Hər yerdə yayılmış, lakin görünməz element olan arqon Yer atmosferinin təxminən 0,93%-ni təşkil edir. Nəfəs aldığımız havada üçüncü ən bol qaz olsa da, sənaye, tibbi və elmi tətbiqlər üçün istifadə etmək mürəkkəb mühəndislik tələb edir. Yüksək temperaturlu qaynaqda qoruyucu qövslərdən tutmuş, yarımkeçiricilərin istehsalı zamanı zərif silisium vaflilərin qorunmasına qədər bu nəcib qaza tələbat böyükdür. Lakin onun qaz halında daşınması və saxlanması çox səmərəsizdir. Bu, əsas sənaye sualını doğurur: arqon qazı necə mayeləşdirilir qlobal tələblərə səmərəli cavab vermək üçün?

Cavab kriogen havanın ayrılması kimi tanınan mürəkkəb bir prosesdədir. Bu 2000 sözdən ibarət hərtərəfli bələdçi atmosfer havasını yüksək təmizlənmiş, kriogen maye arqona (LAR) çevirmək üçün tələb olunan termodinamik prinsipləri, maşınqayırma və kimyəvi təmizləmə mərhələlərini dərindən öyrənəcək.

1. Arqon və mayeləşdirmə ehtiyacını başa düşmək

Mayeləşdirmə mexanikasına keçməzdən əvvəl arqonun nə olduğunu və mayeləşdirmə prosesinin nə üçün iqtisadi və praktik olaraq zəruri olduğunu başa düşmək çox vacibdir.

Arqon (Ar) monatomik, kimyəvi cəhətdən təsirsiz nəcib qazdır. Rəngsiz, qoxusuz və zəhərsizdir. Həddindən artıq temperaturda belə digər elementlərlə reaksiya vermədiyi üçün metallurgiya prosesləri üçün ideal atmosfer qalxanıdır.

Arqon niyə mayeləşdirilir?

Hər hansı bir atmosfer qazının mayeləşdirilməsinin əsas səbəbi həcmin azalmasıdır. Standart atmosfer təzyiqində qazdan kriogen mayeyə çevrildikdə, arqon 1-dən 840-a qədər kütləvi genişlənmə nisbətinə məruz qalır. Bu o deməkdir ki, 840 litr qaz halında olan arqon bir litr qaz halına salına bilər. maye argon. Həcmdə bu kəskin azalma kriogen tankerlərlə yükdaşımaları qənaətli şəkildə həyata keçirməyə və sənaye obyektlərində vakuumla izolyasiya edilmiş çənlərdə səmərəli saxlamağa imkan verir.

Arqonun fiziki xüsusiyyətləri

Qazı maye halına gətirmək üçün mühəndislər onun termodinamik xüsusiyyətləri ilə yaxından işləməlidirlər. Aşağıda mayeləşmə parametrlərini diktə edən kritik fiziki məlumat nöqtələri verilmişdir.

2. Əsas Elm: Kriogen Hava Ayrılması

Arqon istehsal olunmur və sintez edilmir; ətrafımızdakı havadan birbaşa yığılır. Buna nail olmaq üçün istifadə olunan ümumi texnologiyadır kriogen fraksiya distilləsi.

Bu proses kimyanın fundamental prinsipinə əsaslanır: müxtəlif elementlər müxtəlif temperaturlarda vəziyyəti dəyişir (kondensasiya və ya qaynama). Mühəndislər ətrafdakı havanı maye halına gələnə qədər soyudaraq və sonra yavaş-yavaş temperaturunu yüksəltməklə, hava qarışığını onun əsas komponentlərinə - azot, oksigen və arqona ayıra bilirlər, çünki onlar bir-bir qaynayır.

Arqon Ayrılması Problemi

Arqonun qaynama nöqtəsinə görə ayrılması çox çətindir. Atmosferin üç əsas komponentinin qaynama nöqtələrinə baxın:

3. Addım-addım Proses: Hava Necə Maye Arqona çevrilir

Atmosfer havasından kriogen maye arqona qədər səyahət çoxmərhələli Hava Ayırma Bölməsini (ASU) əhatə edir. Budur prosesin ətraflı, addım-addım bölgüsü.

