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Flüssigstickstoff ist ein unverzichtbarer Rohstoff in verschiedenen Branchen, darunter Medizin, Lebensmittel, Chemie, Luft- und Raumfahrt und anderen. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften spielt er in verschiedenen Prozessen eine wichtige Rolle. In diesem Artikel analysieren wir den Prozess der Flüssigstickstoffproduktion, seine Anwendung und Bedeutung.
Was ist flüssiger Stickstoff?
Definition von flüssigem Stickstoff
Flüssigstickstoff (LN2) ist Stickstoffgas, das bei extrem niedrigen Temperaturen (ca. -196 °C bzw. 77 K) flüssig ist. Diese Substanz ist farb-, geruchs- und geschmacklos und kann aufgrund ihrer extrem niedrigen Temperatur Materialien schnell einfrieren.
Eigenschaften von flüssigem Stickstoff
- Tiefenkryogenik : Flüssiger Stickstoff ist extrem kalt und kann Materialien in Sekundenschnelle einfrieren.
- Inertheit : Aufgrund seiner chemischen Inertheit reagiert flüssiger Stickstoff nicht mit vielen Materialien und wird in vielen Anwendungen als Abschirmmaterial verwendet.
- Schnelle Verdunstung : Flüssiger Stickstoff verdunstet schnell und kehrt in den gasförmigen Zustand zurück, was für einige Anwendungen nützlich ist, beispielsweise zum Kühlen und Schützen empfindlicher Materialien.
Herstellungsprozess von flüssigem Stickstoff
1. Luftdestillation
Eine der gängigsten Methoden zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff ist die aerobe Fraktionierung. Der Prozess umfasst die folgenden Schritte:
- Luftdruck : Luft wird mithilfe eines Kompressors auf hohen Druck komprimiert.
- Luftreinigung : Entfernen von Schadstoffen wie Kohlendioxid und Wasserdampf aus der Luft.
- Luftkühlung : Ein Wärmetauscher wird verwendet, um die Lufttemperatur auf eine niedrigere Temperatur abzusenken, bis sie den Gefrierpunkt erreicht.
- Fraktionierung : Die Luft durchläuft verschiedene Destillationsstufen, um ihre Bestandteile zu trennen. Aufgrund des niedrigen Siedepunkts wird Stickstoff von den anderen Bestandteilen der Luft getrennt und verflüssigt.
- Lagerung von flüssigem Stickstoff : Der produzierte flüssige Stickstoff wird in speziellen Tanks konserviert und gelagert.
2. Druckschwankungen nutzen
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von flüssigem Stickstoff ist die Nutzung von Druckschwankungen. Dabei wird Luft komprimiert, gekühlt und der Druck anschließend schnell reduziert, um flüssigen Stickstoff zu erzeugen. Der Prozess umfasst die folgenden Schritte:
- Luftdruck : Luft wird durch einen Kompressor komprimiert.
- Luftkühlung : Ein Wärmetauscher wird verwendet, um die Lufttemperatur auf eine niedrigere Temperatur zu senken.
- Dekompression: Flüssiger Stickstoff wird durch schnelle Reduzierung des Gasdrucks erzeugt .
- Lagerung von flüssigem Stickstoff : Der produzierte flüssige Stickstoff wird in speziellen Tanks konserviert und gelagert.
3. Temperaturschwankungen ausnutzen
Bei diesem Verfahren wird Luft gekühlt und anschließend durch Temperaturschwankungen flüssiger Stickstoff erzeugt. Der Prozess umfasst folgende Schritte:
- Luftkühlung : Ein Wärmetauscher wird verwendet, um die Lufttemperatur auf eine niedrigere Temperatur zu senken.
- Temperaturschwankungen : Flüssiger Stickstoff entsteht durch Temperaturschwankungen und allmähliche Temperaturabsenkung.
- Lagerung von flüssigem Stickstoff : Der produzierte flüssige Stickstoff wird in speziellen Tanks konserviert und gelagert.
Anwendungen von flüssigem Stickstoff
1. Medizin
Flüssiger Stickstoff wird in der Medizin zum Einfrieren und Konservieren biologischer Proben wie Zellen, Gewebe und Blutproben verwendet . Er wird auch in der Kryochirurgie zur Entfernung von Hautwucherungen und Tumoren eingesetzt.
2. Lebensmittelindustrie
In der Lebensmittelindustrie wird flüssiger Stickstoff zum schnellen Einfrieren von Lebensmitteln wie Obst, Gemüse und Fleisch verwendet. Dieser Prozess trägt dazu bei, die Qualität und Frische der Lebensmittel zu erhalten und die Bildung großer Eiskristalle zu verhindern.
3. Chemie und Industrie
In der chemischen Industrie und der industriellen Fertigung wird flüssiger Stickstoff als Kühlmittel bei chemischen Prozessen und zum schnellen Einfrieren von Materialien eingesetzt. Er wird auch bei der Herstellung von Sprengstoffen und zur Kühlung von Laborgeräten verwendet.
4. Luftraum
In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird flüssiger Stickstoff zur Kühlung von Triebwerken und elektronischen Komponenten von Raumfahrzeugen und Satelliten eingesetzt. Aufgrund seiner hervorragenden Kühleigenschaften ist dieses Material in diesen Bereichen besonders nützlich.
5. Speicherung von Erdgas
Flüssigstickstoff wird verwendet, um bestimmte Gase wie Helium und Wasserstoff in flüssiger Form zu speichern. Dieses Verfahren ermöglicht kleinere Volumina und eine effizientere Speicherung.
Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff
Kontakt mit Haut und Augen
Da flüssiger Stickstoff sehr kalt ist, kann er schwere Erfrierungen und schwere Schäden an Haut und Augen verursachen. Persönliche Schutzausrüstung wie frostbeständige Handschuhe und Schutzbrille müssen getragen werden.
ausreichende Belüftung
Flüssiger Stickstoff verdunstet schnell und wird gasförmig. Die Ansammlung von flüssigem Stickstoff in einem geschlossenen Raum kann zu Sauerstoffmangel führen und das Erstickungsrisiko erhöhen. Daher ist eine gute Belüftung in Bereichen, in denen flüssiger Stickstoff verwendet wird, von entscheidender Bedeutung.
Transport und Lagerung
Flüssiger Stickstoff muss in speziellen Tanks und Behältern gelagert und transportiert werden. Die Konstruktion dieser Tanks muss Wärmeverlust und schnelle Verdunstung des Stickstoffs verhindern. Darüber hinaus müssen Kraftstofftanks sorgfältig geprüft und gewartet werden, um Lecks und potenzielle Gefahren zu vermeiden.
Endlich
Flüssiger Stickstoff ist ein wichtiger Werkstoff in verschiedenen Branchen und spielt eine bedeutende Rolle in Fertigung, Wartung und Forschung. Der Prozess der Gewinnung von flüssigem Stickstoff erfolgt durch fraktionierte Destillation von Luft unter Verwendung von Druck- und Temperaturschwankungen. Die vielfältigen Anwendungen des Materials in der Pharma-, Lebensmittel-, Chemie-, Luft- und Raumfahrt- sowie Gasspeicherindustrie unterstreichen seine Bedeutung. Die Arbeit mit flüssigem Stickstoff erfordert jedoch die Einhaltung von Sicherheitsstandards und die Verwendung geeigneter Ausrüstung, um mögliche Unfälle und Verletzungen zu vermeiden.