Индивидуальный проект «Жидкий азот в жизни человека»

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Республиканская кадетская школа-интернат»

Индивидуальный проект

«Жидкий азот в жизни человека»

по предмету «_Физика___»  

Выполнил: _____________Богачев Роман,

 ученик _10 класса_______

Руководитель:___________Рабдаева В.Д., 

 учитель ___физики

____ _____________________________________

(подпись руководителя)

Улан-Удэ

2022

Содержание:

1. Введение
2. История открытия азота
3. История развития физики низких температур
4. Методы разделения воздуха и получения жидкого азота
5. Хранение и транспортировка жидкого азота
6. Применение жидкого азота
7. Опрос учащихся
8. Заключение

 9.  Используемая литература

Введение.

Объектом исследования является жидкий азот.

Актуальность:

Криогенные технологии с каждым годом всё больше входят в нашу жизнь. На современном этапе научно-технического прогресса особое место занимает холодильная и криогенная техника, роль которых постоянно возрастает. Весьма перспективна водородная энергетика. Значительно возрастает роль криогеники в осуществлении управляемого термоядерного синтеза, в создании ускорителей элементарных частиц и в космотехнике. Дальнейшее развитие получают технология хранения и использования замороженных биологических сред и другие направления криогенной техники.

В настоящее время широкое распространение получило разделение воздуха с получением О2 ,N2  и Ar при криотемпературах. Из всех продуктов разделения воздуха – азот имеет наибольшее применение во всех отраслях промышленности.

Цель исследования – знакомство с методами разделения воздуха, изучение свойств жидкого азота и его применение.

Задачи:

- Изучить свойства жидкого азота

- Познакомиться со способами получения жидкого азота при разделении   воздуха

- Изучить устройство сосудов Дьюара

- Изучить области применения жидкого азота

-Провести опрос среди учащихся и сверстников

-Посетить экскурсию на ЗАО «У-УАЗ»

-Донести полученные знания до своих сверстников 

Методы исследования:

Изучение материалов сети Интернет, Экскурсия на Азотно-Добывающую Станцию во время Дня Открытых Дверей на предприятия ЗАО «У-УАЗ», опрос учащихся 10-го класса ГБОУ «РКШ-И» на предмет знания информации о жидком азоте.

История открытия азота

 Впервые азот был получен в 1756 году шотландским химиком Д. Резерфордом. Ученый посадил под купол мышь, изначально вытеснив оттуда углекислый газ. Мышь, сразу умерла, и ученый решил, что это из-за существования «ядовитого» воздуха, каким оказался азот.

В 1772 году азот был получен его земляком, шотландцем, ученым Генри Кавендишем. Экспериментируя с воздухом, он получил азот. К сожалению, не поняв, что это новое вещество, Г. Кавендиш благополучно списывает все на флогистон (горючий, воспламеняемый) — в истории химии — гипотетическая «сверхтонкая материя» — «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении).

Название газа «азот» в 1787 году предложил Лавуазье наряду с другими исследователями. С греческого оно переводится как безжизненный, и происходит от греческого «а» – отрицание и «зоэ» – жизнь.

Физические и химические свойства:

АЗОТ -химический элемент второго  периода V группы периодической системы, атомный номер-7, атомная  масса-14,0067.

Азот газообразный - бесцветный, неядовитый, химически инертный газ без вкуса и запаха. Состоит из двухатомных молекул N2, обладающих высокой прочностью. Входит в состав атмосферного воздуха в количестве 78 %.

плотность газообразного азота при 0°С 1.25 г/дм3, жидкого азота (при температуре кипения) — 0,808 кг/дм3. Газообразный азот при нормальном давлении переходит в бесцветную жидкость при температуре -195,8°С, а при температуре -210,0°С — в белое твердое вещество.

История развития физики низких температур

Сжижение воздуха впервые почти одновременно осуществлено в 1877 году Кайете в Париже и Пикте в Швейцарии. В 1883 г. Вроблевский и Ольшевский получили жидкий азот и кислород в лаборатории Краковского университета, а в 1884 г. - жидкий водород в виде тумана.

В 1895 году немецкий физик Линде создал первую промышленную машину для сжижения воздуха.

