Mae Argon, sy'n elfen hollbresennol ond anweledig, yn cyfrif am tua 0.93% o atmosffer y Ddaear. Er mai hwn yw'r trydydd nwy mwyaf helaeth yn yr aer yr ydym yn ei anadlu, mae angen peirianneg gymhleth i'w harneisio ar gyfer cymwysiadau diwydiannol, meddygol a gwyddonol. O warchod arcau mewn weldio tymheredd uchel i amddiffyn wafferi silicon cain yn ystod gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion, mae'r galw am y nwy nobl hwn yn aruthrol. Fodd bynnag, mae ei gludo a'i storio yn ei gyflwr nwyol yn hynod aneffeithlon. Mae hyn yn codi cwestiwn diwydiannol sylfaenol: sut mae nwy argon yn cael ei hylifo i gwrdd â gofynion byd-eang yn effeithlon?

Mae'r ateb yn gorwedd mewn proses soffistigedig a elwir yn wahanu aer cryogenig. Bydd y canllaw cynhwysfawr 2,000 o eiriau hwn yn treiddio'n ddwfn i'r egwyddorion thermodynamig, peirianneg fecanyddol, a'r camau puro cemegol sydd eu hangen i drawsnewid aer atmosfferig yn argon hylif cryogenig pur iawn (LAR).

1. Deall Argon a'r Angen am Liquefaction

Cyn plymio i fecaneg hylifedd, mae'n hanfodol deall beth yw argon a pham mae'r broses hylifedd yn economaidd ac yn ymarferol angenrheidiol.

Nwy nobl monotomig, cemegol anadweithiol yw Argon (Ar). Mae'n ddi-liw, heb arogl, ac nid yw'n wenwynig. Oherwydd nad yw'n adweithio ag elfennau eraill hyd yn oed ar dymheredd eithafol, dyma'r darian atmosfferig ddelfrydol ar gyfer prosesau metelegol.

Pam hylifo Argon?

Y prif reswm dros hylifo unrhyw nwy atmosfferig yw lleihau cyfaint. Pan gaiff ei drawsnewid o nwy ar bwysedd atmosfferig safonol i hylif cryogenig, mae argon yn mynd trwy gymhareb ehangu enfawr o 1 i 840. Mae hyn yn golygu y gellir cyddwyso 840 litr o argon nwyol yn un litr o argon hylif. Mae'r gostyngiad dramatig hwn mewn cyfaint yn caniatáu cludiant swmp cost-effeithiol trwy lorïau tancer cryogenig a storio effeithlon mewn tanciau wedi'u hinswleiddio dan wactod mewn cyfleusterau diwydiannol.

Priodweddau Corfforol Argon

Er mwyn trin nwy yn hylif, rhaid i beirianwyr weithio'n agos gyda'i briodweddau thermodynamig. Isod mae'r pwyntiau data ffisegol critigol sy'n pennu'r paramedrau hylifedd.

2. Y Wyddoniaeth Sylfaenol: Gwahanu Aer Cryogenig

Nid yw Argon yn cael ei weithgynhyrchu na'i syntheseiddio; mae'n cael ei gynaeafu yn uniongyrchol o'r awyr o'n cwmpas. Y dechnoleg trosfwaol a ddefnyddir i gyflawni hyn yw distyllu ffracsiynol cryogenig.

Mae'r broses hon yn dibynnu ar egwyddor sylfaenol cemeg: mae gwahanol elfennau'n newid cyflwr (cyddwys neu ferwi) ar dymheredd gwahanol. Trwy oeri aer amgylchynol nes iddo ddod yn hylif, ac yna codi ei dymheredd yn araf, gall peirianwyr wahanu'r cymysgedd aer yn ei gydrannau sylfaenol - nitrogen, ocsigen ac argon - wrth iddynt ferwi fesul un.

Her Gwahanu Argon

Mae gwahanu argon yn hynod o anodd oherwydd ei berwbwynt. Edrychwch ar berwbwyntiau'r tair prif gydran atmosfferig:

3. Proses Cam-wrth-Gam: Sut Aer yn Dod yn Argon Hylif

Mae'r daith o aer amgylchynol i argon hylif cryogenig yn cynnwys Uned Gwahanu Aer aml-gam (ASU). Dyma ddadansoddiad manwl, cam wrth gam o'r broses.

