Istoria și originile criogeniei. Principii în criogenie Criogenie 1

 

1. Definiții

Cuvântul Crigenie este un produs al secolului XX și vine din grecescul κρϋς – ger sau γίυομαί – a produce, a pune in pericol. Din punct de vedere etimologic, cuvântul criogenie înseamnă știința si arta de a produce frigul. Această definiție poate fi adecvată astăzi, însă cu siguranță nu a fost utilizată în mod uzual cu acest înțeles simplu, de la prima folosire consemnată la sfârșitul secolului al XIX-lea.

Astăzi, acest termen este sinonim cu producerea temperaturilor foarte scăzute. Punctul de pe scara temperaturii care delimitează frigul moderat de frigul adânc nu este clar definit.

Biroul Național de Standarde din Boulder, Colorado a stabilit că domeniul criogenic începe la temperaturi sub 123 K. Această temperatură este aleasă logic, deoarece punctele normale de fierbere pentru așa-numitele gaze permanente (cum ar fi heliul, hidrogenul, neonul, azotul, oxigenul și aerul) se află sub această valoare a temperaturii, în timp ce freonii, amoniacul, precum și alți agenți frigorifici convenționali au temperatura normală de fierbere deasupra temperaturii de 123 °K (-150 °C).

Poziția și intervalul de temperaturi criogenice sunt ilustrate pe o scală logaritmică de temperaturi în figura următoare:

Durata ciclului FEP

 

2. Aerul lichid

Aerul este un amestec de diferite gaze, dintre care cele mai importante sunt:

Azotul (N2) 78% din volum
78%
Oxigenul (O2) 21% din volum
21%
Argonul (Ar) 0,9% din volum

Inginerii Lichefiază aerul în anul 1895. Timp de 18 ani, după prima lichefierea oxigenului, s-au înregistrat progrese minore în privința lichefiatoarelor practice. Apoi, în 1895, Hampson la Londra și Linde la Munchen, au brevetat simultan lichefiatoare de aer compacte și eficiente, care foloseau răcirea autointensivă sau recuperatoare a aerului de înaltă presiune, cu aerul expandat la presiune joasă, în lungimile considerabile ale schimbătoarelor de căldură spiralate.

LICHEFIATORUL LINDE
LICHEFIATORUL HAMPSON

Carl von Linde a făcut progrese rapide in dezvoltarea acestei realizări tehnice de perspectiva, dat fiind faptul ca el a combinat cele trei elemente ale triunghiului de interacțiune. El era profesor și cercetător la Universitatea din Munchen și a construit în propria sa companie instalația frigorifică.
La sfârșitul anului 1897, Charles Tripler, un inginer din New York a construit un lichefiator similar însă mult mai mare, acționat de un motor cu aburi de 75 kW, care producea pana la 25 Lh-1 de aer lichid.

În 1902, un tânăr inginer inovator, Georges Claude, cu contacte largi în lumea științifică din Paris, reușise să producă un motor cu expansiune, cu piston, funcționând la temperaturile joase, necesare lichefierii aerului. Creșterea efectului de răcire, în comparație cu expansiunea ajutajului Joule-Thompson de la proiectele Linde/ Hampson/ Tripler, a fost suficient de mare pentru a constitui o a doua descoperire tehnologică de perspectivă. Claude a continuat sa dezvolte lichefiatoarele de aer cu expandoare cu piston, în cadrul nou formatei Société L’Air Liquide.

Proprietățile aerului

Proprietățile aerului
Proprietățile aerului

Proprietățile aerului

La presiune atmosferică:

Punctul de fierbere = -194 °C
Densitatea gazului la 15 °C = 1,225 kg/m3

Proprietățile Oxigenului

La presiune atmosferică:

Punctul de fierbere = -183 °C
Punctul de îngheț = -218 °C
Densitatea gazului la 15 °C = 1,354 kg/m3
Densitatea lichidului = 1139 kg/m3

Caracteristici generale:

Mai greu ca aerul
Paramegnetic
Lichid de culoare albăstruie
Întreține arderea și viața pe Pământ
Agent de oxidare și înălbitor chimic

