سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

فناوری کرایوژنیک، که به مطالعه و کاربرد مواد در دماهای بسیار پایین می‌پردازد، نقشی حیاتی در دنیای مدرن ایفا می‌کند. یکی از ستون‌های اصلی این فناوری، کانتینرهای کرایوژنیک هستند؛ مخازنی که برای ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل ایمن و کارآمد گازهای مایع در دماهای فوق‌العاده پایین طراحی شده‌اند. این گازها، که شامل مواردی مانند هیدروژن مایع (LH2)، نیتروژن مایع (LN2)، اکسیژن مایع (LOX)، آرگون مایع (LAr)، متان مایع (LNG) و دی‌اکسید کربن مایع (LCO2) می‌شوند، در طیف گسترده‌ای از صنایع، از هوافضا و پزشکی گرفته تا غذا و نوشیدنی و تحقیقات علمی، کاربرد دارند.

توانایی نگهداری حجم زیادی از این گازها در حالت مایع، که حجم بسیار کمتری نسبت به حالت گازی خود دارند، مزیت اقتصادی و لجستیکی قابل توجهی را فراهم می‌کند. با این حال، ماهیت دمای پایین این مواد، چالش‌های مهندسی منحصر به فردی را در طراحی، ساخت، نگهداری و استفاده از کانتینرهای مربوطه ایجاد می‌کند. این چالش‌ها عمدتاً به تبادل حرارتی ناخواسته با محیط اطراف، حفظ فشار مناسب داخلی، و اطمینان از مقاومت مواد در برابر دماهای انجماد و شکنندگی ناشی از آن مربوط می‌شود.

تعریف کانتینرهای کرایوژنیک

کانتینرهای کرایوژنیک، که گاهی اوقات مخازن کرایوژنیک یا تانکرهای کرایوژنیک نیز نامیده می‌شوند، مخازن ویژه‌ای هستند که برای ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل مواد در دماهای بسیار پایین، به طور کلی زیر ۱۵۰- درجه سانتی‌گراد (یا ۱۲۳ کلوین)، طراحی و ساخته شده‌اند. این محدوده دمایی، که به عنوان قلمرو کرایوژنیک شناخته می‌شود، شامل گازهایی است که در دمای محیط معمولاً به صورت گازی وجود دارند اما می‌توانند با کاهش دما به زیر نقطه جوش خود، به حالت مایع درآیند.

ماهیت اساسی کانتینرهای کرایوژنیک، توانایی آن‌ها در به حداقل رساندن انتقال حرارت از محیط گرم‌تر اطراف به مایع بسیار سرد در داخل مخزن است. گرمای ورودی به مایع کرایوژنیک باعث تبخیر آن می‌شود (فرآیندی که به آن “Boil-off” گفته می‌شود). در حالی که مقداری تبخیر اجتناب‌ناپذیر است، طراحی کانتینرها برای به حداقل رساندن این تلفات، حیاتی است.

برای دستیابی به این هدف، اکثر کانتینرهای کرایوژنیک از ساختار دوجداره (Double-walled) با خلاء (Vacuum) در فضای بین دو دیواره استفاده می‌کنند. این ساختار، که به آن “دوجداره خلاء” یا “عایق خلاء” گفته می‌شود، شبیه به فلاسک‌های ترموس است.

دیواره داخلی (Inner Vessel): این دیواره مستقیماً با مایع کرایوژنیک در تماس است و از موادی ساخته می‌شود که در دماهای پایین مقاومت خود را حفظ کنند.

دیواره خارجی (Outer Vessel): این دیواره، که محفظه بیرونی کانتینر را تشکیل می‌دهد، در معرض فشار اتمسفر قرار دارد و وظیفه محافظت از دیواره داخلی و عایق خلاء را بر عهده دارد.

فضای خلاء (Vacuum Space): فضای بین دو دیواره از هوا تخلیه شده و خلاء ایجاد می‌شود. خلاء، موثرترین شکل عایق‌بندی حرارتی است زیرا انتقال حرارت از طریق هدایت (Conduction) و همرفت (Convection) را به شدت کاهش می‌دهد.