Cam 1: Cymeriant Aer, Cywasgu a Hidlo

Mae'r broses yn dechrau gyda'r deunydd crai: aer atmosfferig amgylchynol.
Mae cefnogwyr diwydiannol enfawr yn tynnu aer trwy dai hidlo aml-gam i gael gwared ar ddeunydd gronynnol, llwch a phryfed. Ar ôl ei hidlo, mae'r aer yn mynd i mewn i gywasgydd allgyrchol aml-gam. Mae'r aer yn cael ei gywasgu i bwysau o tua 5 i 7 bar (70 i 100 psi).

Mae cywasgu nwy yn naturiol yn cynhyrchu gwres sylweddol (gwres cywasgu). Er mwyn rheoli hyn, gosodir intercoolers rhwng y camau cywasgu. Mae oeri'r aer ar y cam hwn hefyd yn achosi cyfran fawr o leithder atmosfferig amgylchynol (anwedd dŵr) i gyddwyso allan, sydd wedyn yn cael ei ddraenio i ffwrdd.

Cam 2: Puro trwy ridyll moleciwlaidd

Cyn y gall yr aer fod yn destun tymereddau cryogenig, rhaid cael gwared yn llwyr ar yr holl amhureddau olrhain a allai rewi a rhwystro'r pibellau. Mae'r amhureddau hyn yn bennaf yn cynnwys:

• Anwedd Dŵr Gweddilliol (H2O)
• Carbon Deuocsid (CO2)
• Hydrocarbonau Olrhain

Mae'r aer cywasgedig yn cael ei basio trwy uned cyn-buro (PPU) sy'n cynnwys gwelyau o rhidyllau moleciwlaidd alwmina a zeolite. Mae'r rhidyllau hyn yn gweithredu fel sbyngau microsgopig hynod ddetholus, gan amsugno'r lleithder a'r moleciwlau CO2. Os bydd y cam hwn yn methu, byddai CO2 a rhew sych yn ffurfio'n ddwfn yn y planhigyn, gan rwystro'r cyfnewidwyr gwres cain a byddai angen cau'r planhigyn yn llwyr.

Cam 3: Oeri Eithafol ac Ehangu

Mae'r aer sych, puredig a chywasgedig bellach yn mynd i mewn i'r “blwch oer,” strwythur wedi'i inswleiddio'n drwm sy'n gartref i'r cyfnewidwyr gwres cryogenig a'r colofnau distyllu.

Mae'r broses oeri yn defnyddio'r Effaith Joule-Thomson ac ehangu mecanyddol. Mae'r aer cynnes sy'n dod i mewn yn mynd trwy brif gyfnewidydd gwres, gan lifo'r gwrth-gerrynt i nwyon gwacáu eithriadol o oer (nitrogen ac ocsigen) sy'n dychwelyd o'r colofnau distyllu. Mae hyn yn gostwng tymheredd yr aer sy'n dod i mewn yn ddramatig.

Er mwyn cyflawni tymereddau cryogenig gwirioneddol (islaw -170 ° C), mae cyfran o'r aer cywasgedig yn cael ei gyfeirio trwy ehangwr tyrbo. Wrth i'r nwy pwysedd uchel ehangu'n gyflym trwy dyrbin, mae'n cyflawni gwaith mecanyddol, sy'n gorfodi cwymp enfawr yn nhymheredd y nwy. Erbyn i'r aer adael y cyfnewidydd gwres a'r ehangwr, mae'n gymysgedd o anwedd anhygoel o oer ac aer hylifol, yn barod i'w wahanu.

Cam 4: Distyllu Ffracsiwn Sylfaenol (Colofnau HP a LP)

Calon y broses hylifedd yw'r system distyllu dwy golofn, sy'n cynnwys colofn Pwysedd Uchel (HP) yn eistedd o dan golofn Pwysedd Isel (LP).

1. Colofn Pwysedd Uchel: Mae'r cymysgedd aer hylif/anwedd wedi'i is-oeri yn mynd i mewn i waelod y golofn HP. Wrth i'r hylif ddisgyn i'r gwaelod ac wrth i'r anwedd godi trwy hambyrddau rhidyll tyllog, mae'r gwahaniad cyntaf yn digwydd. Mae nitrogen, gyda'r berwbwynt isaf, yn codi i'r brig fel nwy. Pyllau hylif llawn ocsigen (sy'n cynnwys y rhan fwyaf o'r argon) ar y gwaelod.
2. Colofn Pwysedd Isel: Mae'r hylif llawn ocsigen o waelod y golofn HP yn cael ei throtio (ehangu) i'r golofn LP uwch ei ben. Oherwydd y pwysau is, mae gwahaniad pellach yn digwydd. Pyllau ocsigen hylifol pur ar waelod y golofn LP, tra bod nwy nitrogen pur yn gadael y brig.

