Kryotechnik
Flüssigstickstoff: Eigenschaften, Herstellung und Anwendung
Medizinische Einrichtungen, Automobilindustrie, Nahrungsmittelindustrie und mehr. Fast jede kryogene Industrie verwendet irgendwann einmal Flüssigstickstoff, denn Flüssigstickstoff ist nicht nur erschwinglich, sondern auch sehr vielseitig.
Aber was genau ist Flüssigstickstoff? Warum ist er so beliebt, und was sind seine Hauptanwendungen? Lesen Sie weiter, um eine umfassende Antwort auf diese Fragen zu erhalten.
Was ist Flüssigstickstoff?
Flüssiger Stickstoff entsteht, wenn Stickstoff auf Temperaturen weit unter Null abgekühlt wird. Die farblose Flüssigkeit hat bei Atmosphärendruck eine Dichte von 806,59 kg/m³ und eine Energieleistung von 199,32 kJ/kg. In seiner flüssigen Form ist Stickstoff dem Wasser sehr ähnlich. Aufgrund des erheblichen Temperaturunterschieds entsteht jedoch ein weißer Nebel, der durch die Kondensation von Wasserdampf entsteht, wenn er mit der Umgebungsluft in Berührung kommt.
Die Entwicklungsgeschichte des flüssigen Stickstoffs geht auf das späte 19. Jahrhundert zurück, als Wissenschaftler wie Carl von Linde und James Dewar eifrig daran arbeiteten, verschiedene Gase zu verflüssigen. Ihre Arbeit legte den Grundstein für die moderne Kryotechnik.
Heute wird Flüssigstickstoff für eine enorme Vielfalt von Anwendungen eingesetzt. Man denke nur an die Kühlung von biologischem Material oder Nahrungsmitteln, die Durchführung medizinischer Eingriffe, das Schrumpfen von Autoteilen für so genannte „shrink fits“ und die Kühlung wissenschaftlicher Experimente.
Temperatur von Flüssigstickstoff
Wie kalt ist flüssiger Stickstoff genau? Der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt bei normalem Atmosphärendruck bei -196 °C. Unterhalb dieser Temperatur verwandelt sich der Stoff von gasförmig in flüssig. Steigt die Temperatur über diesen Punkt, geht die flüssige Form verloren, und der Stickstoff kehrt in seinen gasförmigen Zustand zurück.
Produktion von Flüssigstickstoff
Die Herstellung von Flüssigstickstoff erfolgt in Luftzerlegungsanlagen und umfasst in der Regel die folgenden Schritte:
- Reinigung: In der ersten Stufe wird die Luft gefiltert, um CO2, Staub und Wasser zu entfernen, die den Verflüssigungsprozess stören könnten.
- Komprimierung und Kühlung: Anschließend wird die Luft nach dem Prinzip der mehrstufigen Gaskompression und -expansion verdichtet und gekühlt. In den Kompressionsphasen wird Wärme entzogen, während das Gas bei der Expansion abkühlt. Dieses Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks, ist aber wesentlich effizienter und leistungsfähiger.
- Kondensation: Bei einer weiteren Abkühlung werden Temperaturen erreicht, bei denen Argon (Ar) und Sauerstoff (O2) kondensieren und sich verflüssigen und vom Luftstrom getrennt werden. Wenn die Temperatur noch weiter auf -196 °C gesenkt wird, wird Stickstoff flüssig.
Die einzigen Gase, die nicht aus der Luft gefiltert werden, sind Wasserstoff (H2) und Helium (He). Diese bleiben gasförmig, da das Gas zu diesem Zeitpunkt noch zu warm ist, um flüssig zu werden.
Lagerung von Flüssigstickstoff
Nach der Herstellung von Flüssigstickstoff muss die kryogene Flüssigkeit sicher gelagert werden. Dies kann auf unterschiedliche Arten geschehen:
- In großen Tanks für die Langzeitlagerung.
- In Behältern oder Dewars für die Lagerung kleinerer Mengen oder den Transport.
Bei der Lagerung von Flüssigstickstoff ist es entscheidend, eine Erwärmung des Tanks, des Dewars oder der Transferleitung so weit wie möglich zu vermeiden; ein Temperaturanstieg führt dazu, dass die kryogene Flüssigkeit Gas freisetzt. Die Gasbildung führt zu einem Druckanstieg im System und – wenn das Gas aus dem System verdampfen kann – zu einem Versorgungsverlust. Wenn das Gas das System nicht verlassen kann, steigt der Druck erheblich an, was zu einer Gefahrensituation führt.
