Аргон газы қалай сұйылтылады
Аргон, барлық жерде кездесетін, бірақ көрінбейтін элемент, Жер атмосферасының шамамен 0,93% құрайды. Бұл біз тыныс алатын ауадағы үшінші газ болғанымен, оны өнеркәсіптік, медициналық және ғылыми мақсатта пайдалану күрделі инженерияны қажет етеді. Жоғары температурада дәнекерлеуде доғаларды қорғаудан бастап жартылай өткізгіштерді өндіру кезінде нәзік кремний пластинкаларын қорғауға дейін бұл асыл газға сұраныс өте үлкен. Бірақ оны газ күйінде тасымалдау және сақтау өте тиімсіз. Бұл іргелі өнеркәсіптік сұрақ тудырады: аргон газы қалай сұйылтылады жаһандық талаптарды тиімді қанағаттандыру үшін?
Жауап криогендік ауаны бөлу деп аталатын күрделі процессте жатыр. Бұл 2 000 сөзден тұратын толық нұсқаулық атмосфералық ауаны жоғары тазартылған, криогенді сұйық аргонға (LAR) айналдыру үшін қажетті термодинамикалық принциптерді, машина жасауды және химиялық тазарту қадамдарын терең зерттейді.
1. Аргонды түсіну және сұйылту қажеттілігі
Сұйылту механикасына кіріспес бұрын, аргонның не екенін және сұйылту процесі неліктен экономикалық және практикалық қажет екенін түсіну өте маңызды.
Аргон (Ar) - бір атомды, химиялық инертті асыл газ. Ол түссіз, иіссіз және улы емес. Төтенше температурада да басқа элементтермен әрекеттеспегендіктен, ол металлургиялық процестер үшін тамаша атмосфералық қалқан болып табылады.
Неліктен аргонды сұйылту керек?
Кез келген атмосфералық газды сұйылтудың негізгі себебі - көлемді азайту. Стандартты атмосфералық қысымдағы газдан криогендік сұйықтыққа айналғанда, аргон 1-ден 840-қа дейінгі массивтік кеңею қатынасына ұшырайды. Бұл 840 литр газ тәрізді аргонның бір литрге конденсацияланатынын білдіреді. Сұйық аргон. Көлемнің бұл күрт төмендеуі криогенді автоцистерналар арқылы үнемді көлемді тасымалдауға және өнеркәсіптік нысандарда вакуумды оқшауланған цистерналарда тиімді сақтауға мүмкіндік береді.
Аргонның физикалық қасиеттері
Газды сұйықтыққа айналдыру үшін инженерлер оның термодинамикалық қасиеттерімен тығыз жұмыс істеуі керек. Төменде сұйылту параметрлерін белгілейтін маңызды физикалық деректер нүктелері берілген.
| Меншік | Мән/сипаттама |
|---|---|
| Химиялық таңба | Ар |
| Атомдық нөмір | 18 |
| Қайнау температурасы (1 атм) | -185,8°C (-302,4°F) |
| Балқу нүктесі | -189,4°C (-308,9°F) |
| Тығыздық (қайнау температурасындағы сұйықтық) | 1,398 кг/л |
| Атмосфералық концентрация | көлемі бойынша 0,934% |
| Химиялық реакция | Инертті (асыл газ) |
2. Негізгі ғылым: ауаның криогендік бөлінуі
Аргон өндірілмейді немесе синтезделмейді; ол бізді қоршаған ауадан тікелей жиналады. Бұған қол жеткізу үшін қолданылатын жалпы технология криогенді фракциялық айдау.
Бұл процесс химияның негізгі принципіне сүйенеді: әртүрлі элементтер әртүрлі температурада күйін өзгертеді (конденсация немесе қайнау). Қоршаған ортадағы ауаны сұйықтыққа айналғанша салқындатып, содан кейін оның температурасын баяу көтере отырып, инженерлер ауа қоспасын оның негізгі құрамдас бөліктеріне - азот, оттегі және аргонға - бірінен соң бірі қайнаған кезде бөле алады.
