Script: /index.php?ID=665
Query: INSERT INTO counter_05 VALUES(0,'2077469','2017-08-19','54.146.11.8','0pcfqh46kes2gjsnb4l6vamhv4')
Error number: 1062
Error description: Duplicate entry '943181' for key 'PRIMARY'
Príprava a použitie kryogénnych médií (hélium a dusík)
HomePrint version English version

Príprava a použitie kryogénnych médií (hélium a dusík)


     Kryogénne média, resp. silne ochladené plyny v kvapalnom stave majú dnes široké použitie v priemysle, energetike, potravinárstve i vo výskume.
Ich konkrétnej aplikácii však predchádza proces prípravy – skvapalnenie plynu (história).

   Proces prípravy, teda získavania plynov určených na skvapalnenie je dnes značne zdokonalený oproti prvým pokusom a dokonca existuje aj viacero spôsobov líšiacich sa v kapacitných a ekonomických parametroch.
Naproti tomu proces skvapalnenia čistých plynov je v podstate rovnaký, odlišnosti sú len v počte zaradených tepelných výmenníkov a spôsobe odobratia vnútornej energie skvapalňovanému plynu mechanickým strojom.

Príprava dusíka

     Dusík ako plyn, alebo kryogénna kvapalina sa získava z atmosferického vzduchu v zariadeniach na separáciu vzduchu.
Popri dusíku sa získava aj kyslík, argón, oxid uhličitý a vzácne plyny xenón, kryptón a neón. Proces oddelenia jednotlivých zložiek obsiahnutých vo vzduchu je vlastne proces viacnásobnej nepretržitej destilácie - rektifikácie pri nízkych teplotách.
   Spôsob ako sa získa chlad potrebný na skvapalnenie upraveného a suchého vzduchu delí priemyselné metódy na dva spôsoby:
• klasický - expanzný spôsob
• kryogénny rozklad vzduchu.
   Klasický spôsob sa uplatňuje pri veľkovýrobe dusíka a ostatných plynov obsiahnutých v atmosférickom vzduchu. Filtrovaný vzduch sa v kompresore stláča a následne ochladí pod 20°C.
V ďalšom zariadení – absorbéri sa odlúči oxid uhličitý, voda a iné nečistoty – najmä uhľovodíky. Suchý a upravený vzduch sa potom ochladzuje v protismernom výmenníku tepla s chladnými, už odseparovanými plynmi, ktoré sa naopak ohrejú na teplotu okolia. Vzduch schladený takmer na teplotu skvapalnenia sa prepúšťa cez turbínu, ktorej odovzdáva svoju vnútornú energiu. Vzduch v tomto mieste expanduje a s poklesom tlaku výrazne klesne  i jeho teplota až tak, že skondenzuje na kvapalinu. Tá sa ďalej transportuje do destilačnej kolóny, v ktorej sa odseparujú jednotlivé zložky podľa teploty varu. Tak sa získava vysoko čistý dusík v kvapalnom stave, ktorý sa priebežne odoberá a uchováva v osobitných kryogénnych zásobníkoch.
   Inou možnosťou je, že sa dusík s kryogénnou teplotou prepúšťa cez výmenník tepla, kde odberá teplo vstupujúcemu vzduchu a po výstupe z výmenníka sa plní do tlakových fliaš. Podobným spôsobom sa v rektifikačnej kolóne odlúči aj kyslík, argón, prípadne aj ďalšie vzácne plyny.
   Kryogénny spôsob získavania plynného dusíka je založený tiež na princípe rektifikácie stlačeného, ochladeného a suchého vzduchu.
Aj spôsob ochladenia spracovávaného vzduchu v protismernom výmenníku tepla s už vyseparovanými plynmi je rovnaký ako v predošlom prípade. Ako zdroj chladu potrebný pre skvapalnenie vzduchu a udržanie potrebnej nízkej teploty v destilačnej kolóne sa využíva kvapalný dusík bežnej čistoty. Naproti tomu získaný plynný dusík je čistoty 99,999999%. Od dusíka odseparované plyny sa ďalej nespracúvajú a po prechode cez výmenník tepla sa vypúšťajú do atmosféry.

