Аргон хий хэрхэн шингэрүүлсэн
Аргон нь хаа сайгүй байдаг боловч үл үзэгдэх элемент бөгөөд дэлхийн агаар мандлын 0.93% -ийг бүрдүүлдэг. Энэ нь бидний амьсгалж буй агаар дахь гурав дахь хамгийн элбэг хий бөгөөд үүнийг үйлдвэрлэл, анагаах ухаан, шинжлэх ухааны хэрэглээнд ашиглах нь нарийн төвөгтэй инженерчлэл шаарддаг. Өндөр температурт гагнуурын нумыг хамгаалахаас эхлээд хагас дамжуулагч үйлдвэрлэх явцад нарийн ширхэгтэй цахиур хавтанг хамгаалах хүртэл энэхүү үнэт хийн эрэлт хэрэгцээ асар их байна. Харин хийн төлөвт нь тээвэрлэх, хадгалах нь маш үр ашиггүй юм. Энэ нь үйлдвэрлэлийн үндсэн асуултыг бий болгож байна: аргон хий хэрхэн шингэрүүлсэн дэлхийн эрэлт хэрэгцээг үр ашигтай хангах уу?
Хариулт нь криоген агаарыг ялгах гэж нэрлэгддэг нарийн төвөгтэй процесст оршдог. Энэхүү 2000 үгтэй дэлгэрэнгүй гарын авлага нь агаар мандлын агаарыг өндөр цэвэршүүлсэн, криоген шингэн аргон (LAR) болгон хувиргахад шаардагдах термодинамикийн зарчим, механик инженерчлэл, химийн цэвэршүүлэх алхмуудыг гүнзгийрүүлэн судлах болно.
1. Аргон ба шингэрүүлэх хэрэгцээний тухай ойлголт
Шингэрүүлэх механикийг судлахын өмнө аргон гэж юу болох, яагаад шингэрүүлэх үйл явц нь эдийн засгийн болон практикт шаардлагатай байгааг ойлгох нь маш чухал юм.
Аргон (Ar) нь нэг атомт, химийн идэвхгүй үнэт хий юм. Энэ нь өнгөгүй, үнэргүй, хоргүй байдаг. Энэ нь хэт өндөр температурт ч бусад элементүүдтэй урвалд ордоггүй тул металлургийн процесст хамгийн тохиромжтой агаар мандлын бамбай юм.
Яагаад аргоныг шингэрүүлэх ёстой вэ?
Агаар мандлын аливаа хийг шингэрүүлэх гол шалтгаан нь эзэлхүүнийг багасгах явдал юм. Стандарт атмосферийн даралттай хийнээс криоген шингэн болж хувирах үед аргон нь 1-ээс 840 хүртэл их хэмжээний тэлэлтийн харьцаанд ордог. Энэ нь 840 литр хийн аргоныг нэг литр хийн аргон болгон өтгөрүүлж болно гэсэн үг юм. шингэн аргон. Эзлэхүүнийг эрс багасгасан нь криоген цистернээр тээвэрлэх, үйлдвэрлэлийн байгууламжид вакуум тусгаарлагчтай саванд үр ашигтай хадгалах боломжийг олгодог.
Аргоны физик шинж чанарууд
Хийг шингэн болгон хувиргахын тулд инженерүүд түүний термодинамик шинж чанаруудтай нягт хамтран ажиллах ёстой. Шингэрүүлэх параметрүүдийг тодорхойлдог чухал физик өгөгдлийн цэгүүдийг доор харуулав.
| Өмч | Үнэ цэнэ/Тодорхойлолт |
|---|---|
| Химийн тэмдэг | Иэг |
| Атомын дугаар | 18 |
| Буцлах цэг (1 атм) | -185.8°C (-302.4°F) |
| Хайлах цэг | -189.4°C (-308.9°F) |
| Нягт (буцлах цэг дэх шингэн) | 1.398 кг/л |
| Агаар мандлын концентраци | эзлэхүүний 0.934% |
| Химийн урвал | Идэвхгүй (Сайн хий) |
2. Үндсэн шинжлэх ухаан: Криоген агаарыг ялгах
Аргоныг үйлдвэрлэдэггүй, нэгтгэдэггүй; Бидний эргэн тойрон дахь агаараас шууд хурааж авдаг. Үүнд хүрэхийн тулд ашигладаг үндсэн технологи криоген бутархай нэрэх.
