Argoon, üldlevinud, kuid nähtamatu element, moodustab umbes 0,93% Maa atmosfäärist. Kuigi see on meie sissehingatavas õhus suuruselt kolmas gaas, nõuab selle kasutamine tööstuslikes, meditsiinilistes ja teaduslikes rakendustes keerukat inseneritööd. Nõudlus selle väärisgaasi järele on tohutu, alates kõrgtemperatuurilise keevitamise kaarest kuni õrnade räniplaatide kaitsmiseni pooljuhtide valmistamise ajal. Kuid selle transportimine ja säilitamine gaasilises olekus on väga ebaefektiivne. See tõstatab põhimõttelise tööstusküsimuse: kuidas argoongaasi veeldatakse globaalseid nõudmisi tõhusalt täita?

Vastus peitub keerukas protsessis, mida nimetatakse krüogeenseks õhueraldamiseks. See 2000-sõnaline põhjalik juhend süveneb põhjalikult termodünaamilistesse põhimõtetesse, masinaehitusse ja keemilise puhastuse etappidesse, mis on vajalikud atmosfääriõhu muutmiseks kõrgelt puhastatud krüogeenseks vedelaks argooniks (LAR).

1. Argooni mõistmine ja veeldamise vajadus

Enne veeldamise mehaanikasse sukeldumist on ülioluline mõista, mis on argoon ja miks on vedeldamise protsess majanduslikult ja praktiliselt vajalik.

Argoon (Ar) on monoatomiline, keemiliselt inertne väärisgaas. See on värvitu, lõhnatu ja mittetoksiline. Kuna see ei reageeri teiste elementidega isegi äärmuslikel temperatuuridel, on see ideaalne atmosfäärikaitse metallurgiliste protsesside jaoks.

Miks argooni veeldada?

Mis tahes atmosfäärigaasi veeldamise peamine põhjus on mahu vähendamine. Standardse atmosfäärirõhuga gaasist krüogeenseks vedelikuks muutmisel läbib argoon tohutu paisumissuhte 1 kuni 840. See tähendab, et 840 liitrit gaasilist argooni saab kondenseerida üheks liitriks argooniks. vedel argoon. See mahu järsk vähenemine võimaldab kulutõhusat puistevedu krüogeensete paakautodega ja tõhusat ladustamist tööstusrajatiste vaakumisolatsiooniga mahutites.

Argooni füüsikalised omadused

Gaasi vedelikuks muutmiseks peavad insenerid selle termodünaamiliste omadustega põhjalikult töötama. Allpool on toodud kriitilised füüsilised andmepunktid, mis määravad veeldamise parameetrid.

2. Põhiteadus: krüogeenne õhu eraldamine

Argooni ei toodeta ega sünteesita; see korjatakse otse meid ümbritsevast õhust. Selle saavutamiseks kasutatav kõikehõlmav tehnoloogia on krüogeenne fraktsionaalne destilleerimine.

See protsess tugineb keemia põhiprintsiibile: erinevad elemendid muudavad olekut (kondenseeruvad või keevad) erinevatel temperatuuridel. Jahutades ümbritsevat õhku, kuni see muutub vedelaks, ja seejärel aeglaselt selle temperatuuri tõstes, saavad insenerid eraldada õhusegu põhikomponentideks – lämmastik, hapnik ja argoon –, kui need ükshaaval ära keevad.

Argooni eraldamise väljakutse

Argooni eraldamine on selle keemistemperatuuri tõttu kurikuulsalt keeruline. Vaadake kolme peamise atmosfäärikomponendi keemistemperatuuri:

3. Samm-sammuline protsess: kuidas õhk muutub vedelaks argooniks

Teekond välisõhust krüogeense vedela argooni juurde hõlmab mitmeastmelist õhueraldusseadet (ASU). Siin on protsessi üksikasjalik samm-sammuline jaotus.

1. samm: õhu sissevõtt, kokkusurumine ja filtreerimine

Protsess algab toorainega: ümbritseva õhuga.
Massiivsed tööstuslikud ventilaatorid tõmbavad õhku läbi mitmeastmeliste filtrimajade, et eemaldada tahked osakesed, tolm ja putukad. Pärast filtreerimist siseneb õhk mitmeastmelisse tsentrifugaalkompressorisse. Õhk surutakse kokku rõhuni ligikaudu 5–7 baari (70–100 psi).

Gaasi kokkusurumine tekitab loomulikult märkimisväärset soojust (kokkusurumissoojust). Selle juhtimiseks asetatakse tihendusastmete vahele vahejahutid. Õhu jahutamine selles etapis põhjustab ka suure osa ümbritseva õhuniiskuse (veeauru) kondenseerumist, mis seejärel juhitakse ära.

