Аргон, паўсюдны, але нябачны элемент, складае прыкладна 0,93% атмасферы Зямлі. Нягледзячы на ​​тое, што гэта трэці па колькасці газ у паветры, якім мы дыхаем, выкарыстанне яго ў прамысловых, медыцынскіх і навуковых мэтах патрабуе складанай тэхнікі. Попыт на гэты высакародны газ велізарны, пачынаючы ад экранавання дуг пры высокатэмпературнай зварцы і заканчваючы абаронай далікатных крэмніевых пласцін падчас вытворчасці паўправаднікоў. Аднак транспартаваць і захоўваць яго ў газападобным стане вельмі неэфектыўна. Гэта выклікае фундаментальнае прамысловае пытанне: як звадкаваны газ аргон каб эфектыўна задаволіць сусветныя патрабаванні?

Адказ крыецца ў складаным працэсе, вядомым як крыягеннае аддзяленне паветра. У гэтым поўным дапаможніку з 2000 слоў будуць глыбока разгледжаны прынцыпы тэрмадынамікі, машынабудаванне і этапы хімічнай ачысткі, неабходныя для пераўтварэння атмасфернага паветра ў высокаачышчаны крыягенны вадкі аргон (LAR).

1. Разуменне аргону і неабходнасці звадкавання

Перш чым паглыбіцца ў механіку звадкавання, вельмі важна зразумець, што такое аргон і чаму працэс звадкавання эканамічны і практычны неабходны.

Аргон (Ar) - аднаатамны, хімічна інэртны высакародны газ. Ён бясколерны, не мае паху і не таксічны. Паколькі ён не рэагуе з іншымі элементамі нават пры экстрэмальных тэмпературах, ён з'яўляецца ідэальным атмасферным шчытом для металургічных працэсаў.

Навошта звадкаваць аргон?

Асноўнай прычынай звадкавання любога атмасфернага газу з'яўляецца памяншэнне аб'ёму. Пры пераўтварэнні з газу пры стандартным атмасферным ціску ў крыягенную вадкасць аргон падвяргаецца масіўнаму каэфіцыенту пашырэння 1 да 840. Гэта азначае, што 840 літраў газападобнага аргону можна кандэнсаваць у адзін літр вадкі аргон. Гэта рэзкае скарачэнне аб'ёму дазваляе эканамічна эфектыўна перавозіць масавыя грузы з дапамогай крыягенных аўтацыстэрн і эфектыўна захоўваць у вакуумна-ізаляваных рэзервуарах на прамысловых прадпрыемствах.

Фізічныя ўласцівасці аргону

Каб ператварыць газ у вадкасць, інжынеры павінны цесна працаваць з яго тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі. Ніжэй прыведзены важныя фізічныя даныя, якія вызначаюць параметры звадкавання.

2. Фундаментальная навука: крыягеннае раздзяленне паветра

Аргон не вырабляецца і не сінтэзуецца; яго збіраюць непасрэдна з паветра вакол нас. Агульная тэхналогія, якая выкарыстоўваецца для дасягнення гэтай мэты крыягеннай фракцыйнай дыстыляцыі.

Гэты працэс заснаваны на фундаментальным прынцыпе хіміі: розныя элементы мяняюць стан (кандэнсуюцца або кіпяць) пры розных тэмпературах. Астуджаючы навакольнае паветра, пакуль яно не ператворыцца ў вадкасць, а затым павольна павышаючы яго тэмпературу, інжынеры могуць падзяліць паветраную сумесь на асноўныя кампаненты — азот, кісларод і аргон — калі яны выкіпаюць адзін за адным.

Праблема падзелу аргону

Аддзяленне аргону, як вядома, складанае з-за яго тэмпературы кіпення. Паглядзіце на кропкі кіпення трох асноўных кампанентаў атмасферы:

3. Пакрокавы працэс: як паветра становіцца вадкім аргонам

Падарожжа ад атмасфернага паветра да крыягеннага вадкага аргону ўключае ў сябе шматступенную ўстаноўку падзелу паветра (ASU). Вось падрабязная пакрокавая разбіўка працэсу.

