A cseppfolyósított gázok absztrakt átvétele és felhasználása - kivonatok, esszék, beszámolók, tanfolyamok és
2. Cseppfolyósított gázok előállítási módszerei
3. Cseppfolyósított gázok használata
A használt irodalomjegyzék
Bármely gáz könnyen átalakítható folyadékká, ha a gáz hőmérséklete a kritikus érték alatt van. Ezért az anyagok gázokba és folyadékokba való elosztása nagymértékben feltételes. Ezek az anyagok, hogy használni, hogy a gáz, csak nagyon alacsony kritikus hőmérséklet, azaz a hőmérséklet, ami után a gáz megszerzi a tulajdonságait, a folyadék, ezért közeli hőmérsékleten szobahőmérsékletre, nem lehet folyékony állapotban. Éppen ellenkezőleg, a kritikus hőmérsékletek olyan anyagok esetében nagyok, amelyeket folyadékoknak minősítünk.
Az első gáz (ammónia) alakítjuk át a folyadék a már 1799-ben, egy további előrelépést a gázok cseppfolyósítását nevéhez angol fizikus M. Faraday (1791-1867), amelyet a cseppfolyósított gázok révén azok egyidejű hűtés és tömörítés. A második felében a 19. század, az összes ismert, míg gázok nem csak hat cseppfolyósított hidrogén, oxigén, nitrogén, a nitrogén-oxid, szén-monoxidot és metánt tartalmaz, - nevezzük őket permanens gázok. A késedelem cseppfolyósításából a gáz egy másik negyed százada történt, mert a hőmérséklet-csökkentés berendezést gyengén fejlett, és nem tudták le kell hűteni a kritikus hőmérséklet alatt. Amikor a fizikusok megtanultak 1 K-os nagyságrendű hõmérsékletet elérni, lehetõvé vált, hogy a gázokat nem csak folyadékká alakítsák, hanem szilárd állapotba is. [1]
A tanulmány célja a cseppfolyósított gázok jelenségeinek és tulajdonságainak vizsgálata, valamint az ilyen gázok előállításának és felhasználásának módszereinek tanulmányozása. A munka témája napjainkban aktuális, mivel a cseppfolyósított gázok az orvostudomány, a tudomány és a technológia számos területén keresnek.
A jelenség jellege és a cseppfolyósított gázok tulajdonságai
Folyamatos kaotikus hőmozgások, amelyekben bármely anyag részecskéi, amelyek intenzitása (energiája) mindig meghatározza hőmérsékletét, mindig fontos szerepet játszik az anyagban előforduló jelenségekben. Éppen ezért az anyag szinte minden tulajdonsága, az egyik vagy másik módon, a hőmérséklet függvénye, azaz a benne lévő részecskék termikus mozgásának intenzitása.
Nagyon fontos az alacsony hőmérsékletű anyagok tulajdonságainak vizsgálata, amikor a molekuláris mozgás gyengül. Csak alacsony hőmérsékleten vizsgálhat bizonyos jelenségeket olyan körülmények között, amikor a hőmozgások állandó háttere nem érinti őket.
Alacsony hőmérsékleten végzett vizsgálatok során a vizsgált testet a testtel érintkezésbe hozza elég alacsony hőmérsékleten, úgynevezett hűtőközeggel. Az alacsony hőmérsékletű technológia feladata ilyen hűtőközegek létrehozása. Általában különböző cseppfolyósított gázok forrásban vannak. Különösen alkalmasak arra, hogy a hűtött testrel való érintkezés nem változtatja meg a hőmérsékletüket, de csak intenzívebb párolgást eredményez. Olyan gázok cseppfolyósítása volt, amelyek alacsony hőmérsékletű területet nyitottak meg, beleértve a legalacsonyabb hőmérsékletet, közel az abszolút nulla értékhez.
Bármely gázt át lehet alakítani folyékony állapotúra, de ennek előfeltétele a gáz elŒzetes hûtése a kritikus érték alatt. A szén-dioxid például szobahőmérsékleten cseppfolyósítható, mivel kritikus hőmérséklete 31,1 ° C. Ugyanez mondható el olyan gázokról, mint az ammónia és a klór.
