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Construire votre propre générateur d’azote liquide

Jul 07, 2016

J’ai toujours été intriguée par des démonstrations scientifiques à l’aide d’azote liquide et souvent fait des voyages à un approvisionnement de soudure local magasin avec ma bouteille isotherme en acier inoxydable afin d’acheter de l’azote liquide et satisfaire mon envie cryogéniques à la maison. Après quelques pleins, j’ai interrogé sur la possibilité de faire de l’azote liquide sur demande. Certaines entreprises ont déjà produit des générateurs d’azote liquide autonomes qui sont conçus pour les petits laboratoires. Le Elan2 serait idéal pour les expérimentateurs maison, mais le coût dépasse les $ 10 000, alors j’ai décidé de construire un dispositif similaire avec moins la production totale, pureté inférieure et beaucoup moins cher. L’appareil que j’ai construit coûte moins de 500 $ et produit litre l d’azote liquide par jour.

Presque tout l’azote liquide à grande échelle faite par compression, refroidissement et l’élargissement d’air. Ce processus élimine la chaleur de l’air et peut être répété jusqu'à ce que l’air se liquéfie. Les gaz à condensation sont alors séparés à l’aide d’une distillation fractionnée. Ce processus ne peut pas être facilement réduit car elle s’appuie sur le maintien d’une colonne de distillation complexe, grande pour séparer d’azote les autres gaz dans l’air. Pour éviter d’utiliser une colonne de distillation, on pourrait utiliser un dispositif de séparation azote pour enlever l’azote de l’air à température ambiante. Puis, l’azote de la température ambiante peut être liquéfié par l’intermédiaire de la méthode standard de compression et d’extension. C’est probablement le processus utilisé dans le générateur de Elan2. Cependant, elle exige toujours l’utilisation d’un compresseur à très haute pression et échangeur de chaleur, isolation vaste et nombreuses autres pièces personnalisées.

Nitrogen Storage Tank

J’ai acheté le Superfilter sur eBay et extraites de la cryorefroidisseur. Afin de tester l’appareil, j’ai attaché un petit radiateur à pointe froide de la glacière, placé la pointe dans une fiole à vide domestique et mis l’appareil sous tension. Après 30 minutes, j’ai pris la cryoréfrigérateur de la fiole et remarqué qu'une petite quantité d’air liquide avait recueilli en bas. Inspiré par ce succès, j’ai continué la construction d’un générateur d’azote liquide plus complète. J’ai déjà possédé un dewar de 30 litres (grande Bouteille isotherme) et fabriqué une plaque acrylique qui scelle la partie supérieure de la dewar, tandis que le cryorefroidisseur était également monté au créneau avec son dissipateur de chaleur pendant vers le bas dans le col de la fiole. J’ai aussi supprimé le radiateur à ailettes de la cryoréfrigérateur sur sa zone de rejet de chaleur et l’a remplacé avec un collecteur en refroidissement liquide. Liquide de refroidissement abaisse la température de surface de rejet thermique plus efficacement que le refroidissement par air forcé, et c’est finalement conduire à une plus grande efficacité du système.

Le cycle de Stirling cryoréfrigérateur avec radiateur personnalisé et dewar-plaque acrylique. La plaque de montage a un joint en caoutchouc qui forme un joint avec le cou de la dewar.

Le générateur d’azote liquide possède deux sections principales, le dewar avec cryoréfrigérateur et l’air équipements qui crée l’azote sec de l’air atmosphérique. L’azote est injecté dans le dewar à juste au-dessus de la pression atmosphérique où le cryoréfrigérateur frissons l’azote jusqu'à ce qu’il se liquéfie et s’égoutte hors du dissipateur de chaleur. Étonnamment, la plupart du budget temps du projet ont été dépensés conception et la construction de l’équipement pour produire de l’azote sec dans l’air. Il y a des entreprises qui font d’azote sec d’alimentation des appareils, mais même de petites unités sont destinées à des débits beaucoup plus élevés que ce qui est nécessaire par ce générateur d’azote liquide. Chaque litre d’azote liquide nécessite environ 700 litres d’azote à la température ambiante. 700 litres par jour est de seulement 0.5 l/min, un débit très modeste. Une utilisation populaire, mais inutile pour l’azote relativement faible pureté vient combler les pneus de voiture. J’ai essayé d’acheter une telle machine, mais le taux de coût et de la circulation étaient beaucoup plus élevés que prévu. Au lieu de cela, j’ai trouvé une membrane de séparation azote infime sur eBay. Son utilisation originale était inconnue. La membrane de séparation est l’élément proprement dit, à l’intérieur de générateurs d’azote commerciaux qui effectuent la séparation de gaz. La membrane est transformée en un gros faisceau de centaines de tubes de diamètre 2mm. Air est injecté sous haute pression dans une extrémité du faisceau. Les parois du tube sont semi-perméable et permettant à l’oxygène, vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et autres gaz « rapide » de pénétrer assez rapidement. Azote et des gaz plus lourds imprègnent pas aussi rapidement, donc la concentration d’azote est beaucoup plus élevée à la fin de la sortie des tubes qu’il est à l’extrémité d’entrée. Degrés de pureté plus élevées d’azote est possible en limitant le débit à travers les tubes, permettant ainsi à beaucoup de temps pour les gaz non désirés à imprégner les parois du tube et laisser le système. L’azote qui en résulte contient des traces d’argon et même de plus petites quantités d’autres gaz noble.

Air Processing Unit

Unité avec deux chambres de dessiccateur d’aluminium, deux petits filtres coalescents noirs, deux filtres à charbon beige, membrane de séparation d’azote en bas à droite et un débitmètre avec soupape à pointeau de traitement de l’air.

J’ai aussi construit un dessiccateur de bouteilles en aluminium remplis de gel de silice et cela en raccordée au système avant que l’air atteigne la membrane de séparation. Ces unités sont disponibles sur le marché, et celui que j’ai construit n’est pas particulièrement spécialisé. Il existe aussi des membranes de séparation pour enlever l’eau, et ce serait une amélioration sur gel de silice dessicators, qui exigent le gel à déshydrater dans un four après qu’il devient saturé d’eau.

Le générateur d’azote liquide s’est avéré être un fiable, mais assez lente méthode pour produire de petites quantités d’azote liquide à la maison. Le refroidissement initial de la dewar prend environ 12 à 18 heures, après quoi l’azote liquide est produit à un taux net de 1 litre par jour. Le générateur utilise environ 300 à 400 watts d’électricité (y compris le refroidisseur d’eau, qui allume et éteint), donc des coûts de l’énergie pour produire un litre de l’azote liquide est environ 8,5 KWh, soit 1,10 $. C’est nettement moins cher que d’avoir un thermos rempli à un magasin local de fournitures soudure.

LN2 Generator overview

Aperçu du système montrant un climatiseur de fenêtre transformée en un liquide refroidisseur avec lignes en cours d’exécution à la cryo-glacière qui est montée au sommet d’un Linde dewar de refroidissement par liquide. Le compresseur de réfrigération supplémentaires monté sur le dessus du climatiseur comprime l’air atmosphérique pour la production de l’azote liquide.