Аргонды бөлу мәселесі
Аргонды бөлу қайнау температурасына байланысты өте қиын. Атмосфераның үш негізгі компонентінің қайнау нүктелерін қараңыз:
| Атмосфералық газ | Қайнау температурасы (1 атм) | Ауадағы көлем |
|---|---|---|
| Азот (N2) | -196,0°C (-320,8°F) | 78,08% |
| Аргон (AR) | -185,8°C (-302,4°F) | 0,93% |
| Оттегі (O2) | -183,0°C (-297,4°F) | 20,95% |
3. Қадамдық процесс: ауа сұйық аргонға қалай айналады
Қоршаған орта ауасынан криогендік сұйық аргонға дейінгі саяхат көп сатылы ауаны бөлу қондырғысын (ASU) қамтиды. Мұнда процестің егжей-тегжейлі, қадамдық бөлінуі берілген.
1-қадам: Ауа қабылдау, қысу және сүзу
Процесс шикізаттан басталады: қоршаған атмосфералық ауа.
Жаппай өнеркәсіптік желдеткіштер бөлшектерді, шаңды және жәндіктерді кетіру үшін көп сатылы сүзгі үйлері арқылы ауаны тартады. Сүзілгеннен кейін ауа көп сатылы орталықтан тепкіш компрессорға түседі. Ауа шамамен 5-7 бар (70-100 psi) қысымға дейін сығылады.
Газды сығу табиғи түрде айтарлықтай жылуды (сығу жылуы) тудырады. Мұны басқару үшін сығымдау кезеңдерінің арасына аралық салқындатқыштар орналастырылады. Осы кезеңде ауаны салқындату сонымен қатар қоршаған атмосфералық ылғалдың (су буының) үлкен бөлігінің конденсациялануын тудырады, ол кейіннен ағып кетеді.
2-қадам: Молекулярлық електер арқылы тазарту
Ауа криогендік температураға ұшырамас бұрын, құбырларды қатып қалуы және бітеп тастауы мүмкін барлық ізді қоспаларды толығымен алып тастау керек. Бұл қоспаларға, ең алдымен, мыналар жатады:
- Қалдық су буы (H2O)
- Көмірқышқыл газы (СО2)
- Көмірсутектер ізі
Сығылған ауа алюминий тотығы мен цеолит молекулалық елеуіштердің қабаттарынан тұратын алдын ала тазарту қондырғысынан (ППУ) өтеді. Бұл електер ылғалды және СО2 молекулаларын адсорбциялайтын жоғары селективті микроскопиялық губкалар ретінде әрекет етеді. Егер бұл қадам сәтсіз болса, CO2 және құрғақ мұз зауыттың тереңінде пайда болып, нәзік жылу алмастырғыштарды бітеп, зауыттың толық жұмысын тоқтатуды талап етеді.
3-қадам: Төтенше салқындату және кеңейту
Құрғақ, тазартылған және сығылған ауа енді криогендік жылу алмастырғыштар мен айдау колонналары орналасқан қатты оқшауланған құрылым «суық қорапқа» түседі.
Салқындату процесі пайдаланады Джоуль-Томсон эффектісі және механикалық кеңею. Кіретін жылы ауа негізгі жылу алмастырғыш арқылы өтеді, дистилляция колонкаларынан қайтатын өте суық пайдаланылған газдарға (азот пен оттегі) қарсы токпен ағып кетеді. Бұл кіретін ауа температурасын күрт төмендетеді.
Шынайы криогендік температураға (-170°C төмен) жету үшін сығылған ауаның бір бөлігі турбокеңейткіш арқылы жіберіледі. Жоғары қысымды газ турбина арқылы жылдам кеңейгендіктен, ол газ температурасының жаппай төмендеуіне әкелетін механикалық жұмыстарды орындайды. Ауа жылу алмастырғыш пен кеңейткіштен шыққан кезде, бұл керемет суық бу мен сұйық ауаның қоспасы, бөлуге дайын.
4-қадам: Бастапқы фракциялық айдау (HP және LP бағандары)
Сұйылту процесінің жүрегі төмен қысымды (LP) бағанының астында орналасқан жоғары қысымды (HP) бағанынан тұратын қос бағаналы айдау жүйесі болып табылады.
- Жоғары қысым бағанасы: Толық салқындатылған сұйық/бу ауа қоспасы HP бағанының түбіне түседі. Сұйықтық түбіне түсіп, бу тесілген елеуіш науалар арқылы көтерілгенде, бірінші бөлу орын алады. Қайнау температурасы ең төмен азот газ күйінде жоғары көтеріледі. Төменгі жағында оттегіге бай сұйықтық (құрамында аргонның көп бөлігі бар).
