Cryogene techniek

Alles over cryogene technologie

Demaco is specialist in cryogene infrastructuren. Veertig jaar geleden ontstond binnen het bedrijf een enorme passie voor dit specialistische vakgebied, die vanaf dat moment alleen nog maar groeide. Maar hoe werkt cryogene techniek precies? Wat zijn cryogene gassen, hoe worden extreem koude temperaturen bereikt, welke risico’s komen hierbij kijken en in welke industrieën is de inzet van cryogenie het meest gangbaar? Dit, en nog veel meer, lees je op deze pagina.

Wat is cryogene techniek?

Cryogenie komt van het Griekse woord ‘Kryos’, wat ‘kou’ betekent. Het is het vakgebied waarin materialen op zeer koude temperatuur worden geproduceerd, bewaard, vervoerd en gebruikt. Extreme kou kan voor interessante chemische reacties zorgen. Zo veranderen stoffen van gas naar vloeibaar of krijgen ze door koeling een vaste vorm.

Een bekende stof die bij koeling van vorm verandert, is water. Bij 0 graden Celsius verandert water van vloeibaar in een vaste stof, ijs. Dit is echter nog geen cryogenie. Pas wanneer temperaturen van -160 graden Celsius of lager worden bereikt, is er sprake van cryogene techniek. Dit zijn temperaturen waarop gassen vloeibaar worden, en daar wordt in diverse industrieën gebruik van gemaakt.

Welke temperatuur nodig is om een gas vloeibaar te maken verschilt per gas. Zo wordt zuurstof bijvoorbeeld al vloeibaar bij een temperatuur van -183 graden Celsius, maar is voor helium maar liefst een temperatuur van -269 graden Celsius nodig.

Hoe worden cryogene temperaturen bereikt?

Om extreem koude temperaturen te bereiken zijn geavanceerde technieken nodig. In de meeste gevallen worden vier verschillende methoden gebruikt voor de generatie van cryogene temperaturen:

1. Warmtegeleiding

Warmtegeleiding is wellicht de meest bekende methode. Door twee producten of materialen met elkaar in contact te brengen, stroomt de warmte van het warmste product naar het koudste product. Hetzelfde geldt voor cryogene temperaturen. Door gas, vloeistof of een vaste stof in contact te brengen met bijvoorbeeld een cryogene vloeistof, wordt deze extreme kou doorgegeven. Het gas, de vloeistof of het product bereikt hierdoor ook de gewenste cryogene temperatuur.

2. Verdampingskoeling

Atomen of moleculen hebben minder energie in vloeibare vorm dan in gasvorm. Tijdens de verdamping van een vloeibaar product krijgen atomen of moleculen aan de oppervlakte genoeg energie van de omringende vloeistof, om zich om te zetten in gasvorm. De resterende vloeistof behoudt daarentegen minder energie, waardoor deze kouder wordt. Door een verdampingsproces te stimuleren kan dus de koeling van een vloeistof in de hand worden gewerkt.

3. Koeling door snelle expansie

Een derde methode is de inzet van het Joule-Thompson-effect. Dit betreft het koelen van gassen door een razendsnelle uitbreiding van het volume, of door een net zo snelle drukval. Vooral bij het vloeibaar maken van waterstof en helium wordt deze methode relatief veel ingezet.

4. Adiabatische demagnetisatie

De vierde en laatste methode wordt vooral gebruikt bij de koeling van vloeibaar helium, en betreft het gebruik van paramagnetische zouten om warmte te absorberen.

Paramagnetisch zout kan worden gezien als een enorm aantal kleine magneten die, wanneer ze op een sterk magneetveld worden geplaatst en worden bewerkt met een elektromagneet, energie genereren of gebruiken. Door met deze materialen energie op te nemen, kan deze energie van een gas worden weggenomen. Hierdoor wordt dit gas steeds kouder.

demaco

De geschiedenis van cryogene techniek

Steeds meer vloeibare gassen

Toen Demaco rond 1985 voor het eerst in contact kwam met cryogene techniek, was dit nog een relatief nieuw specialisme. Pas in de 19e eeuw kreeg de cryogenie namelijk meer bekendheid, doordat steeds meer gassen met succes vloeibaar konden worden gemaakt.