Крок 1: Забор паветра, сціск і фільтраванне

Працэс пачынаецца з сыравіны: навакольнага атмасфернага паветра.
Масіўныя прамысловыя вентылятары праводзяць паветра праз шматступенныя фільтры для выдалення цвёрдых часціц, пылу і насякомых. Пасля фільтрацыі паветра паступае ў шматступенны цэнтрабежны кампрэсар. Паветра сціскаецца да ціску прыблізна ад 5 да 7 бар (ад 70 да 100 psi).

Сцісканне газу натуральным чынам выпрацоўвае значнае цяпло (цеплыня сціску). Каб кіраваць гэтым, інтэркулеры размяшчаюцца паміж ступенямі сціску. Астуджэнне паветра на гэтай стадыі таксама прыводзіць да кандэнсацыі вялікай часткі атмасфернай вільгаці (вадзяной пары), якая пасля адводзіцца.

Крок 2: Ачыстка з дапамогай малекулярных сіт

Перш чым паветра можа быць падвергнута ўздзеянню крыягенных тэмператур, усе сляды прымешак, якія могуць замерзнуць і заблакаваць трубаправод, павінны быць цалкам выдалены. Гэтыя прымешкі ў першую чаргу ўключаюць:

• Рэшткавы вадзяной пар (H2O)
• Вуглякіслы газ (CO2)
• Сляды вуглевадародаў

Сціснутае паветра праходзіць праз блок папярэдняй ачысткі (PPU), які складаецца з пластоў аксіду алюмінія і малекулярных сіт цэаліту. Гэтыя сіты дзейнічаюць як вельмі селектыўныя мікраскапічныя губкі, адсарбуючы вільгаць і малекулы CO2. Калі гэты крок не спрацуе, CO2 і сухі лёд будуць утварацца глыбока ўнутры завода, засмечваючы далікатныя цеплаабменнікі і патрабаваць поўнага спынення завода.

Крок 3: Экстрэмальнае астуджэнне і пашырэнне

Сухое, ачышчанае і сціснутае паветра цяпер паступае ў «халодную скрыню», моцна ізаляваную структуру, у якой знаходзяцца крыягенныя цеплаабменнікі і дыстыляцыйныя калоны.

Працэс астуджэння выкарыстоўвае Эфект Джоўля-Томсана і механічнае пашырэнне. Цёплае паветра, якое паступае, праходзіць праз галоўны цеплаабменнік, цякучы ў супрацьтоку з надзвычай халоднымі выхлапнымі газамі (азотам і кіслародам), якія вяртаюцца з рэктыфікацыйных калон. Гэта рэзка зніжае тэмпературу ўваходзячага паветра.

Для дасягнення сапраўдных крыягенных тэмператур (ніжэй -170°C) частка сціснутага паветра накіроўваецца праз турбадэтандер. Калі газ пад высокім ціскам хутка пашыраецца праз турбіну, ён выконвае механічную працу, якая выклікае значнае падзенне тэмпературы газу. Да таго часу, калі паветра выходзіць з цеплаабменніка і пашыральніка, гэта сумесь неверагодна халоднай пары і вадкага паветра, гатовая да падзелу.

Крок 4: Першасная фракцыйная дыстыляцыя (калоны ВД і НД)

Сэрцам працэсу звадкавання з'яўляецца двухкалонная дыстыляцыйная сістэма, якая складаецца з калоны высокага ціску (ВД), якая знаходзіцца пад калонай нізкага ціску (НД).

1. Калонка высокага ціску: Пераахалоджаная сумесь вадкасці і пара паступае ў ніжнюю частку калоны ВД. Калі вадкасць апускаецца на дно, а пара падымаецца праз перфараваныя паддоны, адбываецца першае аддзяленне. Азот з самай нізкай тэмпературай кіпення падымаецца наверх у выглядзе газу. Вадкасць, багатая кіслародам (якая змяшчае большую частку аргону), збіраецца на дне.
2. Калонка нізкага ціску: Багатая кіслародам вадкасць з ніжняй часткі калоны ВД дросселіруецца (пашыраецца) у калону НД над ёй. Дзякуючы больш нізкаму ціску адбываецца далейшае аддзяленне. Чысты вадкі кісларод назапашваецца ў самым нізе калонкі LP, а чысты азот выходзіць у верхняй частцы.

