Argon, sem er alls staðar nálægt en ósýnilegt frumefni, er um það bil 0,93% af lofthjúpi jarðar. Þó að það sé þriðja algengasta gasið í loftinu sem við öndum að okkur, þarf flókið verkfræði að virkja það til iðnaðar, læknisfræði og vísinda. Allt frá hlífðarbogum í háhitasuðu til að vernda viðkvæmar kísilplötur við hálfleiðaraframleiðslu, eftirspurnin eftir þessu eðala gasi er gríðarleg. Hins vegar er mjög óhagkvæmt að flytja og geyma það í loftkenndu ástandi. Þetta vekur grundvallarspurningu iðnaðar: hvernig er argon gas fljótandi til að mæta alþjóðlegum kröfum á skilvirkan hátt?

Svarið liggur í háþróuðu ferli sem kallast cryogenic loftaðskilnaður. Þessi 2.000 orða yfirgripsmikla handbók mun kafa djúpt í varmafræðilegar meginreglur, vélaverkfræði og efnahreinsunarskref sem þarf til að umbreyta andrúmslofti í mjög hreinsað, kryogenískt fljótandi argon (LAR).

1. Að skilja argon og þörfina fyrir vökva

Áður en kafað er inn í vélfræði vökvunar er mikilvægt að skilja hvað argon er og hvers vegna fljótandi ferli er efnahagslega og raunhæft nauðsynlegt.

Argon (Ar) er einatomískt, efnafræðilega óvirkt eðalgas. Það er litlaus, lyktarlaust og ekki eitrað. Vegna þess að það bregst ekki við öðrum frumefnum, jafnvel við mikla hitastig, er það tilvalinn andrúmsloftsskjöldur fyrir málmvinnsluferli.

Hvers vegna fljótandi argon?

Aðalástæðan fyrir því að vökva hvers kyns lofttegund er rúmmálsminnkun. Þegar argon er breytt úr gasi við staðlaðan loftþrýsting í frostvökva, fer argon í gegnum gríðarlegt þensluhlutfall sem er 1 til 840. Þetta þýðir að hægt er að þétta 840 lítra af loftkenndu argon í einn lítra af fljótandi argon. Þessi stórkostlega lækkun á rúmmáli gerir ráð fyrir hagkvæmum lausaflutningum um frystiflutningabíla og skilvirka geymslu í lofttæmieinangruðum tönkum í iðnaðaraðstöðu.

Eðliseiginleikar Argon

Til að vinna gas í vökva verða verkfræðingar að vinna náið með varmafræðilega eiginleika þess. Hér að neðan eru mikilvægir líkamlegir gagnapunktar sem segja til um vökvabreytur.

2. Grunnvísindin: Cryogenic Air Separation

Argon er ekki framleitt eða tilbúið; það er safnað beint úr loftinu í kringum okkur. Yfirtæknin sem notuð er til að ná þessu er Cryogenic brotaeiming.

Þetta ferli byggir á grundvallarreglu efnafræðinnar: mismunandi frumefni breyta um ástand (þétta eða sjóða) við mismunandi hitastig. Með því að kæla andrúmsloftið þar til það verður að vökva, og hækka síðan hitastig þess hægt, geta verkfræðingar aðskilið loftblönduna í grunnþætti þess - köfnunarefni, súrefni og argon - þar sem þeir sjóða af einum í einu.

Áskorunin um argon aðskilnað

Aðskilja argon er alræmt erfitt vegna suðumarks þess. Horfðu á suðumark þriggja aðalþátta andrúmsloftsins:

3. Skref-fyrir-skref ferli: Hvernig loft verður fljótandi argon

Ferðin frá andrúmslofti yfir í kælimyndandi fljótandi argon felur í sér fjölþrepa Air Separation Unit (ASU). Hér er ítarleg, skref-fyrir-skref sundurliðun á ferlinu.

Skref 1: Loftinntak, þjöppun og síun

Ferlið hefst með hráefninu: andrúmslofti.
Stórir iðnaðarviftur draga loft í gegnum fjölþrepa síuhús til að fjarlægja agnir, ryk og skordýr. Þegar það hefur verið síað fer loftið inn í fjölþrepa miðflóttaþjöppu. Loftið er þjappað að þrýstingi sem er um það bil 5 til 7 bör (70 til 100 psi).

Það að þjappa gasi myndar náttúrulega verulegan hita (þjöppunarhitann). Til að stjórna þessu eru millikælarar settir á milli þjöppunarstiganna. Kæling loftsins á þessu stigi veldur einnig því að stór hluti raka í andrúmsloftinu (vatnsgufa) þéttist út, sem síðan er tæmd í burtu.

