Orto-paravodonik konverzija

Struktura ortovodonika i paravodonika.

Dva aranžmana za pretvaranje ortovodonika u paravodonik.

Orto-paravodonik konverzija

Godine 1932, fizičar Verner Hajzenberg dobio je Nobelovu nagradu „za stvaranje kvantne mehanike, čija je primena, između ostalog, dovela do otkrića alotropnih oblika vodonika“. Bio je glavni naučnik u nemačkom programu nuklearnog oružja tokom Drugog svetskog rata. Takođe je bio ključan u planiranju prvog zapadnonemačkog nuklearnog reaktora u Karlsrueu, zajedno sa istraživačkim reaktorom u Minhenu, 1957.

Likvifikacija vodonika sa sobom donosi dodatni aspekt koji se ne sreće kod drugih kriogenih tečnosti. Vodonik postoji u dva oblika, ortovodonik i paravodonik, a ravnotežna koncentracija između njih zavisi od temperature vodonika. Na sobnoj temperaturi, ova koncentracija je oko 75% ortovodonika i 25% paravodonika (generalno označenog kao normalni vodonik), dok je ravnotežna koncentracija na normalnoj tački ključanja vodonika skoro sav paravodonik. Kada je vodonik u tečnom stanju, gas ne ostaje u izmenjivačima toplote dovoljno dugo da bi postigao ravnotežu na određenoj temperaturi. Dakle, orto-para sastav novoformirane tečnosti je blizak vodoniku na sobnoj temperaturi. Pošto je toplota konverzije iz orto- u paravodonik veća od toplote isparavanja normalnog vodonika (situacija koja je svojstvena vodoniku), doći će do ozbiljnih gubitaka od ključanja ako se tečnosti dozvoli da ostane u prijemniku tečnosti u nepretvorenom stanje. Za dugotrajno skladištenje, deo ortovodonika se mora konvertovati u oblik para vodonika tokom koraka likvifikacije.

Na slici su prikazana dva moguća aranžmana za konverziju orto-paravodonika. Aranžman (b) sa dva ekspanziona ventila obezbeđuje približno 20% veći prinos paravodonika nego aranžman (a) sa samo jednim ekspanzionim ventilom. Oba aranžmana koriste kupatilo sa tečnim azotom da apsorbuju deo toplote generisane u procesu konverzije, brzina konverzije se povećava upotrebom katalizatora. Nekoliko različitih katalizatora je korišćeno u ovom procesu konverzije, uključujući (a) hydrous gvožđe oksid, (2) hrom oksid na česticama glinice i (3) jedinjenja na bazi nikla. Od njih se generalno bira katalizator hydrous gvožđe-oksida zbog njegove relativno niže cene. Pošto je tečni azot jeftiniji za proizvodnju od tečnog vodonika, korisno je izvršiti što je moguće veći deo konverzije u kupatilu sa tečnim azotom. Na 67 K (tečni azot pod vakuumom), ravnotežni sastav vodonika je približno 60 % paravodonika. Dakle, ako konverzija dostigne ravnotežne uslove na ovoj temperaturi, skoro polovina energije konverzije može da se ukloni pomoću kupatila sa tečnim azotom.