Արգոնը՝ ամենուր տարածված, բայց անտեսանելի տարրը, կազմում է Երկրի մթնոլորտի մոտավորապես 0,93%-ը: Թեև այն մեր շնչած օդում երրորդ ամենաառատ գազն է, այն օգտագործելը արդյունաբերական, բժշկական և գիտական ​​կիրառումների համար պահանջում է բարդ ճարտարագիտություն: Բարձր ջերմաստիճանի եռակցման ժամանակ պաշտպանող աղեղներից մինչև կիսահաղորդիչների արտադրության ընթացքում նուրբ սիլիցիումային վաֆլիները պաշտպանելը, այս ազնիվ գազի պահանջարկը հսկայական է: Այնուամենայնիվ, այն տեղափոխելը և գազային վիճակում պահելը խիստ անարդյունավետ է: Սա հիմնարար արդյունաբերական հարց է առաջացնում. ինչպես է արգոն գազը հեղուկացվում արդյունավետ կերպով բավարարե՞լ համաշխարհային պահանջները։

Պատասխանը կայանում է բարդ գործընթացում, որը հայտնի է որպես կրիոգեն օդի բաժանում: 2000 բառից բաղկացած այս համապարփակ ուղեցույցը կխորանա ջերմադինամիկ սկզբունքների, մեքենաշինության և քիմիական մաքրման քայլերի մեջ, որոնք անհրաժեշտ են մթնոլորտային օդը բարձր մաքրված, կրիոգեն հեղուկ արգոնի (LAR) փոխակերպելու համար:

1. Հասկանալով արգոնը և հեղուկացման անհրաժեշտությունը

Նախքան հեղուկացման մեխանիկայի մեջ խորանալը, կարևոր է հասկանալ, թե ինչ է արգոնը և ինչու է հեղուկացման գործընթացը տնտեսապես և գործնականում անհրաժեշտ:

Արգոնը (Ar) միատոմ, քիմիապես իներտ ազնիվ գազ է։ Այն անգույն է, առանց հոտի և թունավոր չէ։ Քանի որ այն չի արձագանքում այլ տարրերի հետ նույնիսկ ծայրահեղ ջերմաստիճանի դեպքում, այն իդեալական մթնոլորտային վահան է մետաղագործական գործընթացների համար:

Ինչու՞ հեղուկացնել արգոնը:

Ցանկացած մթնոլորտային գազի հեղուկացման առաջնային պատճառը ծավալի կրճատումն է: Երբ ստանդարտ մթնոլորտային ճնշման գազից վերածվում է կրիոգեն հեղուկի, արգոնը ենթարկվում է 1-ից 840 ընդլայնման զանգվածային հարաբերակցության: Սա նշանակում է, որ 840 լիտր գազային արգոն կարող է խտացվել մեկ լիտրի մեջ: հեղուկ արգոն. Ծավալի այս կտրուկ կրճատումը թույլ է տալիս ծախսարդյունավետ զանգվածային փոխադրումներ կրիոգեն տանկերներով և արդյունավետ պահեստավորում արդյունաբերական օբյեկտներում վակուումային մեկուսացված տանկերում:

Արգոնի ֆիզիկական հատկությունները

Գազը հեղուկ վերածելու համար ինժեներները պետք է սերտորեն աշխատեն նրա թերմոդինամիկական հատկությունների հետ: Ստորև բերված են կրիտիկական ֆիզիկական տվյալների կետերը, որոնք թելադրում են հեղուկացման պարամետրերը:

2. Հիմնարար գիտություն. կրիոգեն օդի տարանջատում

Արգոն չի արտադրվում կամ սինթեզվում; այն հավաքվում է անմիջապես մեզ շրջապատող օդից: Դրան հասնելու համար օգտագործվող համընդհանուր տեխնոլոգիան է կրիոգեն կոտորակային թորում.