Энэ үйл явц нь химийн үндсэн зарчим дээр суурилдаг: янз бүрийн элементүүд өөр өөр температурт төлөвийг өөрчилдөг (конденсаци эсвэл буцалгана). Орчны агаарыг шингэн болтол нь хөргөж, температурыг нь аажмаар нэмэгдүүлснээр инженерүүд агаарын хольцыг үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг болох азот, хүчилтөрөгч, аргон болгон салгаж, нэг нэгээр нь буцалгаж чадна.
Аргоныг салгах сорилт
Аргоныг салгах нь буцалгах цэгийн улмаас маш хэцүү байдаг. Агаар мандлын гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгийн буцлах цэгийг хар.
| Агаар мандлын хий | Буцлах цэг (1 атм) | Агаар дахь эзлэхүүн |
|---|---|---|
| Азот (N2) | -196.0°C (-320.8°F) | 78.08% |
| Аргон (AR) | -185.8°C (-302.4°F) | 0.93% |
| Хүчилтөрөгч (O2) | -183.0°C (-297.4°F) | 20.95% |
3. Алхам алхмаар үйл явц: Агаар хэрхэн шингэн аргон болдог
Орчны агаараас криоген шингэн аргон хүртэлх аялал нь олон үе шаттай Агаар тусгаарлах нэгж (ASU) багтана. Үйл явцын нарийвчилсан, алхам алхмаар задаргаа энд байна.
Алхам 1: Агаар оруулах, шахах, шүүх
Үйл явц нь түүхий эдээс эхэлдэг: хүрээлэн буй орчны агаар.
Аж үйлдвэрийн асар том сэнс нь тоосонцор, тоос шороо, шавьжийг зайлуулахын тулд олон үе шаттай шүүлтүүрийн байшингуудаар агаарыг татдаг. Шүүгдсэний дараа агаар нь олон шатлалт төвөөс зугтах компрессор руу ордог. Агаарыг ойролцоогоор 5-7 бар (70-100 psi) даралтаар шахдаг.
Хийг шахах нь байгалийн их хэмжээний дулааныг (шахалтын дулаан) үүсгэдэг. Үүнийг зохицуулахын тулд завсрын хөргөгчийг шахалтын үе шатуудын хооронд байрлуулна. Энэ үе шатанд агаарыг хөргөхөд хүрээлэн буй орчны чийгийн (усны уур) ихээхэн хэсэг нь өтгөрч, улмаар гадагшилдаг.
Алхам 2: Молекул шигшүүрээр цэвэршүүлэх
Агаарыг криоген температурт оруулахын өмнө хоолойг хөлдөж, бөглөрөх боломжтой бүх ул мөр хольцыг бүрэн арилгах шаардлагатай. Эдгээр хольцууд нь үндсэндээ:
- Үлдэгдэл усны уур (H2O)
- Нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO2)
- Нүүрс устөрөгчийн ул мөр
Шахсан агаарыг хөнгөн цагааны исэл ба цеолит молекул шигшүүрээс бүрдэх урьдчилсан цэвэршүүлэх төхөөрөмжөөр (PPU) дамжуулдаг. Эдгээр шигшүүрүүд нь чийг ба CO2 молекулуудыг шингээх өндөр сонгомол бичил хөвөн шиг ажилладаг. Хэрэв энэ алхам амжилтгүй болвол үйлдвэрийн гүнд CO2 болон хуурай мөс үүсч, нарийн дулаан солилцуурууд бөглөрч, үйлдвэрийг бүрэн зогсоох шаардлагатай болно.
Алхам 3: Хэт хөргөлт ба тэлэлт
Хуурай, цэвэршүүлсэн, шахсан агаар нь одоо "хүйтэн хайрцаг" руу ордог бөгөөд энэ нь криоген дулаан солилцогч, нэрэх багануудыг байрлуулсан маш дулаалгатай бүтэц юм.
Хөргөх процесс нь Жоуль-Томсоны эффект ба механик тэлэлт. Орж буй дулаан агаар нь үндсэн дулаан солилцуураар дамждаг бөгөөд нэрэх баганаас буцаж ирдэг маш хүйтэн яндангийн хий (азот, хүчилтөрөгч) рүү урсдаг. Энэ нь орж ирж буй агаарын температурыг эрс бууруулдаг.