В 1908 году Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий в Лейденском университете в Голландии, а в 1911 году открыл явление сверхпроводимости. В США в 1926 году Годдарт осуществил первый запуск ракеты с реактивным двигателем на жидком кислороде и керосине.

В 1939 году П.Л. Капица создал воздушно-морозильную установку, менее энергоемкую по сравнению с машиной К. Линде, которая позволяет не только сжижать воздух, но и разделять его азот и кислород, в котором реализован оригинальный, непрерывный, так называемый «цикл Капицы». Интересно, что целью разделения воздуха было получение жидкого кислорода, как окислителя топлива для запуска ракет, азот, получавшийся при этом просто выпускался в воздух. Жидкий азот стал широко применяться в качестве криогенной среды в послевоенное время именно в СССР.
В середине 60-х годов 20-века П. Л. Капица усовершенствовал свою установку для разделения воздуха – создал двухуровневый ректификатор. До сих пор во всём мире используют установку Капицы, и наша страна является несомненным лидером в области низких температур.

Методы разделения воздуха и получения жидкого азота

 Существующие в настоящее время установки по разделению воздуха и получению жидкого азота основаны на принципиальных схемах, предложенных П. Л. Капицей. Весь процесс разделения воздуха основан на «цикле Капицы» и состоит из следующих этапов:

1. Очищение воздуха.

2. Сжижение чистого воздуха.

3. Разделение жидкого воздуха на кислород и азот

В настоящее время в России и странах СНГ в эксплуатации находятся ВРУ (воздухоразделительные установки) более 40 наименований, к ним относится и установка высокого давления средней производительности аЖа-004. Работу данной установки по разделению воздуха    мы увидели во время экскурсии на завод ЗАО «У-УАЗ».

В настоящее время на предприятии налажено массовое производство:

• различных видов продукции, таких как: азот газообразный, кислород газообразный, водород газообразный, аргон газообразный и аргон газообразный высокой чистоты;
• жидких сред азота и кислорода;
• компримированных газов (кислород, азот, водород и аргон);

 ЗАО «У-УАЗ» имеет длительный опыт работы с предприятиями электронной промышленности, ремонтно-строительными предприятиями, также, неотъемлемой частью работы «У-УАЗ» всегда являлось вертолётостроение.

Предприятие имеет большой опыт производства и реализации продуктов воздухоразделения высокого качества.

На ЗАО «У-УАЗ» сжижение воздуха проводится двумя способами:

Дроссельное охлаждение воздуха и детандерное расширение.

Перед сжижением воздух  необходимо очистить от пыли, примесей и водяных паров, т.к. в атмосфере всегда содержится незначительное количество метана, ацетилена и др., а наличие водяного пара приводит к образованию кристаллов льда на тонких цилиндрических трубках ректификатора.

Дроссельное охлаждение воздуха: 

Дросселирование - это адиабатическое расширение газа в условиях стационарного потока без выполнения внешней работы и увеличения скорости. Когда трубопровод - дроссель - протекает через сужение прохода через канал или через пористую перегородку, молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, давление газа или пара уменьшается, и газ охлаждается.

Этот метод используется в простейших установках для сжижения газов. Газ сжимается компрессором, охлаждается в теплообменнике и расширяется дроссельным клапаном. Воздух дросселируется от начальных параметров P1 и T1 до давления P2, и температура T2 уменьшается, и часть газа сжижается.

Схема простейшей установки для сжижения воздуха с дросселированием

Воздух, имеющий начальные параметры Р1 и Т1, сжимается компрессором 1 до давления Р2, при этом его температура повышается от Т1 до Т4. После компрессора воздух охлаждается в холодильнике 2 до начальной температуры Т1 (давление Р2). Затем сжатый и охлаждённый воздух поступает в противоточный теплообменник 3, где охлаждается до Т2 (давление Р2) более холодным дросселированным воздухом, идущим в противоположном направлении. После прохождения теплообменника 3, охлаждённый сжатый воздух дросселируется в вентиле 4 до начального давления Р1; при этом его температура понижается до Т3.  Часть дросселированного воздуха, возвращается в теплообменник 3 и охлаждает проходящий через него воздух высокого давления до Т2, а сам при этом нагревается до Т1 (давление Р1) и затем выходит из установки. В резервуаре 5 собирается жидкий воздух.

