperatura topnienia
54,75 K
(-218,40 °C ) ‫‏‬
temperatura krytyczna 154,6 K
ciśnienie krytyczne
50,4 bar
gęstość gazu
1,429 g/l
gęstość cieczy
1,14 kg/l
współłczynnik ekspansji
853
(-118,56 °C ) ‫‏‬
Ciekły tlen - właściwości
Ciekły wodór
• Najpowszechniej występujący pierwiastek we
Wszechświecie
• Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach
atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie
• Izotopy:
– stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1)‫‏‬
– niestabilny: tryt T
• NajlŜejszy – gęstość w kaŜdym stanie skupienia
mniejsza niŜ innych substancji
Ciekły wodór
• Wytwarzanie:
– z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie
naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary
wodnej
CH4 + 2H2O → CO + 3H2 + Q1
CO + H2O → CO2 + H2 + Q2
Q1, Q2 – ciepło wydzielone w reakcjach
– elektroliza wody
2H2O → 2H2 +O2
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
Ciekły wodór - właściwości
•
•
•
•
•
bezbarwny
bez zapachu
bez smaku
palny
nietoksyczny
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
współłczynnik ekspansji 845
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
Ciekły wodór - właściwości
• Bezpośrednio po skropleniu – 25% parawodoru
• Zmiana stęŜenia parawodoru w czasie:
xp ≈(0,25 + 0,00855·t)/(1 + 0,00855·t)
po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru
po 1000 godzinach ok. 0,92
Temp., K
20,39 30
Parawodór w
wodorze, %
99,8
40
70
120
200
250
300
97,02 88,73 55,88 32,96 25,97 25,26 25,07
Ciekły wodór - właściwości
Stosunek orto-para w funkcji temperatury
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. 1000 °C w
obecności katalizatora
• Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w
ultraniskich temperaturach
Ciekły wodór - zastosowania
• Paliwo rakietowe
• Ogniwa paliwowe – w reakcji z tlenem powstaje
woda
• Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów
sztucznych, polimerów
• Przemysł spoŜywczy – utwardzanie tłuszczów
(produkcja margaryny)‫‏‬
• Metalurgia – redukcja rud metali, atmosfera
ochronna przy spawaniu
Ciekły hel
• Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody
• 1868 – odkrycie helu w widmie Słońca przez
Pierra Jansena
• 20 października 1868 r. Norman Lockyer
zaobserwował tę samą Ŝółtą linię w widmie
Słońca
• 1895 – odkrycie helu na ziemi (William Ramsey)‫‏‬
• 10 lipca 1908 – skroplenie helu (H. Kamerlingh
Onnes)‫‏‬
• 1947 – pierwsza komercyjna skraplarka helowa
(Collins) – rozwój badań niskotemperaturowych
Ciekły hel
• Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego
• Dwa stałe izotopy: 4He i 3He
• 3He: 1-2·10-7 He z gazu ziemnego i ok. 1,3·10-6 He w atmosferze
• Zawartość He w powietrzu: 0,724·10-4 % wag., 5,239·10-4 % obj.
• 3He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny
wytwarzania trytu
Ciekły hel – właściwości
3He
4He
Temperatura wrzenia, K
3,19
4,21
Temperatura krytyczna, K
3,32
5,20
Gęstość, g/cm3
0,082
0,1451
Ciśnienie topnienia, bar
34,39
25,36
Współczynnik ekspansji
662
749
Ciekły hel – właściwości
Wykres fazowy 4He
Ciekły hel – właściwości
Wykres fazowy 3He
Ciekły hel – właściwości
3He
i 4He są cieczami kwantowymi – energia
kinetyczna (lub energia zerowa) jest większa niŜ
energia potencjalna (energia wiązania)
λ = Ekin/Epot
ciecz: Xe
Kr
Ar
N2
Ne
H2
3He
4He
λ : 0,06 0,10 0,19 0,23 0,59 1,73 2,64 3,05
Ciepło parowania i ciśnienie par helu
• Wielkości te określają przydatność cieczy do
chłodzenia
• Ciepło parowania 4He:
- ok. 1/3 wartości dla cieczy klasycznej
- łatwo odparować
- wymagane dobre ekranowanie
Ciepło parowania 3He i 4He
Ciśnienie par ciekłego 3He i 4He
w przybliŜeniu:
pvap ∝ e-L/RT
Ciśnienie par róŜnych cieczy kriogenicznych
• 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
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
Ciekły hel – ciepło właściwe
Przy T = 2,17 K ciepło właściwe He wykazuje ostre maksimum –
przejście fazowe, hel staje się nadciekły
Ciekły hel – przewodność cieplna
• W stanie normalnym (powyŜej 2,2 K):
ok. 1/10 przewodności stali
ok. 1/104 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
Ciekły hel – przewodność cieplna
Właściwości 3He
• nadpłynny w temperaturze 2,4 mK
• ciepło właściwe:
– w niskich temp. bardzo duŜe w porównaniu
do metali
– poniŜej 10 mK zaleŜność liniowa od T
3He
– ciepło właściwe
ciepło właściwe C podzielone prze stałą gazową R i
temperaturę T
3He
– ciepło właściwe
Właściwości 3He
poniŜej 0,3 K entropia cieczy niŜsza niŜ entropia
ciała stałego – ciecz przechodzi w ciało stałe
pobierając ciepło – efekt Pomerańczuka
Zasady bezpieczeństwa przy
pracy z cieczami kriogenicznymi
Ciecze kriogeniczne – BHP
ZagroŜenia związane z cieczami kriogenicznymi
1.
2.
3.
4.
Bardzo niska temperatura cieczy i par
Bardzo duŜy współczynnik ekspansji
Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu
ZagroŜenie poŜarowe
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
BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par
• Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami
(szczególnie metale)‫‏‬
– przymarznięcie do ciała
– nie nosić biŜuterii
• Rękawice odpowiednio luźne – specjalne
kriogeniczne lub skórzane
• Kruchość materiałów
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
BHP. Współczynnik ekspansji
Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje
kilkaset litrów gazu
tlen
azot
wodór
hel
LNG
dwutlenek
węgla
O2
N2
H2
He
CH4
CO2
Temp.
wrzenia, °C
-183
-196
-253
-269
-161
-78,5
Ilość gazu
z 1l cieczy
853
696
845
749
587
632
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
BHP. Współczynnik ekspansji
• Nie zostawiać cieczy w zamkniętych
przestrzeniach – stosować zawory
bezpieczeństwa
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
BHP. Zmniejszenie zawartości tlenu w
powietrzu
• Zimne pary powodują kondensację – widoczna
mgła (sygnał ostrzegawczy)‫‏‬
• Cieplejsze pary mogą się rozciągać daleko poza
obszar mgły
• Rozlana ciecz szybko paruje

Podobne dokumenty

Pomiary Temperatury

Pomiary Temperatury – 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, tlenk...

Bardziej szczegółowo