Криогенная жидкость

Криогенная жидкость — это сжиженный газ с температурой кипения ниже −90 °C (183 K) при нормальном атмосферном давлении. Криогенные жидкости относятся к классу криоагентов — веществ, используемых для достижения и поддержания сверхнизких температур. Основными представителями являются жидкий азот, жидкий кислород, жидкий гелий, жидкий водород, жидкий аргон и жидкий неон. Благодаря экстремально низким температурам и большим объёмам газов, выделяющихся при испарении, криогенные жидкости находят широкое применение в промышленности, медицине, научных исследованиях, энергетике и космонавтике.

Физические свойства

Криогенные жидкости обладают рядом уникальных физических характеристик, отличающих их от обычных жидкостей:

• Температура кипения — основной классификационный признак. Для жидкого азота она составляет −195,8 °C, для жидкого кислорода −183 °C, для жидкого гелия −268,9 °C (4,2 K), для жидкого водорода −252,9 °C.
• Плотность — криогенные жидкости имеют плотность, близкую к плотности воды (жидкий азот — 0,808 г/см³, жидкий кислород — 1,141 г/см³). Исключение составляет жидкий гелий (0,125 г/см³).
• Вязкость — при температурах, близких к точке кипения, вязкость криогенных жидкостей мала, что облегчает их перекачку и хранение.
• Коэффициент расширения — при испарении объём газа увеличивается в сотни раз (для жидкого азота — примерно в 700 раз, для жидкого водорода — в 850 раз). Это свойство создаёт опасность разрыва сосудов при неправильном хранении.
• Критическая температура — для всех криогенных жидкостей она значительно ниже комнатной, поэтому они не могут существовать в жидкой фазе при нормальных условиях без постоянного охлаждения.

Классификация и виды

Криогенные жидкости классифицируют по химическому составу, температуре кипения и области применения.

По химическому составу

• Простые вещества — одноатомные или двухатомные газы: азот, кислород, водород, гелий, неон, аргон.
• Сложные вещества — смеси или соединения: жидкий природный газ (СПГ), жидкий воздух, жидкий метан.

По температуре кипения

• Среднетемпературные криогенные жидкости — с температурой кипения от −90 °C до −200 °C (азот, кислород, аргон).
• Низкотемпературные криогенные жидкости — с температурой кипения ниже −200 °C (гелий, водород, неон).

По агрегатному состоянию при хранении

• Криогенные жидкости нормального давления — хранятся в открытых или слабоизолированных сосудах при атмосферном давлении (например, жидкий азот в сосудах Дьюара).
• Криогенные жидкости под давлением — для повышения температуры хранения (например, жидкий кислород в баллонах под давлением до 15 МПа).

Получение

Основным промышленным способом получения криогенных жидкостей является сжижение газов методом глубокого охлаждения. Процесс включает несколько стадий:

1. Очистка — удаление примесей (воды, углекислого газа, масел), которые могут замерзать и забивать оборудование.
2. Сжатие — газ сжимается компрессором до давления 10–30 МПа.
3. Охлаждение — сжатый газ охлаждается в теплообменниках до температуры, близкой к точке кипения.
4. Расширение — газ проходит через детандер или дроссельный вентиль, где резко расширяется, что вызывает падение температуры и частичную конденсацию.
5. Разделение — полученная жидкая фракция отделяется от газовой в сепараторе.

Наиболее распространённые технологии:

• Цикл Линде — основан на дросселировании (эффект Джоуля — Томсона). Используется для сжижения воздуха, азота, кислорода.
• Цикл Клода — с применением детандера (машины, совершающей работу за счёт расширения газа). Эффективнее для сжижения гелия и водорода.
• Цикл Брайтона — с внешним охлаждением (например, с помощью жидкого азота). Применяется для сжижения природного газа.

Хранение и транспортировка

Хранение криогенных жидкостей требует специальных криогенных сосудов — теплоизолированных ёмкостей, минимизирующих теплоприток из окружающей среды. Основные типы:

• Сосуды Дьюара — двойные стенки с вакуумной изоляцией и отражающим покрытием. Используются для лабораторных и медицинских целей (объём от 1 до 100 литров).
• Криогенные танки — стационарные резервуары с вакуумно-порошковой или вакуумно-многослойной изоляцией. Объём от 1 до 1000 м³.
• Транспортные цистерны — автоцистерны и железнодорожные цистерны с двойными стенками и вакуумной изоляцией. Предназначены для перевозки жидкого азота, кислорода, СПГ.

