არგონი, ყველგან გავრცელებული, მაგრამ უხილავი ელემენტი, შეადგენს დედამიწის ატმოსფეროს დაახლოებით 0,93%-ს. მიუხედავად იმისა, რომ ეს არის მესამე ყველაზე უხვი გაზი ჰაერში, რომელსაც ჩვენ ვსუნთქავთ, მისი გამოყენება სამრეწველო, სამედიცინო და სამეცნიერო მიზნებისთვის მოითხოვს კომპლექსურ ინჟინერიას. მაღალი ტემპერატურის შედუღების დროს დამცავი რკალებიდან დაწყებული ნახევარგამტარების წარმოების დროს დელიკატური სილიკონის ვაფლის დაცვამდე, ამ კეთილშობილ აირზე მოთხოვნა უზარმაზარია. თუმცა მისი ტრანსპორტირება და შენახვა აირისებრ მდგომარეობაში ძალზე არაეფექტურია. ეს ბადებს ფუნდამენტურ ინდუსტრიულ კითხვას: როგორ თხევადდება არგონის გაზი გლობალური მოთხოვნების ეფექტურად დაკმაყოფილება?

პასუხი მდგომარეობს დახვეწილ პროცესში, რომელიც ცნობილია როგორც კრიოგენული ჰაერის გამოყოფა. ეს 2000 სიტყვიანი ყოვლისმომცველი სახელმძღვანელო ღრმად შეისწავლის თერმოდინამიკური პრინციპების, მექანიკური ინჟინერიისა და ქიმიური გამწმენდის საფეხურებს, რომლებიც საჭიროა ატმოსფერული ჰაერის მაღალგანწმენდილ, კრიოგენულ თხევად არგონად (LAR) გადაქცევისთვის.

1. არგონის და გათხევადების საჭიროების გაგება

გათხევადების მექანიკაში ჩასვლამდე გადამწყვეტია იმის გაგება, თუ რა არის არგონი და რატომ არის გათხევადების პროცესი ეკონომიკურად და პრაქტიკულად საჭირო.

არგონი (Ar) არის ერთატომური, ქიმიურად ინერტული კეთილშობილი გაზი. ის არის უფერო, უსუნო და არატოქსიკური. იმის გამო, რომ ის არ რეაგირებს სხვა ელემენტებთან ექსტრემალურ ტემპერატურაზეც კი, ეს არის იდეალური ატმოსფერული ფარი მეტალურგიული პროცესებისთვის.

რატომ თხევადი არგონი?

ნებისმიერი ატმოსფერული გაზის გათხევადების ძირითადი მიზეზი მოცულობის შემცირებაა. სტანდარტული ატმოსფერული წნევის გაზიდან კრიოგენულ სითხეში გადაქცევისას არგონი განიცდის გაფართოების მასიურ თანაფარდობას 1-დან 840-მდე. ეს ნიშნავს, რომ 840 ლიტრი აირისებრი არგონის კონდენსირება შესაძლებელია ერთ ლიტრში. თხევადი არგონი. მოცულობის ეს დრამატული შემცირება საშუალებას იძლევა კრიოგენული ტანკერის სატვირთო მანქანების ხარჯზე ეფექტური ნაყარი ტრანსპორტირება და სამრეწველო ობიექტებში ვაკუუმ-იზოლირებულ ავზებში ეფექტური შენახვა.

არგონის ფიზიკური თვისებები

გაზის სითხეში გადაქცევისთვის, ინჟინრებმა მჭიდროდ უნდა იმუშაონ მის თერმოდინამიკურ თვისებებთან. ქვემოთ მოცემულია კრიტიკული ფიზიკური მონაცემების წერტილები, რომლებიც კარნახობენ გათხევადების პარამეტრებს.

2. ფუნდამენტური მეცნიერება: კრიოგენული ჰაერის გამოყოფა

არგონი არ არის წარმოებული ან სინთეზირებული; ის მიიღება პირდაპირ ჩვენს გარშემო არსებული ჰაერიდან. ამის მისაღწევად გამოყენებული ყოვლისმომცველი ტექნოლოგია არის კრიოგენული ფრაქციული დისტილაცია.

