Pehea ka wai o Argon Gas
ʻO Argon, kahi mea i ʻike ʻole ʻia, aia ma kahi o 0.93% o ka lewa o ka Honua. ʻOiai ʻo ia ke kolu o ke kinoea nui loa i ka lewa a mākou e hanu ai, ʻo ka hoʻohana ʻana iā ia no ka ʻenehana, lāʻau lapaʻau, a me nā noiʻi ʻepekema e pono ai ka ʻenehana paʻakikī. Mai ka pale ʻana i nā arcs i ka welding wela kiʻekiʻe a i ka pale ʻana i nā wafers silicon maikaʻi i ka wā o ka hana semiconductor, nui ke koi no kēia kinoea hanohano. Eia nō naʻe, ʻaʻole pono ka lawe ʻana a me ka mālama ʻana iā ia i loko o kona kūlana kinoea. Ke hāpai nei kēia i kahi nīnau ʻoihana koʻikoʻi: pehea ke kinoea argon liquefied e hoʻokō pono i nā koi honua?
Aia ka pane ma kahi kaʻina hana maʻalahi i kapa ʻia ʻo cryogenic air separation. ʻO kēia alakaʻi piha huaʻōlelo 2,000 e komo hohonu i nā loina thermodynamic, ʻenekinia mīkini, a me nā hana hoʻomaʻemaʻe kemika e pono ai e hoʻololi i ka ea lewa i hoʻomaʻemaʻe loa, cryogenic wai argon (LAR).
1. Ka hoʻomaopopo ʻana iā Argon a me ka pono o ka wai
Ma mua o ka luʻu ʻana i ka mechanics o ka liquefaction, he mea koʻikoʻi e hoʻomaopopo i ke ʻano o ka argon a me ke kumu e pono ai ke kaʻina hana liquefaction.
ʻO Argon (Ar) he kinoea hanohano monatomic. ʻAʻohe kala, ʻaʻala ʻole, a ʻaʻohe mea ʻawaʻawa. No ka mea, ʻaʻole ia e hoʻopili me nā mea ʻē aʻe i nā mahana wela loa, ʻo ia ka pale lewa kūpono no nā kaʻina metallurgical.
No ke aha e hoʻokahe ai i ka Argon?
ʻO ke kumu nui o ka hoʻoheheʻe ʻana i kekahi kinoea lewa ʻo ia ka hoʻohaʻahaʻa leo. Ke hoʻololi ʻia mai ke kinoea ma ke kaomi ea maʻamau i kahi wai cryogenic, loaʻa ka argon i kahi lakene hoʻonui nui o 1 a 840. ʻO ia ke ʻano he 840 lita o ke kinoea argon hiki ke hoʻopili ʻia i hoʻokahi lita o. ʻO ka argon wai. ʻO kēia hōʻemi nui o ka leo e hiki ai i ka lawe nui ʻana i ke kumu kūʻai ma o nā kaʻa tanker cryogenic a me ka mālama pono ʻana i nā pahu pahu i hoʻopaʻa ʻia ma nā hale ʻoihana.
Na Pono Kino o Argon
No ka hoʻololi ʻana i ke kinoea i loko o ka wai, pono e hana pono nā ʻenekinia me kāna mau waiwai thermodynamic. Aia ma lalo nā kikoʻikepili kino koʻikoʻi e kuhikuhi ana i nā ʻāpana liquefaction.
| Waiwai | Waiwai/Wehewehe |
|---|---|
| Hōʻailona Kimia | ARHERE AR |
| Helu ʻAtoma | 18 |
| Lae paila (ma 1 atm) | -185.8°C (-302.4°F) |
| Lae hehee | -189.4°C (-308.9°F) |
| Density (Ka wai ma kahi paila) | 1.398 kg/L |
| Hoʻopaʻa lewa | 0.934% ma ka leo |
| Hoʻo·kino kimika | Inert (Ke kinoea hanohano) |
2. ʻO ka Foundational Science: Cryogenic Air Separation
ʻAʻole i hana ʻia a synthesized ʻo Argon; ʻohi pololei ʻia mai ka lewa a puni mākou. ʻO ka ʻenehana nui i hoʻohana ʻia e hoʻokō i kēia cryogenic fractional distillation.