Cam 5: Colofn Ochr-Fraich yr Argon

Oherwydd bod berwbwynt argon yn gorwedd rhwng ocsigen a nitrogen, mae'n canolbwyntio yn adran ganol is y golofn Pwysedd Isel. Ar ei grynodiad anterth, mae'r cymysgedd nwy yn y “bol” penodol hwn o'r golofn tua 10% i 12% argon, gyda'r gweddill yn ocsigen ac olion bach iawn o nitrogen.

Er mwyn ei echdynnu, mae peirianwyr yn defnyddio'r adran benodol hon ac yn tynnu'r cymysgedd i mewn i strwythur ar wahân, ynghlwm o'r enw y Colofn Ochr-Fraich Argon.
Y tu mewn i'r golofn hynod o uchel hon (sy'n aml yn cynnwys dros 150 o hambyrddau damcaniaethol), ceir distylliad eilaidd. Oherwydd bod argon ychydig yn fwy cyfnewidiol (yn berwi'n haws) nag ocsigen, mae'r anwedd argon yn codi i ben y golofn ochr, tra bod yr ocsigen hylif trymach yn disgyn i'r gwaelod ac yn cael ei ddychwelyd i'r brif golofn LP.

Gelwir yr hyn sy'n dod i'r amlwg o frig y golofn ochr-fraich yn “argon crai.” Ar y cam hwn, caiff ei hylifo'n llwyddiannus ond dim ond tua 98% pur ydyw. Mae'n dal i gynnwys tua 2% o ocsigen a symiau hybrin o nitrogen, y mae'n rhaid eu tynnu at ddefnydd diwydiannol.

4. Puro: Uwchraddio crai i Argon Hylif Uchel-Purdeb

Ar gyfer cymwysiadau modern, yn enwedig yn y diwydiannau lled-ddargludyddion ac awyrofod, rhaid i argon fod yn “bum naw” pur (99.999%). Rhaid i'r argon crai gael ei buro'n drylwyr.

Y Broses Gatalytig “Deoxo”.

I gael gwared ar yr ocsigen 2% sy'n weddill, mae'r argon crai yn cael ei gyfeirio i adweithydd catalytig a elwir yn uned Deoxo. Y tu mewn, mae nwy hydrogen pur iawn yn cael ei chwistrellu i'r llif hylif.
O dan bresenoldeb catalydd palladiwm neu blatinwm, mae'r hydrogen yn adweithio'n gemegol â'r moleciwlau ocsigen twyllodrus i ffurfio dŵr (2H₂ +O₂ → 2H₂O). Mae'r adwaith hwn yn rhyddhau ychydig bach o wres, gan droi'r argon yn ôl yn nwy am eiliad.

Sychu a Distyllu Terfynol

Yna mae'r nwy yn cael ei basio trwy ridyll moleciwlaidd eilaidd i dynnu'r moleciwlau dŵr sydd newydd eu ffurfio i ffwrdd. Yn olaf, y sych, nwy argon heb ocsigen yn cael ei fwydo i mewn i golofn ddistylliad terfynol - y golofn argon pur.

Yma, mae'r argon yn cael ei oeri unwaith eto nes ei fod yn cyddwyso yn ôl i gyflwr hylif. Mae unrhyw olrhain nitrogen gweddilliol, sy'n parhau i fod yn nwyol ar dymheredd hylif argon, yn cael ei awyru o frig y golofn. Mae'r cronni cynnyrch canlyniadol ar y gwaelod wedi'i buro'n fawr, Argon Hylif uwch-oer (LAR), yn barod i'w ddosbarthu'n fasnachol.

5. Storio a Chludo Argon Hylif

Unwaith y bydd y cwestiwn o sut mae nwy argon yn cael ei hylifo wedi'i ateb, yr her nesaf yw ei gadw yn y cyflwr hwnnw. Ar -185.8°C, bydd unrhyw amlygiad i wres amgylchynol yn achosi'r hylif i ferwi'n dreisgar yn ôl i mewn i nwy - ffenomen a elwir yn Nwy Berwi (BOG).

