docWykład 3
download 
Reklamacja 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
– 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...