Ke hilinaʻi nei kēia kaʻina hana i ke kumu kumu o ke kemika: hoʻololi nā mea ʻokoʻa i ke kūlana (condense a paila paha) i nā mahana like ʻole. Ma ka hoʻoluʻu ʻana i ka ea a hiki i ka lilo ʻana i wai, a laila e hoʻokiʻekiʻe mālie i kona wela, hiki i nā ʻenekini ke hoʻokaʻawale i ka hui ʻana o ka ea i loko o kāna mau mea kumu—nitrogen, oxygen, a me argon—ʻoiai lākou e hoʻolapalapa ai i kēlā me kēia.
ʻO ka pilikia o ka hoʻokaʻawale ʻana o Argon
He mea paʻakikī ka hoʻokaʻawale ʻana i ka argon ma muli o kona wahi paila. E nana i na wahi paila o na mea nui o ka lewa.
| Kinea Lewa | Lae paila (ma 1 atm) | Volume in Air |
|---|---|---|
| Nitrogen (N2) | -196.0°C (-320.8°F) | 78.08% |
| Argon (ar) | -185.8°C (-302.4°F) | 0.93% |
| Oxygen (O2) | -183.0°C (-297.4°F) | 20.95% |
3. Ke Kaʻina Hana Hana: Pehea e Lilo ai ka Ea i Liquid Argon
ʻO ka huakaʻi mai ka ea ambient a hiki i ka cryogenic wai argon e pili ana i kahi hui hoʻokaʻawale ea (ASU). Eia ka wehewehe kikoʻī ʻana i ke kaʻina hana.
KaʻAnuʻu Hana 1: Ea Intake, Compression, and Filtration
Hoʻomaka ke kaʻina hana me ka mea maka: ambient atmospheric air.
Huki nā mea pā ʻoihana nui i ka ea ma nā hale kānana he nui no ka wehe ʻana i nā mea ʻala, ka lepo, a me nā inike. Ke kānana ʻia, komo ka ea i kahi compressor centrifugal multi-stage. Hoʻopiʻi ʻia ka ea i kahi kaomi o ka 5 a 7 bar (70 a 100 psi).
ʻO ka hoʻoemi ʻana i ke kinoea e hoʻohua maoli i ka wela nui (ka wela o ka hoʻopili). No ka mālama ʻana i kēia, kau ʻia nā intercoolers ma waena o nā pae hoʻoemi. ʻO ka hoʻoluʻu ʻana i ka ea ma kēia ʻanuʻu e hoʻopuʻu ai ka ʻāpana nui o ka makū o ka lewa (wai wai) i waho, a laila e hoʻokahe ʻia.
KaʻAnuʻu 2: Hoʻomaʻemaʻe ma o Molecular Sieves
Ma mua o ka waiho ʻia ʻana o ka ea i nā wela cryogenic, pono e hoʻoneʻe loa ʻia nā wahi haumia a pau i hiki ke hoʻokuʻu a paʻa i ka paipu. ʻO kēia mau mea haumia ka mea nui:
- ʻO ka mahu wai koena (H2O)
- Kalapona Dioxide (CO2)
- Hoʻopaʻa ʻia i nā ʻano kalapona
Hoʻopili ʻia ka ea i hoʻopaʻa ʻia ma o kahi pre-purification unit (PPU) i loaʻa i nā moena o nā alumina a me nā kānana molekole zeolite. Ke hana nei kēia mau kānana ma ke ʻano he microscopic sponges i koho nui ʻia, e hoʻopili ana i ka molekele a me ka CO2. Inā hāʻule kēia kaʻina hana, e hoʻokumu ʻia ka CO2 a me ka hau maloʻo i loko o ka mea kanu, e hoʻopaʻa ana i nā mea hoʻololi wela a pono e pani ʻia ka mea kanu.
KaʻAnuʻu Hana 3: Hoʻomaʻamaʻa loa a me ka hoʻonui
Ke komo nei ka ea maloʻo, hoʻomaʻemaʻe ʻia, a i hoʻopaʻa ʻia i loko o ka "pahu anu," kahi hale i hoʻopaʻa ʻia i ka hale i nā mea hoʻololi wela cryogenic a me nā kolamu distillation.