I frwydro yn erbyn hyn, mae argon hylif yn cael ei bwmpio i danciau storio cryogenig arbenigol iawn, wedi'u hinswleiddio dan wactod. Mae'r tanciau hyn yn gweithredu'n debyg i fflasg thermos. Maent yn cynnwys llestr mewnol wedi'i wneud o ddur di-staen (nad yw'n mynd yn frau ar dymheredd cryogenig) a llestr allanol wedi'i wneud o ddur carbon. Mae'r gofod rhwng y ddau lestr yn cael ei lenwi â phowdr inswleiddio (fel perlite) a'i bwmpio i lawr i wactod bron yn berffaith i ddileu trosglwyddiad gwres darfudol a dargludol.

Pan gaiff ei gludo i ddefnyddwyr terfynol, mae LAR yn cael ei gludo mewn tryciau tancer cryogenig arbenigol. Ar ôl cyrraedd safle gweithgynhyrchu neu ysbyty, caiff ei drosglwyddo i lestr gwactod sefydlog ar y safle. Pan fydd angen argon nwyol ar y cwsmer ar gyfer eu prosesau, caiff yr hylif ei gyfeirio'n syml trwy anweddydd aer amgylchynol - cyfres o diwbiau alwminiwm esgyll sy'n amsugno gwres o'r aer o'i amgylch, gan gynhesu'r hylif yn ôl yn nwy pwysedd uchel yn ddiogel.

6. Diweddglo

Mae trawsnewid aer anweledig, amgylchynol yn hylif hynod-bur, is-sero yn rhyfeddod o beirianneg gemegol fodern a thermodynameg. Trwy gamau trwyadl cywasgu pwysedd uchel, hidlo moleciwlaidd, ehangu Joule-Thomson, a distyllu ffracsiynol hynod sensitif, gall diwydiannau gynaeafu'r argon sy'n gorchuddio ein planed yn effeithlon.

Deall hylifiad nwy argon yn hanfodol ar gyfer optimeiddio cadwyni cyflenwi byd-eang. Wrth i dechnolegau fynd rhagddynt - yn enwedig ym maes gweithgynhyrchu electroneg, argraffu metel 3D, a pheirianneg awyrofod - dim ond parhau i dyfu fydd y ddibyniaeth ar argon hylif hynod pur, a gludir yn effeithlon, gan wneud gwahanu aer cryogenig yn un o'r prosesau diwydiannol mwyaf hanfodol, ond nas gwerthfawrogir yn ddigonol, yn y byd modern.

7. Cwestiynau Cyffredin

C1: Pa dymheredd y mae argon yn dod yn hylif?

Mae argon yn trawsnewid o nwy i hylif ar bwynt berwi o -185.8°C (-302.4°F) ar bwysau atmosfferig safonol. Er mwyn ei gadw mewn cyflwr hylifol ar gyfer storio a chludo, rhaid ei gadw ar y tymheredd cryogenig hwn neu'n is na hynny gan ddefnyddio llestri wedi'u hinswleiddio â gwactod arbenigol i atal berwi ac ehangu cyflym.

C2: Pam mae argon yn cael ei gludo fel hylif yn hytrach na nwy?

Y prif reswm yw effeithlonrwydd cyfaint. Pan gaiff argon ei oeri i hylif, mae'n cyddwyso ar gymhareb o 1 i 840. Mae hyn yn golygu bod un litr o argon hylif yn cynnwys yr hyn sy'n cyfateb i 840 litr o nwy argon. Mae ei gludo fel hylif yn caniatáu i gyflenwyr gyflenwi symiau enfawr, swmpus mewn un llwyth lori, sy'n llawer mwy cost-effeithiol ac ymarferol yn logistaidd na chludo silindrau nwy trwm, pwysedd uchel.

C3: A yw trin argon hylif yn beryglus?

Ydy, mae argon hylif yn cyflwyno peryglon diwydiannol sylweddol yn bennaf oherwydd ei oerfel eithafol a'i natur fel asphyxiant. Gall cyswllt croen ag argon hylifol neu bibellau cryogenig heb eu hinswleiddio achosi ewinrhew difrifol neu losgiadau cryogenig ar unwaith. Ar ben hynny, oherwydd ei fod yn ehangu'n gyflym wrth iddo gynhesu (840 gwaith ei gyfaint), gall gollyngiad bach o argon hylif mewn man caeedig ddadleoli ocsigen amgylchynol yn gyflym, gan arwain at risg uchel o fygu i bersonél cyfagos heb unrhyw rybudd, gan fod y nwy yn ddi-liw ac yn ddiarogl. Mae angen awyru priodol ac offer amddiffynnol personol (PPE).