Argonas, visur esantis, tačiau nematomas elementas, sudaro maždaug 0,93% Žemės atmosferos. Nors tai yra trečios pagal gausumą dujos ore, kuriuo kvėpuojame, norint jas panaudoti pramonėje, medicinoje ir moksliniams tikslams reikia sudėtingos inžinerijos. Šių tauriųjų dujų paklausa yra didžiulė, pradedant nuo lankų ekranavimo suvirinant aukštoje temperatūroje ir baigiant gležnų silicio plokštelių apsauga puslaidininkių gamybos metu. Tačiau jo transportavimas ir laikymas dujinėje būsenoje yra labai neefektyvus. Tai kelia esminį pramonės klausimą: kaip suskystintos argono dujos efektyviai patenkinti pasaulinius poreikius?

Atsakymas slypi sudėtingame procese, vadinamame kriogeniniu oro atskyrimu. Šis 2000 žodžių išsamus vadovas gilinsis į termodinaminius principus, mechaninę inžineriją ir cheminio valymo veiksmus, reikalingus atmosferos orui paversti labai išgrynintu kriogeniniu skystu argonu (LAR).

1. Argono ir suskystinimo poreikio supratimas

Prieš pasineriant į skystinimo mechaniką, labai svarbu suprasti, kas yra argonas ir kodėl skystinimo procesas yra ekonomiškai ir praktiškai reikalingas.

Argonas (Ar) yra monoatominės, chemiškai inertinės tauriosios dujos. Jis yra bespalvis, bekvapis ir netoksiškas. Kadangi jis nereaguoja su kitais elementais net esant ekstremalioms temperatūroms, tai idealus atmosferos skydas metalurgijos procesams.

Kodėl suskystinti argoną?

Pagrindinė bet kokių atmosferos dujų suskystinimo priežastis yra tūrio sumažinimas. Iš dujų esant standartiniam atmosferos slėgiui paverčiant kriogeniniu skysčiu, argonas patiria didžiulį plėtimosi santykį nuo 1 iki 840. Tai reiškia, kad 840 litrų dujinio argono galima kondensuotis į vieną litrą argono. skystas argonas. Šis dramatiškas tūrio sumažėjimas leidžia ekonomiškai efektyviai gabenti birius krovinius kriogeniniais autocisternomis ir efektyviai sandėliuoti vakuume izoliuotose talpyklose pramoniniuose objektuose.

Argono fizinės savybės

Norėdami manipuliuoti dujomis į skystį, inžinieriai turi glaudžiai dirbti su jų termodinaminėmis savybėmis. Žemiau pateikiami kritiniai fiziniai duomenų taškai, kurie diktuoja suskystinimo parametrus.

2. Pagrindinis mokslas: kriogeninis oro atskyrimas

Argonas nėra gaminamas ir nesintetinamas; jis nuimamas tiesiai iš mus supančio oro. Tam pasiekti naudojama visa apimanti technologija kriogeninis frakcinis distiliavimas.

Šis procesas remiasi pagrindiniu chemijos principu: skirtingi elementai keičia būseną (kondensuojasi arba verda) esant skirtingoms temperatūroms. Aušindami aplinkos orą, kol jis taps skysčiu, o po to lėtai didindami jo temperatūrą, inžinieriai gali atskirti oro mišinį į pagrindinius komponentus – azotą, deguonį ir argoną – jiems virstant po vieną.

Argono atskyrimo iššūkis

Argono atskyrimas yra žinomas dėl jo virimo temperatūros. Pažvelkite į trijų pagrindinių atmosferos komponentų virimo taškus:

3. Žingsnis po žingsnio procesas: kaip oras tampa skystu argonu

Kelionė nuo aplinkos oro iki kriogeninio skysto argono apima kelių pakopų oro atskyrimo įrenginį (ASU). Čia pateikiamas išsamus, žingsnis po žingsnio proceso suskirstymas.