Крок 5: Калонка з бакавым рычагом аргону

Паколькі тэмпература кіпення аргону знаходзіцца паміж кіслародам і азотам, ён канцэнтруецца ў ніжняй сярэдняй частцы калонкі нізкага ціску. Пры сваёй максімальнай канцэнтрацыі газавая сумесь у гэтым спецыфічным «жываце» калоны складае прыблізна ад 10% да 12% аргону, а астатняе - кісларод і нязначныя следы азоту.

Каб здабыць яго, інжынеры дакранаюцца да гэтага канкрэтнага раздзела і ўцягваюць сумесь у асобную далучаную структуру пад назвай Калонка з бакавым рычагом аргону.
Унутры гэтай неверагодна высокай калоны (якая часта змяшчае больш за 150 тэарэтычных паддонаў) адбываецца другасная дыстыляцыя. Паколькі аргон крыху больш лятучы (лягчэй закіпае), чым кісларод, пары аргону падымаюцца ў верхнюю частку бакавой калоны, у той час як больш цяжкі вадкі кісларод апускаецца ў ніжнюю частку і вяртаецца ў галоўную калону LP.

Тое, што выходзіць з верхняй часткі калоны бакавога рукава, вядома як «сыры аргон». На гэтай стадыі ён паспяхова звадкаваны, але мае толькі каля 98% чысціні. Ён па-ранейшаму змяшчае прыкладна 2% кіслароду і слядовыя колькасці азоту, якія неабходна выдаліць для прамысловага выкарыстання.

4. Ачыстка: пераход ад сырой да вадкага аргону высокай чысціні

Для сучаснага прымянення, асабліва ў паўправадніковай і аэракасмічнай прамысловасці, аргон павінен мець чысціню «пяць дзявятак» (99,999%). Сырой аргон павінен прайсці строгую ачыстку.

Каталітычны працэс «Deoxo».

Каб выдаліць астатнія 2% кіслароду, сыры аргон накіроўваецца ў каталітычны рэактар, вядомы як блок Deoxo. Унутры ў струмень вадкасці ўпырскваецца вадарод высокай чысціні.
У прысутнасці паладыевага або плацінавага каталізатара вадарод хімічна рэагуе з малекуламі кіслароду-ізгоя з адукацыяй вады (2H₂ + О₂ → 2Н₂О). Гэтая рэакцыя вылучае невялікую колькасць цяпла, на імгненне ператвараючы аргон назад у газ.

Канчатковая сушка і перагонка

Затым газ прапускаюць праз другаснае малекулярнае сіта, каб выдаліць ізноў утвораныя малекулы вады. Нарэшце, сухі, бескіслароднага газу аргону падаецца ў канчатковую дыстыляцыйную калону - калону чыстага аргону.

Тут аргон яшчэ раз астуджаецца, пакуль ён не кандэнсуецца назад у вадкі стан. Любы рэшткавы азот, які застаецца ў газападобным стане пры тэмпературы вадкага аргону, выдаляецца з верхняй часткі калонкі. Атрыманы прадукт, аб'яднаны на дне, - гэта высокаачышчаны ультрахалодны вадкі аргон (LAR), гатовы да камерцыйнага распаўсюджвання.

5. Захоўванне і транспарціроўка вадкага аргону

Пасля таго, як будзе дадзены адказ на пытанне аб тым, як аргон звадкаваны, наступная задача - падтрымліваць яго ў такім стане. Пры тэмпературы -185,8°C любое ўздзеянне навакольнага цяпла прывядзе да таго, што вадкасць зноў бурна закіпіць у газ - з'ява, вядомая як газ, які выкіпае (BOG).

Каб змагацца з гэтым, вадкі аргон запампоўваецца ў вузкаспецыялізаваныя крыягенныя рэзервуары з вакуумнай ізаляцыяй. Гэтыя рэзервуары функцыянуюць аналагічна тэрмасу. Яны складаюцца з унутранай ёмістасці з нержавеючай сталі (якая не становіцца далікатнай пры крыягенных тэмпературах) і вонкавай ёмістасці з вугляродзістай сталі. Прастора паміж двума пасудзінамі запаўняецца ізаляцыйным парашком (напрыклад, перлітам) і адпампоўваецца да амаль ідэальнага вакууму, каб выключыць канвекцыйную і кандукцыйную цеплаперадачу.

