Cryogenics
Vloeibare stikstof: kenmerken, productie en toepassing
Medische instellingen, autoproducenten, voedselfabrieken en nog veel meer. Bijna iedere cryogene industrie maakt wel eens gebruik van vloeibare stikstof. Deze cryogene vloeistof is namelijk niet alleen betaalbaar, maar ook heel erg veelzijdig.
Maar wat is vloeibare stikstof nu precies? Waarom is deze stof zo populair en wat zijn de belangrijkste toepassingen? Lees snel verder voor een uitgebreid antwoord op deze vragen.
Wat is vloeibare stikstof?
Vloeibare stikstof is een fase die ontstaat wanneer stikstof wordt afgekoeld tot ver onder nul. De kleurloze vloeistof heeft een dichtheid bij atmosferische druk van 806,59 kg/m³, en een energie-inhoud van 199,32 kJ/kg. De stof lijkt in vloeibare vorm erg op water, maar produceert door het grote temperatuurverschil een witte nevel door de condensatie van waterdamp wanneer deze wordt blootgesteld aan de omgevingslucht.
De ontwikkeling van vloeibare stikstof dateert uit de late 19e eeuw, toen wetenschappers zoals Carl von Linde en James Dewar zich actief inzetten voor het vloeibaar maken van verschillende gassen. Hun werk legde de basis voor de moderne cryogenie.
Tegenwoordig wordt vloeibare stikstof enorm breed ingezet. Denk aan het koelen van biologische materialen of voedingsmiddelen, het uitvoeren van medische behandelingen, het krimpen van auto-onderdelen voor zogenaamde krimppassingen en het bieden van koeling tijdens wetenschappelijke experimenten.
De temperatuur van vloeibare stikstof
Hoe koud is vloeibare stikstof dan precies? Het kookpunt van stikstof ligt bij een normale omgevingsdruk op -196°C. Bij deze temperatuur transformeert de stof dan ook van gasvormig naar vloeibaar. Komt de temperatuur hier echter weer boven? Dan ontstaat er opnieuw gas en gaat de vloeibare vorm verloren.
De productie van vloeibare stikstof
De productie van vloeibaar stikstof vindt plaats in zogenaamde luchtscheidingsfabrieken en bevat doorgaans de volgende stappen:
- Zuivering: In de eerste fase wordt de lucht gefilterd om CO2, stof en water te verwijderen die het proces van vloeibaar maken kunnen hinderen.
- Compressie en koeling: Vervolgens wordt de lucht gecomprimeerd en afgekoeld volgens een meertraps gascompressie- en expansieprincipe. Tijdens de compressiefasen wordt warmte onttrokken en tijdens de expansie koelt het gas af. Dit principe lijkt op dat van een gewone koelkast, maar dan veel efficiënter en krachtiger.
- Condensatie: Door nog verdere afkoeling worden temperaturen bereikt waarbij eerst argon (Ar) en zuurstof (O2) condenseren en vloeibaar worden, waarna ze worden gescheiden van de luchtstroom. Door de temperatuur nog iets verder te verlagen tot -196°C, verandert ook stikstof in een vloeistof.
De enige twee gassen die niet uit de lucht worden gefilterd, zijn waterstof (H2) en helium (He). Deze blijven in gasvorm, aangezien het gas op dat moment nog te warm is om ook vloeibaar te worden.
De opslag van vloeibare stikstof
Na de productie van vloeibare stikstof, moet de cryogene vloeistof veilig worden opgeslagen. Dit kan op verschillende manieren:
- In grote tanks voor langdurige opslag.
- In containers of dewars voor opslag van kleinere hoeveelheden, of voor transport.
Bij de opslag van vloeibare stikstof is één ding cruciaal: warmte moet zo veel mogelijk buiten de tank, dewar of transferleiding worden gehouden. Warmt de cryogene vloeistof namelijk op, dan ontstaat er gas. Dit verhoogt de druk in het systeem en zorgt — wanneer het gas het systeem kan verlaten — voor verlies in voorraad. Kan het gas het systeem niet uit? Dan verhoogt de druk hierbinnen flink, en dit kan gevaarlijk zijn.