Oxigen

Proprietățile Azotului

La presiune atmosferică:

Punctul de fierbere = -196 °C
Punctul de îngheț = -210 °C
Densitatea gazului la 15 °C = 1,185 kg/m3
Densitatea lichidului = 810 kg/m3

Caracteristici generale:

Relativ inert și non-combustibil
Un pic mai ușor ca aerul
Neparamagnetic
Lichidul este incolor
Asfixiant

Proprietățile Argonului

La presiune atmosferică:

Punctul de fierbere = -186 °C
Punctul de îngheț = -189 °C
Densitatea gazului la 15 °C = 1,691 kg/m3
Densitatea lichidului = 1394 kg/m3

Caracteristici generale:

Complet inert
Mai greu ca aerul și ca oxigenul
Neparamegnetic
Lichidul este incolor
Interval scurt de temperatură pentru faza lichidă
Asfixiant

 

3. Aplicații ale criogeniei

Aerul lichefiat ca atare prezintă un interes comercial limitat – componenta de oxigen și separarea sa din aerul lichid la costuri relativ reduse, au fost elementele care au determinat realizarea primei aplicații comerciale a lichefierii aerului. La sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX, producerea oxigenului prin metode chimice, cum ar fi adsorbția reversibila pe oxid de bariu încălzit, era foarte costisitoare. Tipul de aplicații era la scara redusa, cum ar fi nevoia de lumina Drummond (lumina de rampa) pentru iluminarea scenelor de teatru.

Apoi, după o perioadă de aproximativ cinci ani, mai întâi Linde, apoi Claude au început să fabrice și să folosească instalații de separare a aerului brut, instalații capabile să producă oxigen de puritate 80-90%, la costuri mult mai scăzute.

Acest disponibil ieftin de oxigen a încurajat noi aplicații, prima evoluție mai importantă fiind inventarea lămpii oxiacetilenice pentru sudură și tăierea oțelului, în 1902.

Furnizarea oxigenului pentru sudura a reprezentat coloana vertebrala a dezvoltării industriei separării aerului criogenic intre 1901 pana la mijlocul anilor’30.

1. INDUSTRIA SPAȚIALĂ

Una dintre aplicațiile importante în domeniul criogeniei este în construcția motoarelor rachetelor.
Nivelele ridicate de propulsie necesare motoarelor de rachete sunt atinse când oxigenul și hidrocarburile lichide sunt folosite ca și combustibil. În condiții atmosferice aceste substanțe sunt în stare gazoasă, drept pentru care ele sunt înmagazinate în stare lichidă prin răcirea lor prin mijloace criogenice. De aici și denumirea de motoare de rachetă criogenice. Răcirea la nivelul temperaturilor foarte scăzute a aparaturii și instrumentației de la bordul navetelor.

2. TRATAMENTUL TERMIC CRIOGENIC

Acesta este un proces de tratament termic al metalelor, maselor plastice și ceramicii la temperaturi sub 120K al structurilor cristaline si proprietăților. Aceasta mărește rezistența la uzură și viața metalelor și maselor plastice. Acestea pot fi folosite mai departe în domeniul superconductorilor, criobiologiei și programelor spațiale.
În acest proces, aliajele sunt tratate În acest proces, aliajele sunt tratate pentru a converti austenita într-o matrice martensitică în așa fel încât se schimbă întreaga structură moleculară a oțelului și se formează o cu totul nouă și mai rafinată structură granulară care ameliorează parțial stresul termic.
Numărul carburilor numărabile crește de la 30.000 la 80.000 pe mm2 care formează o suprafață a metalului supraîntărită.
Microfotografii comparative (mărire de 1000X) ale mostrelor din oțel care arată schimbarea în microstructură produsă de procesul criogenic adânc controlat.

Simbolul folost pentru reprezentarea tratamentului termic  criogenic

Simbol

Simbolul este folosit pentru reprezentarea tratamentului termic criogenic.

Aliaj înainte  de tratament criogenic

Aliaj

Aliaj înainte de tratament criogenic.