ეს პროცესი ეყრდნობა ქიმიის ფუნდამენტურ პრინციპს: სხვადასხვა ელემენტი ცვლის მდგომარეობას (კონდენსირებას ან დუღილს) სხვადასხვა ტემპერატურაზე. ატმოსფერული ჰაერის გაციებით, სანამ ის თხევად არ გახდება, და შემდეგ ნელ-ნელა ამაღლებს ტემპერატურას, ინჟინრებს შეუძლიათ ჰაერის ნარევი გამოყოს მის ძირითად კომპონენტებად - აზოტი, ჟანგბადი და არგონი, როცა ისინი სათითაოდ ადუღდება.

არგონის გამოყოფის გამოწვევა

არგონის გამოყოფა საკმაოდ რთულია მისი დუღილის წერტილის გამო. შეხედეთ სამი ძირითადი ატმოსფერული კომპონენტის დუღილის წერტილებს:

3. ნაბიჯ-ნაბიჯ პროცესი: როგორ ხდება ჰაერი თხევად არგონად

მოგზაურობა ატმოსფერული ჰაერიდან კრიოგენულ თხევად არგონამდე მოიცავს მრავალსაფეხურიან ჰაერის გამოყოფის ერთეულს (ASU). აქ მოცემულია პროცესის დეტალური, ეტაპობრივი აღწერა.

ნაბიჯი 1: ჰაერის მიღება, შეკუმშვა და ფილტრაცია

პროცესი იწყება ნედლეულით: ატმოსფერული ჰაერი.
მასიური ინდუსტრიული ვენტილატორები ჰაერს ატარებენ მრავალსაფეხურიანი ფილტრის სახლებში, რათა ამოიღონ ნაწილაკები, მტვერი და მწერები. გაფილტრვის შემდეგ ჰაერი შედის მრავალსაფეხურიან ცენტრიდანულ კომპრესორში. ჰაერი შეკუმშულია დაახლოებით 5-დან 7 ბარამდე (70-დან 100 psi) წნევამდე.

გაზის შეკუმშვა ბუნებრივად წარმოქმნის მნიშვნელოვან სითბოს (შეკუმშვის სითბო). ამის სამართავად ინტერქულერები მოთავსებულია შეკუმშვის ეტაპებს შორის. ჰაერის გაგრილება ამ ეტაპზე ასევე იწვევს გარემოს ატმოსფერული ტენის (წყლის ორთქლის) დიდი ნაწილის კონდენსაციას, რომელიც შემდგომში იშლება.

ნაბიჯი 2: გაწმენდა მოლეკულური საცრების მეშვეობით

სანამ ჰაერი დაექვემდებარება კრიოგენულ ტემპერატურას, ყველა კვალი მინარევები, რომლებიც შეიძლება გაიყინოს და დაბლოკოს მილსადენი, მთლიანად უნდა მოიხსნას. ეს მინარევები ძირითადად მოიცავს:

• ნარჩენი წყლის ორთქლი (H2O)
• ნახშირორჟანგი (CO2)
• კვალი ნახშირწყალბადები

შეკუმშული ჰაერი გადის წინასწარ გამწმენდ განყოფილებაში (PPU), რომელიც შედგება ალუმინისა და ცეოლიტის მოლეკულური საცერებისგან. ეს საცრები მოქმედებს როგორც უაღრესად შერჩევითი მიკროსკოპული ღრუბლები, შთანთქავს ტენიანობას და CO2 მოლეკულებს. თუ ეს ნაბიჯი ვერ მოხერხდა, CO2 და მშრალი ყინული წარმოიქმნება ქარხნის სიღრმეში, დაბლოკავს დელიკატურ სითბოს გადამცვლელებს და საჭიროებს ქარხნის სრულ გამორთვას.

ნაბიჯი 3: ექსტრემალური გაგრილება და გაფართოება

მშრალი, გაწმენდილი და შეკუმშული ჰაერი ახლა შედის „ცივ ყუთში“, ძლიერ იზოლირებულ სტრუქტურაში, სადაც განთავსებულია კრიოგენული სითბოს გადამცვლელები და დისტილაციის სვეტები.

გაგრილების პროცესი იყენებს ჯოულ-ტომსონის ეფექტი და მექანიკური გაფართოება. შემომავალი თბილი ჰაერი გადის მთავარ სითბოს გადამცვლელში, მიედინება საპირისპირო დენით უკიდურესად ცივ გამონაბოლქვი აირებამდე (აზოტი და ჟანგბადი), რომელიც ბრუნდება დისტილაციის სვეტებიდან. ეს მკვეთრად ამცირებს შემომავალი ჰაერის ტემპერატურას.

