Криогеника определяется как научное изучение материалов и их поведения при чрезвычайно низких температурах. Слово происходит от греческого cryo , что означает «холодный», и genic , что означает «производящий». Этот термин обычно встречается в контексте физики, материаловедения и медицины. Ученого, изучающего криогенику, называют криогеником . Криогенный материал можно назвать криогеном . Хотя холодные температуры могут быть указаны с использованием любой температурной шкалы, шкалы Кельвина и Ренкина являются наиболее распространенными, поскольку они представляют собой абсолютные шкалы с положительными числами.
Насколько холодно вещество должно считаться «криогенным» – это предмет некоторых дискуссий в научном сообществе. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) считает, что криогеника включает температуры ниже -180 ° C (93,15 K; -292,00 ° F), то есть температуры, выше которой обычные хладагенты (например, сероводород, фреон) являются газами и ниже которого «постоянные газы» (например, воздух, азот, кислород, неон, водород, гелий) являются жидкостями. Существует также область исследований, называемая «высокотемпературная криогеника», в которой используются температуры выше точки кипения жидкого азота при обычном давлении (от -195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F) до -50 ° C (223,15 ° C). K; −58,00 ° F).
Для измерения температуры криогенов требуются специальные датчики. Датчики температуры сопротивления (RTD) используются для измерения температуры до 30 К. При температурах ниже 30 К. часто используются кремниевые диоды. Детекторы криогенных частиц – это сенсоры, которые работают на несколько градусов выше абсолютного нуля и используются для обнаружения фотонов и элементарных частиц.
Криогенные жидкости обычно хранятся в устройствах, называемых колбами Дьюара. Это сосуды с двойными стенками, между стенками которых имеется вакуум для изоляции. Колбы Дьюара, предназначенные для использования с очень холодными жидкостями (например, жидким гелием), имеют дополнительную изоляцию. сосуд, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара. низкий газ, чтобы выйти из контейнера, чтобы предотвратить повышение давления от кипения, которое может привести к взрыву.
Криогенная технология-разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты
ИА Neftegaz.RU. Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты известна очень давно.
Принцип работы криогенных установок основан на сжижении воздуха и последующем его разделении на азот, кислород и аргон.
Такой способ получения газов называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения.
Криогенными считаются температуры ниже 120 К (-153o С).
Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 °K и превращается в жидкость.
Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов: кислорода — 90,18 °K, азота — 77,36 °K.
При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом.
Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.
При относительно высокой стоимости криогенные блоки очень надежны, просты в эксплуатации, обладают высокими техническими характеристиками и позволяют получать газы высокой чистоты в очень больших объемах, например, газообразный азот сверхвысокой чистоты (до 1 ppb), который не может быть получен в адсорбционных и мембранных системах.
В то же время криогенные блоки являются экономически эффективными при долгосрочной эксплуатации за счет низкого удельного энергопотребления и низких эксплуатационных затрат.
Широкое применение нержавеющей стали, особенно для трубопроводов и клапанов, позволяет использовать простые и надежные сварные соединения, а также обеспечивает противокоррозионную стойкость. Кроме этого, само по себе сварные соединения нержавеющих трубопроводов как внутри холодного блока, так и в не его, обеспечивают долговечную плотность и не допускают протечек.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
При соблюдении проектных условий эксплуатации блока комплексной очистки (БКО) не требуется замена адсорбентов в течение всего срока службы установки.
Криогенные дисциплины
Криогеника – это обширная область, охватывающая несколько дисциплин, в том числе:
Крионика . Крионика – это крионирование животных и людей с целью их возрождения в будущем.
Криохирургия – это раздел хирургии, в котором криогенные температуры используются для уничтожения нежелательных или злокачественных тканей, таких как раковые клетки или родинки.