عایق‌بندی اضافی (Additional Insulation): علاوه بر خلاء، ممکن است لایه‌های اضافی از مواد عایق مانند عایق چند لایه (Multi-layer Insulation – MLI) در فضای خلاء قرار داده شوند. MLI معمولاً شامل لایه‌های نازک ورق بازتابنده (مانند مایلار با پوشش آلومینیوم) است که با فاصله‌دهنده‌های نازک از هم جدا شده‌اند. این لایه‌ها با کاهش انتقال حرارت تابشی (Radiation)، اثربخشی عایق‌بندی را افزایش می‌دهند.

دمای کارکرد این کانتینرها به طور قابل توجهی پایین‌تر از دمای محیط است، به همین دلیل حفظ این اختلاف دمایی زیاد، چالش اصلی طراحی است. به عنوان مثال، نیتروژن مایع در حدود ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد (۷۷ کلوین) و هیدروژن مایع در حدود ۲۵۳- درجه سانتی‌گراد (۲۰ کلوین) نگهداری می‌شود. این دماهای بسیار پایین، انتخاب مواد، فرآیندهای ساخت و الزامات عملیاتی را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند.

اصول طراحی کانتینرهای گازهای مایع

طراحی کانتینرهای کرایوژنیک یک فرآیند مهندسی پیچیده است که نیازمند در نظر گرفتن فاکتورهای متعدد برای اطمینان از ایمنی، کارایی و دوام است. هدف اصلی، نگهداری ایمن گاز در دما و فشار مورد نظر، با حداقل تلفات ناشی از تبخیر (Boil-off) است. اصول کلیدی طراحی عبارتند از:

• عایق حرارتی (Thermal Insulation)

این مهم‌ترین جنبه در طراحی کانتینرهای کرایوژنیک است. همانطور که در بخش قبل اشاره شد، ساختار دوجداره خلاء، هسته اصلی سیستم عایق‌بندی را تشکیل می‌دهد. با این حال، جزئیات طراحی عایق حرارتی شامل موارد زیر است:

خلاء بالا (High Vacuum): حفظ سطح خلاء بالا در فضای بین دوجداره برای به حداقل رساندن انتقال حرارت هدایتی و همرفتی ضروری است. پمپ‌های خلاء در زمان ساخت برای ایجاد این خلاء استفاده می‌شوند و حفظ آن در طول عمر کانتینر از طریق طراحی مناسب و استفاده از مواد جاذب گاز (Getter materials) که گازهای باقی‌مانده را جذب می‌کنند، تضمین می‌شود.

عایق چند لایه (MLI): برای کاهش انتقال حرارت تابشی، که در دماهای پایین نیز قابل توجه است، از MLI استفاده می‌شود. این لایه‌ها به طور استراتژیک بین دو دیواره قرار می‌گیرند. طراحی MLI شامل تعداد لایه‌ها، فاصله بین لایه‌ها و مواد مورد استفاده است که همگی بر عملکرد حرارتی تأثیر می‌گذارند.

اتصالات و سیستم‌های پایپینگ (Connections and Piping Systems): نقاط اتصال لوله‌ها، شیرها و سنسورها به دیواره داخلی می‌توانند مسیرهای ناخواسته انتقال حرارت (Heat Leaks) ایجاد کنند. طراحی این اتصالات به گونه‌ای که مقاومت حرارتی بالایی داشته باشند، بسیار مهم است. استفاده از مواد با رسانایی حرارتی پایین (مانند فولاد ضد زنگ یا کامپوزیت‌ها) و طراحی مسیرهای طولانی برای انتقال حرارت، از جمله روش‌های کاهش این اتلافات است.