ჭეშმარიტი კრიოგენული ტემპერატურის მისაღწევად (-170°C-ზე დაბლა), შეკუმშული ჰაერის ნაწილი ტურბო-ექსპანდერის მეშვეობით გადის. როდესაც მაღალი წნევის გაზი სწრაფად ფართოვდება ტურბინაში, ის ასრულებს მექანიკურ მუშაობას, რაც იწვევს გაზის ტემპერატურის მასიურ ვარდნას. იმ დროისთვის, როდესაც ჰაერი გამოდის სითბოს გადამცვლელიდან და ექსპანდერიდან, ის წარმოუდგენლად ცივი ორთქლისა და თხევადი ჰაერის ნაზავია, მზად არის განცალკევებისთვის.

ნაბიჯი 4: პირველადი ფრაქციული დისტილაცია (HP და LP სვეტები)

გათხევადების პროცესის გული არის ორსვეტიანი დისტილაციის სისტემა, რომელიც შედგება მაღალი წნევის (HP) სვეტისგან, რომელიც მდებარეობს დაბალი წნევის (LP) სვეტის ქვეშ.

1. მაღალი წნევის სვეტი: სუბგაციებული თხევადი/ორთქლის ჰაერის ნარევი შედის HP სვეტის ბოლოში. როდესაც სითხე ძირში ეცემა და ორთქლი ამოდის პერფორირებული საცრის უჯრებში, ხდება პირველი გამოყოფა. აზოტი, ყველაზე დაბალი დუღილის წერტილით, ზევით ამოდის გაზის სახით. ჟანგბადით მდიდარი სითხე (რომელიც შეიცავს არგონის უმეტეს ნაწილს) გროვდება ბოლოში.
2. დაბალი წნევის სვეტი: ჟანგბადით მდიდარი სითხე HP სვეტის ქვემოდან იჭრება (ფართოვდება) მის ზემოთ მდებარე LP სვეტში. დაბალი წნევის გამო ხდება შემდგომი გამოყოფა. სუფთა თხევადი ჟანგბადი გროვდება LP სვეტის ბოლოში, ხოლო სუფთა აზოტის გაზი გამოდის ზემოდან.

ნაბიჯი 5: არგონის გვერდითი მკლავის სვეტი

იმის გამო, რომ არგონის დუღილის წერტილი მდებარეობს ჟანგბადსა და აზოტს შორის, ის კონცენტრირდება დაბალი წნევის სვეტის ქვედა-შუა განყოფილებაში. მისი პიკური კონცენტრაციის დროს, გაზის ნარევი სვეტის ამ სპეციფიკურ „მუცელში“ შეადგენს დაახლოებით 10%-დან 12%-მდე არგონს, დანარჩენი არის ჟანგბადი და აზოტის მცირე კვალი.

მის ამოსაღებად, ინჟინრები აჭერენ ამ კონკრეტულ მონაკვეთს და ნარევს იღებენ ცალკე, მიმაგრებულ სტრუქტურაში, რომელსაც ეწოდება არგონის გვერდითი მკლავის სვეტი.
ამ წარმოუდგენლად მაღალი სვეტის შიგნით (ხშირად შეიცავს 150-ზე მეტ თეორიულ უჯრას), ხდება მეორადი დისტილაცია. იმის გამო, რომ არგონი ოდნავ უფრო აქროლადია (ადუღებს უფრო ადვილად), ვიდრე ჟანგბადი, არგონის ორთქლი ამოდის გვერდითი სვეტის ზევით, ხოლო მძიმე თხევადი ჟანგბადი ქვევით ეცემა და უბრუნდება ძირითად LP სვეტს.

ის, რაც გამოდის გვერდითი მკლავის სვეტის ზემოდან, ცნობილია როგორც "უხეში არგონი". ამ ეტაპზე, ის წარმატებით თხევადდება, მაგრამ მხოლოდ დაახლოებით 98% სუფთაა. ის კვლავ შეიცავს დაახლოებით 2% ჟანგბადს და აზოტის კვალს, რომელიც უნდა მოიხსნას სამრეწველო გამოყენებისთვის.