Пры транспарціроўцы да канчатковых карыстальнікаў LAR перавозіцца ў спецыялізаваных крыягенных аўтацыстэрнах. Па прыбыцці на вытворчае прадпрыемства або ў бальніцу яго перамяшчаюць у стацыянарную ёмістасць з вакуумнай рубашкай на месцы. Калі заказчыку патрабуецца газападобны аргон для іх працэсаў, вадкасць проста накіроўваецца праз выпарнік навакольнага паветра — серыю алюмініевых трубак з рабрынамі, якія паглынаюць цяпло з навакольнага паветра, бяспечна награваючы вадкасць назад у газ пад высокім ціскам.

6. Заключэнне

Пераўтварэнне нябачнага навакольнага паветра ў звышчыстую вадкасць з тэмпературай ніжэй за нуль - гэта цуд сучаснай хімічнай інжынерыі і тэрмадынамікі. З дапамогай строгіх этапаў сціску пад высокім ціскам, малекулярнай фільтрацыі, пашырэння Джоўля-Томсана і высокаадчувальнай фракцыйнай дыстыляцыі прамысловасць можа эфектыўна збіраць аргон, які пакрывае нашу планету.

Разуменне звадкавання газу аргону мае жыццёва важнае значэнне для аптымізацыі глабальных ланцугоў паставак. Па меры развіцця тэхналогій — асабліва ў вытворчасці электронікі, 3D-друку на метале і аэракасмічнай тэхніцы — залежнасць ад высокачыстага, эфектыўна транспартаванага вадкага аргону будзе толькі расці, што робіць крыягеннае раздзяленне паветра адным з самых важных, але недаацэненых прамысловых працэсаў у сучасным свеце.

7. Частыя пытанні

Q1: Пры якой тэмпературы аргон становіцца вадкасцю?

Аргон пераходзіць з газу ў вадкасць пры тэмпературы кіпення -185,8°C (-302,4°F) пры нармальным атмасферным ціску. Каб падтрымліваць яго ў вадкім стане для захоўвання і транспарціроўкі, яго трэба падтрымліваць пры гэтай крыягеннай тэмпературы або ніжэй, выкарыстоўваючы спецыяльныя ёмістасці з вакуумнай ізаляцыяй, каб прадухіліць хуткае кіпенне і пашырэнне.

Q2: Чаму аргон транспартуецца ў выглядзе вадкасці, а не ў выглядзе газу?

Асноўная прычына - эфектыўнасць аб'ёму. Калі аргон астуджаецца ў вадкасць, ён кандэнсуецца ў суадносінах 1 да 840. Гэта азначае, што адзін літр вадкага аргону змяшчае эквівалент 840 літрам газу аргону. Транспарціроўка ў выглядзе вадкасці дазваляе пастаўшчыкам дастаўляць велізарныя аб'ёмы ў адным грузавіку, што значна больш эканамічна эфектыўна і лагістычна практычна, чым транспарціроўка цяжкіх газавых балонаў пад высокім ціскам.

Q3: Ці небяспечна праца з вадкім аргонам?

Так, вадкі аргон уяўляе значную прамысловую небяспеку ў першую чаргу з-за яго экстрэмальнага холаду і яго прыроды ўдушша. Кантакт скуры з вадкім аргонам або неізаляванымі крыягеннымі трубамі можа імгненна выклікаць моцнае абмаражэнне або крыягенныя апёкі. Акрамя таго, паколькі ён хутка пашыраецца па меры награвання (у 840 разоў перавышае аб'ём), нязначная ўцечка вадкага аргону ў замкнёнай прасторы можа хутка выцесніць навакольны кісларод, што прывядзе да высокай рызыкі асфіксіі для персаналу паблізу без усялякага папярэджання, паколькі газ не мае колеру і паху. Належная вентыляцыя і сродкі індывідуальнай абароны (СІЗ) строга неабходныя.