آرگون، عنصری همه جا حاضر و در عین حال نامرئی، تقریباً 0.93 درصد از جو زمین را تشکیل می دهد. در حالی که این گاز سومین گاز فراوان در هوایی است که تنفس می کنیم، مهار آن برای کاربردهای صنعتی، پزشکی و علمی نیاز به مهندسی پیچیده دارد. از قوس محافظ در جوشکاری در دمای بالا گرفته تا محافظت از ویفرهای سیلیکونی ظریف در طول تولید نیمه هادی، تقاضا برای این گاز نجیب بسیار زیاد است. با این حال، حمل و نقل و ذخیره آن در حالت گازی آن بسیار ناکارآمد است. این یک سوال اساسی صنعتی را مطرح می کند: گاز آرگون چگونه مایع می شود برای پاسخگویی موثر به تقاضاهای جهانی؟

پاسخ در یک فرآیند پیچیده به نام جداسازی هوای برودتی نهفته است. این راهنمای جامع 2000 کلمه ای به اصول ترمودینامیکی، مهندسی مکانیک و مراحل تصفیه شیمیایی مورد نیاز برای تبدیل هوای جو به آرگون مایع برودتی بسیار خالص شده (LAR) می پردازد.

1. درک آرگون و نیاز به مایع سازی

قبل از پرداختن به مکانیک مایع سازی، بسیار مهم است که بدانیم آرگون چیست و چرا فرآیند مایع سازی از نظر اقتصادی و عملی ضروری است.

آرگون (Ar) یک گاز نجیب تک اتمی و بی اثر شیمیایی است. بی رنگ، بی بو و غیر سمی است. از آنجایی که حتی در دماهای شدید با عناصر دیگر واکنش نشان نمی دهد، سپر اتمسفر ایده آل برای فرآیندهای متالورژی است.

چرا آرگون را مایع کنیم؟

دلیل اصلی مایع شدن هر گاز اتمسفر کاهش حجم است. زمانی که آرگون از گازی در فشار اتمسفر استاندارد به مایع برودتی تبدیل می‌شود، نسبت انبساط عظیم 1 به 840 را تجربه می‌کند. آرگون مایع. این کاهش چشمگیر حجم امکان حمل و نقل فله مقرون به صرفه از طریق کامیون های تانکر برودتی و ذخیره سازی کارآمد در مخازن عایق خلاء در تاسیسات صنعتی را فراهم می کند.

خواص فیزیکی آرگون

برای تبدیل گاز به مایع، مهندسان باید با خواص ترمودینامیکی آن کار کنند. در زیر نقاط داده های فیزیکی حیاتی هستند که پارامترهای روانگرایی را دیکته می کنند.

2. علم بنیادی: جداسازی هوا برودتی

آرگون ساخته یا سنتز نمی شود. مستقیماً از هوای اطراف ما برداشت می شود. تکنولوژی فراگیر مورد استفاده برای دستیابی به این است تقطیر کسری برودتی.

این فرآیند بر یک اصل اساسی شیمی متکی است: عناصر مختلف در دماهای مختلف حالت (تراکم یا جوش) را تغییر می دهند. با خنک کردن هوای محیط تا زمانی که به مایع تبدیل شود، و سپس به آرامی دمای آن را بالا می برند، مهندسان می توانند مخلوط هوا را به اجزای اصلی آن – نیتروژن، اکسیژن و آرگون – در حالی که یکی یکی می جوشند، جدا کنند.

چالش جداسازی آرگون

جداسازی آرگون به دلیل نقطه جوش آن بسیار دشوار است. به نقاط جوش سه جزء اصلی جوی نگاه کنید:

3. فرآیند گام به گام: چگونه هوا به آرگون مایع تبدیل می شود

سفر از هوای محیط به آرگون مایع برودتی شامل یک واحد جداسازی هوای چند مرحله‌ای (ASU) است. در اینجا به تفصیل و گام به گام این فرآیند توضیح داده شده است.