Skref 2: Hreinsun með sameindasigtum

Áður en hægt er að láta loftið verða fyrir frosthita verður að fjarlægja öll snefilóhreinindi sem gætu frosið og stíflað rörin. Þessi óhreinindi innihalda fyrst og fremst:

• Leifarvatnsgufa (H2O)
• Koltvíoxíð (CO2)
• Spor kolvetni

Þjappað loft er leitt í gegnum forhreinsunareiningu (PPU) sem samanstendur af rúmum af súráli og zeólít sameinda sigtum. Þessi sigti virka sem mjög sértækir smásæir svampar og gleypa raka og CO2 sameindirnar. Ef þetta skref mistekst myndi CO2 og þurrís myndast djúpt inni í verksmiðjunni, stífla viðkvæma varmaskiptina og krefjast þess að verksmiðjan verði algjörlega stöðvuð.

Skref 3: Mikil kæling og stækkun

Þurrt, hreinsað og þjappað loft fer nú inn í „kalda kassann,“ mjög einangruð bygging sem hýsir frostvarmaskiptana og eimingarsúlurnar.

Kælingarferlið notar Joule-Thomson áhrif og vélrænni stækkun. Hlýja loftið sem kemur inn fer í gegnum aðalvarmaskipti og flæðir í mótstraumi við afar köld útblástursloft (köfnunarefni og súrefni) sem skilar sér frá eimingarsúlunum. Þetta lækkar lofthitastigið verulega.

Til að ná raunverulegu frosthitastigi (undir -170°C) er hluti af þjappað lofti fluttur í gegnum túrbóþenslu. Þar sem háþrýstigasið þenst hratt út í gegnum hverfla framkvæmir það vélræna vinnu, sem knýr fram stórfellda lækkun á hitastigi gassins. Þegar loftið fer út úr varmaskiptanum og stækkanum er það blanda af ótrúlega köldu gufu og fljótandi lofti, tilbúið til aðskilnaðar.

Skref 4: Aðalbroteiming (HP og LP dálkar)

Kjarninn í vökvunarferlinu er tvídálka eimingarkerfið, sem samanstendur af háþrýstisúlu (HP) sem situr undir lágþrýstingssúlu (LP).

1. Háþrýstingssúla: Undirkæld vökvi/gufu loftblandan fer inn í botn HP súlunnar. Þegar vökvinn fellur til botns og gufan stígur upp í gegnum gataðar sigtibakka, verður fyrsti aðskilnaðurinn. Köfnunarefni, með lægsta suðumarkið, rís upp á toppinn sem gas. Súrefnisríkur vökvi (inniheldur megnið af argoninu) safnast saman neðst.
2. Lágþrýstingssúla: Súrefnisríkur vökvinn frá botni HP súlunnar er dreginn (stækkaður) inn í LP súluna fyrir ofan hana. Vegna lægri þrýstings á sér stað frekari aðskilnaður. Hreint fljótandi súrefni safnast fyrir neðst í LP súlunni en hreint köfnunarefnisgas fer út úr toppnum.

Skref 5: Argon hliðararmssúlan

Vegna þess að suðumark argon er á milli súrefnis og köfnunarefnis, safnast það í neðri miðhluta lágþrýstingssúlunnar. Í hámarksstyrk sínum er gasblandan í þessum tiltekna „bum“ súlunnar um það bil 10% til 12% argon, en restin er súrefni og örlítill snefill af köfnunarefni.

Til að draga það út, grípa verkfræðingar inn í þennan tiltekna hluta og draga blönduna inn í aðskilið, meðfylgjandi uppbyggingu sem kallast Argon hliðararmssúla.
Inni í þessari ótrúlega háu súlu (sem inniheldur oft yfir 150 fræðilega bakka) á sér stað aukaeiming. Vegna þess að argon er örlítið rokgjarnara (sýður auðveldara) en súrefni, rís argongufan upp í topp hliðarsúlunnar, en þyngra fljótandi súrefnið fellur niður á botninn og skilar sér í aðal LP dálkinn.

Það sem kemur upp frá toppi hliðararmssúlunnar er þekkt sem „hrátt argon“. Á þessu stigi er það fljótandi en er aðeins um 98% hreint. Það inniheldur enn um það bil 2% súrefni og snefilmagn af köfnunarefni, sem þarf að fjarlægja til iðnaðarnota.

4. Hreinsun: Uppfærsla á hráolíu í fljótandi argon með mikla hreinleika

Fyrir nútíma forrit, sérstaklega í hálfleiðurum og geimferðaiðnaði, verður argon að vera „fimm níu“ hreint (99,999%). Hrá argon verður að gangast undir stranga hreinsun.

„Deoxo“ hvataferli

Til að fjarlægja 2% súrefnið sem eftir eru er hráargonið flutt í hvarfakljúf sem kallast Deoxo eining. Að innan er mjög hreinu vetnisgasi sprautað í vökvastrauminn.
Þegar palladíum- eða platínuhvata er til staðar hvarfast vetnið efnafræðilega við óþekktar súrefnissameindir og myndar vatn (2H)₂ + O₂ → 2H₂O). Þetta hvarf losar lítið magn af hita og breytir argoninu aftur í gas í augnablikinu.

