1 / 31

Kryogenní kapaliny

Kryogenní kapaliny. KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek. Přehled kryokapalin. vzduch kyslík (Liquid oxygen LO 2 nebo LOX) dusík (LN 2 ) argon (LAr) krypton (LKr) xenon (LXe) neon (LNe) vodík (LH 2 ) helium (LHe). Složení suchého vzduchu. Složení atmosféry v závislosti na výšce.

alma
Download Presentation

Kryogenní kapaliny

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Kryogenní kapaliny KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek

  2. Přehled kryokapalin • vzduch • kyslík (Liquid oxygen LO2 nebo LOX) • dusík (LN2) • argon (LAr) • krypton (LKr) • xenon (LXe) • neon (LNe) • vodík (LH2) • helium (LHe)

  3. Složení suchého vzduchu

  4. Složení atmosféry v závislosti na výšce

  5. Fázový diagram směsi O2 a N2

  6. Kapalný vzduch – bezpečnostní předpisy a výhody • bezpečnostní předpisy platné pro LO2 • ekonomické výhody (odpadá rektifikace)

  7. Kyslík- vlastnosti • 2. hlavní složka atmosféry (≈ 21 % obj.) • 16O (99,76 %), 17O (4.10-4 %), 18O (2.10-3 %) • Tv (90,19 K), Tk ( 154,75 K), pk (4,98 MPa) • ρt.v.= 1140 kg.m-3 legenda: Tv…teplota varu za normálního tlaku Tk/pk…kritická/ý teplota/tlak ρt.v…hustota LO2 při teplotě varu

  8. Kyslík (LO2) – zajímavé vlastnosti • polymer O4 – modravé zbarvení LO2 • silně paramagnetická kapalina (χm = 1,003) - separace LO2 od O2 v beztížném stavu - podle změn χmlze měřit koncentraci O2 ve směsi diamagnetických plynů legenda: χm…magnetická susceptibilita při bodu varu

  9. Kyslík (LO2) –reaktivita, bezpečnostní předpisy • oxidující, podporuje hoření • přísné bezpečnostní předpisy, „ kyslíková čistota ”(„LOX clean”) - zabránit styku s org. l. (oleje, tuky, asfalt) – nebezpečí exploze!!! - další nevhodné materiály – Al, Ti, ocel • nepříznivé účinky na zdraví člověka: - kontakt s LO2 způsobuje těžké omrzliny a vážné poškození očí

  10. Materiály vhodné pro práci s kapalným kyslíkem • materiály z mědi, mosazi (Cu+Sn), bronzu (Cu+Zn), monelu (Ni+Cu), čistého azbestu • nádoby před použitím opískovány, omývány kyselinou a detergentem, oplachovány demineralizovanou vodou

  11. Vznik kapalného kyslíku při práci s jinými kryokapalinami • LO2 resp. kapalina s vysokým obsahem O2 může vznikat kondenzací vzduchu na tepelně neizolovaných trubicích, jimiž prochází odpařované He nebo LN2

  12. Výroba LO2 • frakční destilace zkapalněného vzduchu (99 %) -O2 je méně těkavější (90,19 K) než N2 (77,3 K), tedy jeho koncentrace v parách nad vroucím kapalným vzduchem je nižší, naopak se jím postupně obohacuje fáze kapalná - LO2 se získává z horní nízkotlaké kolony, kam přichází ve formě par ze spodní vysokotlaké kolony (viz. schéma na snímku 14) • (elektrolýza vody – 1%)

  13. Kapalný dusík (LN2) • bezbarvá kapalina, ρt.v.= 804 kg.m-3 • Tv (77,3 K), Tk (126,1 K), pk (3,4 MPa) • Δ Hvýp = 199 kJ.kg-1 legenda: Δ Hvýp…výparné teplo

  14. Výroba LN2 • destilace zkapalněného vzduchu - N2je těkavější než O2, získává se jako destilát

  15. Srovnání LN2 s LO2 z hlediska bezpečnosti • LN2 není klasifikován z hlediska vzniku výbuchu na rozdíl od LO2 jako látka nebezpečná (zákon č. 356/2003 Sb. – zákon o chemických látkách a chem. přípravcích) • kontrola znečištění LN2 (max. 2.10-3 % O2) - jaderné reaktory (vznik nebezpečné směsi O3 a NOx ozářením) • nepříznivé účinky na zdraví člověka: - při vyšších koncentracích působí dusivě, potřísnění může způsobit omrzliny