1 veiksmas: oro įsiurbimas, suspaudimas ir filtravimas

Procesas prasideda nuo žaliavos: aplinkos atmosferos oro.
Masyvūs pramoniniai ventiliatoriai traukia orą per daugiapakopius filtravimo namus, kad pašalintų kietąsias daleles, dulkes ir vabzdžius. Išfiltruotas oras patenka į daugiapakopį išcentrinį kompresorių. Oras suspaudžiamas iki maždaug 5–7 barų (70–100 psi) slėgio.

Suspaudus dujas natūraliai susidaro didelė šiluma (suspaudimo šiluma). Norėdami tai valdyti, tarp suspaudimo pakopų dedami tarpiniai aušintuvai. Šiame etape aušinant orą taip pat kondensuojasi didelė dalis aplinkos atmosferos drėgmės (vandens garų), kuri vėliau nusausinama.

2 veiksmas: valymas per molekulinius sietus

Prieš veikiant orą kriogeninei temperatūrai, reikia visiškai pašalinti visas priemaišas, kurios gali užšalti ir užblokuoti vamzdyną. Šios priemaišos pirmiausia apima:

• Likę vandens garai (H2O)
• Anglies dioksidas (CO2)
• Angliavandenilių pėdsakai

Suslėgtas oras praleidžiamas per išankstinio gryninimo įrenginį (PPU), susidedantį iš aliuminio oksido ir ceolito molekulinių sietų. Šie sietai veikia kaip labai selektyvios mikroskopinės kempinės, sugeriančios drėgmės ir CO2 molekules. Jei šis veiksmas nepavyks, giliai gamykloje susidarys CO2 ir sausas ledas, užkimšdami subtilius šilumokaičius ir dėl to gamyklą reikės visiškai išjungti.

3 žingsnis: Ekstremalus aušinimas ir išplėtimas

Sausas, išgrynintas ir suspaustas oras dabar patenka į „šaltąją dėžę“, stipriai izoliuotą konstrukciją, kurioje yra kriogeniniai šilumokaičiai ir distiliavimo kolonėlės.

Aušinimo procese naudojamas Džaulio-Tomsono efektas ir mechaninis plėtimasis. Įeinantis šiltas oras praeina per pagrindinį šilumokaitį, tekėdamas priešinga srove itin šaltoms išmetamosioms dujoms (azotui ir deguoniui), grįžtančioms iš distiliavimo kolonėlių. Tai smarkiai sumažina įeinančio oro temperatūrą.

Norint pasiekti tikrą kriogeninę temperatūrą (žemiau -170 °C), dalis suspausto oro nukreipiama per turbo plėtiklį. Kadangi aukšto slėgio dujos sparčiai plečiasi per turbiną, jos atlieka mechaninį darbą, dėl kurio smarkiai nukrenta dujų temperatūra. Tuo metu, kai oras išeina iš šilumokaičio ir plėtiklio, jis yra neįtikėtinai šaltų garų ir skysto oro mišinys, paruoštas atskyrimui.

4 veiksmas: pirminis frakcinis distiliavimas (HP ir LP kolonėlės)

Skystinimo proceso esmė yra dviejų kolonėlių distiliavimo sistema, susidedanti iš aukšto slėgio (HP) kolonėlės, esančios po žemo slėgio (LP) kolonėlė.

1. Aukšto slėgio kolonėlė: Peršalęs skysčio/garų oro mišinys patenka į HP kolonėlės dugną. Kai skystis nukrenta į dugną, o garai kyla per perforuotus sieto padėklus, įvyksta pirmasis atskyrimas. Azotas, kurio virimo temperatūra žemiausia, kyla į viršų kaip dujos. Deguonies turtingas skystis (kuris turi didžiąją dalį argono) telkiasi apačioje.
2. Žemo slėgio kolonėlė: Deguonies prisotintas skystis iš HP kolonėlės apačios yra droseliuojamas (išplečiamas) į LP kolonėlę virš jos. Dėl mažesnio slėgio vyksta tolesnis atskyrimas. Grynas skystas deguonis telkiasi pačiame LP kolonėlės apačioje, o grynos azoto dujos išeina iš viršaus.