Dit alles begon in 1877, toen Cailletet en Pictet erin slaagden om zuurstof vloeibaar te maken. De experimenten waren rond die tijd in volle gang, en al snel verscheen ook van andere gassen een vloeibare versie. In 1884 werd waterstof bijvoorbeeld als eerste omgezet in een mist. In 1892 ontwikkelde Sir James Dewar een vacuüm geïsoleerd vat voor de opslag van cryogene vloeistoffen, waardoor het makkelijker werd om hiermee te werken.

In de daaropvolgende jaren slaagden experts erin om steeds meer gassen vloeibaar te maken, inclusief de laatste in de rij, helium. In 1908 werd voor het eerst met de vloeibare vorm van dit gas gewerkt.

Cryogene techniek binnen diverse industrieën

Ondertussen werd binnen steeds meer industrieën de bruikbaarheid van cryogene techniek ontdekt. In 1961 werd bijvoorbeeld in de Verenigde Staten voor het eerst gewerkt met cryosurgery. Wetenschappers ontdekten dat door langzame koeling ziek weefsel kon worden vernietigd. In de Verenigde Staten werd hiervoor gebruik gemaakt van vloeibaar stikstof, en ook in Zuid Afrika werd de methode een paar jaar later toegepast. Daar werd echter gebruik gemaakt van lachgas.

Ook in de ruimtevaartsector werden cryogene technieken in de 20e eeuw geïntroduceerd. In 1961 werd voor het eerst gebruik gemaakt van een combinatie van vloeibaar waterstof en vloeibaar stikstof in de Amerikaanse raket Atlas Centaur. Dit moment wordt gezien als een belangrijke mijlpaal in de cryogenie, en leidde direct tot grootschalige productie van vloeibaar waterstof voor vergelijkbare projecten.

De medische wereld en de ruimtevaartsector zijn slechts voorbeelden van industrieën waarin cryogene techniek al lange tijd gebruikt wordt. Ook in onder meer het wetenschappelijk onderzoek, in de marine industry en binnen de massaproductie van vloeibare gassen in air separation units, speelt cryogenie al lange tijd een prominente rol.

Lees verder voor meer over de industrieën waarin cryogene technieken worden toegepast.

LNG industry

Industriële gassen

In de praktische toepassing van cryogene techniek wordt voornamelijk gewerkt met industriële gassen.

De belangrijkste industriële gassen zijn stikstof, zuurstof, koolstofdioxide (CO2), argon, waterstof, helium en acetyleen. Soms worden deze gassen gewoon in de winkel verkocht en in de maatschappij gebruikt (denk bijvoorbeeld aan helium voor luchtballonnen of aan zuurstof in de medische wereld). Echter, in de meeste gevallen komen cryogene gassen bij industriële ondernemingen terecht.

We kennen in de cryogenie verschillende soorten industriële gassen (waarvan sommige onder meerdere categorieën vallen):

Luchtgassen

Luchtgassen worden gewonnen uit de lucht, door de splitsing van verschillende bestanddelen. Lucht bestaat voornamelijk uit stikstof, zuurstof, argon en een hele kleine hoeveelheid aan edelgassen. Vloeibaar stikstof wordt veel gebruikt voor koeling in bijvoorbeeld de voedingsmiddelenindustrie en de medische wereld; vloeibaar zuurstof zien we vaak terug in de ruimtevaartsector en vloeibaar argon staat vooral bekend om de toepassing als vulmiddel van gloeilampen.

Edelgassen

Ook edelgassen (helium, neon, argon, krypton, xenon en radon) komen in zeer kleine hoeveelheden voor in de lucht. Deze gassen hebben één ding gemeen: ze reageren nauwelijks met andere stoffen. Hierdoor worden ze vaak gebruikt voor cryogene toepassingen waar een reactie (zoals toxiciteit of oxidatie) niet gewenst is. In gloeilampen en lasers, bijvoorbeeld, maar ook in ballonnen en luchttanks voor duikers.