Príprava hélia

    Plynné hélium sa v atmosfére síce nachádza (0.0005%), avšak jeho extrakcia z nej by bola značne neekonomická. Preto ako relatívne bohatý zdroj plynného hélia sa využíva zemný plyn, v ktorom sa hélium vyskytuje v koncentrácii 0.1 – 2%, podľa lokality. Maximálne zistená koncentrácia bola 9% a priemerné hodnoty sú 0.4 – 0,6% [lit]. Proces získania čistého hélia zo zemného plynu má až tri etapy:

  1. zemný plyn sa chemickou cestou očistí od CO2 a vody
  2. pri tlaku 15 bar nasleduje najprv separácia uhľovodíkov pri teplote -50°C
  3. ďalšie ochladenie až na 77K.

   V separátoroch sa oddelí plynná fáza obsahujúca okrem hélia aj dusík, metán, vodík a stopy neónu od skvapalneného zemného plynu.
Separačný tlak je nastavený na minimálnu hodnotu, pri ktorej sa ešte účinne oddeľuje  hélium. Očistený a skvapalnený zemný plyn po prechode cez tepelné výmenníky sa ohrieva a postupuje plynovodom na ďalšie použitie.
Surové hélium sa v tretej etape prečisťuje opäť pri nízkych teplotách.
Najprv sa však očistí od vodíka katalytickou oxidáciou pri tlakoch 3 – 12 bar a izbovej teplote po pridaní malého množstva vzduchu.
Proces pridávania vzduchu je automatický kontrolovaný na úplnú spotrebu kyslíka. Tento by sa totiž mohol kumulovať v nízko teplotnom systéme a v zmesi s uhľovodíkmi vytvoriť výbušnú zmes. Po spálení vodíka je plyn vysušený vo filtri s aktívnym hliníkom a stlačený na tlak 180 bar.
Ďalší filter zbaví surové hélium olejových pár z kompresora a posledných stôp vody. Až potom vstupuje do čistiacej jednotky. Tam sa najprv predchladí v protismernom tepelnom výmenníku a  v chladiči s kvapalným dusíkom sa vychladí na 77K. V  separátore sa chladičmi sa oddelí kvapalná fáza, (dusík s rozpusteným 3,7% He), od plynnej fázy, (98,2% He, 1,8% dusíka, cca 0,004% vodíka a 5-22ppm neónu).
Plynná fáza postupuje do kúpeľa s odčerpávaným dusíkom kde sa vychladí na 66,5K. Znovu odseparovaná plynná fáza už obsahuje 99,5% He, 0,5% dusíka, cca 0,002% vodíka a stopy neónu. Konečné prečistenie hélia (čistota 99,995%) sa uskutočňuje v adsorbéroch s aktívnym uhlím pri teplote 77K a tlaku 170 bar. Ako indikátor straty adsorpčnej schopnosti aktívneho uhlia je práve nespálený vodík, ktorý je zachytený citlivými prístrojmi ako prvá detekovateľná nečistota vo vyčistenom héliu už v koncentrácii 1 ppm.
V takom prípade je prúd čisteného hélia odklonený do druhého adsorbéra, zatiaľ čo prvý adsorbér je medzitým regenerovaný. Vyčistené hélium sa vracia cez protismerný tepelný výmenník kde sa zohreje na izbovú teplotu a plnia sa ním tlakové fľaše. Hélium rozpustené v kvapalnom dusíku sa po prechode škrtiacim ventilom z neho odparí a po odovzdaní chladu v tepelnom výmenníku sa vracia na vstup kompresora pre surové hélium.
Kvapalný dusík zo separátorov je tiež vedený do hlavného výmenníka tepla, kde sa odparí a odovzdá chlad vstupujúcemu héliu na prečistenie. Obsahuje 0,1%He a je zdrojom dusíka pre dusíkový chladiaci systém.