  16. Využití LN2v laboratořích • tepelný štít mezi nechlazenými stěnami na pokojové teplotě a částmi na nižší teplotě (např. na teplotě LHe) • v laboratoři texturních parametrů – např. adsorpce plynu na vhodném sorbentu v aparatuře ponořené v LN2

  17. Argon - vlastnosti • inertní a netoxický plyn LAr: • v kap. stavu jen v úzkém rozmezí několika K • bezbarvá kapalina, ρt.v.= 1390 kg.m-3 • Tv (87,27 K), Tk (150,8 K), pk (4,83 MPa) • Δ Hvýp = 160 kJ.kg-1

  18. LAr – aplikace, výhody • hlavně svařování (ochranná atmosféra) • výroba neželezných kovů • elektronika • poměrně snadno získáván destilací zkapalněného vzduchu (1 % obj.)

  19. Krypton - vlastnosti • bezbarvý plyn, téměř inertní LKr: • bezbarvá kapalina, ρt.v.= 2413 kg.m-3 • Tv (121,3 K), Tk (210 K), pk (5,4 MPa)

  20. Krypton - využití • plynný v elektronickém průmyslu (kryptonky) - velká Ar (83,8) snižuje vypařování a tep. ztráty vláken – vyšší teploty, větší svítivost • plynová encefalografie • detekce netěsností – radioaktivní 85Kr

  21. Xenon- vlastnosti • inertní, netoxický, bezbarvý plyn • ze složek vzduchu nejtěžší a nejvzácněji zastoupen LXe: • ρt.v.= 2987 kg.m-3 • Tv (164 K), Tk (289,7 K), pk (5,83 MPa)

  22. Xenon - aplikace • žárovky automobilů • plazmové obrazovky TV • moderní narkotizační plyn - možnost přesného řízení doby uspání - bez nežádoucích vedlejších účinků

  23. Neon • inertní, netoxický plyn LNe: • bezbarvá kapalina, ρt.v.= 1206 kg.m-3 • Tv (27,1 K), Tk (44,4 K), pk (2,6 MPa) • Δ Hvýp = 86 kJ.kg-1

  24. Neon - aplikace • velmi používaná kryokapalina pro mechanické zkoušky vlastností materiálů • chlazení infrasnímačů

  25. Vodík – vlastnosti, izotopy • bezbarvý, nejlehčí plyn (Mr = 2,01588) • přísné bezpečnostní předpisy při práci s H2 a LH2 -výbušná směs (4-77 % obj. H2 ve vzduchu) • deuterium - 0,0156 % - molekuly HD, (D2) • tritium - radioaktivní, - emise částic β- (t1/2 =12,35 let)

  26. Vodík - izotopy legenda: Ttb…teplota trojného bodu

  27. Orthovodík, paravodík • 2 formy molekul H2 lišících se orientací jaderného spinu • orthovodík – spiny stejného směru (paralelní) - výsledný jaderný spin je 1 (1/2 +1/2) • paravodík – spiny opačného směru (antiparalelní) - výsledný jaderný spin je 0

  28. Směs ortho- a paravodíku • každé teplotě odpovídá jiné rovnovážné složení směsi ortho- a paravodíku • za nízkých teplot převažuje paravodík (nižší energie) ,,0 K (100 % para-)” - 20 K (99,79 % para-)- směs e-H2 - 77 K srovnatelné množství obou forem • normální vodík (n-H2) = směs 75 % ortho- a 25 % paravodíku za běžné teploty • při n. b.v.(20,28 K) – pomalá spontánní konverze LH2 (ortho- → para-)

  29. Helium • 1868 (Lockyer) – objev ve slunečním spektru (Helios – Slunce) • vzácný, nejobtížněji zkapalnitelný plyn • zdrojem je zemní plyn LHe: (normální kapalné 4He) • bezbarvá kapalina, ρt.v.= 125 kg.m-3 • Tv (4,215 K), Tk (5,20 K), pk (0,226 MPa) • Δ Hvýp = 23,5 kJ.kg-1, n=1,02 (těžko pozorovatelná)

  30. Helium - izotopy 4He – nejčetnější • plynná fáze je od tuhé fáze oddělena širokou oblastí kapalného stavu – He I (normální) a He II (supratekuté), kapalná fáze je protažena až k 0 K a tuhá fáze může existovat při tlaku nad 2,5 MPa 3He – vzácný, získává se při jaderné reakci: • L3He – nejnižší známý bod varu (3,2 K) • 1972 – experiment. potvrzena supratekutost (2,6 mK) • užití v aparaturách pro dosahování teplot pod 1 K

  31. Fázové diagramy helia

More Related