De vannak olyan gázok is, amelyek szobahőmérsékleten nem alakíthatók át folyékony állapotba. Ezek a gázok magukban foglalják a levegőt (és alkotó részeit is - nitrogén, oxigén és argon), hidrogént és héliumot, ahol a kritikus hőmérséklet sokkal alacsonyabb, mint a szobahőmérséklet. Az ilyen gázok cseppfolyósításához először le kell hűteni egy olyan hőmérsékletre, amely valamivel a kritikus hőmérséklet alatt van, majd a gáz a folyadékot a nyomás növelésével továbbíthatja. Cseppfolyósított gázok, így sokkal kényelmesebb tárolni légköri nyomáson (nyitott edényben), de ebben az esetben a hőmérséklet legyen még mindig alacsonyabb, - amelyben a nyomás egyenlő 1 atm. A nitrogén esetében a tárolási hőmérséklet 77,4 K, míg a kritikus nitrogénhőmérséklet 126,1 K. Az oxigén esetében ezek a számok 90 K és 154,4 K, a hidrogén 20,5 K és 33 K, valamint a hélium 4 esetében , 4 K és 5,3 K. Ezek a négy gáz gyakorlatilag széles körben használatos, beleértve a hűtőközeget is.
A megadott adatokból mind a kritikus hőmérsékleteket, mind a végső hőmérsékleteket, amelyekhez a cseppfolyós gázokat le kell hűteni, látható, hogy a hűtés nagyon igényes. Az ilyen erős hűtés elérése érdekében általában két módszert alkalmaznak (egyedileg és kombinációban), amelyeket később tárgyalunk. [2]
Cseppfolyósított gázok előállítási módszerei
A gáz-cseppfolyósodás első módszere a Joule-Thomson hatás használatával függ össze. Módosítása tapasztalat gáztágulásos javasolt Joule Thomson, és lehetővé teszi, hogy jelentős változás a gáz hőmérséklete, különösen hűtés miatt nem ideális, mert az ideális gáz kitágulása a semmibe nem kíséri a változás annak hőmérsékletét. A kellően nagy, de állandó nyomású gáznak hővel szigetelt porózus válaszfalon keresztül kell áramolni. Ez azt jelenti, hogy a gázáram adiabatikusan alakul ki. A válaszfal hidrodinamikai rezisztenciája arra vezet, hogy a gáznyomás egy része elvész, és a gáz alacsonyabb nyomáson hagyja a partíciót. A gáz kitágul vagy feszül. A fojtószelep minden olyan berendezés, amely ellenáll a gázáramlásnak. Ahhoz, hogy a gáz áramlási egyenletes volt, azaz a konstans értékek történt, amikor a nyomás mindkét oldalán a fojtószelep, megköveteli egy szivattyút (kompresszor), amely a konstans nyomás. Ez a kompresszor külső gázkompressziót termel. Ez a fojtási folyamat különbözik attól, hogy a gázt átengedi egy ürességbe, ahol a külső munka nulla. A gáz hőmérsékletének megváltoztatásának jelenségét, amikor adiabatikusan egy állandó nyomásról a másikra való fojtással bővül, a Joule-Thomson-hatásnak nevezzük. A hőmérséklet-változás a nem-ideális gáz alatt Joule - Thomson azzal a ténnyel magyarázható, hogy a gáz tágulása növeli a távolságot a molekulák, és így a munka végzése elleni belső erők közötti kölcsönhatás molekulák. Ez a munka megváltoztatja a molekulák kinetikus energiáját, következésképpen a gáz hőmérsékletét. Ideális gázban, ahol a molekulák kölcsönhatása nulla, nincs Joule-Thomson-hatás.
A gázok (levegő) technikai léptékű (Linde és Gampson, 1895) cseppfolyósítására szolgáló történelmileg elsőként használt gépen a fojtó módszert alkalmazták a gázok lehűtésére a kritikus hőmérséklet alá és az ezt követő cseppfolyósításhoz. A Linde gép ábráját (1. Ábra) adjuk meg, amelyben a Joule-Thomson hatás mellett az ellenáramú hőátadás fontos konstruktív elvét alkalmaztuk, és mostantól minden cseppfolyósító gépben alkalmazzák.
A levegő belép a K kompresszorba, amelyben 200 AIM-ba van préselve. Ezt követően átmegy a tekercsen, lehűtik folyó vízzel, ahol felszabadítja az összenyomás alatt felszabaduló hőt. Így a cseppfolyósítás további útján a sűrített gáz ugyanolyan hőmérsékletű, mint a tömörítés előtt. Ez a gáz ezután áthalad az ab tekercsen a V1 fojtószelepre (daru), és áthalad a f vevőn keresztül egy 1 atm nyomásra. Ezzel a terjeszkedéssel a gáz némileg lehűlt, de nem elég ahhoz, hogy folyadékká alakuljon. A hűtött, de nem cseppfolyósított gázt visszaviszi a tekercs cd-jén keresztül. Mindkét tekercs, ab és cd, egymáshoz viszonyítva van elrendezve úgy, hogy közöttük termikus érintkezés van, valamint az átáramló gázrészek között. Ennek következtében a megnövekedett és hűtött gáz hűti a sűrített gáznak azt a részét, amely megfelel annak, amely még nem terjedt ki a V1 szelepen keresztül. Ez az ellenáramú hőcserés módja.