- Төмен қысымды баған: HP бағанының төменгі жағынан оттегіге бай сұйықтық оның үстіндегі LP бағанына дроссельмен (кеңейтілген) жіберіледі. Төмен қысымға байланысты одан әрі бөлу орын алады. LP бағанының ең төменгі жағында таза сұйық оттегі бассейндері, ал таза азот газы жоғарыдан шығады.
5-қадам: Аргонның бүйірлік бағанасы
Аргонның қайнау температурасы оттегі мен азот арасында орналасқандықтан, ол Төмен қысым бағанының төменгі-ортаңғы бөлігінде шоғырланады. Ең жоғары концентрацияда бағанның осы ерекше «ішіндегі» газ қоспасы шамамен 10% -дан 12% -ға дейін аргонды құрайды, ал қалғандары оттегі және азоттың аз ғана ізі.
Оны алу үшін инженерлер осы арнайы бөлікке кіріп, қоспаны бөлек, бекітілген құрылымға салады Аргон бүйірлік бағанасы.
Бұл керемет биік бағанның ішінде (көбінесе 150-ден астам теориялық науалар бар) қайталама айдау орын алады. Аргон оттегіге қарағанда біршама ұшқыш (қайнауы жеңіл) болғандықтан, аргон буы бүйірлік бағанның жоғарғы жағына көтеріледі, ал ауыррақ сұйық оттегі төменге түсіп, негізгі LP бағанына қайтарылады.
Бүйірлік иық бағанының жоғарғы жағында пайда болатын нәрсе «шикі аргон» деп аталады. Бұл кезеңде ол сәтті сұйылтылған, бірақ тек 98% таза. Оның құрамында әлі де шамамен 2% оттегі және өнеркәсіптік пайдалану үшін жойылуы керек азот азоты бар.
4. Тазалау: шикі мұнайды жоғары таза сұйық аргонға дейін жаңарту
Қазіргі заманғы қолданбалар үшін, әсіресе жартылай өткізгіш және аэроғарыш өнеркәсібінде, аргон «бес тоғыз» таза болуы керек (99,999%). Шикі аргон қатаң тазартудан өтуі керек.
«Деоксо» каталитикалық процесі
Қалған 2% оттегін жою үшін шикі аргон Деоксо қондырғысы деп аталатын каталитикалық реакторға жіберіледі. Ішінде сұйық ағынға өте таза сутегі газы айдалады.
Палладий немесе платина катализаторының қатысуымен сутегі оттегінің нашар молекулаларымен химиялық әрекеттесіп, су түзеді (2H2 + О2 → 2H2О). Бұл реакция аргонды бір сәтте қайтадан газға айналдырып, аз мөлшерде жылу шығарады.
Соңғы кептіру және айдау
Содан кейін газ жаңадан пайда болған су молекулаларын тазарту үшін екінші молекулалық електен өтеді. Ақырында, құрғақ, оттегісіз аргон газы соңғы айдау колоннасына - таза аргон бағанына беріледі.
Мұнда аргон қайтадан сұйық күйге конденсацияланғанша тағы бір рет суытылады. Сұйық аргон температурасында газ күйінде қалатын кез келген қалдық азот колоннаның жоғарғы жағынан шығарылады. Төменгі жағында алынған өнімді біріктіру жоғары тазартылған, өте суық сұйық аргон (LAR), коммерциялық таратуға дайын.
5. Сұйық аргонды сақтау және тасымалдау
Аргон газы қалай сұйылтылған деген сұраққа жауап бергеннен кейін, келесі мәселе оны сол күйде сақтау болып табылады. -185,8°C температурада қоршаған ортаның кез келген жылуы сұйықтықтың қатты қайнауына әкеліп соғады, бұл құбылыс қайнау газы (BOG) деп аталады.