2. samm: puhastamine molekulaarsõelte kaudu

Enne õhu allutamist krüogeensetele temperatuuridele tuleb täielikult eemaldada kõik lisandid, mis võivad külmuda ja torustikku blokeerida. Need lisandid hõlmavad peamiselt:

• Jääkveeaur (H2O)
• Süsinikdioksiid (CO2)
• Jälgi süsivesinikke

Suruõhk juhitakse läbi eelpuhastusseadme (PPU), mis koosneb alumiiniumoksiidi ja tseoliidi molekulaarsõeladest. Need sõelad toimivad väga selektiivsete mikroskoopiliste käsnadena, adsorbeerides niiskust ja CO2 molekule. Kui see samm ebaõnnestub, tekivad sügavale seadmesse CO2 ja kuivjää, mis ummistavad õrnad soojusvahetid ja nõuavad seadme täielikku seiskamist.

3. samm: äärmuslik jahutamine ja laiendamine

Kuiv, puhastatud ja suruõhk siseneb nüüd "külmakasti" - tugevalt isoleeritud struktuuri, kus asuvad krüogeensed soojusvahetid ja destilleerimiskolonnid.

Jahutusprotsessis kasutatakse Joule-Thomsoni efekt ja mehaaniline paisumine. Sissetulev soe õhk läbib peamise soojusvaheti, mis voolab vastuvoolu ülikülmadele heitgaasidele (lämmastik ja hapnik), mis destilleerimiskolonnidest naasevad. See langetab sissetuleva õhu temperatuuri järsult.

Tõeliste krüogeensete temperatuuride (alla -170 °C) saavutamiseks suunatakse osa suruõhust läbi turbopaisutaja. Kuna kõrgsurvegaas paisub kiiresti läbi turbiini, teeb see mehaanilist tööd, mis sunnib gaasi temperatuuri tohutult langetama. Selleks ajaks, kui õhk soojusvahetist ja paisutist väljub, on see uskumatult külma auru ja vedela õhu segu, mis on eraldamiseks valmis.

4. samm: esmane fraktsionaalne destilleerimine (HP ja LP kolonnid)

Veeldamisprotsessi keskmes on kahekolonniline destilleerimissüsteem, mis koosneb kõrgsurvekolonnist (HP), mis asub madala rõhu (LP) kolonni all.

1. Kõrgsurvekolonn: Alamjahutusega vedeliku/auru õhu segu siseneb HP kolonni põhja. Kui vedelik langeb põhja ja aur tõuseb läbi perforeeritud sõelaaluste, toimub esimene eraldumine. Madalaima keemistemperatuuriga lämmastik tõuseb gaasina ülespoole. Hapnikurikka vedeliku (sisaldab enamikku argooni) basseinid põhjas.
2. Madala rõhu kolonn: HP kolonni põhjast tulev hapnikurikas vedelik surutakse (paisutatakse) selle kohal asuvasse LP kolonni. Madalama rõhu tõttu toimub edasine eraldumine. Puhas vedel hapnik koguneb LP kolonni põhjas, samas kui puhas lämmastik väljub ülaosast.

5. samm: argooni külgõla kolonn

Kuna argooni keemispunkt asub hapniku ja lämmastiku vahel, koondub see madalrõhukolonni alumisse-keskmisse sektsiooni. Kõrgeima kontsentratsiooni korral on selles konkreetses kolonni "kõhus" gaasisegus ligikaudu 10–12% argooni, ülejäänud on hapnik ja väike lämmastikujälg.

Selle eraldamiseks puudutavad insenerid seda konkreetset jaotist ja tõmbavad segu eraldi kinnitatud struktuuriks, mida nimetatakse Argooni külgõla kolonn.
Selle uskumatult kõrge kolonni sees (mis sisaldab sageli üle 150 teoreetilist plaati) toimub sekundaarne destilleerimine. Kuna argoon on veidi lenduvam (keeb kergemini) kui hapnik, tõuseb argooni aur külgsamba ülaossa, samas kui raskem vedel hapnik langeb põhja ja suunatakse tagasi põhisambasse.

Külgõla kolonni ülaosast väljuvat nimetatakse toorargooniks. Selles etapis on see edukalt vedeldatud, kuid selle puhtus on ainult umbes 98%. See sisaldab endiselt ligikaudu 2% hapnikku ja vähesel määral lämmastikku, mis tuleb tööstuslikuks kasutamiseks eemaldada.

4. Puhastamine: toornafta üleviimine kõrge puhtusastmega vedelaks argooniks

Kaasaegsete rakenduste jaoks, eriti pooljuhtide ja kosmosetööstuses, peab argoon olema "viie üheksa" puhas (99,999%). Toorargoon peab läbima põhjaliku puhastamise.

"Deoxo" katalüütiline protsess

Ülejäänud 2% hapniku eemaldamiseks suunatakse toorargoon katalüütilisse reaktorisse, mida tuntakse Deoxo üksusena. Selle sees süstitakse vedeliku voolu väga puhast vesinikgaasi.
Pallaadium- või plaatinakatalüsaatori juuresolekul reageerib vesinik keemiliselt vale hapnikumolekulidega, moodustades vett (2H₂ + O₂ → 2H₂O). See reaktsioon vabastab väikese koguse soojust, muutes argooni hetkeks tagasi gaasiks.