Addım 1: Hava qəbulu, sıxılma və filtrasiya

Proses xammaldan başlayır: ətraf atmosfer havası.
Kütləvi sənaye ventilyatorları hissəcikləri, tozları və həşəratları təmizləmək üçün çox mərhələli filtr evlərindən hava çəkir. Filtrləndikdən sonra hava çox mərhələli mərkəzdənqaçma kompressoruna daxil olur. Hava təxminən 5-7 bar (70-100 psi) təzyiqə qədər sıxılır.

Qazın sıxılması təbii olaraq əhəmiyyətli istilik yaradır (sıxılma istiliyi). Bunu idarə etmək üçün sıxılma mərhələləri arasında intercoolerlər yerləşdirilir. Bu mərhələdə havanın soyudulması həm də ətrafdakı atmosfer rütubətinin (su buxarı) böyük bir hissəsinin kondensasiyasına səbəb olur ki, bu da sonradan boşaldılır.

Addım 2: Molekulyar ələklər vasitəsilə təmizlənmə

Hava kriogen temperaturlara məruz qalmazdan əvvəl boru kəmərini dondura və bloklaya bilən bütün iz çirkləri tamamilə təmizlənməlidir. Bu çirklərə ilk növbədə aşağıdakılar daxildir:

• Qalıq Su Buxarı (H2O)
• Karbon dioksid (CO2)
• Karbohidrogenləri izləyin

Sıxılmış hava alüminium oksidi və seolit molekulyar ələklərindən ibarət olan qabaqcadan təmizləyici qurğudan (PPU) keçirilir. Bu ələklər nəm və CO2 molekullarını adsorbsiya edən yüksək seçici mikroskopik süngərlər kimi fəaliyyət göstərir. Bu addım uğursuz olarsa, CO2 və quru buz zavodun dərinliklərində əmələ gələcək, zərif istilik dəyişdiricilərini bağlayacaq və zavodun tam bağlanmasını tələb edəcək.

Addım 3: Həddindən artıq soyutma və genişlənmə

Quru, təmizlənmiş və sıxılmış hava indi kriogen istilik dəyişdiriciləri və distillə sütunlarının yerləşdiyi ağır izolyasiya edilmiş struktur olan "soyuq qutuya" daxil olur.

Soyutma prosesində istifadə olunur Joule-Tomson effekti və mexaniki genişlənmə. Daxil olan isti hava, distillə sütunlarından qayıdan həddindən artıq soyuq işlənmiş qazlara (azot və oksigen) əks cərəyanla axan əsas istilik dəyişdiricisindən keçir. Bu, daxil olan havanın temperaturunu kəskin şəkildə aşağı salır.

Həqiqi kriogen temperaturlara (-170°C-dən aşağı) nail olmaq üçün sıxılmış havanın bir hissəsi turbogenişləndirici vasitəsilə ötürülür. Yüksək təzyiqli qaz bir turbin vasitəsilə sürətlə genişləndikcə, qazın temperaturunun kütləvi şəkildə aşağı düşməsinə səbəb olan mexaniki iş görür. Hava istilik dəyişdiricisindən və genişləndiricidən çıxdıqda, o, ayrılmağa hazır olan inanılmaz dərəcədə soyuq buxar və maye havanın qarışığıdır.

Addım 4: İlkin fraksiya distilləsi (HP və LP sütunları)

Mayeləşdirmə prosesinin ürəyi, Aşağı Təzyiqli (LP) sütunun altında oturan Yüksək Təzyiqli (HP) sütundan ibarət iki sütunlu distillə sistemidir.

1. Yüksək təzyiq sütunu: Aşağı soyudulmuş maye/buxar hava qarışığı HP sütununun dibinə daxil olur. Maye dibinə düşdükcə və buxar perforasiya edilmiş ələk qabları vasitəsilə yüksəldikdə, ilk ayırma baş verir. Ən aşağı qaynama nöqtəsi olan azot qaz halında yuxarı qalxır. Oksigenlə zəngin maye (arqonun çoxunu ehtiva edir) altındakı hovuzlar.
2. Aşağı təzyiq sütunu: HP sütununun altından oksigenlə zəngin maye onun üstündəki LP sütununa sıxılır (genişlənir). Daha aşağı təzyiqə görə, daha çox ayrılma baş verir. LP sütununun ən altındakı saf maye oksigen hovuzları, təmiz azot qazı isə yuxarıdan çıxır.