مرحله 1: ورودی هوا، فشرده سازی و فیلتراسیون

این فرآیند با مواد خام آغاز می شود: هوای جوی محیط.
فن های صنعتی عظیم هوا را از داخل فیلتر خانه های چند مرحله ای می کشند تا ذرات، گرد و غبار و حشرات را از بین ببرند. پس از فیلتر شدن، هوا وارد یک کمپرسور گریز از مرکز چند مرحله ای می شود. هوا تا فشار تقریباً 5 تا 7 بار (70 تا 100 psi) فشرده می شود.

فشرده سازی یک گاز به طور طبیعی گرمای قابل توجهی تولید می کند (گرمای فشرده سازی). برای مدیریت این، اینترکولرها بین مراحل تراکم قرار می گیرند. خنک کردن هوا در این مرحله همچنین باعث می شود که بخش زیادی از رطوبت اتمسفر (بخار آب) متراکم شود که متعاقباً تخلیه می شود.

مرحله 2: تصفیه از طریق غربال مولکولی

قبل از اینکه هوا در معرض دماهای برودتی قرار گیرد، تمام ناخالصی‌های ردیابی که می‌توانند یخ بزنند و لوله‌کشی را مسدود کنند باید به طور کامل حذف شوند. این ناخالصی ها در درجه اول عبارتند از:

• بخار آب باقیمانده (H2O)
• دی اکسید کربن (CO2)
• ردیابی هیدروکربن ها

هوای فشرده از طریق یک واحد پیش تصفیه (PPU) متشکل از بسترهای آلومینا و الک های مولکولی زئولیت عبور داده می شود. این غربال ها به عنوان اسفنج های میکروسکوپی بسیار انتخابی عمل می کنند و مولکول های رطوبت و CO2 را جذب می کنند. اگر این مرحله ناموفق باشد، CO2 و یخ خشک در اعماق کارخانه تشکیل می‌شوند و مبدل‌های حرارتی ظریف را مسدود می‌کنند و نیاز به تعطیلی کامل کارخانه دارند.

مرحله 3: خنک کننده و انبساط شدید

هوای خشک، تصفیه شده و فشرده اکنون وارد "جعبه سرد" می شود، یک ساختار به شدت عایق شده که مبدل های حرارتی برودتی و ستون های تقطیر را در خود جای داده است.

فرآیند خنک سازی با استفاده از اثر ژول تامسون و انبساط مکانیکی هوای گرم ورودی از یک مبدل حرارتی اصلی عبور می‌کند و جریان مخالف به گازهای خروجی بسیار سرد (نیتروژن و اکسیژن) که از ستون‌های تقطیر بازمی‌گردند، جریان می‌یابد. این امر دمای هوای ورودی را به شدت کاهش می دهد.

برای دستیابی به دمای برودتی واقعی (زیر 170 درجه سانتیگراد)، بخشی از هوای فشرده از طریق یک توربو منبسط کننده هدایت می شود. همانطور که گاز پرفشار به سرعت در یک توربین منبسط می شود، کار مکانیکی انجام می دهد که باعث کاهش شدید دمای گاز می شود. زمانی که هوا از مبدل حرارتی و منبسط کننده خارج می شود، مخلوطی از بخار فوق العاده سرد و هوای مایع است که آماده جداسازی است.

مرحله 4: تقطیر کسری اولیه (ستون های HP و LP)

قلب فرآیند مایع سازی، سیستم تقطیر دو ستونی است که شامل یک ستون فشار بالا (HP) است که در زیر یک ستون فشار پایین (LP) قرار دارد.

1. ستون فشار بالا: مخلوط هوای مایع/بخار زیر خنک شده به پایین ستون HP وارد می شود. وقتی مایع به پایین می‌افتد و بخار از طریق سینی‌های غربال سوراخ‌دار بالا می‌آید، اولین جداسازی رخ می‌دهد. نیتروژن با کمترین نقطه جوش به صورت گاز به بالا می رود. مایع غنی از اکسیژن (حاوی بیشتر آرگون) در پایین استخر است.
2. ستون کم فشار: مایع غنی از اکسیژن از پایین ستون HP به ستون LP بالای آن منبسط می شود. به دلیل فشار کمتر، جداسازی بیشتر صورت می گیرد. اکسیژن مایع خالص در انتهای ستون LP جمع می شود، در حالی که گاز نیتروژن خالص از بالا خارج می شود.