Hoʻohana ke kaʻina hoʻoluʻu i ka ʻO ka hopena Joule-Thomson a me ka hoʻonui mechanical. Ke hele nei ka ea mehana e komo mai ana ma kahi mea hoʻololi wela nui, e kahe ana i ke kūʻē i kēia manawa i nā kinoea hoʻoheheʻe anuanu loa (nitrogen a me ka oxygen) e hoʻi mai ana mai nā kolamu distillation. Hoʻemi nui kēia i ka ea ea e komo mai ana.
No ka loaʻa ʻana o nā mahana cryogenic ʻoiaʻiʻo (ma lalo o -170 ° C), ua hoʻokele ʻia kahi ʻāpana o ka ea compressed ma o ka turbo-expander. Ke hoʻonui wikiwiki nei ke kinoea kiʻekiʻe ma o ka turbine, hana ia i ka hana mechanical, kahi e koi ai i kahi hāʻule nui o ka mahana o ke kinoea. I ka manawa e puka ai ka ea i ka mea hoʻololi wela a me ka mea hoʻonui, he hui ia o ka mahu anuanu a me ka ea wai, mākaukau no ka kaʻawale.
KaʻAnuʻu 4: ʻO ka Distillation Fractional Primary (HP a me LP Columns)
ʻO ka puʻuwai o ka hoʻoheheʻe ʻana ʻo ia ka ʻōnaehana hoʻoheheʻe ʻelua kolamu, aia me kahi kolamu High-Pressure (HP) e noho ana ma lalo o kahi kolamu Low-Pressure (LP).
- Kona Paʻi Kiʻekiʻe: Hoʻokomo ʻia ka hui ʻana o ka wai a me ka mahu i lalo o ke kolamu HP. I ka hāʻule ʻana o ka wai i lalo a piʻi aʻe ka mahu ma o nā pā kānana ʻūhā, hiki ke kaʻawale mua. ʻO ka Nitrogen, me ka helu haʻahaʻa haʻahaʻa, piʻi aʻe i luna e like me ke kinoea. ʻO ka wai momona o ka oxygen (loaʻa ka hapa nui o ka argon) loko ma lalo.
- Kona Haʻahaʻa-Pumi: Hoʻopili ʻia ka wai momona o ka oxygen mai lalo o ke kolamu HP (hoʻonui ʻia) i ke kolamu LP ma luna. Ma muli o ke kaomi haʻahaʻa, hoʻokaʻawale hou aʻe. ʻO nā loko wai oxygen wai maʻemaʻe ma lalo loa o ke kolamu LP, aʻo ke kinoea nitrogen maʻemaʻe e puka i luna.
KaʻAnuʻu Hana 5: ʻO ka Argon Side-Arm Column
No ka mea e noho ana ka paila paila o argon ma waena o ka oxygen a me ka naikokene, ua hoʻopaʻa ʻia ma ka ʻaoʻao haʻahaʻa-waena o ke kolamu Haʻahaʻa-Pressure. Ma kona kiʻekiʻe kiʻekiʻe, ʻo ka hui kinoea i loko o kēia "opu" kikoʻī o ke kolamu ma kahi o 10% a 12% argon, me ke koena he oxygen a me kahi wahi liʻiliʻi o ka nitrogen.
No ka wehe ʻana iā ia, e kaomi nā mea ʻenekinia i kēia ʻāpana kikoʻī a huki i ka hui ʻana i loko o kahi hale kaʻawale i hoʻopili ʻia i kapa ʻia ʻo ka Kolu ʻaoʻao-lima Argon.
I loko o kēia kolamu kiʻekiʻe loa (ʻoi aku ma mua o 150 mau pahu kuʻuna), hiki mai kahi distillation lua. No ka mea, ʻoi aku ka liʻiliʻi o ka argon ma mua o ka oxygen, piʻi ka argon vapor i luna o ke kolamu ʻaoʻao, ʻoiai e hāʻule ka oxygen wai kaumaha i lalo a hoʻihoʻi ʻia i ke kolamu LP nui.