4. გამწმენდი: ნედლი ნავთობის გადაყვანა მაღალი სისუფთავის თხევად არგონამდე

თანამედროვე გამოყენებისთვის, განსაკუთრებით ნახევარგამტარულ და კოსმოსურ ინდუსტრიებში, არგონი უნდა იყოს „ხუთი ცხრა“ სუფთა (99,999%). ნედლი არგონმა უნდა გაიაროს მკაცრი გაწმენდა.

"დეოქსო" კატალიზური პროცესი

დარჩენილი 2% ჟანგბადის მოსაშორებლად, ნედლი არგონი მიემართება კატალიზურ რეაქტორში, რომელიც ცნობილია როგორც Deoxo ერთეული. შიგნით, უაღრესად სუფთა წყალბადის გაზი შეჰყავთ თხევადი ნაკადში.
პალადიუმის ან პლატინის კატალიზატორის არსებობის პირობებში წყალბადი ქიმიურად რეაგირებს ჟანგბადის მოლეკულებთან და წარმოქმნის წყალს (2H₂ + ო₂ → 2 სთ₂O). ეს რეაქცია ათავისუფლებს მცირე რაოდენობით სითბოს, მომენტალურად აქცევს არგონს გაზად.

საბოლოო გაშრობა და დისტილაცია

შემდეგ გაზი გადის მეორად მოლეკულურ საცერში, რათა მოაშოროს ახლად წარმოქმნილი წყლის მოლეკულები. საბოლოოდ, მშრალი, ჟანგბადის გარეშე არგონის გაზი იკვებება საბოლოო დისტილაციის სვეტში - სუფთა არგონის სვეტში.

აქ არგონი კიდევ ერთხელ გაცივდება, სანამ არ გადაიქცევა თხევად მდგომარეობაში. ნებისმიერი ნარჩენი კვალი აზოტი, რომელიც რჩება აირისებრი თხევადი არგონის ტემპერატურაზე, გამოდის სვეტის ზემოდან. შედეგად მიღებული პროდუქტის გაერთიანება ბოლოში არის ძალიან გაწმენდილი, ულტრა ცივი თხევადი არგონი (LAR), მზად არის კომერციული განაწილებისთვის.

5. თხევადი არგონის შენახვა და ტრანსპორტირება

მას შემდეგ, რაც პასუხი გაცემულია კითხვაზე, თუ როგორ ხდება არგონის გაზი თხევადი, შემდეგი გამოწვევა არის მისი შენარჩუნება ამ მდგომარეობაში. -185,8°C-ზე, გარემოს სიცხეზე ნებისმიერი ზემოქმედება გამოიწვევს სითხის ძალადობრივ ადუღებას გაზად - ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც Boil-Off Gas (BOG).

ამის წინააღმდეგ საბრძოლველად, თხევადი არგონი გადატუმბულია მაღალ სპეციალიზებულ, ვაკუუმ-იზოლირებულ კრიოგენულ საცავებში. ეს ტანკები თერმოსის კოლბის მსგავსად ფუნქციონირებს. ისინი შედგება უჟანგავი ფოლადისგან დამზადებული შიდა ჭურჭლისგან (რომელიც არ ხდება მყიფე კრიოგენულ ტემპერატურაზე) და ნახშირბადოვანი ფოლადისგან დამზადებული გარე ჭურჭლისგან. სივრცე ორ ჭურჭელს შორის ივსება საიზოლაციო ფხვნილით (როგორც პერლიტი) და იტუმბება თითქმის სრულყოფილ ვაკუუმში, რათა აღმოიფხვრას კონვექციური და გამტარი სითბოს გადაცემა.

საბოლოო მომხმარებლებთან ტრანსპორტირებისას, LAR გადაიყვანება სპეციალიზებულ კრიოგენულ ტანკერ მანქანებში. საწარმოო ქარხანაში ან საავადმყოფოში ჩასვლისთანავე იგი ადგილზე გადადის სტაციონარული ვაკუუმიანი ჭურჭლით. როდესაც მომხმარებელს ესაჭიროება აირისებრი არგონი თავისი პროცესებისთვის, სითხე უბრალოდ გადის ატმოსფერული ჰაერის აორთქლებაში - ფარფლიანი ალუმინის მილების სერია, რომელიც შთანთქავს სითბოს მიმდებარე ჰაერიდან და უსაფრთხოდ ათბობს სითხეს მაღალი წნევის გაზად.