П. Л. Капица создал более эффективный способ получения низких температур -  процесс расширения газа в детандере. В детандере сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается. Используется для получения жидких газов. Существует два вида детандеров – поршневые и турбодетандеры.

Турбодетандеры конструкции П.Л. Капицы, созданные им в 1938 г. (КПД > 0,8)  эффективнее, чем поршневые. В настоящее время КПД крупных ТД достигают значений:0,85-0,9.

Методом разделения жидкого воздуха является метод низкотемпературной ректификации.
Метод низкотемпературной ректификации применяется для разделения смесей различных жидкостей на отдельные компоненты. Основан он на разных температурах кипения составных жидкостей.

Жидкий воздух состоит из двух основных жидкостей азот и кислород, Тк кислорода  - 90К, Тк азота –  77,4К.

Колонна двукратной ректификации позволяет более полно извлекать кислород из воздуха и дает возможность получать технически чистый кислород (99,2 % О2) и технически чистый азот (99,99 % N2).

Аппарат состоит из двух частей: колонны высокого давления (нижняя часть) и колонны низкого давления (верхняя часть).

Схема колонны двукратной ректификации

Описание работы установки:

Сжатый в компрессоре воздух, через турбодетандер поступает в теполообменник, где охлаждается парами азота и кислорода, поступающими из верхней колоны ректификатора. Затем он дросселируется в Др1 и поступает в нижнюю часть колонны. При этом он частично сжижается. Обогащенная кислородом жидкость (35-36 % О2) собирается в нижней части колонны – в кубе. Отсюда она через дроссельный вентиль Др2 поступает, как исходная жидкость (смесь), в середину верхней части колонны для разделения.

Обогащенный азотом пар в нижней колонне поднимается в трубное пространство конденсатора-испарителя (К-И), где в межтрубном пространстве кипит кислород. Чтобы этот обогащенный азотом пар сконденсировался, надо, чтобы его температура конденсации была выше температуры кипящего кислорода на 2-4 градуса.

Давление в верхней колонне, как и в колонне однократной ректификации, немного выше атмосферного (0,13-0,15 МПа). Температура кипения кислорода при этом будет равна 93-94 К., следовательно, температура азота в нижней колонне должна быть равной 96-97 К. Эта температура может быть температурой конденсации азота при давлении 0,56-0,6 МПа. Именно такое давление устанавливается в нижней колонне.

Жидкий, сконденсировавшийся азот из К-И стекает в нижнюю колонну. Пары поднимаются ему на встречу и обогащаются при этом азотом.

Часть жидкого азота скапливается в боковых карманах и направляется на орошение верхней колонны через ДР3. Это позволяет в верхней части колонны получать технически чистый азот.

Таким образом, в результате двойной ректификации воздуха из конденсатора отводится кислород, а из верхней части колонны – азот. После прохождения ТО они являются конечными продуктами.

Транспортировка и хранение жидкого азота.

Для транспортировки жидких газов используются сосуды Дьюара.

Сосуды Дьюара — это специальные вакуумные резервуары, предназначенные для перевозки и хранения больших объемов сжиженных газов: азота, аргона и кислорода. Теплоизолирующая система сконструирована с расчетом на высокую эффективность, поэтому она обеспечивает максимальную продолжительность хранения веществ при низких температурах.

Сосуды Дьюара с жидким азотом — это высокоэффективное хранение азота при низких температурах, небольшой вес и малая занимаемая площадь.


Технические характеристики сосуда Дьюара:

-Большая емкость и возможность заправки (объем — от 6 до 40 л).

-Различные размеры для обеспечения совместимости (внешний диаметр от 260 до 460 мм, высота — от 480 до 720 мм).

-Низкая интенсивность испарения.

-Малый вес пустого сосуда (от 4,5 до 14,5 кг).

-Передовые технологии обеспечения вакуума и теплоизоляции.

-Минимальные потери азота.

-Транспортировка любыми средствами.