پد یا پایه‌های نگه‌دارنده (Support System): دیواره داخلی باید توسط سیستمی در جای خود نگه داشته شود که هم استحکام مکانیکی لازم را فراهم کند و هم حداقل انتقال حرارت را داشته باشد. این سیستم‌ها معمولاً از مواد با رسانایی حرارتی پایین ساخته شده و به گونه‌ای طراحی می‌شوند که سطح تماس کمتری با دیواره داخلی داشته باشند.

• فشار داخلی (Internal Pressure)

مایعات کرایوژنیک به طور مداوم تبخیر می‌شوند و بخار حاصل، فشار داخلی را در کانتینر افزایش می‌دهد. همچنین، در زمان پر کردن یا تخلیه، فشار ممکن است تحت تأثیر تغییرات دمایی قرار گیرد. بنابراین، طراحی سازه باید توانایی تحمل این فشارهای داخلی را داشته باشد:

حداکثر فشار عملیاتی (Maximum Operating Pressure – MOP): هر کانتینر برای یک حداکثر فشار عملیاتی ایمن طراحی می‌شود که نباید از آن تجاوز کند. این فشار در طول عمر کانتینر به دلیل تبخیر گاز (Boil-off) به طور طبیعی افزایش می‌یابد.

شیرهای اطمینان (Relief Valves): برای جلوگیری از افزایش بیش از حد فشار، کانتینرها به شیرهای اطمینان (Safety Relief Valves) مجهز می‌شوند. این شیرها در فشار از پیش تعیین شده باز شده و بخار اضافی را تخلیه می‌کنند تا فشار به محدوده ایمن بازگردد. طراحی این شیرها، سرعت تخلیه مورد نیاز و نقطه تنظیم فشار، از ملاحظات مهم طراحی است.

دیگ بخار (Boil-off Management): برخی کانتینرها دارای سیستم‌هایی برای مدیریت یا استفاده از بخار حاصل از تبخیر (Boil-off) هستند. این بخار می‌تواند برای حفظ فشار درونی کانتینر (مانند یک لایه بخار بین مایع و دیواره داخلی) یا برای مصارف خارجی (اگر بخار باشد) استفاده شود.

استانداردهای طراحی مخازن تحت فشار (Pressure Vessel Design Standards): طراحی سازه مخزن باید با استانداردها و کدهای معتبر بین‌المللی مخازن تحت فشار، مانند ASME (American Society of Mechanical Engineers)، مطابقت داشته باشد. این استانداردها الزامات مربوط به ضخامت دیواره، محاسبات تنش، کیفیت جوشکاری و تست‌های غیرمخرب را تعیین می‌کنند.

• مواد ساخت (Materials of Construction)

انتخاب مواد مناسب برای ساخت کانتینرهای کرایوژنیک بسیار حیاتی است، زیرا این مواد باید بتوانند دماهای بسیار پایین، فشارهای بالا و تنش‌های مکانیکی را تحمل کنند بدون اینکه خواص خود را از دست بدهند:

مقاومت در برابر دماهای پایین (Low-Temperature Toughness): بسیاری از فلزات معمولی در دماهای بسیار پایین شکننده می‌شوند (تغییر از حالت چکش‌خوار به ترد). بنابراین، موادی که در ساخت کانتینرهای کرایوژنیک استفاده می‌شوند باید خواص چکش‌خواری خود را در دماهای کرایوژنیک حفظ کنند.

فولاد ضد زنگ (Stainless Steel): انواع خاصی از فولاد ضد زنگ، مانند سری ۳۰۰ (مانند ۳۰۴L و ۳۱۶L)، به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی و حفظ چکش‌خواری در دماهای پایین، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آلومینیوم و آلیاژهای آن (Aluminum and its Alloys): آلیاژهای آلومینیوم مانند ۵۰۸۳ نیز به دلیل وزن سبک و مقاومت خوب در دماهای پایین، در برخی کاربردها، به خصوص برای مخازن حمل‌ونقل هوایی یا دریایی، استفاده می‌شوند.