Addım 5: Arqon Yan Qol Sütunu

Arqonun qaynama nöqtəsi oksigen və azot arasında yerləşdiyi üçün o, Aşağı Təzyiq sütununun aşağı-orta hissəsində cəmləşir. Ən yüksək konsentrasiyada, sütunun bu xüsusi "qarınındakı" qaz qarışığı təxminən 10% -dən 12% -ə qədər arqon, qalan hissəsi oksigen və kiçik bir azot izidir.

Onu çıxarmaq üçün mühəndislər bu xüsusi hissəyə toxunur və qarışığı adlanan ayrıca, əlavə edilmiş struktura çəkirlər Arqon Yan Qol Sütunu.
Bu inanılmaz hündür sütunun içərisində (çox vaxt 150-dən çox nəzəri qabdan ibarətdir) ikinci dərəcəli distillə baş verir. Arqon oksigendən bir qədər daha uçucu olduğundan (daha asan qaynar) arqon buxarı yan sütunun yuxarı hissəsinə qalxır, daha ağır maye oksigen isə aşağıya düşür və əsas LP sütununa qaytarılır.

Yan qol sütununun yuxarı hissəsindən çıxan şey "xam arqon" kimi tanınır. Bu mərhələdə o, uğurla mayeləşdirilir, lakin yalnız təxminən 98% təmizdir. O, hələ də təxminən 2% oksigen və sənaye istifadəsi üçün çıxarılmalı olan azot miqdarını ehtiva edir.

4. Təmizləmə: Xam neftin Yüksək Saflıqda Maye Arqona yüksəldilməsi

Müasir tətbiqlər üçün, xüsusən də yarımkeçirici və aerokosmik sənayelərdə arqon "beş doqquz" təmiz olmalıdır (99,999%). Xam arqon ciddi təmizlənmədən keçməlidir.

"Deokso" Katalitik Prosesi

Qalan 2% oksigeni çıxarmaq üçün xam arqon Deokso qurğusu kimi tanınan katalitik reaktora göndərilir. İçəridə yüksək təmiz hidrogen qazı maye axınına vurulur.
Bir palladium və ya platin katalizatorunun iştirakı ilə hidrogen su əmələ gətirmək üçün saxta oksigen molekulları ilə kimyəvi reaksiyaya girir (2H₂ + O₂ → 2H₂O). Bu reaksiya az miqdarda istilik buraxaraq arqonu anlıq olaraq yenidən qaza çevirir.

Son Qurutma və Distillə

Qaz daha sonra yeni əmələ gələn su molekullarını ayırmaq üçün ikinci dərəcəli molekulyar ələkdən keçirilir. Nəhayət, quru, oksigensiz arqon qazı son distillə sütununa - təmiz arqon sütununa qidalanır.

Burada arqon yenidən maye halına gələnə qədər soyudulur. Maye arqon temperaturunda qaz halında qalan hər hansı qalıq iz azot sütunun yuxarı hissəsindən havalandırılır. Aşağıdakı məhsulun yığılması yüksək dərəcədə təmizlənmiş, ultra soyuq Maye Arqondur (LAR), kommersiya paylanması üçün hazırdır.

5. Maye Arqonun saxlanması və daşınması

Arqon qazının necə mayeləşdirilməsi sualına cavab verildikdən sonra növbəti problem onu bu vəziyyətdə saxlamaqdır. -185.8°C-də ətraf mühitin istiliyinə hər hansı məruz qalma mayenin şiddətlə yenidən qaza çevrilməsinə səbəb olacaq - bu, Qaynayan Qaz (BOG) kimi tanınan bir hadisədir.

Bununla mübarizə aparmaq üçün maye arqon yüksək ixtisaslaşmış, vakuumla izolyasiya edilmiş kriogen saxlama çənlərinə vurulur. Bu çənlər termos qabına bənzəyir. Onlar paslanmayan poladdan hazırlanmış daxili qabdan (kriogen temperaturda kövrəkləşməyən) və karbon poladdan hazırlanmış xarici qabdan ibarətdir. İki damar arasındakı boşluq bir izolyasiya tozu (məsələn, perlit) ilə doldurulur və konvektiv və keçirici istilik köçürməsini aradan qaldırmaq üçün mükəmməl bir vakuuma pompalanır.