Криоэлектроника s – это исследование сверхпроводимости, прыжков с переменным диапазоном и других электронных явлений при низких температурах. Практическое применение криоэлектроники называется
Криобиология – это изучение воздействия низких температур на организмы, в том числе сохранение организмов, тканей и генетического материала с использованием
Использование криогеники
Есть несколько применений криогеники. Он используется для производства криогенного топлива для ракет, включая жидкий водород и жидкий кислород (LOX). Сильные электромагнитные поля, необходимые для ядерного магнитного резонанса (ЯМР), обычно создаются переохлаждением электромагнитов с криогенами. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – это приложение ЯМР, в котором используется жидкий гелий. Инфракрасные камеры часто требуют криогенного охлаждения. Криогенное замораживание пищевых продуктов используется для транспортировки или хранения больших количеств пищевых продуктов. Жидкий азот используется для создания тумана для спецэффектов и даже для приготовления фирменных коктейлей и еды. Замораживание материалов с использованием криогенов может сделать их достаточно хрупкими, чтобы их можно было разбить на мелкие кусочки для вторичной переработки. Криогенные температуры используются для хранения образцов тканей и крови, а также для сохранения экспериментальных образцов. Криогенное охлаждение сверхпроводников может быть использовано для увеличения передачи электроэнергии в больших городах. Криогенная обработка используется как часть обработки некоторых сплавов и для облегчения низкотемпературных химических реакций (например, для изготовления статинов). Криомельница используется для измельчения материалов, которые могут быть слишком мягкими или эластичными для измельчения при обычных температурах. Охлаждение молекул (до сотен нанокельвинов) может быть использовано для образования экзотических состояний вещества. Лаборатория холодного атома (CAL) – это прибор, предназначенный для использования в условиях микрогравитации для формирования конденсатов Бозе-Эйнштейна (температура около 1 пико Кельвина) и проверки законов квантовой механики и других физических принципов.
Криогенные жидкости
Следующие жидкости чаще всего используются в криогенике:
Интересный факт о криогенике
Хотя криогеника обычно включает температуру ниже точки замерзания жидкого азота, но выше абсолютного нуля, исследователи достигли температуры ниже абсолютного нуля (так называемые отрицательные температуры Кельвина). В 2013 году Ульрих Шнайдер из Мюнхенского университета (Германия) охладил газ ниже абсолютного нуля, что, как сообщается, сделало его горячее, а не холоднее!
Процесс генерации жидкого азота
- Система очистки от примесей: в основном через воздушный фильтр и другие поглотители — молекулярные сита для очистки от механических примесей, влаги, углекислого газа, ацетилена, смешанных в воздухе.
- Воздушное охлаждение и сжижение: в основном, воздух с глубокой заморозкой играет роль воздушного компрессора, теплообменника, расширительной машины, воздушного дроссельного клапана и т. Д.
- Система дистилляции воздуха: основным компонентом является ректификационная колонна (верхняя колонна, нижняя колонна), испаритель конденсата, переохладитель, жидкий воздух и дроссель жидкого азота. Играет роль в разделении различных компонентов воздуха.
- Нагревательная система продувки: В дополнение к использованию метода теплового обдува производится регенерация системы очистки.
- Система управления прибором: с помощью разнообразных приборов для контроля всего процесса. При криогенном разделении воздуха азот принимает воздух в качестве сырья, благодаря сжатию, очистке, сжижение воздуха с помощью теплообменной жидкости превращается в жидкий воздух. Жидкий воздух в основном представляет собой смесь жидкого кислорода и жидкого азота, жидкий кислород и жидкий азот имеют разные точки кипения, путем дистилляции, так что они разделяются для получения азота.
Криогенная кислородно-азотная машина с 2 колоннами, рабочее давление всей системы составляет менее 0,7 MPa.
Операция проста, гибка и безопасна, а потребление энергии очень низкое.
Основными частями являются:
- воздушный компрессор,
- осушитель воздуха (предварительный охладитель),
- фильтры,
- адсорбционные колонны с молекулярными ситами для предварительной обработки,
- система оборотной охлаждающей воды,
- расширитель газового подшипника,
- расширение с положительным потоком и охлаждение,
- перегонка с 2мя колоннами.
Общая скорость извлечения высока.
Кислород и азот высокой чистоты могут быть получены одновременно.
Определенное количество жидкого аргона также может быть произведено одновременно.
Выход газообразного кислорода может составлять от 50 Nm3 / h до 60000 Nm3 / h при чистоте кислорода более 99,6% и азота — более 99,99%.