آلیاژهای نیکل (Nickel Alloys): برخی آلیاژهای نیکل، مانند مونل (Monel)، نیز خواص مکانیکی عالی در دماهای بسیار پایین دارند اما معمولاً گران‌تر هستند.

مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion Resistance): مواد باید در برابر خوردگی ناشی از مواد ذخیره شده و همچنین محیط خارجی مقاومت داشته باشند.

قابلیت جوشکاری (Weldability): توانایی جوشکاری آسان و بدون ایجاد نقاط ضعف در اتصالات، برای فرآیند ساخت بسیار مهم است.

خواص حرارتی (Thermal Properties): خواص حرارتی مانند ضریب انبساط حرارتی و رسانایی حرارتی مواد بر عملکرد کلی عایق‌بندی و تنش‌های داخلی ناشی از تغییر دما تأثیر می‌گذارند.

سایر اجزا: سایر اجزایی که با مایع کرایوژنیک در تماس هستند، مانند شیرها، لوله‌ها و سنسورها، نیز باید از مواد سازگار و با خواص مناسب برای دماهای کرایوژنیک ساخته شوند.

استانداردهای ایمنی

ایمنی در کار با گازهای مایع کرایوژنیک و کانتینرهای مربوط به آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. به دلیل دمای فوق‌العاده پایین، فشارهای بالقوه بالا و ماهیت بالقوه خطرناک برخی از این گازها (مانند قابلیت اشتعال هیدروژن یا اکسیدکنندگی اکسیژن)، رعایت دقیق استانداردها و دستورالعمل‌های ایمنی الزامی است.

• گواهینامه‌های بین‌المللی (International Certifications)

این گواهینامه‌ها تضمین می‌کنند که کانتینرها بر اساس طراحی، ساخت و تست‌های ایمنی سختگیرانه، مطابق با بهترین شیوه‌های صنعتی و بین‌المللی ساخته شده‌اند. برخی از مهم‌ترین استانداردها و سازمان‌های مرتبط عبارتند از:

DOT (Department of Transportation): در ایالات متحده، DOT مقررات سختگیرانه‌ای برای حمل‌ونقل مواد خطرناک، از جمله گازهای کرایوژنیک مایع، وضع کرده است. کانتینرهای حمل‌ونقل باید مطابق با مشخصات DOT (مانند DOT 4L برای مخازن خلاء عایق‌بندی شده) تأیید و گواهینامه دریافت کنند. این گواهینامه‌ها نشان‌دهنده انطباق کانتینر با الزامات ایمنی برای حمل‌ونقل جاده‌ای، ریلی و دریایی هستند.

ISO (International Organization for Standardization): سازمان بین‌المللی استاندارد، استانداردهای متعددی را در زمینه مخازن تحت فشار و تجهیزات کرایوژنیک منتشر کرده است.

ISO 9809: برای سیلندرهای گاز فولادی قابل شارژ مجدد.

ISO 21009: برای مخازن کرایوژنیک و ظروف حمل‌ونقل.

ISO 13485: برای تجهیزات پزشکی (در صورت استفاده در این صنعت).

ISO 16111: برای مخازن قابل شارژ مجدد خلاء عایق‌بندی شده.

ASME (American Society of Mechanical Engineers): همانطور که در بخش طراحی اشاره شد، ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC)، به ویژه بخش VIII (Rules for Construction of Pressure Vessels)، استاندارد غالب برای طراحی و ساخت مخازن تحت فشار در بسیاری از نقاط جهان است. کانتینرهای کرایوژنیک که تحت فشارهای بالا عمل می‌کنند، باید با این کد مطابقت داشته باشند.

CGA (Compressed Gas Association): انجمن گاز فشرده، دستورالعمل‌ها و استانداردهایی را برای ایمنی تولید، ذخیره‌سازی، حمل‌ونقل و استفاده از گازهای فشرده و مایع منتشر می‌کند.

