Argons, visuresošs, taču neredzams elements, veido aptuveni 0,93% no Zemes atmosfēras. Lai gan tā ir trešā visbiežāk sastopamā gāze gaisā, ko mēs elpojam, tās izmantošanai rūpniecībā, medicīnā un zinātnē ir nepieciešama sarežģīta inženierija. Pieprasījums pēc šīs cēlgāzes ir milzīgs, sākot no loku aizsargāšanas augstas temperatūras metināšanā un beidzot ar smalku silīcija plāksnīšu aizsardzību pusvadītāju ražošanas laikā. Tomēr tā transportēšana un uzglabāšana gāzveida stāvoklī ir ļoti neefektīva. Tas rada fundamentālu rūpniecisku jautājumu: kā tiek sašķidrināta argona gāze lai efektīvi apmierinātu globālās prasības?

Atbilde slēpjas sarežģītā procesā, kas pazīstams kā kriogēnā gaisa atdalīšana. Šis 2000 vārdu visaptverošais ceļvedis dziļi iedziļinās termodinamikas principos, mašīnbūvē un ķīmiskās attīrīšanas posmos, kas nepieciešami, lai atmosfēras gaisu pārveidotu par ļoti attīrītu, kriogēno šķidro argonu (LAR).

1. Izpratne par argonu un nepieciešamību pēc sašķidrināšanas

Pirms iedziļināties sašķidrināšanas mehānikā, ir svarīgi saprast, kas ir argons un kāpēc sašķidrināšanas process ir ekonomiski un praktiski nepieciešams.

Argons (Ar) ir monoatomiska, ķīmiski inerta cēlgāze. Tas ir bezkrāsains, bez smaržas un netoksisks. Tā kā tas nereaģē ar citiem elementiem pat ekstremālās temperatūrās, tas ir ideāls atmosfēras vairogs metalurģijas procesiem.

Kāpēc sašķidrināt argonu?

Galvenais iemesls jebkuras atmosfēras gāzes sašķidrināšanai ir tilpuma samazināšana. Pārveidojot no gāzes standarta atmosfēras spiedienā par kriogēnu šķidrumu, argons tiek pakļauts lielai izplešanās attiecībai no 1 līdz 840. Tas nozīmē, ka 840 litrus gāzveida argona var kondensēt vienā litrā argona. šķidrais argons. Šis dramatiskais apjoma samazinājums nodrošina rentablu beramkravu transportēšanu ar kriogēnām autocisternām un efektīvu uzglabāšanu vakuumizolētās tvertnēs rūpniecības objektos.

Argona fizikālās īpašības

Lai gāzi pārvērstu šķidrumā, inženieriem ir cieši jāstrādā ar tās termodinamiskajām īpašībām. Zemāk ir norādīti kritiskie fizisko datu punkti, kas nosaka sašķidrināšanas parametrus.

2. Pamatzinātne: Kriogēnā gaisa atdalīšana

Argons netiek ražots vai sintezēts; tas tiek novākts tieši no mums apkārt esošā gaisa. Visaptverošā tehnoloģija, ko izmanto, lai to panāktu, ir kriogēnā frakcionētā destilācija.

Šis process balstās uz ķīmijas pamatprincipu: dažādi elementi maina stāvokli (kondensējas vai vārās) dažādās temperatūrās. Atdzesējot apkārtējo gaisu, līdz tas kļūst šķidrs, un pēc tam lēnām paaugstinot tā temperatūru, inženieri var sadalīt gaisa maisījumu tā pamatkomponentos — slāpeklī, skābeklī un argonā —, kad tie pa vienam izvārās.

Argona atdalīšanas izaicinājums

Argona atdalīšana ir ļoti sarežģīta tā viršanas temperatūras dēļ. Apskatiet trīs galveno atmosfēras komponentu viršanas punktus:

3. Soli pa solim process: kā gaiss kļūst par šķidro argonu

Ceļš no apkārtējā gaisa uz kriogēno šķidro argonu ietver daudzpakāpju gaisa atdalīšanas vienību (ASU). Šeit ir detalizēts, soli pa solim procesa sadalījums.