Waterstof

Ook waterstof wordt regelmatig in de cryogene techniek ingezet. Waterstof is de stof die door zich samen te voegen met zuurstof, water vormt. Dit gas komt op aarde niet in pure vorm voor, maar wordt regelmatig geproduceerd voor de generatie van energie of het gebruik als brandstof.

Overige gassen

Niet alle industriële gassen vallen onder de bovenstaande categorieën. Vloeibaar koolstofdioxide (CO2), bijvoorbeeld, wordt in de cryogenie gebruikt maar vormt naar onze mening een extra categorie. Voornamelijk in de food industry wordt dit gas regelmatig ingezet.

Cryogenics

De risico's van het werken met cryogene gassen

Uiteraard is het werken met cryogene gassen niet ongevaarlijk. Zo brengt slordig omgaan met deze gassen grote risico’s met zich mee, is er sprake van brandgevaar en/of explosiegevaar, en bestaat er simpelweg de kans dat gassen hun vloeibare vorm verliezen en hierdoor verloren gaan. Vooral in het geval van kostbare gassen heeft dit grote financiële gevolgen.

Enkele voorbeelden van bekende risico’s in het cryogene werkveld zijn:

Verwonding door extreme kou

De koude dampen en gassen die vrijkomen uit cryogene vloeistoffen kunnen verwondingen op de huid veroorzaken. Voornamelijk bij een langduriger contact met cryogene stoffen, kan de huid volledig bevriezen. Na ontdooiing blijven er vervelende wonden achter die lijken op een flinke verbranding.

Gevaarlijke giffen

De meeste gassen hebben bij hoge concentratie een negatief effect op de gezondheid. Vloeibaar koolmonoxide kan bijvoorbeeld koolmonoxidegas afgeven, wat dodelijke gevolgen kan hebben.

Brand- of explosiegevaar

Een relatief groot aantal gassen is brandbaar en explodeert bij contact met vuur. Enkele voorbeelden van brandbare gassen zijn waterstof, methaan, vloeibaar aardgas (LNG) en koolmonoxide.

Explosie door snelle expansie

Niet alleen vuur, maar ook druk kan een explosie van vloeibare gassen veroorzaken. Zonder goed functionerende ontluchtings- of overdrukvoorzieningen op cryogene bewaarvaten, kan hierin een enorme druk ontstaan. Deze kan vervolgens tot een zogenaamde BLEVE (boiling liquid expanding vapour explosion) leiden.

Het verlies van kostbare gassen

Een laatste risico tijdens het werken met cryogene gassen is het verlies hiervan. Om een gas vloeibaar te houden, moet dit constant op de juiste temperatuur blijven. Wanneer het per ongeluk opwarmt of wanneer er sprake is van een verzwakking in de infrastructuren, kan er verlies in gasvorm plaatsvinden.

Een voorbeeld van een zeer kostbaar gas dat snel wordt verspild, is helium. Helium wordt onder de grond aangetroffen, tussen diverse andere natuurlijke gassen. Om dit echter te kunnen gebruiken, moet het worden omgezet in de meest pure vorm. Dit is een kostbaar en bewerkelijk proces. Daarnaast is helium een dusdanig vluchtig gas, dat het bij vrijgave zelfs de dampkring verlaat.

Om verlies van helium zoveel mogelijk te voorkomen, voorziet Demaco al haar heliumprojecten van gesloten systemen. Dergelijke extra beveiliging kan een groot verschil maken in de besparing van gas, en daarmee de kosten van een project.

Het belang van goede infrastructeren

Het moge duidelijk zijn dat de cryogene techniek een enorm specialistisch werkveld is, waarin kennis en vaardigheid op het allerhoogste niveau is vereist. Met foutloze infrastructuren is het werk met vloeibaar gas veilig, maar een ongeluk zit in een klein hoekje.