PED (Pressure Equipment Directive): این دستورالعمل اتحادیه اروپا، الزامات ایمنی برای تجهیزات تحت فشار را تعیین می‌کند و محصولات وارداتی به اتحادیه اروپا باید انطباق خود را با PED از طریق نشان CE نشان دهند.

• مراقبت‌های لازم (Necessary Precautions)

علاوه بر انطباق با استانداردها، مراقبت‌های عملیاتی و نگهداری مستمر برای اطمینان از ایمنی ضروری است:

نظارت مستمر بر وضعیت کانتینر (Continuous Monitoring of Container Condition):

بازرسی بصری: بررسی منظم پوشش خارجی کانتینر برای هرگونه نشانه آسیب، زنگ‌زدگی، یا تغییر رنگ که می‌تواند نشان‌دهنده نشت یا نقص عایق‌بندی باشد.

بررسی فشار: پایش سطح فشار داخلی کانتینر. افزایش مداوم و غیرعادی فشار می‌تواند نشان‌دهنده مشکل در سیستم اطمینان یا خرابی عایق‌بندی باشد.

بررسی دمای خارجی: دمای سطح خارجی کانتینر باید در محدوده قابل قبولی باشد. افزایش قابل توجه دما می‌تواند نشان‌دهنده کاهش کارایی عایق‌بندی خلاء باشد.

انجام آزمایش‌های ایمنی (Performing Safety Tests):

تست هیدرو استاتیک (Hydrostatic Testing): این تست شامل پر کردن کانتینر با مایع (معمولاً آب) و افزایش فشار تا ۱.۵ برابر فشار طراحی است تا استحکام سازه و عدم وجود نشتی تضمین شود. این تست‌ها معمولاً در فواصل زمانی مشخص (مثلاً هر ۵ سال) یا پس از تعمیرات اساسی انجام می‌شوند.

تست فشار هوا (Pneumatic Testing): در برخی موارد، به خصوص زمانی که استفاده از آب ممکن است باعث آسیب شود، از هوا یا گازهای دیگر برای تست فشار استفاده می‌شود. این تست‌ها معمولاً با دقت و احتیاط بیشتری انجام می‌شوند.

تست عملکرد شیرهای اطمینان: اطمینان از اینکه شیرهای اطمینان در فشار تعیین شده به درستی عمل می‌کنند و به موقع باز و بسته می‌شوند.

آموزش پرسنل (Personnel Training): تمامی پرسنلی که با کانتینرهای کرایوژنیک سروکار دارند، باید آموزش‌های لازم در زمینه خواص مواد کرایوژنیک، خطرات احتمالی، رویه‌های ایمن پر کردن و تخلیه، و اقدامات اضطراری را دریافت کنند.

تجهیزات حفاظت فردی (Personal Protective Equipment – PPE): استفاده از PPE مناسب شامل دستکش‌های کرایوژنیک، عینک ایمنی یا شیلد صورت، روپوش‌های بلند و کفش‌های ایمنی در هنگام کار با کانتینرهای کرایوژنیک الزامی است.

جلوگیری از یخ‌زدگی (Frostbite Prevention): تماس مستقیم پوست با سطوح بسیار سرد کانتینر یا مایع کرایوژنیک می‌تواند باعث سوختگی سرمازدگی (Frostbite) شود.

مدیریت بخار (Vapor Management): اطمینان از اینکه بخار حاصل از تبخیر به طور ایمن تخلیه می‌شود و در فضاهای بسته تجمع نمی‌یابد، به خصوص برای گازهای قابل اشتعال مانند هیدروژن.

کاربردهای صنعتی

کانتینرهای کرایوژنیک به دلیل توانایی ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل حجم بالایی از گازها در حالت مایع، در طیف وسیعی از صنایع نقش حیاتی ایفا می‌کنند. برخی از مهم‌ترین این کاربردها عبارتند از:

• صنعت گاز و پتروشیمی (Gas and Petrochemical Industry)

این صنعت یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان کانتینرهای کرایوژنیک است.

