اگر به دنبال فناوری قابل اعتماد برای ارائه نوآورانه ترین و پیشرفته‌ترین راه حل‌های مهندسی برودتی در بازار هستید، با این مقاله همراه شوید تا اطلاعات کاملی از فرآیند کرایوژنیک مایعات کسب کنید.
فهرست عناوین مطلب:
کرایوژنیک چیست؟
فرآیند کرایوژنیک، تولید و رفتار مواد در دماهای بسیار پایین است. دماهای فوق العاده سرد خواص شیمیایی مواد را تغییر می‌دهد و این خاصیت به موضوع مطالعه محققان تبدیل شده است که مواد مختلف را هنگام انتقال از گاز به مایع به حالت جامد بررسی میکنند. این مطالعات نه تنها در درک ما از مواد مختلف، بلکه به ایجاد فناوری‌ها و صنایع کاملاً جدید منجر شده است.
دمای هر ماده به معنای اندازه گیری انرژی است که در آن وجود دارد و مولکول‌هایی که به سرعت در حال حرکت هستند دمای بالاتری نسبت به مولکول‌های کندتر دارند.
برای مثال، آب در دمای 32 درجه فارنهایت (0 درجه سانتیگراد) از مایع به جامد تبدیل می‌شود اما دمای برودتی از 150- درجه سانتیگراد تا 273- درجه سانتیگراد است. دمای -273 درجه سانتیگراد کمترین دما برای آب است که در آن دما، عملکرد تمام مولکول‌ها متوقف می‌شود و مولکول‌ها در پایین‌ترین انرژی قرار می‌گیرند.
گازهای مایع در دمای ۱۵۰- درجه سانتیگراد یا کمتر از آن برای انجماد سایر مواد نیز استفاده می‌شود. هنگامی که گاز شروع به مایع شدن می‌کند، محیط به عنوان محیط برودتی در نظر گرفته می‌شود. رایج‌ترین گازهایی که با سرد شدن به مایع تبدیل می‌شوند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و هلیوم هستند.
تاریخچه کرایوژنیک
کلمه کرایوژنیک از کلمه یونانی “kyros” به معنای سرما گرفته شده است. این ترکیب با کلمه اختصاری انگلیسی “to generate” کلمه‌ای که ما آن را به عنوان برودتی می‌شناسیم، ساخته شده است.
در فرآیند کرایوژنیک، دمای بسیار سرد را نه بر حسب درجه فارنهایت یا سانتیگراد، بلکه بر حسب کلوین اندازه گیری میکنند. کلوین‌ها از نماد واحد K استفاده میکنند. این نام از بارون کلوین گرفته شده است که معتقد بود در دماهای بسیار پایین مقیاس جدیدی مورد نیاز است که با تغییر حالت مادی آب مانند فارنهایت یا سلسیوس اندازه گیری نمی‌شود. صفر درجه کلوین (0 K) از نظر تئوری سردترین دمای ممکن است.
در سال 1877 رسول پیکتت و لویی کایلت برای اولین بار تولید اکسیژن مایع را انجام دادند که هر دو از روش‌های متفاوتی برای این فرآیند استفاده کردند. سرانجام روش سومی برای مایع سازی اکسیژن کشف شد و در این مرحله از تاریخ، اکسیژن توانست در دمای 90 کلوین به مایع تبدیل شود. اندکی بعد، نیتروژن مایع در دمای 77 کلوین بدست آمد و دانشمندان در سراسر جهان شروع به رقابت برای کاهش دمای ماده کردند.
پیشرفت بعدی در سال 1898 زمانی که جیمز دی وار هیدروژن را در دمای 20 کلوین به مایع تبدیل کرد؛ به دست آمد اما با این پیشرفت، مسئله دیگری در مورد نحوه نگهداری و ذخیره گازها در چنین دماهایی ایجاد شد.
آخرین پیشرفت عمده در صنعت برودتی در سال 1908 رخ داد، زمانی که فیزیکدان هایک کامرلینگ، تلاش کرد که اونس هلیوم را در 4.2 K و سپس 3.2 K مایع کند که البته هرگز موفق نشد. اکنون می‌توانیم مواد را در فواصل بسیار کوچک از صفر مطلق منجمد کنیم، با این حال دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند قانون ترمودینامیکی را که در آن انرژی هر ذره‌ای صفر است، بشکنند.
کرایوژنیک مایعات چیست و چگونه به دست می‌آیند؟
فرآیند کرایوژنیک مایعات، گازهایی هستند که به شدت سرد شده‌اند و نقطه جوش آنها نزدیک به -100 درجه یا کمتر است. این گازها باید کمتر از دمای محیط خنک شوند. اگرچه گازهای برودتی مختلف خواص خاصی دارند و تحت شرایط دمایی متفاوت به مایع تبدیل می‌شوند اما همه آنها یک نقطه مشترک دارند که مقادیر کمی از مایع آنها می‌تواند به حجم زیادی گاز منبسط شود. از جمله این محصولات میتوان به اکسیژن مایع و یا نیتروژن مایع اشاره کرد امروزه شرکت های تولیدی در حوزه مایعات کرایوژنیک اقدام به فروش این محصولات به ان دسته از خریدارانی که قصد خرید اکسیژن مایع یا خرید نیتروژن مایع را دارند میکنند.