-Расчетный срок службы при соблюдении условий эксплуатации — 8 лет.

Меры предосторожности:

При использовании жидкого азота персонал должен надевать перчатки и одежду для работы при низких температурах, обеспечивающие надлежащую защиту.

История создания сосуда Дьюара:

В 1879 году физик профессор А. Вайнольд предложил использовать для сохранения жидких газов двустенный сосуд из стекла с вакуумом между стенками.

 В 1890 году английский химик профессор Джеймс Дьюар усовершенствовал «бутылку Вайнхольда», посеребрив стенки, что ослабило утечку тепла через стенки.

В 1904 году берлинский стеклодув Р. Бургер добавил к сосуду Дьюара защитную оболочку и стал продавать его как термос для горячего кофе или бульона.

Устройство

В настоящее время сосуд Дьюара представляет собой резервуар «сосуд в сосуде», межстенное пространство которого заполнено многослойной изоляцией (алюминиевая фольга и стеклобумага) и откачан воздух при изготовлении до остаточного давления 10 -6 мм.рт.ст. (норм. атм. давление 760 мм.рт.ст.)  Для поддержания глубокого вакуума в межстенном пространстве расположены адсорбент и поглотитель водорода. Сосуд Дьюара изготавливается из алюминиевого сплава с толщиной стенок не менее 1 см, благодаря этому температура в верхней зоне сосуда Дьюара не поднимается выше минус 170 °C.

Сосуды Дьюара, заполненные азотом не закрываются, скорость испарения азота из него зависит от модели. Наиболее качественные сосуды имеют скорость испарения 175 мг в сутки.

Внутренний и внешний сосуды соединяются в горловине. В пространстве между ними создают вакуум, при этом внешние стенки внутреннего сосуда покрыты адсорбентом для удаления остаточных газов из межстеночного пространства. От серебрения стенок внутренних стенок сосуда отказались и в настоящее время проводят полировку.

Горловина должна быть достаточно узкой во избежание потерь при испарении. Обычно горловину изготавливают из стали, но в более дорогих моделях – из армированного пластика. Она должна быть прочной, так как, например, внутренний сосуд объемом до 50 л прикрепляется только к ней.

Пробка плотно закрывает горловину, к ней прикреплен пенопластовый цилиндр во избежание стравливания излишков жидкого азота.

Применение жидкого азота.

В настоящее время, жидкий азот нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности.

Использование азота в металлургии и стекольной промышленности

- используется для защиты черных и цветных металлов при термообработке

- при криоупрочнении металлов

- в качестве инертной среды при непрерывной разливке стали

- в технологиях порошковой металлургии (охлаждения)

- охлаждение электродов дуговой печи при производстве стекла

- для защиты от окисления при производстве, для снижения температуры воздуха.

Использование азота в химической и нефтехимической промышленности

- безопасный рабочий агент при добыче нефти и при пуске скважин

- при аварийном ремонте действующих нефтепроводов (замораживание поврежденного участка)

- создание криоплатформ в открытом море или на слабых грунтах (для нефти и газа, при строительстве метро)

- тушение пожары в колодцах и шахтах

- как инертная среда при производстве легковоспламеняющихся и окисляющих веществ

- продувка трубопроводов и оборудования

-  для получения высококачественных полимеров (углерод или углепластик - высокопрочный и легкий полимер)

- азот используется для очистки взрывоопасных смесей регенеративных катализаторов и очистителей

- для хранения и транспортировки легковоспламеняющихся жидкостей

Использование азота в энергетике и электронной промышленности

- охлаждение диффузоров вакуумных насосов, мазеров, лазеров

- для охлаждения внешних контуров сосудов при хранении жидкого водорода и гелия

- при изготовлении полупроводниковых приборов

- Азот используется для снятия изоляции с проводов и кабелей.