Het is daarom belangrijk dat alle leidingen, systemen en andere producten door een ervaren partij ontworpen en gebouwd zijn, dat deze gecertificeerd zijn en aan alle kwaliteits- en veiligheidsvereisten binnen de cryogenie voldoen.

 
demaco

Cryogene industrieën

Zoals eerder beschreven, worden cryogene technieken in een groot aantal industrieën toegepast. Over de afgelopen decennia heeft Demaco dan ook infrastructuren geleverd in tien verschillende industrieën, allemaal met hun eigen focus en specifieke vereisten:

1. Automotive

In de automotive industry is vooral koudkrimp technologie populair. Deze geavanceerde techniek zorgt ervoor dat bepaalde motoronderdelen tijdens de assemblage tijdelijk een extreem koude temperatuur bereiken en iets krimpen, waardoor ze vervolgens met een lichte kracht de motor in kunnen worden geperst. Door opwarming zet het onderdeel vervolgens weer uit en zit dit direct stevig verankerd in de motor.

Om onderdelen snel op extreme kou te brengen worden vloeibare gassen gebruikt, en daar zijn cryogene infrastructuren voor nodig.

2. Electronics

Een tweede industrie waarin cryogene techniek een belangrijke rol speelt, is de electronics industry. Voornamelijk tijdens het testen van elektronische apparaten komen extreem koude vloeibare gassen te pas. Zo wordt vloeibaar stikstof bijvoorbeeld veel gebruikt om te testen of apparatuur in het dagelijks gebruik tegen koude temperaturen is bestand.

3. Food

In de food industry wordt gebruik gemaakt van vloeibare gassen voor zowel cryogene koeling als voor het veilig verpakken van producten. Enkele voordelen van cryogene techniek binnen deze industrie zijn de snelheid van werken en het feit dat producten lang goed blijven en hun vorm optimaal behouden.

4. LNG

De LNG Industry groeit razendsnel. LNG (Liquefied Natural Gas) heeft enkele milieutechnische voordelen voor de scheepvaart en wegtransportsector, en wordt daarom steeds vaker als brandstof gebruikt. Om LNG vloeibaar te houden moet dit op -162 graden Celsius worden bewaard, en daar zijn geavanceerde cryogene infrastructuren voor nodig.

5. Marine

LNG wordt in de marine industry op diverse manieren gebruikt en opgeslagen. Sommige schepen gebruiken het gas als brandstof, terwijl anderen dit vervoeren in grote opslagtanks (bunkers). Ook in havengebieden zijn opslagruimtes voor LNG te vinden: de zogenaamde LNG-plants.

6. Medical

Vooral vloeibaar stikstof is populair binnen de medische wereld. Dit vloeibare gas wordt gebruikt voor zowel het uitvoeren van bepaalde medische behandelingen als voor het bewaren van complexe biologische structuren (deze methode, cryopreservation genoemd, wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het bewaren van bloed, cellen, organen, DNA en sperma).

7. Pharmaceutical

Ook in de pharmaceutical industry speelt vloeibaar stikstof een belangrijke rol. Dit vloeibare gas wordt veel gebruikt voor het koelen van cryogene bewaarvaten en voor het vormen van medicijnen in pilvorm. .

8. Scientific research

Cryogene gassen kunnen naast extreme kou, ook een enorme kracht genereren. Om deze reden zijn deze gassen dan ook vaak het onderwerp van natuurkundige studies. Omdat dit een van de koudste en meest krachtige vloeibare gassen is, wordt helium daarnaast veel gebruikt voor het koelen van bijvoorbeeld deeltjesversnellers.

9. Space

Deels vanwege de enorme kracht die cryogene gassen kunnen genereren, worden deze ook binnen de space industry regelmatig ingezet. Zo worden cryogene technieken gebruikt bij de lancering van satellieten en voertuigen, wordt vloeibaar gas gebruikt als brandstof (in bijvoorbeeld een cryo engine) en is de cryogenie regelmatig onderdeel van wetenschappelijke experimenten binnen de ruimtevaartsector.