Vacuüm isolatie
Dé oplossing voor het veilig en op de juiste temperatuur opslaan en transporteren van vloeibare stikstof is vacuüm isolatie. Deze techniek maakt gebruik van een vacuüm tussen de dubbele wanden van opslagvaten of transferleidingen. Wanneer vacuüm gecombineerd wordt met een meerlaagse (multi-layer) combinatie van aluminiumfolie en glaspapier, wordt warmteverlies bijna volledig geblokkeerd.
Meer weten over deze techniek? Lees dan snel verder op onze pagina over vacuümtechnologie.
De toepassing van vloeibare stikstof
Vloeibare stikstof is vanwege de extreem lage temperatuur en inertie een veelzijdig gas, dat in veel verschillende industrieën gebruikt wordt. Dit zijn vijf bekende voorbeelden van de toepassing van vloeibare stikstof:
- Vloeibare stikstofvriezer voor voeding: Deze cryogene vriezers (bijvoorbeeld tunnelvriezers of spiraalvriezers) gebruiken vloeibare stikstof voor snelle afkoeling en bevriezing van voedsel.
- Koelbak: In de voedselproductie en in industriële processen wordt een koelbak met vloeibare stikstof gebruikt om materialen of apparatuur snel af te koelen door het product in de stikstof onder te dompelen.
- Vulstation: Vulstations zijn cruciaal in zowel de medische sector als in onderzoekslaboratoria om makkelijk kleine hoeveelheden vloeibare stikstof gecontroleerd af te kunnen nemen uit een grote opslagtank.
- Cryosauna: In de wellness- en sportindustrie worden cryosauna’s met een damp van vloeibare stikstof gebruikt voor cryotherapiebehandelingen.
- Testkamer: Testkamers met vloeibare stikstof worden gebruikt in de technologie- en materiaalwetenschappen om de prestaties en duurzaamheid van materialen en apparaten bij extreem lage temperaturen te testen.
De bovenstaande vijf cryogene toepassingen zijn nog maar een kleine greep uit alle mogelijkheden die vloeibare stikstof biedt. Heeft een toepassing extreme kou nodig? Dan is de kans groot dat vloeibare stikstof mogelijkheden biedt.
Gevaren en veiligheid
Zoals iedere extreem koude stof, komt ook vloeibare stikstof met enkele gevaren en risico’s:
- Expansie bij verdamping: Vloeibare stikstof zet sterk uit bij verdamping, wat in gesloten ruimtes tot drukopbouw en explosiegevaar kan leiden.
- Verstikkingsgevaar: Stikstofgas is reukloos en kan zuurstof verdringen, wat in slecht geventileerde ruimtes een verstikkingsrisico vormt.
Koude brandwonden: Direct contact met vloeibare stikstof kan ernstige brandwonden veroorzaken. - Ontstaan van vloeibare zuurstof: Door het extreem koude oppervlakte van niet goed geïsoleerde leidingdelen kan er spontaan vloeibare zuurstof ontstaan. Dit kan een verhoogd risico op brandgevaar geven.
- Fouten: Iedereen maakt fouten, maar in de omgang met gevaarlijke stoffen kunnen deze ernstige gevolgen hebben.
Gelukkig zijn de gevaren met de juiste veiligheidsmaatregelen goed te beperken. Zorg voor persoonlijke bescherming, voldoende ventilatie, regelmatige inspectie van opslagcontainers, en de juiste training in de omgang met de cryogene vloeistof.
Demaco’s vloeibare stikstof-infrastructuren
Nog belangrijker dan training en frisse lucht? Dat zijn de juiste infrastructuren. Gebruik bijvoorbeeld een gasvent of degasser om eventuele gasbellen af te voeren en isoleer een infrastructuur zoveel mogelijk met vacuüm.
Meer weten over de vacuüm geïsoleerde- en kwaliteitsverbeterende producten van Demaco? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer informatie.
Ontvang het laatste nieuws over Demaco Cryogenics direct in uw inbox.