Son istifadəçilərə daşındıqda, LAR xüsusi kriogen tankerlərdə daşınır. İstehsalat fabrikinə və ya xəstəxanaya çatdıqdan sonra o, yerində stasionar vakuum gödəkçəli gəmiyə köçürülür. Müştəri prosesləri üçün qazlı arqona ehtiyac duyduqda, maye sadəcə olaraq ətraf hava buxarlandırıcısından keçir - ətrafdakı havadan istiliyi udan, mayeni təhlükəsiz şəkildə yenidən yüksək təzyiqli qaza qızdıran qanadlı alüminium borular seriyası.

6. Nəticə

Görünməz, ətraf havanın ultra təmiz, sıfırdan aşağı mayeyə çevrilməsi müasir kimya mühəndisliyi və termodinamikanın möcüzəsidir. Yüksək təzyiqli sıxılma, molekulyar filtrasiya, Joule-Tomson genişləndirilməsi və yüksək həssas fraksiya distilləsinin ciddi mərhələləri vasitəsilə sənayelər planetimizi bürüyən arqonu səmərəli şəkildə yığa bilər.

Anlayış arqon qazının mayeləşdirilməsi qlobal təchizat zəncirlərinin optimallaşdırılması üçün həyati əhəmiyyət kəsb edir. Texnologiyalar inkişaf etdikcə, xüsusən də elektronika istehsalı, 3D metal çapı və aerokosmik mühəndislikdə - yüksək təmiz, səmərəli daşınan maye arqona olan etibar artmağa davam edəcək və kriogen havanın ayrılmasını müasir dünyada ən kritik, lakin kifayət qədər qiymətləndirilməyən sənaye proseslərindən birinə çevirəcək.

7. Tez-tez verilən suallar

1-ci sual: Arqon hansı temperaturda maye halına gəlir?

Arqon qaynama nöqtəsində qazdan maye halına keçir -185,8°C (-302,4°F) standart atmosfer təzyiqində. Saxlama və daşınma üçün onu maye vəziyyətdə saxlamaq üçün, sürətli qaynama və genişlənmənin qarşısını almaq üçün xüsusi vakuumla izolyasiya edilmiş qablardan istifadə edərək, bu kriogen temperaturda və ya aşağıda saxlanmalıdır.

2-ci sual: Niyə arqon qaz deyil, maye halında daşınır?

Əsas səbəb həcm səmərəliliyidir. Arqon maye halında soyuduqda 1 ilə 840 nisbətində kondensasiya olunur. Bu o deməkdir ki, bir litr maye arqonda 840 litr arqon qazına bərabərdir. Onun maye kimi daşınması təchizatçılara bir yük maşını ilə kütləvi, toplu miqdarları çatdırmağa imkan verir ki, bu da ağır, yüksək təzyiqli qaz balonlarının daşınmasından qat-qat daha sərfəli və maddi-texniki cəhətdən praktikdir.

S3: Maye arqonla işləmək təhlükəlidirmi?

Bəli, maye arqon, ilk növbədə, həddindən artıq soyuq və boğucu xüsusiyyətinə görə əhəmiyyətli sənaye təhlükələri yaradır. Maye arqon və ya izolyasiya edilməmiş kriogen boru kəmərləri ilə dəri təması dərhal şiddətli donma və ya kriogen yanıqlara səbəb ola bilər. Bundan əlavə, istiləşdikcə sürətlə genişləndiyi üçün (həcmindən 840 dəfə çoxdur), qapalı məkanda maye arqonun kiçik sızması ətrafdakı oksigeni tez bir zamanda sıxışdırıb çıxara bilər və bu, qaz rəngsiz və qoxusuz olduğu üçün heç bir xəbərdarlıq edilmədən yaxınlıqdakı işçilər üçün yüksək boğulma riskinə səbəb olur. Düzgün ventilyasiya və fərdi qoruyucu vasitələr (PPE) ciddi şəkildə tələb olunur.