Lõplik kuivatamine ja destilleerimine

Seejärel lastakse gaas läbi sekundaarse molekulaarsõela, et eemaldada äsja moodustunud veemolekulid. Lõpuks kuiv, hapnikuvaba argoongaas juhitakse lõplikku destilleerimiskolonni – puhta argooni kolonni.

Siin jahutatakse argooni veel kord, kuni see kondenseerub tagasi vedelasse olekusse. Mis tahes jääklämmastik, mis jääb vedela argooni temperatuuril gaasiliseks, juhitakse kolonni ülaosast välja. Saadud toote põhjas kogunev toode on kõrgelt puhastatud ülikülm vedelargoon (LAR), mis on valmis kaubanduslikuks turustamiseks.

5. Vedela argooni ladustamine ja transport

Kui vastatakse küsimusele, kuidas argoongaasi veeldatakse, on järgmiseks väljakutseks selle hoidmine selles olekus. Temperatuuril -185,8 °C põhjustab igasugune kokkupuude ümbritseva soojusega vedeliku järsu keemise tagasi gaasiks – seda nähtust nimetatakse Boil-Off Gasiks (BOG).

Selle vastu võitlemiseks pumbatakse vedel argoon kõrgelt spetsialiseeritud vaakumisolatsiooniga krüogeensetesse mahutitesse. Need mahutid toimivad sarnaselt termoskolbiga. Need koosnevad roostevabast terasest sisemisest anumast (mis ei muutu krüogeensetel temperatuuridel rabedaks) ja süsinikterasest välisanumast. Kahe anuma vaheline ruum täidetakse isoleeriva pulbriga (nagu perliit) ja pumbatakse alla peaaegu täiusliku vaakumini, et välistada konvektiivne ja juhtiv soojusülekanne.

LAR-i transporditakse lõppkasutajatele spetsiaalsetes krüogeensetes paakautodes. Tootmisettevõttesse või haiglasse jõudmisel viiakse see kohapeal asuvasse statsionaarsesse vaakumkattega anumasse. Kui klient vajab oma protsesside jaoks gaasilist argooni, juhitakse vedelik lihtsalt läbi ümbritseva õhu aurusti – seeria ribidega alumiiniumtorusid, mis neelavad ümbritsevast õhust soojust, soojendades vedeliku ohutult tagasi kõrgsurvegaasiks.

6. Järeldus

Nähtamatu ümbritseva õhu muutmine ülipuhtaks miinuskraadiseks vedelikuks on kaasaegse keemiatehnoloogia ja termodünaamika ime. Kõrgsurve kokkusurumise, molekulaarfiltratsiooni, Joule-Thomsoni paisutamise ja ülitundliku fraktsioneeriva destilleerimise rangete etappide kaudu saavad tööstused tõhusalt koguda meie planeeti katvat argooni.

Arusaamine argooni gaasi veeldamine on ülemaailmsete tarneahelate optimeerimiseks ülioluline. Tehnoloogiate arenedes – eriti elektroonikatööstuses, 3D metalliprintimises ja kosmosetehnikas – kasvab sõltuvus väga puhtast, tõhusalt transporditavast vedelast argoonist ainult edasi, muutes krüogeense õhu eraldamise üheks kriitilisemaks, kuid alahinnatud tööstusprotsessiks tänapäeva maailmas.

7. KKK

Q1: Mis temperatuuril muutub argoon vedelikuks?

Argoon läheb keemistemperatuuril gaasist vedelikuks -185,8 °C (-302,4 °F) standardse atmosfäärirõhu juures. Selle hoidmiseks vedelas olekus säilitamiseks ja transportimiseks tuleb seda hoida sellel krüogeensel temperatuuril või sellest madalamal, kasutades selleks spetsiaalseid vaakumisolatsiooniga anumaid, et vältida kiiret keemist ja paisumist.

Q2: Miks transporditakse argooni pigem vedeliku kui gaasina?

Peamine põhjus on mahu efektiivsus. Kui argoon jahutada vedelikuks, kondenseerub see vahekorras 1:840. See tähendab, et üks liiter vedelat argooni sisaldab 840 liitri argoongaasi ekvivalenti. Vedelikuna transportimine võimaldab tarnijatel tarnida ühe veoautokoormaga suuri hulgikoguseid, mis on tunduvalt kulutõhusam ja logistiliselt praktilisem kui raskete kõrgsurvegaasiballoonide transportimine.

Q3: Kas vedela argooni käitlemine on ohtlik?

Jah, vedel argoon kujutab endast märkimisväärseid tööstuslikke ohte eelkõige oma äärmise külma ja lämmatava aine tõttu. Naha kokkupuude vedela argooni või isoleerimata krüogeense torustikuga võib põhjustada koheselt tõsiseid külmumist või krüogeenseid põletusi. Lisaks, kuna see paisub soojenemisel kiiresti (840 korda suurem oma mahust), võib väike vedela argooni leke kinnises ruumis ümbritseva hapniku kiiresti välja tõrjuda, mis põhjustab läheduses viibivatel töötajatel ilma hoiatuseta suure lämbumisohu, kuna gaas on värvitu ja lõhnatu. Nõuetekohane ventilatsioon ja isikukaitsevahendid on rangelt nõutavad.