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Flüssiger Stickstoff mit der chemischen Formel N₂ ist eine farb- und geruchlose sowie ungiftige Flüssigkeit, die durch Verflüssigung von Stickstoff in einem Tiefkühlprozess gewonnen wird. Aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten findet er breite Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung, Medizin, Industrie und beim Einfrieren von Lebensmitteln. Wie entsteht flüssiger Stickstoff? Dieser Artikel beantwortet diese Frage ausführlich aus verschiedenen Blickwinkeln: der Stickstoffgewinnung, dem Tiefkühl-Luftzerlegungsverfahren, dem Prozess der Flüssigstickstoffproduktion und seinen praktischen Anwendungen.

Stickstoffextraktion

Die Herstellung von flüssigem Stickstoff erfordert zunächst die Gewinnung von reinem Stickstoff. Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Erdatmosphäre und macht 78 % des Luftvolumens aus. Die Stickstoffgewinnung erfolgt üblicherweise mithilfe der Tiefkaltluftzerlegungstechnologie oder der Druckwechseladsorption (PSA). Die Tiefkaltluftzerlegung ist das industriell am häufigsten verwendete Verfahren. Durch Komprimieren und Abkühlen der Luft werden Sauerstoff, Stickstoff und andere Gaskomponenten bei unterschiedlichen Temperaturen getrennt. Das Druckwechseladsorptionsverfahren nutzt die unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften von Adsorbentien für verschiedene Gase und erzeugt durch einen Zyklus aus Adsorption und Desorption hochreinen Stickstoff. Diese Verfahren gewährleisten die Reinheit und Qualität des Stickstoffs als Rohstoff für die Herstellung von flüssigem Stickstoff.

Tiefkaltlufttrennungsverfahren

Die Tiefkaltluftzerlegung ist einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von flüssigem Stickstoff. Dabei werden die unterschiedlichen Siedepunkte der Gase in der Luft genutzt, um Stickstoff, Sauerstoff und andere Gaskomponenten zu verflüssigen und allmählich zu verdampfen. Der Siedepunkt von Stickstoff liegt bei -195,8 °C, der von Sauerstoff bei -183 °C. Durch die schrittweise Absenkung der Temperatur wird zunächst der Sauerstoff verflüssigt und von den anderen Gasen getrennt, sodass der verbleibende Teil als Stickstoff mit höherer Reinheit übrig bleibt. Anschließend wird dieser Stickstoff weiter unter seinen Siedepunkt abgekühlt, um ihn zu flüssigem Stickstoff zu verflüssigen – das Kernprinzip der Flüssigstickstoffbildung.

Der Prozess der Flüssigstickstoffproduktion

Der Prozess der Flüssigstickstoffherstellung umfasst mehrere Hauptschritte: Zunächst wird die Luft komprimiert und gereinigt, um Verunreinigungen wie Wasser und Kohlendioxid zu entfernen. Anschließend wird die Luft vorgekühlt, üblicherweise auf etwa -100 °C, um die Trennleistung zu verbessern. Anschließend wird eine Tiefkalttrennung durchgeführt, bei der das Gas schrittweise auf die Verflüssigungstemperatur von Stickstoff abgekühlt wird, um Flüssigstickstoffgas zu erhalten. Wärmetauscher und Fraktioniertürme spielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle, um die effektive Trennung der verschiedenen Komponenten bei geeigneten Temperaturen zu gewährleisten. Schließlich wird das Flüssigstickstoffgas in speziell konstruierten Isolierbehältern gelagert, um seine extrem niedrige Temperatur zu halten und Verdampfungsverluste zu vermeiden.

Technische Herausforderungen bei der Bildung von flüssigem Stickstoff

Die Herstellung von flüssigem Stickstoff erfordert die Bewältigung mehrerer technischer Herausforderungen. Die erste ist die Aufrechterhaltung einer Umgebung mit niedriger Temperatur, da der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff extrem niedrig ist. Während des Verflüssigungsprozesses muss eine Temperatur unter -195,8 °C aufrechterhalten werden, was leistungsstarke Kühlgeräte und Isoliermaterialien erfordert. Zweitens muss während des Tiefkühlprozesses eine übermäßige Kondensation von Sauerstoff vermieden werden, da flüssiger Sauerstoff stark oxidierende Eigenschaften hat und potenzielle Sicherheitsrisiken birgt. Daher muss während des Konstruktionsprozesses der Stickstoff-Sauerstoff-Trennprozess präzise gesteuert und geeignete Materialien verwendet werden, um die Sicherheit und Stabilität des Systems zu gewährleisten. Darüber hinaus sind für Transport und Lagerung von flüssigem Stickstoff speziell entwickelte Dewar-Gefäße erforderlich, um Temperaturanstiege und den Verlust von flüssigem Stickstoff durch Verdampfung zu verhindern.

Tatsächliche Anwendungen von flüssigem Stickstoff

Die Tieftemperatureigenschaften von flüssigem Stickstoff machen ihn vielseitig einsetzbar. In der Medizin wird flüssiger Stickstoff in der Kryochirurgie und Gewebekonservierung eingesetzt, beispielsweise zum Einfrieren von Hautläsionen und zur Konservierung biologischer Proben. In der Lebensmittelindustrie wird flüssiger Stickstoff zum Schnellgefrieren von Lebensmitteln verwendet, da seine extrem niedrige Temperatur Lebensmittel schnell gefrieren lässt, Schäden an der Zellstruktur reduziert und so der ursprüngliche Geschmack und Nährwert der Lebensmittel erhalten bleibt. In der Forschung wird flüssiger Stickstoff häufig in der Supraleitungsforschung, bei Tieftemperaturphysik-Experimenten usw. verwendet, da er eine extrem niedrige Temperatur für Experimente bietet. Darüber hinaus wird flüssiger Stickstoff in der industriellen Fertigung in der Metallverarbeitung, Wärmebehandlung und als Inertgas verwendet, um bestimmte chemische Reaktionen zu verhindern. Fazit

Die Entstehung von flüssigem Stickstoff ist ein komplexer physikalischer Prozess, der hauptsächlich durch Tiefkühllufttrennung und Verflüssigungstechnologien erreicht wird. Aufgrund seiner niedrigen Temperaturen spielt flüssiger Stickstoff eine bedeutende Rolle in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Medizin und Forschung. Von der Stickstoffgewinnung über die Tiefkühlverflüssigung bis hin zur Anwendung zeigt jeder Schritt die Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Kälte- und Trenntechnologien. In der Praxis müssen Techniker den Produktionsprozess kontinuierlich optimieren, um den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz der Flüssigstickstoffproduktion zu verbessern.

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