1. ábra. A gép Linde rendszere
Egyértelmű, hogy a második szakasz a gáz jön az expanziós szelep V1, amelynek alacsonyabb hőmérsékletű, mint az első, és miután fojtásával ez még tovább csökken. Így egyre hidegebb gáz közeledik a szelephez. Egy bizonyos idő elteltével a rajt után a gép működése fokozatos hűtést gáz hideg összeütköző hullámok vezet az a tény, hogy a gáz a rendes fojtás kezd részben cseppfolyóssá és felhalmozódnak a vevőt, f, ahol meg lehet üríteni a V2 szelepen keresztül egy edénybe tárolására cseppfolyósított gázok (Dewar-edény).
A gép különböző állapotban mûködõ állandó állapotú folyamatánál megközelítõleg a következõ hõmérsékletek figyelhetõk meg: a tekercs bejáratánál az ab hõmérséklet 293 K (helyiség); 170 k-os tekercs kimenetén; a 80 K-os fojtás után a serpentine cd 80 K bejáratánál; a kijáratnál - szobahőmérséklet. A szelep előtti nyomás 200 atm, az 1 atm fojtása után.
Az AB és CD tekercseket tartalmazó készüléket, amelyben a gáz hűtött gáz ellenáramával van hűtve, hőcserélőnek nevezzük. A Linde gépben a hőcserélő csövek formájában van elhelyezve, amelyeket egymásba illesztettek be, amelyek együtt egy tekercs alakját kapták. A nagynyomású gáz a belső csőben áramlik. A lehűtött, kisnyomású gáz ellenáramlása a külső csőben halad át, a belsőt és a hűtést, ezáltal a benne lévő gázot.
A gázok cseppfolyósítására szolgáló második eljárást Claude-módszernek nevezzük, amely a bővítő adiabatikus expanziós módszerén alapul. Tekintsük alapvető különbségét a Linde módszerrel.
Amikor a gáz fojtott, a hűtés a gáz által a molekulák közötti vonzási erők ellen irányuló belső munkának köszönhető. Mint ismeretes, a gázhűtés akkor is megtörténik, amikor adiabatikusan bővül, külső munkát végezve. A gáz, a bővítés és a munka, csökkenti a belső energiáját, és így a hőmérsékletet. Ez egyformán vonatkozik az ideális és az igazi gázokra. A külső munka során végzett gáz hűtésének oka, hogy csökkentse a molekulák sebességét, amikor a dugattyút elcsúsztatják tőlük, amelyhez a kinetikus energia egy részét átruházzák. Az adiabatikus expanziónak a külső munka teljesítményével történő hűtése hatékonyabb, mint a fojtás, mivel az adiabatikus terjeszkedés visszafordítható folyamat, míg a Joule-Thomson-hatás visszafordíthatatlan folyamat. És, mint ismert, a folyamatok reverzibilitása a gépben nagy hatékonysági együtthatót biztosít. Az a rész, amelyben a gáz kitágulása történik, bővítőnek nevezzük.
Először ilyen típusú gázt cseppfolyósító gépet (2. Ábra) épített Claude 1902 - ben a levegő cseppfolyósítására.
cseppfolyósított gáz módszerrel
2. ábra. A Claude gép rendszere
Vegye figyelembe a gép működési elvét. A gáz K kompresszorban izotermikus tömörítésen megy keresztül, ahonnan belép az E1 hőcserélőbe. Itt két folyamra oszlik (az O ponton). Az első átmegy az E2 hőcserélőn a fojtószelepre, és a Joule-Thomson-hatás következtében megfékezi a hűtést; A második áramlás (a gáz 80% -a) belép a bővítőbe, kibővül, működik, és lehűtik. A meghosszabbítóból a lehűtött gáz visszatér az E1 hőcserélőbe, lehűtve a sűrített gáz következő egymást követő részét. Az Oґ pontnál a gáz, amelyet a fojtás eredményeképpen hűtünk, csatolva van. Ettől kezdve az E2 hőcserélőn áthaladva lehűlte a közeledő gázáramlást is. Így a Claude-módszer ismertetéséből látható, hogy a bõvítõben való hûtés a fojtás elõtti elõhûtésre szolgál.