Vakuum-Isolation
Die optimale Lösung für die sichere Lagerung und den Transport von Flüssigstickstoff mit der richtigen Temperatur ist die Vakuum-Isolation. Bei dieser Technik wird ein Vakuum zwischen den Doppelwänden von Lagerbehältern oder Transferleitungen erzeugt. Die Wärmeübertragung wird fast vollständig blockiert, wenn das Vakuum mit einer mehrschichtigen Kombination aus Aluminiumfolie und Glaspapier kombiniert wird.
Möchten Sie mehr über diese Technik erfahren? Dann lesen Sie bitte weiter auf unserer Seite über Vakuumtechnik.
Flüssigstickstoff Anwendungen
Aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur und seiner Reaktionsträgheit ist Flüssigstickstoff ein vielseitiges Gas, das in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt wird. Hier sind fünf bekannte Beispiele für die Anwendung von Flüssigstickstoff:
- Flüssigstickstoff-Gefriergeräte für Nahrungsmittel: Diese kryogenen Gefriergeräte (z. B. Tunnelfroster oder Spiralgefriergeräte) verwenden flüssigen Stickstoff, um Nahrungsmittel schnell zu kühlen und einzufrieren.
- Kühlwanne: In der Nahrungsmittelproduktion und bei industriellen Prozessen wird eine mit flüssigem Stickstoff gefüllte Kühlwanne verwendet, um Materialien oder Geräte schnell abzukühlen, indem das Produkt in Stickstoff getaucht wird.
- Abfüllstation: Abfüllstationen sind sowohl in medizinischen als auch in Forschungslaboratorien von entscheidender Bedeutung, um kleine Mengen flüssigen Stickstoffs aus großen Lagertanks einfach und kontrollierbar zu entnehmen.
- Kryosauna: In der Wellness- und Sportbranche werden Kryosaunen mit flüssigem Stickstoffdampf zur Kryotherapie eingesetzt.
- Testkammer: Testkammern mit flüssigem Stickstoff werden in der Technik und den Materialwissenschaften eingesetzt, um die Leistung und Haltbarkeit von Materialien und Geräten bei extrem niedrigen Temperaturen zu testen.
Die oben genannten fünf kryogenen Anwendungen sind nur ein kleiner Ausschnitt aus den Möglichkeiten, die Flüssigstickstoff bietet. Erfordert eine Anwendung extreme Kälte? Dann ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Flüssigstickstoff das erforderliche Einsatzpotenzial bietet.
Risiken und Sicherheit
Wie jede extrem kalte Substanz birgt auch flüssiger Stickstoff einige Gefahren und Risiken:
- Ausdehnung beim Verdampfen: Flüssiger Stickstoff dehnt sich beim Verdampfen stark aus, was in geschlossenen Räumen zu Druckaufbau und Explosionsgefahr führen kann.
- Erstickungsgefahr: Stickstoffgas ist geruchlos und kann Sauerstoff verdrängen, was in schlecht belüfteten Räumen eine Erstickungsgefahr darstellt.
- Kalte Verbrennungen: Der direkte Kontakt mit flüssigem Stickstoff kann zu schweren Verbrennungen führen.
- Erzeugung von Flüssigsauerstoff: Aufgrund der extrem kalten Oberfläche von schlecht isolierten Rohrabschnitten kann sich spontan flüssiger Sauerstoff bilden. Dies kann zu einer erhöhten Brandgefahr führen.
- Missgeschicke: Fehler kommen vor, aber Fehler können beim Umgang mit Gefahrstoffen schwerwiegende Folgen haben.
Glücklicherweise lassen sich die Gefahren mit den richtigen Sicherheitsvorkehrungen wirksam eindämmen. Sorgen Sie für persönlichen Schutz, ausreichende Belüftung, regelmäßige Inspektion der Lagerbehälter und eine adäquate Schulung im Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten.
Demacos Infrastrukturen für Flüssigstickstoff
Noch wichtiger als Schulung und frische Luft ist die richtige Infrastruktur. Verwenden Sie z. B. eine Gasentlüftung oder einen Entgaser, um eventuelle Gasblasen zu entfernen, und verwenden Sie Vakuumisolation, um eine Infrastruktur so gut wie möglich zu isolieren.
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