6. დასკვნა

უხილავი, ატმოსფერული ჰაერის გარდაქმნა ულტრასუფთა, ნულოვან სითხეში თანამედროვე ქიმიური ინჟინერიისა და თერმოდინამიკის საოცრებაა. მაღალი წნევის შეკუმშვის, მოლეკულური ფილტრაციის, ჯოულ-ტომსონის გაფართოებისა და ძალიან მგრძნობიარე ფრაქციული დისტილაციის მკაცრი ეტაპების მეშვეობით, ინდუსტრიებს შეუძლიათ ეფექტურად მოიპოვონ არგონი, რომელიც ფარავს ჩვენს პლანეტას.

გაგება არგონის გაზის გათხევადება სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია გლობალური მიწოდების ჯაჭვების ოპტიმიზაციისთვის. ტექნოლოგიების წინსვლასთან ერთად, განსაკუთრებით ელექტრონიკის წარმოებაში, 3D ლითონის ბეჭდვასა და კოსმოსურ ინჟინერიაში, ზედმეტად სუფთა, ეფექტურად ტრანსპორტირებულ თხევად არგონზე დამოკიდებულება მხოლოდ გაიზრდება, რაც კრიოგენული ჰაერის გამიჯვნას გახდის ერთ-ერთ ყველაზე კრიტიკულ, მაგრამ არადაფასებულ, ინდუსტრიულ პროცესად თანამედროვე მსოფლიოში.

7. ხშირად დასმული კითხვები

Q1: რა ტემპერატურაზე ხდება არგონი სითხეში?

არგონი გაზიდან სითხეში გადადის დუღილის წერტილში -185,8°C (-302,4°F) სტანდარტული ატმოსფერული წნევის დროს. შენახვისა და ტრანსპორტირებისთვის თხევად მდგომარეობაში შესანარჩუნებლად, ის უნდა ინახებოდეს ამ კრიოგენულ ტემპერატურაზე ან მის ქვემოთ, სპეციალიზებული ვაკუუმ-იზოლირებული ჭურჭლის გამოყენებით, რათა თავიდან აიცილოთ სწრაფი დუღილი და გაფართოება.

Q2: რატომ ტრანსპორტირდება არგონი როგორც თხევადი და არა როგორც აირი?

მთავარი მიზეზი არის მოცულობის ეფექტურობა. როდესაც არგონი გაცივდება სითხეში, ის კონდენსირდება 1-დან 840-მდე თანაფარდობით. ეს ნიშნავს, რომ ერთი ლიტრი თხევადი არგონი შეიცავს 840 ლიტრი არგონის გაზის ექვივალენტს. მისი თხევადი ტრანსპორტირება მიმწოდებლებს საშუალებას აძლევს მიიტანონ მასიური, მოცულობითი რაოდენობა ერთ სატვირთო მანქანაში, რაც ბევრად უფრო ეკონომიური და ლოგისტიკურად პრაქტიკულია, ვიდრე მძიმე, მაღალი წნევის გაზის ბალონების ტრანსპორტირება.

Q3: საშიშია თუ არა თხევადი არგონის მართვა?

დიახ, თხევადი არგონი წარმოადგენს მნიშვნელოვან სამრეწველო საშიშროებას, უპირველეს ყოვლისა, მისი უკიდურესი სიცივისა და მისი, როგორც ასფიქსიანტის, გამო. თხევად არგონთან ან არაიზოლირებულ კრიოგენულ მილსადენთან კანთან შეხებამ შეიძლება გამოიწვიოს ძლიერი ყინვაგამძლე ან კრიოგენული დამწვრობა მყისიერად. გარდა ამისა, იმის გამო, რომ ის სწრაფად ფართოვდება თბებასთან ერთად (840-ჯერ აღემატება მის მოცულობას), თხევადი არგონის მცირე გაჟონვა დახურულ სივრცეში სწრაფად ანაცვლებს გარემოს ჟანგბადს, რაც იწვევს ასფიქსიის მაღალ რისკს ახლომდებარე პერსონალისთვის ყოველგვარი გაფრთხილების გარეშე, რადგან გაზი უფერო და უსუნოა. მკაცრად საჭიროა სათანადო ვენტილაცია და პირადი დამცავი აღჭურვილობა (PPE).