Claude első kocsijában a bővítő egy dugattyús gép volt. A sűrített gáz által végzett munka a kompresszor működésének megkönnyítésére, a gép kényszer kenésére stb.
Feltételek tipikusak a gépek Claude (fluidizáló levegő) körülbelül a következő: a nyomás a kimeneten a kompresszor 40 atm, a hőmérsékletet a belépő a expander (a hűtés után hőcserélő E1) 200 K; hőmérséklet a bővítés után egy 110 K expanderben 1 atm nyomáson.
Az adiabatikus hűtés módszerével összehasonlítva a Joule-Thomson-effektuson alapuló módszer sokkal egyszerűbb. Nincs benne kenési probléma, mivel az alkalmazott berendezés nem tartalmaz mozgó alkatrészt alacsony hőmérsékleten. Az egyszerűség kedvéért azonban óriási hűtési hatékonysági veszteséget kell fizetni, és nagy mennyiségű gáz felhasználásával nagy nyomáson kell dolgozni. Az adiabatikus expanzióval nyert hűtés általában sokkal nagyobb, mint a Joule-Thomson hatás. Ugyanakkor a mobil egységek kenésére is jelentős nehézségek merülnek fel: alacsony hőmérsékleten az olaj lefagy. Például Claude a száraz, sovány bõrbõl készült tömítéseket használt. A kenés szerepét maga a levegő játssza, kis mennyiségben a dugattyútömítés és a hengerfal között [3].
Cseppfolyósított gázok használata
A gázok cseppfolyósítása technikai és tudományos jelentőségű. A levegő cseppfolyósítását a technológia szétválasztja az alkotóelemekbe. Az eljárás alapja az a tény, hogy a különféle gázokat, amelyek levegőt alkotnak, különböző hőmérsékleteken forralnak. A legalacsonyabb forráspontú hélium, neon, nitrogén, argon. Az oxigénben a forráspont némileg magasabb, mint az argoné. Ezért az első hélium, neon, nitrogén, majd argon, az oxigén elpárolog.
A cseppfolyósított gázokat széles körben használják a mérnöki tevékenységben. A nitrogént ammónia és nitrogén-sók előállítására használják, amelyeket a mezőgazdaságban a talaj megtermékenyítéséhez használnak. Az argon, a neon és más inert gázokat elektromos izzólámpák és gázlámpák töltésére használják. A legnagyobb felhasználás az oxigén. Az acetilén vagy a hidrogén keverékében nagyon magas hőmérsékletű lángot ad, amelyet fémek vágására és hegesztésére használnak. Az oxigén befecskendezése (oxigén fújás) felgyorsítja a kohászati folyamatokat. A párnák gyógyszertáraktól átadott oxigén érzéstelenítő hatású. Különösen fontos a folyékony oxigén, mint oxidálószer alkalmazása space rakétamotorokhoz.
Folyékony hidrogént használnak tüzelőanyagként az űrrakétákban. Például az USA "Saturn-5" rakéta feltöltéséhez 90 tonna folyékony hidrogénre van szükség.
A folyékony ammónia széles körben alkalmazható hűtőszekrényekben - hatalmas raktárakban, ahol romlandó termékeket tárolnak. A cseppfolyósított gázok elpárologtatása során keletkező hűtést hűtőszekrényekben használják, amikor romlandó termékeket szállítanak.
Az iparban, az orvostudományban stb. Használt gázok könnyebben szállíthatók, ha cseppfolyós állapotban vannak, mivel ebben az esetben nagyobb mennyiségű anyag van ugyanabban a térfogatban.
Az elvégzett munkában megvizsgáltam a cseppfolyósított gázok jelenségének és tulajdonságainak jellegét, valamint a cseppfolyósított gázok két fő módját. A két módszert összehasonlítva azt tapasztaltam, hogy a legegyszerűbb és legbiztonságosabb módja Linde, de a módszer hatékonyabb, mint Claude, hogy van, van egy nagy hatékonyságú, akkor is, ha probléma van a kenése a mozgó alkatrészek. Továbbá figyelembe vették a cseppfolyósított gázok alkalmazását. A cseppfolyósított gázokat nem csak a mérnöki, gyógyszerészeti és mezőgazdasági, hanem a tudományban is használják. A cseppfolyósított gázok segítségével más anyagok tulajdonságait vizsgálják az abszolút nullához közeli hőmérsékleten, amikor az anyag molekulák mozgása minimális.
A használt irodalomjegyzék
2. Kikoin AK Kikoin I.K. Molekuláris fizika. M. Nauka 1976. 480 p.
3. Sivukhin D.I. Általános fizika. Termodinamika és molekuláris fizika. M. Science 1979. 552 p.