 

Aliaj după tratamentul criogenic

Aliaj

Aliaj după tratamentul criogenic.

 

După tratament termic criogenic adânc

Aliaj

După tratament termic criogenic adânc.

 

Următoarele proprietăți sunt obținute de la materialele tratate:

  • Rezistență la uzură ridicată;
  • Rezistență la coroziune ridicată;
  • Dimensionalitate bună;
  • Rezistență mecanică ridicată;
  • Calitate superioară;
  • Reducerea costurilor pentru materialul fabricat;
  • Rezistență la coroziune;
  • Tratamentul termic criogenic ajută la reducerea tensiunilor în metal prin crearea de legături de unificare între cristale;
  • Aceste procese sunt prietenoase cu mediul;
  • Nu sunt depozitate reziduuri;
  • Azotul care este folosit în proces este lichefiat și mai târziu eliberat în atmosferă astfel că nu se creează instabilitate în ecosistem
...

3. MEDICINĂ, BIOLOGIE

Criogenia este folosită în inseminarea artificială pentru stocarea semenului şi a embrionilor.
O astfel de aplicare este în domeniul Criochirurgiei. Criochirurgia este câteodată adresată ca și crioterapie sau Crioablaţiune. Este o metodă chirurgicală folosită pentru distrugerea țesuturilor indezirabile.
Azotul lichid, care fierbe la -196°C, este cel mai eficient pentru uzul clinic. Temperaturi de -25°C la -50°C pot fi atinse în numai 30 de secunde dacă o suficientă cantitate suficientă de azot lichid este aplicată prin sprayere.

4. METALURGIE

Obținerea gazelor necesare proceselor metalurgice .

5. SUDURĂ

Obținerea oxigenului, argonului si acetilenei, necesare in procesul de asamblare prin sudura.

6. ELECRONICA, MICROELECTRONICA INDUSTRIA CALCULATOARELOR

7. ELECTROTEHNICĂ – SUPRACONDUCTIBILITATEA

8. INDUSTRIA TRANSPORTURILOR

Criogenia a făcut posibil transportul comercial al gazelor naturale lichefiate.

...
...

9. DOMENIUL NUCLEAR

Fără criogenie, cercetările nucleare ar fi dus lipsă de Hidrogen lichid și heliu pentru folosirea la detectoarele de particule și pentru electromagneții puternici necesari în acceleratoarele de particule.
Aceste tipuri de magneți sunt folosiți în domeniul cercetării fuziunii nucleare.
Răcirea criogenică este folosită deseori la telescoape spațiale care observă obiectele în infraroșu și lungimi de undă caracteristice microundelor.
Mai eficiente și compacte criorăcitoare permit ca temperaturile domeniului criogenic să fie folosite într-o varietate în continuă expansiune și din domeniile: militar, științific, civil și comercial incluzând senzorii infraroșii, superconductorii din domeniul electronicii, trenurile cu levitație care folosesc magneți puternici.
Cea mai mare aplicație criogenică este complexul CERN (Centrul European de Cercetări Nucleare) de la Geneva unde printre alte cercetări se dorește simularea condițiilor de producere a Big-Bang-ului.

Cea mai mare aplicație criogenică este complexul CERN (Centrul European de Cercetări Nucleare) de la Geneva

10. ALTE APLICAȚII – SPORT

Tratamentul echipamentelor sportive (ex. Crose de golf-deoarece criogenia mărește densitatea moleculară a materialelor tratate și îmbunătățește distribuția energiei (cinetice) prin obiect. Tratamentul mărește de asemenea și rigiditatea metalului care, în acest caz afectează brațul crosei. Combinate, creșterile în distribuția energiei cinetice și ale rigidității brațului conduc la o traiectorie mai lungă a mingii.

...