- для аварийного охлаждения блоков АЭС

- вытеснение водорода в электрогенераторах

- инертная среда в реакторах тепловых электростанций

- создать низкотемпературную сверхпроводимость

Опрос учащихся 10-го класса

Мною были опрошены ученики 10-го класса ГБОУ «РКШИ» с целью выявления базовых знаний об азоте и его применении в мире.
Сам опрос выглядел следующим образом:

         
                                                     Опрос на тему:

«Жидкий азот и его применение в жизни человека»
1.Часто ли вы встречаетесь в повседневной жизни с таким понятием как «Жидкий азот»?
А)Да.
Б)Нет.
В)Затрудняюсь ответить.
2.Знаете ли вы способы добычи жидкого азота?(Если да, то напишите известные способы).
А)Да.

Б)Нет.
В)Затрудняюсь ответить.
3)Видели ли вы в живую жидкий азот?(Если да, то напишите место)
А)Да.

Б)Нет.

В)Затрудняюсь ответить.
4)Работает ли кто-то из ваших родственников(знакомых) с жидким азотом и добычей жидкого азота?(Если да, то напишите место работы)
А)Да.
Б)Нет.
В)Затрудняюсь ответить.
5)Знаете ли вы области применения азота?(Если да, то напишите отрасли применения)
А)Да.
Б)Нет.
В)Затрудняюсь ответить.
6)Как вы думаете, сможет ли жидкий азот в будущем стать одним из важнейших компонентов жизни человек?
А)Да
Б)Нет.
В)Затрудняюсь ответить.        

Вывод:
Среди опрошенных мною одноклассников я выявил, что лишь 15% знают о жидком азоте и его представлении достаточно хорошо.

20% из всех моих одноклассников знают лишь основную информацию из учебника по физике о жидком азоте и его применении.

50% от всего моего класса знают лишь о понятии «жидкий азот», но не знаю свойств и применения.

И наконец, 15% вообще ни разу в жизни не слышали о жидком азоте и не знают ничего, что с ним связано.

Опыты с жидким азотом

Опыт №1:Жидкий азот и пластиковая бутылка.
Я налил пластиковую бутылку из-под минеральной воды налил около 200 мл жидкого азота и плотно закрутил пробкой.

Бутылку разорвало через примерно через 4 минуты. Проводил 3 одинаковых эксперимента, время колебалось от 3:40 до 4:00 минут. Погрешности между опытами получились, вероятно, из-за разного количества азота и из-за разницы во времени, между наливанием азота и закручиванием крышки.

Опыт №2:Шарик и бутылка с жидким азотом.

С помощью жидкого азота я смог надуть воздушный шарик. В пластиковую бутылку я налил немного жидкого азота, затем плотно надел шарик на горлышко бутылки и наблюдал за тем, как шарик самостоятельно очень быстро надувался.

 Это явление обусловлено испарением жидкого азота в газ, который и раздувает шарик.

Опыт №3:Туман.

При помощи жидкого азота я самостоятельно сделал туман. Для этого в чайнике вскипятил воду и в емкость с жидким азотом добавила кипяток. Образовалось много белого тумана, который ударил из емкости небольшим фонтаном. Образовавшийся густой туман покрыл весь стол.

Появление тумана связано с резкой конденсацией паров воды при ее быстром охлаждении. По окончании опыта в емкости осталась вода, на поверхности которой плавали капли жидкого азота.

Заключение

В процессе работы над проектом я усвоил и закрепил для себя знания основ физики, узнал много нового о новой отрасли промышленности как криогенные технологии. Приобрел умения обращения с жидким азотом, его транспортировки и применения.

Одной из основных задач моего проекта было донесения знаний о таком понятии как жидкий азот. Поделиться этой информацией со сверстниками во благо расширения их кругозора и внедрения знаний о жидком азоте как важную составляющую повседневной жизни человека. Поставленные мной задачи были выполнены.

Используемая литература:

1. https://studopedia.ru/15_125293_vozduh-v-himicheskoy-tehnologii.html
2. https://kratkoe.com/kto-i-kogda-otkryil-azot/ 
3. https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_turbodetandera/2016-06-06-972
4. https://present5.com/sostav-vozduxa-produkty-ego-razdeleniya-i-ix-ispolzovanie/
5. http://dpairgas.com.ua/
6. Криогенные системы: Учебник для вузов по курсу "Криогенная техника"/ А.М. Архаров, В.П. Беляков, Е.И. Микулин и др. М.: Машиностроение, 1987.