ذخیره‌سازی هیدروژن مایع (LH2): هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک و سوخت آینده، نیازمند ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل در دمای بسیار پایین (حدود ۲۵۳- درجه سانتی‌گراد) است. کانتینرهای کرایوژنیک برای ذخیره‌سازی هیدروژن در پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن ضروری هستند.

نیتروژن مایع (LN2): نیتروژن مایع در دماهای ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شود و به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف برای خنک‌سازی، انجماد، و ایجاد اتمسفر خنثی استفاده می‌شود. کاربردهای آن شامل:

صنعت فولاد: برای حفظ کیفیت در فرآیندهای گرمایش و سرمایش.

صنعت الکترونیک: برای خنک‌سازی تجهیزات و شبیه‌سازی شرایط دمایی.

صنایع فلزی: برای سخت‌کاری فلزات.

اکسیژن مایع (LOX): اکسیژن مایع در دمای ۱۸۳- درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شود و در فرآیندهای مختلف صنعتی مانند جوشکاری، برش فلزات، تولید فولاد، و همچنین در کاربردهای پزشکی (اکسیژن درمانی) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آرگون مایع (LAr): آرگون مایع (۱۸۶- درجه سانتی‌گراد) در جوشکاری (به عنوان گاز محافظ) و در تولید فولاد و همچنین در صنعت نورپردازی استفاده می‌شود.

متان مایع (LNG – Liquefied Natural Gas): اگرچه LNG در دمای حدود ۱۶۲- درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شود که کمی بالاتر از محدوده کرایوژنیک معمول است، اما اصول طراحی مخازن آن مشابه کانتینرهای کرایوژنیک است. LNG برای حمل‌ونقل گاز طبیعی در مسافت‌های طولانی و در مناطقی که خط لوله وجود ندارد، حیاتی است.

• پژوهش‌های علمی (Scientific Research)

آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در دانشگاه‌ها و موسسات علمی به طور گسترده‌ای از کانتینرهای کرایوژنیک استفاده می‌کنند.

نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی: برای حفظ DNA، سلول‌ها، بافت‌ها و نمونه‌های زیستی در دماهای بسیار پایین (با استفاده از نیتروژن مایع در تانکرهای کرایوژنیک ذخیره‌سازی). این امر امکان حفظ طولانی‌مدت و جلوگیری از تخریب را فراهم می‌کند.

تحقیقات در فیزیک و مواد: در آزمایش‌های مرتبط با ابررسانایی، فیزیک ذرات، و مطالعه خواص مواد در دماهای پایین.

انجماد مواد شیمیایی حساس: برخی مواد شیمیایی که در دماهای بالا ناپایدار هستند، در حالت مایع کرایوژنیک نگهداری می‌شوند.

ابزارهای علمی: کالیبراسیون دماسنج‌ها و سایر ابزارهای اندازه‌گیری دما.

• صنعت غذا و دارو (Food and Pharmaceutical Industry)

انجماد سریع مواد غذایی: نیتروژن مایع برای انجماد سریع محصولات غذایی (مانند گوشت، ماهی، محصولات پخته شده) استفاده می‌شود. این فرآیند به حفظ کیفیت، طعم، بافت و ارزش غذایی محصول کمک می‌کند. کانتینرهای کرایوژنیک برای تامین نیتروژن مایع مورد نیاز سیستم‌های انجماد سریع حیاتی هستند.

بسته‌بندی مواد غذایی: استفاده از نیتروژن مایع برای ایجاد اتمسفر محافظ در بسته‌بندی مواد غذایی (MAP) جهت افزایش ماندگاری.

داروسازی:

تولید واکسن‌ها و داروهای حساس: برخی داروها و واکسن‌ها نیازمند نگهداری در دماهای بسیار پایین برای حفظ اثربخشی خود هستند.

انجماد مواد اولیه: انجماد سریع مواد اولیه دارویی.

هموژنیزه کردن: استفاده از نیتروژن مایع در فرآیندهای تولیدی خاص.