ʻO ka mea e puka mai ana mai ka piko o ke kolamu ʻaoʻao-lima i kapa ʻia ʻo "crude argon." I kēia pae, ua hoʻoheheʻe maikaʻi ʻia akā aia wale nō ma kahi o 98% maʻemaʻe. Loaʻa iā ia ma kahi o 2% oxygen a me ka nui o ka nitrogen, pono e wehe ʻia no ka hoʻohana ʻana i ka ʻoihana.
4. Hoʻomaʻemaʻe: Hoʻonui i ka Crude i High-Purity Liquid Argon
No nā noi hou, ʻoi loa i ka semiconductor a me nā ʻoihana aerospace, pono ʻo argon he "ʻelima nines" maʻemaʻe (99.999%). Pono e hoʻomaʻemaʻe ikaika ka argon crude.
ʻO ka "Deoxo" Catalytic Process
No ka wehe ʻana i ke koena o 2% oxygen, hoʻolei ʻia ka argon crude i kahi reactor catalytic i ʻike ʻia he ʻāpana Deoxo. I loko, hoʻokomo ʻia ke kinoea hydrogen maʻemaʻe loa i loko o ke kahawai wai.
Ma lalo o ke alo o ka palladium a i ʻole ka platinum catalyst, hoʻopili ke kemika hydrogen me nā molekele oxygen rogue e hana i ka wai (2H2 + ʻO2 → 2H2ʻO). Hoʻokuʻu kēia hopena i kahi wela liʻiliʻi, e hoʻohuli i ka argon i ke kinoea.
ʻO ka hoʻomaloʻo hope a me ka hoʻomaʻemaʻe
Lawe ʻia ke kinoea i loko o kahi kānana molekala lua e wehe i nā molekala wai hou. ʻO ka hope, ka maloʻo, kinoea argon ʻole oxygen Hāʻawi ʻia i loko o kahi kolamu distillation hope loa - ke kolamu argon maʻemaʻe.
Maʻaneʻi, hoʻomaha hou ka argon a hiki i ka manawa e hoʻi hou ai i loko o kahi kūlana wai. Hoʻokuʻu ʻia mai luna o ke kolamu ke koena o ke koena naikokene, ka mea i noho kinoea i nā mahana argon wai. Hoʻomaʻemaʻe maikaʻi ʻia ka hui ʻana o ka huahana ma lalo, ultra-cold Liquid Argon (LAR), mākaukau no ka hāʻawi ʻana i ke kālepa.
5. Ka mālama ʻana a me ka lawe ʻana o Liquid Argon
Ke pane ʻia ka nīnau pehea e hoʻoheheʻe ʻia ai ke kinoea argon, ʻo ka paʻakikī aʻe ka mālama ʻana i ia mokuʻāina. Ma ka -185.8°C, hiki i ka ikeia ana i ka wela ambient e ho'ohua hou i ka wai i loko o ke kinoea—he mea i kapaia he Boil-Off Gas (BOG).
No ka pale ʻana i kēia, hoʻoheheʻe ʻia ka argon wai i loko o nā pahu mālama cryogenic kūikawā kūikawā. Hoʻohana like kēia mau pahu me ka ipu thermos. Aia lākou he ipu i loko i hana ʻia me ke kila kila (ʻaʻole e palupalu i nā mahana cryogenic) a me kahi ipu waho i hana ʻia me ke kila kalapona. Hoʻopiha ʻia ka hakahaka ma waena o nā moku ʻelua me ka pauka insulating (e like me ka perlite) a kaomi ʻia i lalo i kahi ʻūhā kokoke loa e hoʻopau i ka hoʻoili wela convective a conductive.
Ke lawe ʻia aku i nā mea hoʻohana hope, lawe ʻia ʻo LAR i nā kaʻa tanker cryogenic kūikawā. I ka hōʻea ʻana i kahi hale hana hana a halemai paha, hoʻoneʻe ʻia ia i loko o kahi moku i hoʻopaʻa ʻia ma ka pūnaewele. Ke makemake ka mea kūʻai aku i ke kinoea argon no kā lākou kaʻina hana, hoʻoheheʻe ʻia ka wai ma o ka ea vaporizer ambient-he pūʻulu o nā paipu alumini i hoʻopaʻa ʻia e hoʻomoʻa i ka wela mai ka lewa a puni, e hoʻomaʻamaʻa palekana i ka wai i loko o ke kinoea kiʻekiʻe.