10. Hydrogen

De interesse in waterstof groeit aanzienlijk. Waterstof is een veelzijdige, schone en veilige energiedrager die kan worden ingezet als “brandstof” in een brandstofcel of als grondstof in de industriële sector. Bij verbranding van waterstof komt alleen (water)damp vrij. Dit maakt het gas een unieke brandstof wat betreft duurzaamheid. Voornamelijk in de marine industry, de industriële sector en de space industry zal waterstof in de komende jaren een steeds prominenter rol gaan innemen.

11. Air separation

Een laatste, maar zeker niet onbelangrijke markt, is de air separation industry. Air separation vindt plaats op air separation units, en betekent kort gezegd het zuiveren van lucht voor de bulkproductie van onder meer stikstof, zuurstof, argon en enkele edelgassen.

demaco

Cryogene producten

 

 

Zoals in de voorgaande paragrafen duidelijk wordt, komen cryogene technieken voor in een enorme hoeveelheid aan industrieën. Elke industrie heeft haar eigen vereisten, uitdagingen en benodigde infrastructuren. Van leidingen tot controllers, afgasautomaten en vacuümpompen; de veelzijdigheid aan cryogene producten is bijna eindeloos. Echter, graag zetten we een aantal veelgebruikte producten binnen de cryogene techniek eens op een rijtje:

Transferleidingen

De transferleiding is wellicht het allerbelangrijkste product binnen de cryogene techniek. Deze extreem geïsoleerde leiding maakt het mogelijk om vloeibare gassen veilig te verplaatsen, zonder dat deze opwarmen en verloren gaan.

Transferleidingen bestaan in verschillende soorten, maten en materialen. Zo worden vooral vacuüm geïsoleerde leidingen veel gebruikt, vanwege hun hoge kwaliteit en extreme isolatie. Deze leidingen kunnen kilometers lang zijn en hebben vaak een diameter van DN10 tot 12”.

Naast stabiele vacuüm geïsoleerde leidingen, bestaan er ook flexibele varianten. Deze leidingen zijn ideaal voor situaties waarin regelmatig moet worden aan- en afgesloten, opslagvaten (dewars) moeten worden gevuld of bij tijdelijke testinstallaties.

Transferleidingen komen voor in bijna elke cryogene infrastructuur, natuurlijk verbonden via speciale koppelingen die het gebruik van vloeibare gassen nog veiliger maken.

Controllers en sensoren

Om de druk en het vloeistofniveau binnen cryogene systemen te monitoren, worden speciale controllers en sensoren gebruikt. Zo controleert de level sensor bijvoorbeeld automatisch het vloeistofniveau in onder meer kwaliteitsverbeterende producten en zorgt de level controller dat ontstane gassen kunnen worden afgevoerd.

Afgasproducten

Zelfs met de allerbeste isolatie kan er sprake zijn van een zeer kleine warmte-inlek in cryogene systemen. Door deze inlek en door drukverliezen in het systeem, kan een deel van het gas verdampen. Dit resulteert vaak in ophopingen en belemmeringen van de doorstroom.

Gelukkig zijn er handige producten beschikbaar waarmee deze gassen efficiënt worden afgevoerd. Door bijvoorbeeld een afgasautomaat of een automatische degasser op het hoogste punt van een stikstofsysteem aan te sluiten, wordt het ontstane gas, op het moment dat er geen of een zeer kleine afname is, afgevoerd uit het systeem.

Om te voorkomen dat er ijsaangroei plaatsvindt op het uiteinde van de afgasleiding, kan een afgas heater worden toegevoegd. Deze verwarmd alleen het deel van de leiding waar het gas naar buiten wordt gelaten.