 

4. Principii în criogenie

Schemă ASU (Air Separation Unit) gaz joasă presiune
Fabrica de separare aer. Schema Bloc
Fabrica de separare aer. Proiect 3D
Fabrica de separare aer. Proiect realizat

Descrierea procesului

Aerul comprimat curat, intră în cuva rece de la frontalul instalației de purificare și este răcit aproape de temperatura lui de lichefiere, circa -170°C (-274°F), prin evacuarea curenților de produs rece în schimbătorul de căldură principal. Aerul intră apoi în coloana de înaltă presiune (numită aici „coloana HP”) unde este separat prin distilare în curenții de azot de la partea superioară și un curent de lichid îmbogățit ce conține circa 37% oxigen, de la partea inferioară.

Azotul gazos de la coloana HP curge în vaporizatorul principal, unde intră în contact cu oxigenul lichid de joasă presiune în bazinul de colectare al coloanei de joasă presiune (numită aici „coloana LP”). Oxigenul lichid fierbe (la circa -179°C sau -290°F) contra condensării azotului de înaltă presiune ce furnizează refluxul în coloana HP. Separarea finală se produce în coloana LP, care funcționează la aproximativ 1,4 bar (20 psi)

Refluxul și curenții de alimentare sunt furnizați de azotul lichid și lichidul îmbogățit de la coloana HP. Aceste lichide sunt subrăcite contra azotului gazos în lichidul subrăcit înainte de a fi expandat în coloana LP.
Fierberea oxigenului în coloana LP furnizează energia necesară pentru a se extrage azotul și argonul din curentul de lichid îmbogățit.
Produsul oxigen gazos este luat de la partea inferioară a coloanei LP, iar produsul azot pur de la partea superioară. Un curent intermediar de azot rezidual, utilizat pentru reactivarea straturilor din adsorber, este extras aproape de partea superioară a coloanei LP. De obicei, este compus din mai puțin de 2% oxigen și conține efectiv tot argonul care există în cuva rece.
Hidrocarburile care nu au fost îndepărtate din aer de frontalul instalației de purificare (FEP) se acumulează în baia de oxigen lichid aproape de vaporizatorul principal. Pentru a reduce acest pericol, se poate prevedea un filtru adsorbant umplut cu oxigen lichid (numit aici „filtru LOX ”). (Depinde de o cerință a procesului: de exemplu raportul concentrației instalației GOX este foarte scăzut, astfel filtrul LOX nu este necesar).

Sunt instalate două filtre în paralel, cu unul în faza de adsorbție și celălalt în regenerare.
Pentru a menține temperatura corespunzătoare de funcționare în proces și pentru a compensa pierderea de căldură din cuva rece, este necesară o instalație de producere frig. În mod normal, pentru o instalație de gaz de joasă presiune, este prevăzută o turbină de detentă ca instalație de producere frig. Această mașină ia parțial azotul încălzit din coloana HP, egal cu circa 10% din debitul de aer la cuva rece, și prin expansiune îl răcește pentru a ajunge la produsele de plecare. Pentru anumite avantaje, un debit mic de azot de înaltă presiune poate fi încălzit înainte cu celelalte produse în schimbătorul de căldură principal. În cea mai recentă instalație proiectată, turbina funcționează la un debit mic de aer curat, care a fost ridicată în presiune de propriul lui compresor (expandor-dispozitiv auxiliar).
În cazul unei producții mari de LOX (și LIN), poate exista un lichefiator separat, cu un lichid permanent de la lichefiator (sau stocaj, când lichefiatorul este oprit).

Bilanț de materiale

Bilanț de materiale

Bilanțul de căldură

Bilanțul de căldură

Diagrama entalpiei (Presiune – Entalpie)

Diagrama entalpiei (Presiune – Entalpie)

Diagrama entalpiei – fracția lichid/gaz

Diagrama entalpiei – fracția lichid/gaz

Diagrama entalpiei – destinderea liberă a gazului

Diagrama entalpiei – destinderea liberă a gazului

Diagrama entalpiei – destinderea liberă a lichidului

Diagrama entalpiei – destinderea liberă a lichidului

Diagrama entalpiei – destinderea cu lucru extern

Diagrama entalpiei – destinderea cu lucru extern

MULȚUMESC!

Prof. dr. ing. Alexandru ȘERBAN