6. Ka hopena
ʻO ka hoʻololi ʻana o ka ea i ʻike ʻole ʻia, ambient i loko o kahi wai ultra-pure, sub-zero he mea kupanaha o ka ʻenekinia kemika hou a me ka thermodynamics. Ma o nā pae koʻikoʻi o ka hoʻoemi kaomi kiʻekiʻe, kānana molekala, hoʻonui Joule-Thomson, a me ka distillation fractional koʻikoʻi, hiki i nā ʻoihana ke hōʻiliʻili maikaʻi i ka argon e uhi ana i ko kākou honua.
Ka maopopo argon gas liquefaction mea nui no ka hoʻonui ʻana i nā kaulahao lako honua. Ke holomua nei ka ʻenehana — ʻoi aku ka nui o ka hana uila, ka paʻi metala 3D, a me ka ʻenekinia aerospace — e hoʻomau wale ka hilinaʻi ʻana i ka wai argon wai maʻemaʻe, lawe maikaʻi ʻia, e hana ana i ka hoʻokaʻawale ʻana i ka ea cryogenic kekahi o nā kaʻina hana koʻikoʻi, akā mahalo ʻole ʻia i kēia ao hou.
7. NUI
Q1: He aha ka mahana e lilo ai ke argon i wai?
Hoʻololi ʻo Argon mai ke kinoea a i ka wai ma kahi paila o -185.8°C (-302.4°F) ma ke kaomi lewa maʻamau. No ka mālama ʻana iā ia i loko o kahi ʻano wai no ka mālama ʻana a me ka lawe ʻana, pono e mālama ʻia ma lalo a i ʻole ma lalo o kēia mahana cryogenic me ka hoʻohana ʻana i nā moku i hoʻopaʻa ʻia i ka vacuum kūikawā e pale i ka hoʻolapalapa a me ka hoʻonui.
Q2: No ke aha i lawe ʻia ai ka argon ma ke ʻano he wai ma mua o ke kinoea?
ʻO ke kumu nui o ka hoʻokō ʻana i ka volume. Ke hoʻomāʻalili ʻia ka argon i loko o kahi wai, e hoʻohāinu ʻia ma ka ratio o 1 a 840. ʻO ia hoʻi, aia i hoʻokahi lita o ka argon wai ka like me 840 lita o ke kinoea argon. ʻO ka lawe ʻana iā ia ma ke ʻano he wai e hiki ai i nā mea hoʻolako ke hāʻawi i nā mea nui a nui i loko o kahi kaʻa hoʻokahi, ʻoi aku ka maikaʻi o ke kumu kūʻai a me ka logistically ma mua o ka lawe ʻana i nā pahu kinoea kaumaha, kiʻekiʻe.
Q3: He pōʻino anei ka lawelawe ʻana i ka wai argon?
ʻAe, hāʻawi ka argon wai i nā pōʻino ʻoihana nui ma muli o kona anu nui a me kona ʻano he asphyxiant. Hiki i ka pili ʻana i ka ʻili me ka wai argon a i ʻole ka paipu cryogenic uninsulated hiki ke hōʻeha koke i ka hau hau a i ʻole ke kuni cryogenic. Eia kekahi, no ka mea e hoʻonui wikiwiki ʻo ia i ka wā e mahana ai (840 mau manawa o kona leo), kahi liʻiliʻi liʻiliʻi o ka argon wai i loko o kahi wahi paʻa hiki ke hoʻoneʻe koke i ka oxygen ambient, e alakaʻi ana i kahi pilikia nui o ka asphyxiation no nā limahana kokoke me ka ʻole o ka ʻōlelo aʻo, no ka mea, ʻaʻohe kala a me ka ʻala. Pono pono ka ventila a me nā lako pale pilikino (PPE).
