Το κρυογονικό άζωτο είναι ένα πολύπλοκο σύστημα παραγωγής υγρού αζώτου ή αερίου αζώτου. Η αρχή λειτουργίας του περιλαμβάνει πολλές βασικές φυσικές διαδικασίες και συστατικά.
1. Προεπεξεργασία ακατέργαστου αέρα
1. Διήθηση
- Αρχικά, ο ακατέργαστος αέρας πρέπει να φιλτραριστεί. Ο αέρας περιέχει σωματίδια όπως σκόνη και ακαθαρσίες. Εάν δεν φιλτραριστούν, αυτές οι ακαθαρσίες θα μπλοκάρουν τον αγωγό ή θα επηρεάσουν την κανονική λειτουργία του εξοπλισμού στην επόμενη κρυογονική διαδικασία. Αυτή η διαδικασία είναι σαν να τοποθετείτε ένα κόσκινο στην είσοδο ενός πολύπλοκου μηχανικού συστήματος, επιτρέποντας μόνο στον καθαρό αέρα να εισέλθει στην επόμενη ροή επεξεργασίας.
2. Συμπίεση
- Ο φιλτραρισμένος αέρας θα συμπιεστεί από τον συμπιεστή. Ο σκοπός της συμπίεσης του αέρα είναι να αυξήσει την πίεση του αέρα, έτσι ώστε να είναι ευκολότερο να επιτευχθεί η μετατροπή από αέριο σε υγρό στην επακόλουθη διαδικασία ψύξης. Σύμφωνα με την εξίσωση ιδανικής κατάστασης αερίου \(PV=nRT\) (όπου \(P\) είναι πίεση, \(V\) είναι όγκος, \(n\) είναι η ποσότητα της ουσίας, \(R \) είναι η σταθερά του αερίου και \(T\) είναι η θερμοκρασία), όταν η πίεση \(P\) αυξάνεται, το αέριο είναι πιο πιθανό να υγροποιηθεί όταν η θερμοκρασία \(T\) μειωθεί. Σε γενικές γραμμές, ο συμπιεστής μπορεί να αυξήσει την πίεση του αέρα σε πολλές ατμόσφαιρες ή ακόμα και υψηλότερες.
2. Ψύξη και υγροποίηση του αέρα
1. Προψύξη
- Ο πεπιεσμένος αέρας θα εισέλθει στον προψύκτη για προψύξη. Ο προψύκτης χρησιμοποιεί συνήθως ένα ψυκτικό μέσο (όπως νερό ή άλλα κρυογονικά υγρά) για να μειώσει τη θερμοκρασία του αέρα. Αυτό το βήμα προψύξης μπορεί αρχικά να μειώσει τη θερμοκρασία του αέρα και να μειώσει το φορτίο της επακόλουθης διαδικασίας βαθιάς ψύξης. Για παράδειγμα, ο πεπιεσμένος αέρας σε θερμοκρασία δωματίου μειώνεται από περίπου \(20 - 30^{\circ}C\) σε περίπου \( - 50^{\circ}C\).
2. Βαθιά ψύξη και υγροποίηση
- Στη συνέχεια, ο προψυκμένος αέρας εισέρχεται στον κύριο εναλλάκτη θερμότητας για βαθιά ψύξη. Στον κύριο εναλλάκτη θερμότητας, ο αέρας ανταλλάσσει θερμότητα με κρυογονικό υγρό άζωτο ή άλλα κρυογονικά μέσα. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία του κρυογονικού μέσου είναι πολύ χαμηλή (για παράδειγμα, το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου είναι -196^{\circ}C\), ο αέρας θα ψυχθεί σε μια θερμοκρασία κοντά στη θερμοκρασία υγροποίησής του σε αυτό διαδικασία. Καθώς η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει, ο αέρας σταδιακά υγροποιείται για να σχηματίσει υγρό αέρα (υγρό αέρα).