5 žingsnis: Argono šoninės rankos kolona

Kadangi argono virimo temperatūra yra tarp deguonies ir azoto, jis koncentruojasi žemo slėgio kolonėlės apatinėje-vidurinėje dalyje. Esant didžiausiai koncentracijai, dujų mišinyje šiame specifiniame kolonėlės „pilve“ yra maždaug 10–12 % argono, o likusi dalis yra deguonis ir nedidelis azoto pėdsakas.

Norėdami jį išgauti, inžinieriai paliečia šią konkrečią dalį ir sutraukia mišinį į atskirą pritvirtintą struktūrą, vadinamą " Argono šoninės rankos kolona.
Šioje neįtikėtinai aukštoje kolonoje (kurioje dažnai yra daugiau nei 150 teorinių padėklų) vyksta antrinė distiliacija. Kadangi argonas yra šiek tiek lakesnis (verda lengviau) nei deguonis, argono garai kyla į šoninės kolonėlės viršų, o sunkesnis skystas deguonis nukrenta į apačią ir grąžinamas į pagrindinę LP kolonėlę.

Tai, kas atsiranda iš šoninės rankos kolonos viršaus, yra žinoma kaip „neapdorotas argonas“. Šiame etape jis sėkmingai suskystinamas, tačiau jo grynumas yra tik apie 98%. Jame vis dar yra maždaug 2% deguonies ir nedidelis azoto kiekis, kuris turi būti pašalintas pramoniniam naudojimui.

4. Valymas: žaliavos pakeitimas į didelio grynumo skystą argoną

Šiuolaikinėms reikmėms, ypač puslaidininkių ir aviacijos pramonėje, argonas turi būti grynas „penki devyni“ (99,999%). Neapdorotas argonas turi būti kruopščiai išvalytas.

„Deoxo“ katalizinis procesas

Kad būtų pašalinti likę 2% deguonies, neapdorotas argonas nukreipiamas į katalizinį reaktorių, žinomą kaip Deoxo blokas. Viduje į skysčio srovę įpurškiamos labai grynos vandenilio dujos.
Esant paladžio arba platinos katalizatoriui, vandenilis chemiškai reaguoja su nesąžiningomis deguonies molekulėmis, sudarydamas vandenį (2H₂ + O₂ → 2H₂O). Ši reakcija išskiria nedidelį kiekį šilumos, trumpam paverčiant argoną atgal į dujas.

Galutinis džiovinimas ir distiliavimas

Tada dujos praleidžiamos per antrinį molekulinį sietą, kad būtų pašalintos naujai susidariusios vandens molekulės. Galiausiai sausa, be deguonies argono dujos paduodamas į galutinę distiliavimo kolonėlę – gryno argono kolonėlę.

Čia argonas dar kartą atšaldomas, kol vėl kondensuojasi į skystą būseną. Bet koks likutinis azotas, kuris skysto argono temperatūroje lieka dujinis, išleidžiamas iš kolonėlės viršaus. Gautas produktas, susikaupęs apačioje, yra labai išgrynintas, itin šaltas skystas argonas (LAR), paruoštas komerciniam platinimui.

5. Skysto argono laikymas ir transportavimas

Kai bus atsakyta į klausimą, kaip suskystintos argono dujos, kitas iššūkis yra išlaikyti jas tokioje būsenoje. Esant -185,8 °C temperatūrai, bet koks aplinkos šilumos poveikis privers skystį smarkiai išvirti atgal į dujas – tai reiškinys, žinomas kaip „Boil-Off Gas“ (BOG).