1. darbība: gaisa ieplūde, saspiešana un filtrēšana

Process sākas ar izejvielu: apkārtējo atmosfēras gaisu.
Masīvi industriālie ventilatori velk gaisu caur daudzpakāpju filtru mājām, lai noņemtu daļiņas, putekļus un kukaiņus. Pēc filtrēšanas gaiss nonāk daudzpakāpju centrbēdzes kompresorā. Gaiss tiek saspiests līdz aptuveni 5–7 bāru (70–100 psi) spiedienam.

Gāzes saspiešana dabiski rada ievērojamu siltumu (saspiešanas siltumu). Lai to pārvaldītu, starp saspiešanas pakāpēm tiek novietoti starpdzesētāji. Gaisa dzesēšana šajā posmā izraisa arī lielas apkārtējās atmosfēras mitruma (ūdens tvaiku) kondensācijas, kas pēc tam tiek izvadīta.

2. darbība: attīrīšana caur molekulārajiem sietiem

Pirms gaisu var pakļaut kriogēnai temperatūrai, pilnībā jānoņem visi piemaisījumi, kas varētu sasalt un bloķēt cauruļvadus. Šie piemaisījumi galvenokārt ietver:

• Atlikušais ūdens tvaiks (H2O)
• Oglekļa dioksīds (CO2)
• Trace Ogļūdeņraži

Saspiestais gaiss tiek izvadīts caur priekšattīrīšanas vienību (PPU), kas sastāv no alumīnija oksīda un ceolīta molekulārajiem sietiem. Šie sieti darbojas kā ļoti selektīvi mikroskopiski sūkļi, kas adsorbē mitruma un CO2 molekulas. Ja šis solis neizdodas, CO2 un sausais ledus veidosies dziļi iekārtas iekšienē, aizsērējot trauslos siltummaiņus un liekot pilnībā izslēgt iekārtu.

3. darbība: ekstrēma dzesēšana un paplašināšana

Sausais, attīrītais un saspiestais gaiss tagad nonāk “aukstajā kastē”, stipri izolētā konstrukcijā, kurā atrodas kriogēnie siltummaiņi un destilācijas kolonnas.

Dzesēšanas procesā tiek izmantota Džoula-Tomsona efekts un mehāniskā izplešanās. Ieplūstošais siltais gaiss iet caur galveno siltummaini, plūstot pretstrāvu ārkārtīgi aukstām izplūdes gāzēm (slāpeklis un skābeklis), kas atgriežas no destilācijas kolonnām. Tas ievērojami samazina ienākošā gaisa temperatūru.

Lai sasniegtu patiesu kriogēno temperatūru (zem -170°C), daļa saspiestā gaisa tiek novadīta caur turbo-paplašinātāju. Tā kā augstspiediena gāze strauji izplešas caur turbīnu, tā veic mehānisku darbu, kas izraisa milzīgu gāzes temperatūras kritumu. Līdz brīdim, kad gaiss iziet no siltummaiņa un paplašinātāja, tas ir neticami aukstu tvaiku un šķidra gaisa maisījums, kas ir gatavs atdalīšanai.

4. darbība: primārā frakcionētā destilācija (HP un LP kolonnas)

Sašķidrināšanas procesa pamatā ir divu kolonnu destilācijas sistēma, kas sastāv no augsta spiediena (HP) kolonnas, kas atrodas zem zema spiediena (LP) kolonnas.

1. Augstspiediena kolonna: Atdzesētais šķidruma/tvaiku gaisa maisījums nonāk HP kolonnas apakšā. Šķidrumam nokrītot uz leju un tvaikiem paceļoties caur perforētām sieta paplātēm, notiek pirmā atdalīšanās. Slāpeklis ar zemāko viršanas temperatūru paceļas uz augšu kā gāze. Ar skābekli bagāts šķidrums (satur lielāko daļu argona) baseini apakšā.
2. Zema spiediena kolonna: Ar skābekli bagātais šķidrums no HP kolonnas apakšas tiek novadīts (izplests) LP kolonnā virs tās. Zemāka spiediena dēļ notiek tālāka atdalīšana. Tīrs šķidrais skābeklis uzkrājas LP kolonnas pašā apakšā, bet tīra slāpekļa gāze iziet no augšas.