Бұған қарсы тұру үшін сұйық аргон жоғары мамандандырылған, вакуумды оқшауланған криогенді сақтау цистерналарына айдалады. Бұл цистерналар термос колбасына ұқсас жұмыс істейді. Олар тот баспайтын болаттан жасалған ішкі ыдыстан (криогендік температурада сынғыш болып кетпейтін) және көміртекті болаттан жасалған сыртқы ыдыстан тұрады. Екі ыдыстың арасындағы кеңістік оқшаулағыш ұнтақпен толтырылады (мысалы, перлит) және конвективтік және өткізгіш жылу беруді жою үшін тамаша вакуумға дейін сорылады.
Түпкі пайдаланушыларға тасымалдау кезінде ЛАР арнайы криогенді автоцистерналарда тасымалданады. Өндіріс зауытына немесе ауруханаға келгеннен кейін ол жұмыс орнында стационарлық вакуумды күртешеге ауыстырылады. Тұтынушыға өз процестері үшін газ тәріздес аргон қажет болған кезде, сұйықтық жай ғана қоршаған ауаны буландырғыш арқылы жіберіледі - қоршаған ауадан жылуды сіңіретін, сұйықтықты жоғары қысымды газға қауіпсіз жылытатын қанатты алюминий түтіктер сериясы.
6. Қорытынды
Көзге көрінбейтін, қоршаған ауаның ультра таза, нөлден төмен сұйықтыққа айналуы қазіргі заманғы химиялық инженерия мен термодинамиканың кереметі болып табылады. Жоғары қысымды сығудың, молекулалық фильтрацияның, Джоуль-Томсонның кеңеюінің және өте сезімтал фракциялық айдаудың қатаң кезеңдері арқылы өнеркәсіптер планетамызды жауып тұрған аргонды тиімді түрде жинай алады.
Түсінетін аргон газын сұйылту жаһандық жеткізу тізбегін оңтайландыру үшін өте маңызды. Технологиялар дамыған сайын, әсіресе электроника өндірісінде, 3D металды басып шығаруда және аэроғарыштық техникада - жоғары таза, тиімді тасымалданатын сұйық аргонға деген сенім арта береді, бұл криогенді ауаны бөлуді қазіргі әлемдегі ең маңызды, бірақ бағаланбаған өнеркәсіптік процестердің біріне айналдырады.
7. Жиі қойылатын сұрақтар
1-сұрақ: Аргон қандай температурада сұйықтыққа айналады?
Аргон қайнау температурасында газдан сұйық күйге өтеді -185,8°C (-302,4°F) стандартты атмосфералық қысымда. Оны сақтау және тасымалдау үшін сұйық күйде ұстау үшін оны тез қайнау мен кеңеюді болдырмау үшін арнайы вакуумды оқшауланған ыдыстарды пайдаланып, осы криогендік температурада немесе одан төмен ұстау керек.
2-сұрақ: Неліктен аргон газ емес, сұйық күйде тасымалданады?
Негізгі себеп - көлемнің тиімділігі. Аргонды сұйықтыққа салқындатқанда, ол 1-ден 840-қа дейінгі қатынаста конденсацияланады. Бұл бір литр сұйық аргонның құрамында 840 литр аргон газының баламасы бар дегенді білдіреді. Оны сұйықтық ретінде тасымалдау жеткізушілерге бір жүк көлігінде үлкен көлемдегі көлемді жеткізуге мүмкіндік береді, бұл ауыр, жоғары қысымды газ баллондарын тасымалдауға қарағанда әлдеқайда үнемді және логистикалық тұрғыдан практикалық.
3-сұрақ: Сұйық аргонмен жұмыс істеу қауіпті ме?
Иә, сұйық аргон, ең алдымен, оның қатты суықтығына және тұншықтырғыш ретіндегі табиғатына байланысты маңызды өндірістік қауіптер тудырады. Теріге сұйық аргонмен немесе оқшауланбаған криогендік құбырлармен жанасу қатты үсікке немесе криогендік күйікке бірден себеп болуы мүмкін. Сонымен қатар, ол жылыған сайын тез кеңейетіндіктен (көлемі 840 есе), жабық кеңістікте сұйық аргонның шамалы ағуы қоршаған ортадағы оттегін тез ығыстырып жіберуі мүмкін, бұл газ түссіз және иіссіз болғандықтан, жақын маңдағы қызметкерлер үшін ешқандай ескертусіз тұншығу қаупінің жоғары болуына әкеледі. Тиісті желдету және жеке қорғаныс құралдары (ЖҚҚ) қатаң талап етіледі.