Fasenscheiders

Om te zorgen dat vloeibare gassen zo zuiver mogelijk blijven en gasvorming kan worden afgevoerd, worden fasenscheiders ingezet. Dit kwaliteitsverbeterend product zorgt met behulp van een inwendig voorraadvat dat vloeibaar gas tijdelijk tot stilstand wordt gebracht. Omdat gas lichter is dan vloeistof, stijgen eventuele gasbellen bij stilstand (of bij een zeer kleine flow) vervolgens vanzelf omhoog, waardoor ze makkelijk kunnen worden vrijgelaten.

Het gebruik van een fasenscheider verbetert de kwaliteit van vloeibare gassen, garandeert een goede voorraad aan vloeibaar gas en maakt het mogelijk om de druk lokaal lager te maken dan de aangeleverde druk uit het voorraadtank.

Subcoolers

Een ander veelgebruikt kwaliteitsverbeterend product is de subcooler. De Demaco subcooler wordt ingezet om vloeibaar gas zodanig af te koelen dat er geen gas in de leidingen ontstaat bij gebruik. Door een geavanceerd proces van warmte-uitwisseling worden eventuele verdampte gasbellen uit de vloeistof verwijderd en blijft er puur vloeibaar gas van hoge kwaliteit over.

Cryogene oplossingen binnen specifieke industrieën

Naast producten die de toevoer, opslag en kwaliteit van vloeibare gassen reguleren, zijn er ook diverse producten die de toepassing hiervan binnen specifieke industrieën mogelijk maken. 

Enkele voorbeelden hiervan zijn vulstations voor vloeibaar stikstof, koelbakken voor het krimpen van automotive onderdelen, en kwaliteitsverbeterende producten die het mogelijk maken om vloeibaar stikstof te gebruiken zonder dat dit direct verdampt. 

 
Vacuüm geïsoleerde transferleidingen vormen de basis van bijna alle cryogene infrastructuren. Demaco biedt zowel starre als flexibele transferleidingen

Vacuumtechnologie

Isolatie speelt een essentiële rol binnen de cryogene technologie. Cryogene gassen moeten perfect op temperatuur worden gehouden voor hun bruikbaarheid in vloeibare vorm, en dat is niet altijd makkelijk. Bij het vervoer van vloeibare gassen worden soms meerdere kilometers overbrugd, en wordt het gas verplaatst van bijvoorbeeld terminal, via verschillende leidingen naar een koelingsysteem, schip, lanceerplatform, of andere bestemming.

Tijdens elke stap en gedurende het gehele logistieke proces bestaat de kans dat het gas opwarmt en verloren gaat. Een klein warmtelek kan grote gevolgen hebben, en optimale isolatie is dan ook extreem belangrijk.

Vacuümtechnologie is de afgelopen jaren de allerbeste techniek gebleken voor het op (koude) temperatuur houden van transferleidingen en cryogene systemen. Vergeleken met conventionele isolatie is de isolatiewaarde van vacuümisolatie simpelweg stukken hoger, waardoor warmte-inlek minder voorkomt en minder gassen verloren gaan. Vergeleken met isolatie van bijvoorbeeld PIR/PUR, Foamglas, Armaflex, Perlite en Misselon biedt vacuümisolatie zelfs een isolatiewaarde die 15 keer hoger ligt dan al deze andere methoden.

demaco

Demaco als expert in cryogenic engineering

Demaco zet zich al tientallen jaren in om de beste te zijn in het ontwerpen en bouwen van cryogene infrastructuren. Als ware ‘Cryogenius’ weet het gepassioneerde Demaco team alles over cryogene gassen en de specifieke toepassing hiervan binnen verschillende industrieën.

We adviseren, ontwerpen, bouwen, produceren, leveren, monteren, houden toezicht, en certificeren onder meer leidingen, systemen en vacuüm geïsoleerde onderdelen.

Voor meer informatie over ons werk, bekijk ook onze producten en diensten pagina’s eens. En voor alles over vacuümtechnologie en onze vacuüm geïsoleerde producten, neem eens een kijkje in onze Webshop Vacuüm.

Neem contact met ons op voor meer informatie