III. Παραγωγή υγρού αζώτου και διαχωρισμός αζώτου
1. Απόσταξη
- Ο υγρός αέρας θα εισέλθει στον πύργο απόσταξης για τον διαχωρισμό της απόσταξης. Ο πύργος απόσταξης είναι ένα από τα βασικά συστατικά του εξοπλισμού κρυογονικού αζώτου. Στον πύργο απόσταξης, τα συστατικά όπως το υγρό άζωτο και το υγρό οξυγόνο διαχωρίζονται από διαφορετικά σημεία βρασμού. Το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου είναι χαμηλότερο από αυτό του υγρού οξυγόνου. Σε διαφορετικά ύψη στον πύργο απόσταξης, οι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης είναι διαφορετικές, έτσι ώστε το υγρό άζωτο να διαχωρίζεται στην κορυφή του πύργου. Αυτή η διαδικασία είναι σαν ένα λεπτό κοσκίνισμα σύμφωνα με τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της ουσίας, εξαγωγή υγρού αζώτου από τον αναμεμειγμένο υγρό αέρα.
2. Απόκτηση αζώτου
- Το υγρό άζωτο που λαμβάνεται από την κορυφή του πύργου απόσταξης μπορεί να αποθηκευτεί ως προϊόν. Εάν χρειάζεται αέριο άζωτο, το υγρό άζωτο μπορεί να εξατμιστεί μέσω ενός εξατμιστή ή άλλου εξοπλισμού θέρμανσης για να ληφθεί άζωτο υψηλής καθαρότητας. Η καθαρότητα του αζώτου μπορεί να φτάσει το \(99,999\%\) ή ακόμα υψηλότερο σύμφωνα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις παραγωγής και την απόδοση του εξοπλισμού.
IV. Βοηθητικά συστήματα εξοπλισμού
1. Σύστημα ψύξης
- Ολόκληρος ο εξοπλισμός κρυογονικού αζώτου απαιτεί σύστημα ψύξης για την παροχή περιβάλλοντος χαμηλής θερμοκρασίας. Το σύστημα ψύξης συνήθως υιοθετεί την αρχή του κύκλου συμπίεσης-διαστολής. Για παράδειγμα, το ψυκτικό συμπιέζεται από έναν συμπιεστή και στη συνέχεια το ψυκτικό διαστέλλεται και αποσυμπιέζεται μέσω μιας βαλβίδας εκτόνωσης. Σε αυτή τη διαδικασία, το ψυκτικό απορροφά θερμότητα, παρέχοντας έτσι συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας για την ψύξη και την υγροποίηση του αέρα. Τα κοινά ψυκτικά μέσα περιλαμβάνουν το ίδιο το υγρό άζωτο (σε ορισμένα συστήματα αυτοκυκλοφορίας) ή άλλα ψυκτικά χαμηλής θερμοκρασίας όπως το φρέον (σε ορισμένες συγκεκριμένες ψυκτικές μονάδες).
2. Σύστημα ελέγχου
- Προκειμένου να διασφαλιστεί η σταθερή λειτουργία του εξοπλισμού, ο εξοπλισμός κρυογονικού αζώτου είναι εξοπλισμένος με σύστημα ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου μπορεί να παρακολουθεί παραμέτρους όπως θερμοκρασία, πίεση, ροή κ.λπ. κάθε βασικού τμήματος του εξοπλισμού. Για παράδειγμα, όταν η πίεση ή η θερμοκρασία του αέρα αποκλίνει από την καθορισμένη τιμή, το σύστημα ελέγχου θα προσαρμόσει αυτόματα την ταχύτητα του συμπιεστή, το άνοιγμα της βαλβίδας κ.λπ. για να εξασφαλίσει τη σταθερότητα της διαδικασίας παραγωγής και την ποιότητα του προϊόντος.
Μέσω της παραπάνω σειράς πολύπλοκων διεργασιών, ο εξοπλισμός κρυογονικού αζώτου μετατρέπει τον ακατέργαστο αέρα σε υγρό άζωτο ή αέριο άζωτο υψηλής καθαρότητας για να καλύψει τις ανάγκες διαφόρων βιομηχανιών, ιατρικής θεραπείας, επιστημονικής έρευνας και άλλων τομέων.