Siekiant kovoti su tuo, skystas argonas pumpuojamas į labai specializuotas, vakuumu izoliuotas kriogenines talpyklas. Šios talpyklos veikia panašiai kaip termoso kolba. Jie susideda iš vidinio indo, pagaminto iš nerūdijančio plieno (kuris netampa trapus kriogeninėje temperatūroje) ir išorinio indo iš anglinio plieno. Tarpas tarp dviejų indų užpildomas izoliaciniais milteliais (pavyzdžiui, perlitu) ir pumpuojamas iki beveik tobulo vakuumo, kad būtų pašalintas konvekcinis ir laidus šilumos perdavimas.

Gabenamas galutiniams vartotojams, LAR gabenamas specializuotose kriogeninėse autocisternose. Atvykus į gamybos įmonę ar ligoninę, vietoje jis perkeliamas į stacionarų vakuuminiu gaubtu indą. Kai klientui savo procesams reikia dujinio argono, skystis tiesiog nukreipiamas per aplinkos oro garintuvą – aliuminio vamzdžių seriją, sugeriančią šilumą iš aplinkinio oro, saugiai šildant skystį atgal į aukšto slėgio dujas.

6. Išvada

Nematomo aplinkos oro pavertimas itin grynu, minusiniu skysčiu yra šiuolaikinės chemijos inžinerijos ir termodinamikos stebuklas. Atliekant griežtus aukšto slėgio suspaudimo, molekulinio filtravimo, Džaulio-Thomsono plėtimosi ir labai jautraus frakcinio distiliavimo etapus, pramonės įmonės gali efektyviai surinkti mūsų planetą dengiantį argoną.

Supratimas argono dujų suskystinimas yra gyvybiškai svarbus siekiant optimizuoti pasaulines tiekimo grandines. Tobulėjant technologijoms, ypač elektronikos gamyboje, 3D metalo spausdinimo ir kosmoso inžinerijos srityse, priklausomybė nuo labai gryno, efektyviai transportuojamo skysto argono tik didės, todėl kriogeninis oro atskyrimas bus vienas iš svarbiausių, tačiau neįvertintų pramoninių procesų šiuolaikiniame pasaulyje.

7. DUK

Q1: Kokioje temperatūroje argonas tampa skysčiu?

Virimo temperatūroje argonas virsta iš dujų į skystį -185,8 °C (-302,4 °F) esant standartiniam atmosferos slėgiui. Kad laikymui ir transportavimui jis būtų skystas, jis turi būti laikomas šioje kriogeninėje temperatūroje arba žemesnėje temperatūroje, naudojant specialius vakuumu izoliuotus indus, kad būtų išvengta greito virimo ir išsiplėtimo.

2 klausimas: kodėl argonas transportuojamas kaip skystis, o ne dujos?

Pagrindinė priežastis yra apimties efektyvumas. Kai argonas atšaldomas į skystį, jis kondensuojasi santykiu nuo 1 iki 840. Tai reiškia, kad viename litre skysto argono yra 840 litrų argono dujų ekvivalentas. Gabenant jį kaip skystį, tiekėjai gali pristatyti didžiulius, didelius kiekius vienu sunkvežimiu, o tai yra daug ekonomiškiau ir logistiniu požiūriu praktiškiau nei gabenti sunkius aukšto slėgio dujų balionus.

3 klausimas: ar pavojinga tvarkyti skystą argoną?

Taip, skystas argonas kelia didelį pramoninį pavojų pirmiausia dėl didelio šalčio ir jo kaip dusinančio poveikio. Odos kontaktas su skystu argonu arba neizoliuotu kriogeniniu vamzdynu gali akimirksniu sukelti sunkų nušalimą arba kriogeninius nudegimus. Be to, kadangi šylant jis sparčiai plečiasi (840 kartų didesnis už tūrį), nedidelis skysto argono nuotėkis uždaroje erdvėje gali greitai išstumti aplinkos deguonį, todėl šalia esantiems darbuotojams be jokio įspėjimo kyla didelė uždusimo rizika, nes dujos yra bespalvės ir bekvapės. Griežtai reikalaujama tinkamo vėdinimo ir asmeninės apsaugos priemonių (AAP).