5. darbība: argona sānu rokas kolonna

Tā kā argona viršanas temperatūra atrodas starp skābekli un slāpekli, tas koncentrējas zema spiediena kolonnas apakšējā-vidējā daļā. Maksimālajā koncentrācijā gāzu maisījums šajā kolonnas “vēderā” ir aptuveni 10% līdz 12% argona, bet pārējais ir skābeklis un niecīga slāpekļa pēda.

Lai to iegūtu, inženieri pieskaras šai īpašajai sadaļai un ievelk maisījumu atsevišķā pievienotā struktūrā, ko sauc par Argona sānu rokas kolonna.
Šajā neticami augstajā kolonnā (kurā bieži ir vairāk nekā 150 teorētiskās paplātes) notiek sekundāra destilācija. Tā kā argons ir nedaudz gaistošāks (vieglāk vārās) nekā skābeklis, argona tvaiki paceļas uz sānu kolonnas augšdaļu, bet smagāks šķidrais skābeklis nokrīt apakšā un tiek atgriezts galvenajā LP kolonnā.

To, kas parādās no sānu pleca kolonnas augšdaļas, sauc par “neapstrādātu argonu”. Šajā posmā tas tiek veiksmīgi sašķidrināts, bet ir tikai aptuveni 98% tīrs. Tas joprojām satur aptuveni 2% skābekļa un nelielu daudzumu slāpekļa, kas ir jānoņem rūpnieciskai lietošanai.

4. Attīrīšana: jēlnaftas pārveidošana par augstas tīrības pakāpes šķidro argonu

Mūsdienu lietojumos, jo īpaši pusvadītāju un kosmosa rūpniecībā, argonam jābūt tīram (99,999%). Neapstrādātam argonam ir jāveic stingra attīrīšana.

"Deoxo" katalītiskais process

Lai noņemtu atlikušos 2% skābekļa, neapstrādāts argons tiek novirzīts uz katalītisko reaktoru, kas pazīstams kā Deoxo bloks. Iekšpusē šķidruma plūsmā tiek ievadīta ļoti tīra ūdeņraža gāze.
Pallādija vai platīna katalizatora klātbūtnē ūdeņradis ķīmiski reaģē ar sliktām skābekļa molekulām, veidojot ūdeni (2H₂ + O₂ → 2H₂O). Šī reakcija atbrīvo nelielu daudzumu siltuma, uz brīdi pārvēršot argonu atpakaļ gāzē.

Galīgā žāvēšana un destilācija

Pēc tam gāze tiek izvadīta caur sekundāro molekulāro sietu, lai noņemtu jaunizveidotās ūdens molekulas. Visbeidzot, sausais, bezskābekļa argona gāze tiek ievadīts galīgajā destilācijas kolonnā — tīrā argona kolonnā.

Šeit argonu vēlreiz atdzesē, līdz tas atkal kondensējas šķidrā stāvoklī. Jebkurš atlikušais slāpeklis, kas šķidrā argona temperatūrā paliek gāzveida, tiek izvadīts no kolonnas augšdaļas. Iegūtais produktu apvienojums apakšā ir ļoti attīrīts, īpaši auksts šķidrais argons (LAR), kas ir gatavs komerciālai izplatīšanai.

5. Šķidrā argona uzglabāšana un transportēšana

Kad ir atbildēts uz jautājumu par to, kā argona gāze tiek sašķidrināta, nākamais izaicinājums ir saglabāt to šādā stāvoklī. Pie -185,8°C jebkura apkārtējā siltuma iedarbība izraisīs šķidruma strauju pārtīšanu atpakaļ gāzē — parādība, kas pazīstama kā Boil-Off Gas (BOG).