Ключевой параметр — скорость испарения (boil-off rate). Для современных сосудов она составляет 0,1–2 % от объёма в сутки. При хранении жидкого гелия или водорода из-за крайне низкой теплоты испарения потери могут быть выше, поэтому используются активные системы реконденсации.

Применение

Промышленность

• Металлургия — жидкий кислород используется для интенсификации доменного и конвертерного процессов, при резке и сварке металлов.
• Химическая промышленность — жидкий азот как инертная среда для предотвращения окисления, жидкий водород — сырьё для синтеза аммиака.
• Нефтегазовая отрасль — сжиженный природный газ (СПГ) — компактная форма хранения и транспортировки природного газа.

Медицина

• Криохирургия — жидкий азот используется для разрушения патологических тканей (бородавок, опухолей) методом глубокого замораживания.
• Криоконсервация — хранение биологических образцов (спермы, яйцеклеток, эмбрионов, крови) при температуре −196 °C в жидком азоте.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — жидкий гелий служит хладагентом для сверхпроводящих магнитов, создающих сильное магнитное поле.

Научные исследования

• Физика низких температур — жидкий гелий используется для изучения сверхпроводимости, сверхтекучести, квантовых эффектов.
• Космическая техника — жидкий водород и жидкий кислород — компоненты ракетного топлива (например, в двигателях РД-0120, RS-25).
• Детекторы частиц — криогенные жидкости (жидкий аргон, жидкий ксенон) применяются в калориметрах и время-проекционных камерах для регистрации элементарных частиц.

Энергетика

• Сверхпроводящие кабели — криогенные жидкости (жидкий азот) используются для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников до рабочей температуры.
• Аккумулирование энергии — жидкий воздух или жидкий азот могут хранить энергию в виде холода с последующим преобразованием в механическую работу (криогенные накопители энергии).

Опасности и меры безопасности

Криогенные жидкости представляют несколько типов опасностей:

1. Обморожение — при контакте с кожей или слизистыми оболочками мгновенно вызывают глубокие холодовые ожоги. Требуется использование защитной одежды, перчаток и очков.
2. Асфиксия — при испарении криогенные жидкости вытесняют кислород из воздуха. В замкнутых помещениях возможно удушье. Необходима вентиляция и контроль содержания кислорода.
3. Взрывопожароопасность — жидкий кислород, жидкий водород, жидкий природный газ являются горючими или окислителями. Недопустимо наличие масел, жиров, органических веществ вблизи жидкого кислорода (самовозгорание). Жидкий водород образует взрывоопасные смеси с воздухом.
4. Разрыв сосудов — из-за высокого коэффициента расширения при испарении сосуды с криогенными жидкостями должны иметь предохранительные клапаны и не могут быть герметично закрыты.

Интересные факты

• Первая успешная попытка сжижения газа (аммиака) была предпринята в 1799 году английским химиком Хамфри Дэви. Сжижение воздуха в промышленных масштабах стало возможным только в конце XIX века благодаря работам Карла фон Линде (Германия) и Джеймса Дьюара (Великобритания).
• Жидкий гелий является единственной жидкостью, которая не замерзает при нормальном давлении даже при абсолютном нуле (−273,15 °C) — он переходит в сверхтекучее состояние при температуре 2,17 K.
• В 2023 году в России на заводе «Криогенмаш» (г. Балашиха) был изготовлен крупнейший в Европе криогенный резервуар для хранения жидкого водорода объёмом 1000 м³.
• Жидкий азот широко используется в кулинарии для приготовления «дымящихся» десертов и напитков, однако требует строгого соблюдения техники безопасности из-за риска обморожения и асфиксии.

Источники

• Криогенные жидкости // Большая российская энциклопедия. — М., 2017.
• Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Криогенная техника и технология / Под ред. В. П. Белякова. — М.: Машиностроение, 1988.
• ГОСТ Р 57410-2017 «Сосуды криогенные. Общие технические условия».
• Инструкция по безопасной работе с криогенными жидкостями (утверждена Минздравом РФ, 2012).