مرحله 5: ستون آرگون جانبی بازو

از آنجایی که نقطه جوش آرگون بین اکسیژن و نیتروژن قرار دارد، در بخش میانی پایین ستون کم فشار متمرکز می شود. در اوج غلظت، مخلوط گاز در این "شکم" خاص ستون تقریباً 10٪ تا 12٪ آرگون است و بقیه آن اکسیژن و مقدار کمی از نیتروژن است.

برای استخراج آن، مهندسان به این بخش خاص ضربه می زنند و مخلوط را به یک ساختار جداگانه و متصل به نام the می کشند ستون کناری آرگون.
در داخل این ستون فوق العاده بلند (اغلب شامل بیش از 150 سینی نظری)، تقطیر ثانویه رخ می دهد. از آنجایی که آرگون کمی فرارتر از اکسیژن است (آسانتر می جوشد)، بخار آرگون به بالای ستون کناری بالا می رود، در حالی که اکسیژن مایع سنگین تر به پایین می افتد و به ستون اصلی LP باز می گردد.

آنچه از بالای ستون بازوی کناری بیرون می آید به عنوان "آرگون خام" شناخته می شود. در این مرحله با موفقیت به مایع تبدیل می شود اما تنها حدود 98 درصد خالص است. هنوز حاوی تقریباً 2٪ اکسیژن و مقادیر کمی نیتروژن است که برای استفاده صنعتی باید حذف شود.

4. تصفیه: ارتقاء آرگون خام به آرگون مایع با خلوص بالا

برای کاربردهای مدرن، به ویژه در صنایع نیمه هادی و هوافضا، آرگون باید خالص "پنج نه" (99.999٪) باشد. آرگون خام باید تحت تصفیه شدید قرار گیرد.

فرآیند کاتالیزوری "Deoxo".

برای حذف 2٪ اکسیژن باقیمانده، آرگون خام به یک راکتور کاتالیزوری معروف به واحد Deoxo هدایت می شود. در داخل، گاز هیدروژن بسیار خالص به جریان مایع تزریق می شود.
تحت حضور یک کاتالیزور پالادیوم یا پلاتین، هیدروژن با مولکول‌های سرکش اکسیژن واکنش شیمیایی می‌دهد و آب را تشکیل می‌دهد (2H)₂ + O₂ → 2 ساعت₂O). این واکنش مقدار کمی گرما آزاد می کند و به طور لحظه ای آرگون را دوباره به گاز تبدیل می کند.

خشک کردن و تقطیر نهایی

سپس گاز از یک غربال مولکولی ثانویه عبور داده می شود تا مولکول های آب تازه تشکیل شده را از بین ببرد. در نهایت، خشک، گاز آرگون بدون اکسیژن به ستون تقطیر نهایی - ستون آرگون خالص وارد می شود.

در اینجا، آرگون یک بار دیگر خنک می شود تا زمانی که به حالت مایع تبدیل شود. هر گونه نیتروژن باقیمانده که در دمای آرگون مایع به صورت گاز باقی می ماند، از بالای ستون تخلیه می شود. ادغام محصول به دست آمده در پایین، آرگون مایع فوق سرد (LAR) بسیار تصفیه شده و آماده توزیع تجاری است.

5. ذخیره و حمل و نقل آرگون مایع

هنگامی که به این سوال پاسخ داده شد که گاز آرگون چگونه مایع می شود، چالش بعدی حفظ آن در آن حالت است. در دمای 185.8- درجه سانتیگراد، هر گونه قرار گرفتن در معرض گرمای محیط باعث می شود که مایع به شدت دوباره به یک گاز بجوشد - پدیده ای به نام Boil-Off Gas (BOG).

برای مبارزه با این، آرگون مایع به مخازن ذخیره سازی برودتی بسیار تخصصی و عایق خلاء پمپ می شود. عملکرد این مخازن مشابه فلاسک قمقمه است. آنها از یک ظرف داخلی ساخته شده از فولاد ضد زنگ (که در دماهای برودتی شکننده نمی شود) و یک ظرف بیرونی ساخته شده از فولاد کربنی تشکیل شده اند. فضای بین دو مخزن با یک پودر عایق (مانند پرلیت) پر شده و به یک خلاء تقریباً کامل پمپ می شود تا انتقال حرارت همرفتی و رسانا را حذف کند.