طبقه بندی سیالات برودتی
صرف نظر از ویژگی‌های فردی سیالات برودتی، تقریباً همه آنها را میتوان در یکی از سه گروه اصلی طبقه بندی کرد:
- گازهای بی اثر: این گازها هیچ واکنش شیمیایی قابل توجهی از خود نشان نمی‌دهند؛ نمی‌سوزند یا اجازه احتراق را نمی‌دهند مثل نیتروژن، هلیوم، نئون، آرگون و کریپتون.
- گازهای قابل اشتعال: گاز تولید شده توسط فرآیند کرایوژنیک مایعات می‌تواند در هوا بسوزد که رایج‌ترین نمونه‌ها هیدروژن، متان و گاز طبیعی مایع هستند.
- اکسیژن: بسیاری از موادی که “غیر قابل احتراق” در نظر گرفته می‌شوند، می‌توانند در حضور اکسیژن مایع بسوزند. مواد آلی می‌توانند به صورت انفجاری با اکسیژن مایع واکنش دهند. بنابراین، خطرات و اقدامات احتیاطی مرتبط با استفاده از اکسیژن مایع باید جداگانه در نظر گرفته شود.
متداول‌ترین کرایوژنیک مایعات
کاربردهای جداسازی هوا یا کرایوژنیک در صنایع بزرگ با نیازهای مختلف مانند پزشکی، ساخت ابزار، هوافضا، تحقیقات هسته‌ای و کارهای آزمایشگاهی رایج است.
نیتروژن مایع
یکی از رایج‌ترین مایعات انجمادی نیتروژن در حالت خالص آن در دمای 196- درجه یا کمتر است. کاربردهای آن گسترده و متنوع است. نمونه‌ای از آن استفاده در بخش هوانوردی برای ایجاد مواد بسیار سبک وزن و بسیار مقاوم، یا استفاده از آن در بخش خودرو برای جوش دادن قطعات، قاب‌ها و سایر اجزای ضروری در ساخت خودرو.
در بخش مراقبت‌های بهداشتی، از آن برای انجماد و انتقال خون و سایر نمونه‌های بیولوژیکی بدون آسیب رساندن به ساختار بافت، و همچنین برای انجماد تخمک‌ها و از بین بردن بافت‌های بیمار در درماتولوژی استفاده می‌شود. کاربردهای دیگری نیز از غذا (کترینگ) تا فلزکاری و جوشکاری را هم دارد.
هلیوم مایع
هلیوم که کمترین نقطه جوش شناخته شده را دارد، به طور گسترده در صنعت هوافضا و هوانوردی به عنوان عامل فشار برای سیستم‌های سیال زمینی و پروازی استفاده می‌شود. همچنین در بخش خودرو برای آزمایش اجزای حیاتی و در غواصی همراه با اکسیژن استفاده می‌شود تا با کاهش مقاومت تنفسی در عمق، غواصان را قادر به غواصی عمیق‌تر کند.
صنعت الکترونیک همچنین از هلیوم برای تولید نیمه هادی‌ها و سایر قطعات استفاده می‌کند و قطعات را به سرعت خنک می‌کند تا عملکرد آنها را بهبود بخشد. در صنعت بیمارستان، از آن برای گرفتن تصاویر با وضوح بالا در تصویربرداری تشدید مغناطیسی استفاده می‌شود.
دیگر کرایوژنیک مایعات محبوب
مایعات منجمد مانند اکسیژن مایع یا دی اکسید کربن مایع نیز به طور گسترده برای اهداف صنعتی، پزشکی و غذایی استفاده می‌شود. مایع 2CO را میتوان در محصولات داخلی برای افزایش عملکرد استفاده کرد، در حالی که اکسیژن مایع باعث افزایش بهره وری و کارایی در فرآیندهای صنعتی می‌شود.
نحوه نگهداری کرایوژنیک مایعات
فرآیند کرایوژنیک مایعات، گازهای فشرده‌ای هستند که در دماهای بسیار پایین نگهداری می‌شوند. فشردگی گاز چنان انبساط سریعی ایجاد می‌کند که ظرف پاره شده و احتمالاً منفجر می‌شود؛ بنابراین ظروف و مخازن سیالات برودتی باید به طور خاص برای این منظور ساخته شوند و از بالاترین استانداردهای کیفیت و ایمنی پیروی کنند.
عروق برودتی: انواع ذخیره‌سازی
دمای بسیار پایین در جداسازی هوا باعث می‌شود که بیشتر مواد جامد آسیب ببینند و شکننده شوند، بنابراین موادی مانند فولاد کربنی و انواع پلاستیک و لاستیک برای تماس مستقیم با این ماده منتفی هستند. مخازن تحت فشار برای نگهداری این سیالات، بسته به نیاز مصرفی در اندازه‌های مختلفی ساخته می‌شوند.. این سیالات، بسته به نیاز مصرفی در اندازه‌های مختلفی ساخته می‌شوند. از فلاکس‌های آزمایشگاهی گرفته تا تانک‌های برودتی.