Skvapalňovanie hélia

     Pred každým využitím chladiacich vlastností kvapalného hélia s teplotou 4,2 K je potrebné ho najprv skvapalniť.

diagram

obr.1 diagram skvapalňovania hélia

    Tento proces sa dnes uskutočňuje v skvapalňovačoch (obr. 2), ktoré takmer bez výnimky využívajú kvapalný dusík na predchladenie vstupujúceho plynného hélia.

skvapal

obr. 2 skvapalovač

   Ďalšie zníženie teploty plynu sa uskutočňuje v expandéroch.
Sú to zariadenia, v ktorých sa adiabatickou expanziou mení časť vnútornej energie plynu na mechanickú prácu piestu, alebo rýchlo rotujúcej turbíny a táto práca sa odvádza von zo skvapalňovača.
Expandre pracujú na rôznych tepelných hladinách a medzi nimi sú zaradené protismerné výmenníky tepla, v ktorých odchádzajúci plyn s nižšou teplotou i tlakom ochladzuje vstupný plyn s vyššou teplotou i tlakom. Za posledným chladičom je zaradený škrtiaci ventil. V ňom dochádza k nevratnému izoentalpickému rozpínaniu plynu, ktoré má za následok skvapalnenie časti vstupujúceho hélia. Množstvo vytvorenej kvapalnej fázy je závislé od teploty, tlaku a prietoku hélia vstupujúceho do škrtiaceho ventilu. Systém skvapalňovača, v ktorom je teplotný spád z 80 K po 4,2 K rovnomerne rozdelený tepelnými hladinami, na ktorých pracujú  aspoň dva expandéry a tie sú stupňovito oddelené protismernými výmenníkmi tepla má najvyššiu termodynamickú účinnosť a najvyšší výťažok kvapalnej fázy v pomere k obiehajúcemu množstvu hélia. Ďalším predpokladom vysokej účinnosti skvapalňovacieho stroja je kvalitná tepelná izolácia nízko teplotných častí, efektívne navrhnuté protismerné tepelné výmenníky a tesnosť piestov a ventilov v expanznom stroji.

Použitie kvapalného dusíka

   Kvapalný dusík nachádza svoje použitie v potravinárskom, hutníckom, chemickom, petrochemickom, strojárskom, polovodičovom a sklárskom priemysle, ale aj pri výrobe laboratórnej techniky, v medicíne a vo výskume.
Svoje nezastupiteľné použitie nachádza aj pri príprave kvapalného hélia.

Použitie kvapalného hélia   Kvapalné hélium sa požíva prevažne ako chladiace médium najrôznejších zariadení či priamo skúmaných vzoriek. Z širokej škály aplikácií možno vymenovať kvantové zariadenia (maser v pevnej fáze, detektor fotónov) ako aj polovodičové zariadenia (parametrický zosilňovač s polovodičovou diódou, radiačné detektory). Spomenuté kryoelektronické zariadenia využívajú zníženú hladinu šumu, zvýšenú citlivosť, resp. separovanie energetických hladín v kryštáli v dôsledku ochladenia na nízku teplotu.
Supravodivé zariadenia využívajú jednak neobyčajnú vlastnosť straty elektrického odporu pod charakteristickou kritickou teplotou, tak aj špecifickú závislosť prúdu od napätia v Josephsonovom spoji. Svoje použitie nachádzajú pri supravodivých zosilňovačoch, detektoroch veľmi nízkych napätí, detektoroch radiačného žiarenia, supravodivých rezonátoroch, či rádio frekvenčných filtroch, bolometroch – detektoroch tepelného žiarenia, supravodivých magnetometroch a gravimetroch. Veľkou skupinou supravodivých zariadení sú cievky a elektromagnety určené na generovanie silných magnetických polí v neinváznej medicíne, v urýchľovačoch častíc, v laboratóriách materiálového výskumu, ale aj v dopravných prostriedkoch využívajúcich levitáciu a v magnetických separátoroch nerastných surovín. Veľké prostriedky sa vkladajú do výskumu získavania energie syntézou vodíka v tokamakoch, kde silné magnetické pole vytvára mohutný toroidný magnet.
Kvapalné hélium sa však využíva aj v héliových bublinkových komorách na detekciu častíc vo fyzike vysokých energií a nachádza sa aj ako pracovná náplň v kryopumpách a chladiacich zariadeniach na nízke teploty.

Literatúra:
R. H. Kropschot et al.: Technology of Liquid Helium. National Bureau of Standards Monograph 111. Boulder: Inst. for Basic Standards 1968.Autor: Melišek T., Elektrotechnický ústav SAV