Lokaþurrkun og eiming

Gasið er síðan leitt í gegnum auka sameinda sigti til að fjarlægja nýmynduðu vatnssameindirnar. Að lokum, þurrt, súrefnislaust argongas er sett inn í lokaeimingarsúluna - hreina argonsúluna.

Hér er argonið kælt aftur þar til það þéttist aftur í fljótandi ástand. Allar leifar af köfnunarefnisleifum, sem eru áfram loftkenndar við fljótandi argon hitastig, er losað frá toppi súlunnar. Varan sem myndast er sem safnast saman við botninn er mjög hreinsað, ofurkalt fljótandi argon (LAR), tilbúið til dreifingar í atvinnuskyni.

5. Geymsla og flutningur á fljótandi argon

Þegar spurningunni um hvernig er argongas fljótandi er svarað er næsta áskorun að halda því í því ástandi. Við -185,8°C mun öll útsetning fyrir umhverfishita valda því að vökvinn sýður kröftuglega aftur í gas—fyrirbæri sem kallast Boil-Off Gas (BOG).

Til að berjast gegn þessu er fljótandi argon dælt inn í mjög sérhæfða, lofttæmdu einangraða frystigeymslutanka. Þessir tankar virka svipað og hitabrúsa. Þau samanstanda af innra íláti úr ryðfríu stáli (sem verður ekki stökkt við frosthitastig) og ytra ílát úr kolefnisstáli. Rýmið á milli skipanna tveggja er fyllt með einangrandi dufti (eins og perlít) og dælt niður í næstum fullkomið lofttæmi til að koma í veg fyrir leiðandi og leiðandi hitaflutning.

Þegar það er flutt til notenda er LAR flutt í sérhæfðum frystiflutningabílum. Við komu á verksmiðju eða sjúkrahús er það flutt í kyrrstætt lofttæmdu hylki á staðnum. Þegar viðskiptavinurinn þarf loftkennt argon fyrir ferla sína, er vökvinn einfaldlega fluttur í gegnum umhverfisloftsvaporizer - röð álröra með finndum sem gleypa hita frá nærliggjandi lofti og hita vökvann á öruggan hátt aftur í háþrýstigas.

6. Niðurstaða

Umbreyting ósýnilegs umhverfislofts í ofurhreinan vökva undir núll er undur nútíma efnaverkfræði og varmafræði. Með ströngum stigum háþrýstingsþjöppunar, sameindasíunar, Joule-Thomson stækkunar og mjög viðkvæmrar brotaeimingar, geta atvinnugreinar uppskera á skilvirkan hátt argonið sem teppir plánetuna okkar.

Skilningur fljótandi argon gas er mikilvægt til að hagræða alþjóðlegum aðfangakeðjum. Eftir því sem tækninni fleygir fram - sérstaklega í rafeindaframleiðslu, þrívíddarmálmprentun og geimverkfræði - mun treysta á mjög hreint, skilvirkt flutt fljótandi argon aðeins halda áfram að vaxa, sem gerir aðskilnað frystilofts að einu mikilvægasta, en samt vanmetna, iðnaðarferli nútímans.

7. Algengar spurningar

Q1: Hvaða hitastig verður argon að vökva?

Argon breytist úr gasi í vökva við suðumark -185,8°C (-302,4°F) við venjulegan loftþrýsting. Til að halda því í fljótandi ástandi til geymslu og flutnings verður að halda því við eða undir þessu frosthitastigi með því að nota sérhæfð lofttæmieinangruð ílát til að koma í veg fyrir hraða suðu og þenslu.

Spurning 2: Af hverju er argon flutt sem vökvi frekar en gas?

Aðalástæðan er magnhagkvæmni. Þegar argon er kælt niður í vökva þéttist það í hlutfallinu 1 til 840. Þetta þýðir að einn lítri af fljótandi argon inniheldur jafngildi 840 lítra af argon gasi. Að flytja það sem vökva gerir birgjum kleift að afhenda gríðarlegt magn í einum vöruflutningabíl, sem er mun hagkvæmara og hagkvæmara en að flytja þunga háþrýstigashylki.

Q3: Er meðhöndlun fljótandi argon hættuleg?

Já, fljótandi argon hefur verulega hættu í för með sér fyrir iðnað, fyrst og fremst vegna mikillar kulda og eðlis þess að kæfa. Snerting við húð við fljótandi argon eða óeinangruð frostlögn getur valdið alvarlegum frostbitum eða frostbruna samstundis. Þar að auki, vegna þess að það stækkar hratt þegar það hitnar (840 sinnum rúmmál þess), getur minniháttar leki af fljótandi argon í lokuðu rými fljótt flutt súrefni í umhverfinu, sem leiðir til mikillar hættu á köfnun fyrir starfsfólk í nágrenninu án nokkurrar viðvörunar, þar sem gasið er litlaus og lyktarlaust. Stranglega er krafist viðeigandi loftræstingar og persónuhlífa (PPE).