Այս գործընթացը հիմնված է քիմիայի հիմնարար սկզբունքի վրա. տարբեր տարրեր փոխում են վիճակը (խտանում կամ եռում) տարբեր ջերմաստիճաններում: Մթնոլորտային օդը սառեցնելով, մինչև այն դառնա հեղուկ, իսկ հետո դանդաղ բարձրացնելով իր ջերմաստիճանը՝ ինժեներները կարող են օդի խառնուրդը բաժանել հիմնական բաղադրիչների՝ ազոտ, թթվածին և արգոն, երբ դրանք հերթով եռում են:

Արգոնի բաժանման մարտահրավերը

Արգոնի տարանջատումը հայտնիորեն դժվար է նրա եռման կետի պատճառով: Տեսեք երեք հիմնական մթնոլորտային բաղադրիչների եռման կետերը.

3. Քայլ առ քայլ գործընթաց. Ինչպես է օդը դառնում հեղուկ արգոն

Շրջակա օդից դեպի կրիոգեն հեղուկ արգոն ճանապարհորդությունը ներառում է օդի բաժանման բազմաստիճան միավոր (ASU): Ահա գործընթացի մանրամասն, քայլ առ քայլ դասակարգումը:

Քայլ 1. Օդի ընդունում, սեղմում և զտում

Գործընթացը սկսվում է հումքից՝ միջավայրի մթնոլորտային օդից։
Զանգվածային արդյունաբերական օդափոխիչները օդը քաշում են բազմաստիճան ֆիլտրի տների միջով՝ հեռացնելու մասնիկները, փոշին և միջատները: Զտվելուց հետո օդը մտնում է բազմաստիճան կենտրոնախույս կոմպրեսոր: Օդը սեղմվում է մոտավորապես 5-ից 7 բար (70-ից 100 psi) ճնշման տակ:

Գազի սեղմումը բնականաբար առաջացնում է զգալի ջերմություն (սեղմման ջերմություն): Դա կառավարելու համար միջսառեցնող սարքերը տեղադրվում են սեղմման փուլերի միջև: Այս փուլում օդը սառեցնելը նաև հանգեցնում է շրջակա միջավայրի մթնոլորտային խոնավության (ջրային գոլորշիների) մեծ մասի խտացմանը, որը հետագայում դուրս է մղվում:

Քայլ 2. Մաքրում մոլեկուլային մաղերի միջոցով

Նախքան օդը կրիոգեն ջերմաստիճանի ենթարկվելը, բոլոր հետք կեղտերը, որոնք կարող են սառչել և արգելափակել խողովակաշարը, պետք է ամբողջությամբ հեռացվեն: Այս կեղտերը հիմնականում ներառում են.

• Մնացորդային ջրային գոլորշի (H2O)
• Ածխածնի երկօքսիդ (CO2)
• Հետք ածխաջրածիններ

Սեղմված օդը անցնում է նախնական մաքրման միավորով (PPU), որը բաղկացած է կավահողից և ցեոլիտի մոլեկուլային մաղերից: Այս մաղերը գործում են որպես բարձր ընտրողական մանրադիտակային սպունգեր՝ կլանելով խոնավությունը և CO2 մոլեկուլները: Եթե ​​այս քայլը ձախողվի, CO2 և չոր սառույցը կձևավորվի կայանի խորքում՝ խցանելով նուրբ ջերմափոխանակիչները և պահանջում է գործարանի ամբողջական անջատում:

Քայլ 3. Ծայրահեղ սառեցում և ընդլայնում

Չոր, մաքրված և սեղմված օդն այժմ մտնում է «սառը արկղ»՝ խիստ մեկուսացված կառույց, որտեղ տեղակայված են կրիոգեն ջերմափոխանակիչներն ու թորման սյուները:

Սառեցման գործընթացն օգտագործում է Ջուլ-Թոմսոնի էֆեկտ և մեխանիկական ընդլայնում: Ներգնա տաք օդը անցնում է հիմնական ջերմափոխանակիչով, հոսում է հակառակ հոսանք դեպի ծայրահեղ սառը արտանետվող գազեր (ազոտ և թթվածին), որոնք վերադառնում են թորման սյուներից: Սա կտրուկ նվազեցնում է մուտքային օդի ջերմաստիճանը:

Իրական կրիոգեն ջերմաստիճանի հասնելու համար (-170°C-ից ցածր), սեղմված օդի մի մասը ուղղորդվում է տուրբո-էքսպանդերի միջոցով: Քանի որ բարձր ճնշման գազը արագորեն ընդլայնվում է տուրբինի միջոցով, այն կատարում է մեխանիկական աշխատանք, որը ստիպում է գազի ջերմաստիճանի զանգվածային անկում: Այն պահին, երբ օդը դուրս է գալիս ջերմափոխանակիչից և ընդարձակիչից, այն անհավանական սառը գոլորշու և հեղուկ օդի խառնուրդ է, որը պատրաստ է բաժանման:

Քայլ 4. Առաջնային կոտորակային թորում (HP և LP սյունակներ)

Հեղուկացման գործընթացի սիրտը երկսյունակ թորման համակարգն է, որը բաղկացած է Բարձր ճնշման (HP) սյունից, որը նստած է ցածր ճնշման (LP) սյունակի տակ:

1. Բարձր ճնշման սյուն. Ենթահովացվող հեղուկ/գոլորշի օդային խառնուրդը մտնում է HP սյունակի հատակը: Երբ հեղուկը ընկնում է հատակին, և գոլորշին բարձրանում է ծակոտած մաղի սկուտեղների միջով, տեղի է ունենում առաջին բաժանումը: Նվազագույն եռման կետով ազոտը վեր է բարձրանում որպես գազ։ Թթվածնով հարուստ հեղուկը (որը պարունակում է արգոնի մեծ մասը) լողավազաններ է հատակին:
2. Ցածր ճնշման սյուն. Թթվածնով հարուստ հեղուկը HP-ի սյունակի ներքևից թափվում է (ընդլայնվում) դրա վերևում գտնվող LP սյունակի մեջ: Ավելի ցածր ճնշման պատճառով տեղի է ունենում հետագա տարանջատում։ Մաքուր հեղուկ թթվածինը կուտակվում է LP սյունակի ամենաներքևում, մինչդեռ մաքուր ազոտ գազը դուրս է գալիս վերևից:

Քայլ 5. Արգոնի կողային թևի սյունակ

Քանի որ արգոնի եռման կետը գտնվում է թթվածնի և ազոտի միջև, այն կենտրոնանում է ցածր ճնշման սյունակի ստորին-միջին հատվածում: Իր գագաթնակետային կոնցենտրացիայի դեպքում գազային խառնուրդը սյունակի այս կոնկրետ «փորում» կազմում է մոտավորապես 10% -ից 12% արգոն, իսկ մնացածը թթվածին է և ազոտի փոքր հետքը:

Այն հանելու համար ինժեներները դիպչում են այս կոնկրետ հատվածին և խառնուրդը քաշում առանձին, կցված կառուցվածքի մեջ, որը կոչվում է Argon Side-Arm Սյունակ.
Այս անհավանական բարձր սյունակի ներսում (հաճախ պարունակում է ավելի քան 150 տեսական սկուտեղ), տեղի է ունենում երկրորդական թորում: Քանի որ արգոնը մի փոքր ավելի ցնդող է (հեշտ է եռում), քան թթվածինը, արգոնի գոլորշին բարձրանում է կողային սյունակի վերևում, մինչդեռ ավելի ծանր հեղուկ թթվածինը ընկնում է ներքև և վերադառնում հիմնական LP սյունակ:

Այն, ինչ դուրս է գալիս կողային թևի սյունակի վերևից, հայտնի է որպես «հում արգոն»։ Այս փուլում այն ​​հաջողությամբ հեղուկացվում է, բայց մաքուր է միայն մոտ 98%-ով: Այն դեռ պարունակում է մոտավորապես 2% թթվածին և հետք քանակությամբ ազոտ, որը պետք է հեռացվի արդյունաբերական օգտագործման համար:

4. Մաքրում. հումքի արդիականացում մինչև բարձր մաքրության հեղուկ արգոն

Ժամանակակից կիրառությունների համար, հատկապես կիսահաղորդչային և օդատիեզերական արդյունաբերության մեջ, արգոնը պետք է լինի «հինգ ինը» մաքուր (99,999%): Հում արգոնը պետք է ենթարկվի խիստ մաքրման:

«Deoxo» կատալիտիկ գործընթաց

Մնացած 2% թթվածինը հեռացնելու համար չմշակված արգոնն ուղարկվում է կատալիտիկ ռեակտոր, որը հայտնի է որպես Deoxo միավոր: Ներսում բարձր մաքուր ջրածնային գազ է ներարկվում հեղուկ հոսքի մեջ:
Պալադիումի կամ պլատինի կատալիզատորի առկայության դեպքում ջրածինը քիմիապես փոխազդում է թթվածնի մոլեկուլների հետ՝ առաջացնելով ջուր (2H₂ + Օ₂ → 2H₂Օ). Այս ռեակցիան արձակում է փոքր քանակությամբ ջերմություն՝ մի պահ արգոնը նորից վերածելով գազի։

Վերջնական չորացում և թորում

Այնուհետև գազն անցնում է երկրորդական մոլեկուլային մաղով, որպեսզի հեռացնեն նոր ձևավորված ջրի մոլեկուլները: Վերջապես, չոր, առանց թթվածնի արգոն գազ սնվում է վերջնական թորման սյունակ՝ մաքուր արգոն սյունակ:

Այստեղ արգոնը ևս մեկ անգամ սառչում է, մինչև այն նորից խտանա հեղուկ վիճակի: Ցանկացած մնացորդային ազոտ, որը մնում է գազային հեղուկ արգոնի ջերմաստիճանում, օդափոխվում է սյունակի վերևից: Ստացված արտադրանքը ներքևում հավաքվում է բարձր մաքրված, գերսառը հեղուկ արգոն (LAR), որը պատրաստ է առևտրային բաշխման:

5. Հեղուկ արգոնի պահպանում և փոխադրում

Հարցին, թե ինչպես է արգոն գազը հեղուկացվում, հաջորդ մարտահրավերը այդ վիճակում պահելն է: -185,8°C-ի դեպքում, շրջակա միջավայրի ջերմության ցանկացած ազդեցություն կհանգեցնի հեղուկի ուժգին եռման՝ վերածելով գազի՝ մի երևույթ, որը հայտնի է որպես Եռացող գազ (BOG):

Դրա դեմ պայքարելու համար հեղուկ արգոնը մղվում է բարձր մասնագիտացված, վակուումային մեկուսացված կրիոգեն պահեստավորման տանկերի մեջ: Այս տանկերը գործում են թերմոսի կոլբայի նման: Դրանք բաղկացած են չժանգոտվող պողպատից պատրաստված ներքին անոթից (որը չի փխրվում կրիոգեն ջերմաստիճանում) և ածխածնային պողպատից պատրաստված արտաքին անոթից։ Երկու անոթների միջև տարածությունը լցված է մեկուսիչ փոշով (ինչպես պեռլիտը) և մղվում է մինչև կատարյալ վակուում, որպեսզի վերացնի կոնվեկտիվ և հաղորդիչ ջերմության փոխանցումը:

Վերջնական օգտագործողներին տեղափոխելիս LAR-ը տեղափոխվում է մասնագիտացված կրիոգեն բեռնատարներով: Արտադրական գործարան կամ հիվանդանոց ժամանելուն պես այն տեղափոխվում է տեղում տեղադրված վակուումային ծածկով անոթի մեջ: Երբ հաճախորդին անհրաժեշտ է գազային արգոն իրենց պրոցեսների համար, հեղուկը պարզապես ուղղորդվում է շրջակա օդի գոլորշիացման սարքի միջոցով՝ մի շարք թիթեղավոր ալյումինե խողովակների միջով, որոնք կլանում են շրջակա օդից ջերմությունը՝ ապահով կերպով տաքացնելով հեղուկը բարձր ճնշման գազի մեջ:

6. Եզրակացություն

Անտեսանելի, շրջակա օդի վերածումը ծայրահեղ մաքուր, զրոյից ցածր հեղուկի ժամանակակից քիմիական ճարտարագիտության և թերմոդինամիկայի հրաշալիք է: Բարձր ճնշման սեղմման, մոլեկուլային ֆիլտրման, Ջուլ-Թոմսոնի ընդլայնման և խիստ զգայուն կոտորակային թորման խիստ փուլերի միջոցով արդյունաբերությունները կարող են արդյունավետ կերպով հավաքել արգոնը, որը ծածկում է մեր մոլորակը:

Հասկանալով արգոն գազի հեղուկացում կենսական նշանակություն ունի համաշխարհային մատակարարման շղթաների օպտիմալացման համար: Քանի որ տեխնոլոգիաները զարգանում են, հատկապես էլեկտրոնիկայի արտադրության, 3D մետաղի տպագրության և օդատիեզերական ճարտարագիտության մեջ, կախվածությունը բարձր մաքուր, արդյունավետ տեղափոխվող հեղուկ արգոնից միայն կշարունակի աճել՝ կրիոգեն օդի բաժանումը դարձնելով ժամանակակից աշխարհի ամենակարևոր, բայց չգնահատված արդյունաբերական գործընթացներից մեկը:

7. ՀՏՀ

Q1: Ո՞ր ջերմաստիճանում է արգոնը դառնում հեղուկ:

Արգոնը գազից անցնում է հեղուկի եռման կետում -185,8°C (-302,4°F) ստանդարտ մթնոլորտային ճնշման դեպքում: Պահպանման և տեղափոխման համար այն հեղուկ վիճակում պահելու համար այն պետք է պահվի այս կրիոգեն ջերմաստիճանում կամ դրանից ցածր՝ օգտագործելով հատուկ վակուումային մեկուսացված անոթներ՝ արագ եռալն ու ընդլայնումը կանխելու համար:

Q2: Ինչու՞ է արգոնը տեղափոխվում որպես հեղուկ, այլ ոչ թե գազ:

Հիմնական պատճառը ծավալների արդյունավետությունն է: Երբ արգոնը սառչում է հեղուկի մեջ, այն խտանում է 1-ից 840 հարաբերակցությամբ: Սա նշանակում է, որ մեկ լիտր հեղուկ արգոն պարունակում է 840 լիտր արգոն գազի համարժեք: Այն որպես հեղուկ փոխադրելը մատակարարներին թույլ է տալիս մատակարարել զանգվածային, մեծ քանակություններ մեկ բեռնատարով, ինչը շատ ավելի ծախսարդյունավետ և լոգիստիկ առումով գործնական է, քան ծանր, բարձր ճնշման գազի բալոններ տեղափոխելը:

Q3. Արդյո՞ք հեղուկ արգոնի հետ վարվելը վտանգավոր է:

Այո, հեղուկ արգոնը զգալի արդյունաբերական վտանգներ է ներկայացնում հիմնականում իր ծայրահեղ ցրտի և որպես շնչահեղձ լինելու պատճառով: Մաշկի հետ շփումը հեղուկ արգոնի կամ չմեկուսացված կրիոգեն խողովակների հետ կարող է ակնթարթորեն առաջացնել ուժեղ ցրտահարություն կամ կրիոգեն այրվածքներ: Ավելին, քանի որ այն արագորեն ընդլայնվում է տաքանալիս (840 անգամ իր ծավալից), հեղուկ արգոնի փոքր արտահոսքը փակ տարածքում կարող է արագ տեղաշարժել շրջակա միջավայրի թթվածինը, ինչը հանգեցնում է մոտակայքում գտնվող անձնակազմի շնչահեղձության բարձր ռիսկի առանց որևէ նախազգուշացման, քանի որ գազը անգույն է և անհոտ: Խստորեն պահանջվում է պատշաճ օդափոխություն և անձնական պաշտպանիչ սարքավորումներ (PPE):