هنگامی که به کاربران نهایی منتقل می شود، LAR در کامیون های تانکر برودتی تخصصی حمل می شود. پس از ورود به یک کارخانه تولیدی یا بیمارستان، آن را به یک ظرف ثابت با پوشش خلاء در محل منتقل می‌کنند. هنگامی که مشتری برای فرآیندهای خود به آرگون گازی نیاز دارد، مایع به سادگی از طریق یک بخارساز هوای محیطی هدایت می‌شود - یک سری لوله‌های آلومینیومی پره‌دار که گرما را از هوای اطراف جذب می‌کنند و با خیال راحت مایع را به یک گاز پرفشار گرم می‌کنند.

6. نتیجه گیری

تبدیل هوای نامرئی و نامرئی محیط به مایعی فوق‌العاده خالص و زیر صفر، شگفت‌انگیز مهندسی شیمی و ترمودینامیک مدرن است. از طریق مراحل سخت تراکم فشار بالا، فیلتراسیون مولکولی، انبساط ژول تامسون، و تقطیر کسری بسیار حساس، صنایع می توانند به طور موثر آرگون را که سیاره ما را پوشانده است، برداشت کنند.

درک کردن مایع سازی گاز آرگون برای بهینه سازی زنجیره های تامین جهانی حیاتی است. با پیشرفت فن آوری ها - به ویژه در تولید لوازم الکترونیکی، چاپ سه بعدی فلزات، و مهندسی هوافضا - اتکا به آرگون مایع بسیار خالص و با کارآمدی حمل و نقل همچنان به رشد خود ادامه می دهد و جداسازی هوای برودتی را به یکی از حیاتی ترین و در عین حال کمتر ارزیابی شده ترین فرآیندهای صنعتی در دنیای مدرن تبدیل می کند.

7. سوالات متداول

Q1: آرگون در چه دمایی به مایع تبدیل می شود؟

آرگون در نقطه جوش از گاز به مایع تبدیل می شود -185.8 درجه سانتی گراد (-302.4 درجه فارنهایت) در فشار اتمسفر استاندارد برای نگهداری آن در حالت مایع برای نگهداری و حمل و نقل، باید با استفاده از ظروف مخصوص عایق خلاء در این دمای برودتی یا کمتر از آن نگهداری شود تا از جوشیدن و انبساط سریع جلوگیری شود.

Q2: چرا آرگون به جای گاز به صورت مایع منتقل می شود؟

دلیل اصلی کارایی حجم است. هنگامی که آرگون به یک مایع خنک می شود، به نسبت 1 به 840 متراکم می شود. این بدان معناست که یک لیتر آرگون مایع معادل 840 لیتر گاز آرگون است. حمل و نقل آن به صورت مایع به تامین کنندگان این امکان را می دهد که مقادیر عظیم و فله ای را در یک کامیون تحویل دهند که بسیار مقرون به صرفه تر و از نظر لجستیکی کاربردی تر از حمل و نقل سیلندرهای گاز سنگین و فشار بالا است.

Q3: آیا دست زدن به آرگون مایع خطرناک است؟

بله، آرگون مایع در درجه اول به دلیل سرمای شدید و ماهیت آن به عنوان خفه کننده، خطرات صنعتی قابل توجهی دارد. تماس پوست با آرگون مایع یا لوله های برودتی بدون عایق می تواند باعث سرمازدگی شدید یا سوختگی های برودتی فورا شود. علاوه بر این، از آنجایی که با گرم شدن به سرعت منبسط می‌شود (۸۴۰ برابر حجم آن)، یک نشت جزئی از آرگون مایع در یک فضای بسته می‌تواند به سرعت اکسیژن محیط را جابجا کند، که منجر به خطر بالای خفگی برای پرسنل مجاور بدون هیچ هشداری می‌شود، زیرا گاز بی‌رنگ و بی‌بو است. تهویه مناسب و تجهیزات حفاظت فردی (PPE) به شدت مورد نیاز است.