Lai to apkarotu, šķidrais argons tiek iesūknēts ļoti specializētās, ar vakuumu izolētās kriogēnās uzglabāšanas tvertnēs. Šīs tvertnes darbojas līdzīgi kā termosa kolba. Tie sastāv no iekšējā trauka, kas izgatavots no nerūsējošā tērauda (kas nekļūst trausls kriogēnās temperatūrās) un ārējā trauka, kas izgatavots no oglekļa tērauda. Telpu starp abiem traukiem piepilda ar izolācijas pulveri (piemēram, perlītu) un sūknē līdz gandrīz ideālam vakuumam, lai novērstu konvektīvo un vadošo siltuma pārnesi.

Transportējot galalietotājiem, LAR tiek pārvadāts specializētās kriogēnās autocisternās. Ierodoties ražotnē vai slimnīcā, to uz vietas pārnes stacionārā tvertnē ar vakuuma apvalku. Kad klienta procesiem nepieciešams gāzveida argons, šķidrums tiek vienkārši izvadīts caur apkārtējā gaisa iztvaicētāju — virkni alumīnija cauruļu, kas absorbē siltumu no apkārtējā gaisa, droši sasildot šķidrumu atpakaļ augstspiediena gāzē.

6. Secinājums

Neredzama, apkārtējā gaisa pārvēršana īpaši tīrā, mīnusā šķidrumā ir mūsdienu ķīmijas inženierijas un termodinamikas brīnums. Izmantojot stingras augstspiediena saspiešanas, molekulārās filtrācijas, Džoula-Tomsona izplešanās un ļoti jutīgas frakcionētas destilācijas posmus, nozares var efektīvi ievākt argonu, kas pārklāj mūsu planētu.

Sapratne argona gāzes sašķidrināšana ir ļoti svarīgi, lai optimizētu globālās piegādes ķēdes. Attīstoties tehnoloģijām, jo ​​īpaši elektronikas ražošanā, 3D metāla drukāšanā un kosmosa inženierijā, atkarība no ļoti tīra, efektīvi transportējama šķidrā argona tikai pieaugs, padarot kriogēno gaisa atdalīšanu par vienu no vissvarīgākajiem, tomēr nepietiekami novērtētajiem rūpnieciskajiem procesiem mūsdienu pasaulē.

7. Bieži uzdotie jautājumi

Q1: Kādā temperatūrā argons kļūst par šķidrumu?

Argons viršanas temperatūrā pāriet no gāzes uz šķidrumu -185,8°C (-302,4°F) pie standarta atmosfēras spiediena. Lai saglabātu to šķidrā stāvoklī uzglabāšanai un transportēšanai, tas ir jāuztur šajā kriogēnajā temperatūrā vai zemākā par to, izmantojot specializētus vakuumizolētus traukus, lai novērstu strauju viršanu un izplešanos.

Q2: Kāpēc argons tiek transportēts kā šķidrums, nevis gāze?

Galvenais iemesls ir apjoma efektivitāte. Kad argons tiek atdzesēts šķidrumā, tas kondensējas proporcijā 1 pret 840. Tas nozīmē, ka viens litrs šķidrā argona satur 840 litru argona gāzes ekvivalentu. Pārvadājot to kā šķidrumu, piegādātāji var piegādāt milzīgus, lielapjoma daudzumus ar vienu kravas automašīnu, kas ir daudz rentablāk un loģistikas ziņā praktiskāk nekā smagu, augstspiediena gāzes balonu transportēšana.

Q3: Vai apiešanās ar šķidro argonu ir bīstama?

Jā, šķidrais argons rada ievērojamus rūpnieciskus apdraudējumus galvenokārt tā lielā aukstuma un asfiksējošās īpašības dēļ. Saskare ar ādu ar šķidru argonu vai neizolētiem kriogēniem cauruļvadiem var nekavējoties izraisīt smagus apsaldējumus vai kriogēnus apdegumus. Turklāt, tā kā tas strauji izplešas, sasilstot (840 reizes pārsniedz tilpumu), neliela šķidrā argona noplūde slēgtā telpā var ātri izspiest apkārtējo skābekli, radot augstu nosmakšanas risku tuvumā esošajiem darbiniekiem bez brīdinājuma, jo gāze ir bezkrāsains un bez smaržas. Ir stingri nepieciešama atbilstoša ventilācija un individuālie aizsardzības līdzekļi (IAL).