Жинхэнэ криоген температурт (-170 хэмээс доош) хүрэхийн тулд шахсан агаарын тодорхой хэсгийг турбо тэлэгчээр дамжуулдаг. Өндөр даралтын хий нь турбиноор хурдан тэлэх үед механик ажил гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь хийн температурыг асар их хэмжээгээр бууруулдаг. Агаар нь дулаан солилцогч ба тэлэгчээс гарах үед энэ нь гайхалтай хүйтэн уур, шингэн агаарын холимог бөгөөд салгахад бэлэн болно.
Алхам 4: Анхдагч бутархай нэрэх (HP болон LP багана)
Шингэрүүлэх процессын зүрх нь нам даралтын (LP) баганын доор байрлах өндөр даралттай (HP) баганаас бүрдэх давхар багана нэрэх систем юм.
- Өндөр даралтын багана: Дэд хөргөлттэй шингэн / уурын агаарын хольц нь HP баганын ёроолд ордог. Шингэн нь ёроол руу унаж, уур нь цоолсон шигшүүрийн тавиураар дээшлэх үед эхний ялгаралт үүсдэг. Буцлах хамгийн бага цэгтэй азот нь хий хэлбэрээр дээшээ гарна. Хүчилтөрөгчөөр баялаг шингэн (ихэнх аргон агуулсан) ёроолд хуримтлагддаг.
- Бага даралтын багана: HP баганын ёроолоос хүчилтөрөгчөөр баялаг шингэн нь түүний дээрх LP багана руу шахагдана (өргөтгөнө). Даралт багатай тул цаашид тусгаарлалт явагдана. Цэвэр шингэн хүчилтөрөгч нь LP баганын хамгийн доод хэсэгт хуримтлагддаг бол цэвэр азотын хий нь дээд хэсгээс гардаг.
Алхам 5: Аргоны хажуугийн багана
Аргоны буцлах цэг нь хүчилтөрөгч ба азотын хооронд байрладаг тул бага даралтын баганын дунд доод хэсэгт төвлөрдөг. Хамгийн их концентрацитай үед баганын энэ өвөрмөц "гэдсэн" дэх хийн хольц нь ойролцоогоор 10% -аас 12% аргон, үлдсэн хэсэг нь хүчилтөрөгч, бага зэрэг азот юм.
Үүнийг гаргаж авахын тулд инженерүүд энэ тодорхой хэсгийг товшиж, хольцыг тусдаа, хавсаргасан бүтэц болгон зурдаг Аргон хажуугийн багана.
Энэхүү гайхалтай өндөр баганын дотор (ихэвчлэн 150 гаруй онолын тавиур агуулдаг) хоёрдогч нэрэлт үүсдэг. Аргон нь хүчилтөрөгчөөс арай илүү ууршимтгай (буцлах нь амархан) тул аргоны уур нь хажуугийн баганын дээд хэсэгт дээш өргөгдөж, харин хүнд шингэн хүчилтөрөгч нь доод тал руу унаж, үндсэн LP багана руу буцдаг.
Хажуу талын баганын дээд хэсгээс гарч буй зүйлийг "бүдүүн аргон" гэж нэрлэдэг. Энэ үе шатанд энэ нь амжилттай шингэрүүлсэн боловч ердөө 98% цэвэр байна. Энэ нь ойролцоогоор 2% хүчилтөрөгч, бага хэмжээний азот агуулсан хэвээр байгаа бөгөөд үүнийг үйлдвэрлэлийн зориулалтаар зайлуулах шаардлагатай.
4. Цэвэршүүлэх: Түүхий тосыг өндөр цэвэршүүлсэн шингэн аргон болгон сайжруулах
Орчин үеийн хэрэглээний хувьд, ялангуяа хагас дамжуулагч болон сансрын үйлдвэрлэлийн салбарт аргон нь "таван ес" (99.999%) байх ёстой. Түүхий аргоныг сайтар цэвэршүүлэх ёстой.
"Деоксо" катализаторын процесс
Үлдсэн 2% хүчилтөрөгчийг зайлуулахын тулд түүхий аргоныг Деоксо нэгж гэж нэрлэгддэг катализаторын реактор руу чиглүүлдэг. Дотор нь маш цэвэр устөрөгчийн хийг шингэний урсгал руу шахдаг.
Палладин эсвэл цагаан алтны катализаторын дэргэд устөрөгч нь хүчилтөрөгчийн хуурамч молекулуудтай химийн урвалд орж ус үүсгэдэг (2H2 + О2 → 2H2О). Энэ урвал нь бага хэмжээний дулаан ялгаруулж, аргоныг хэсэгхэн зуур буцаан хий болгон хувиргадаг.
Эцсийн хатаах, нэрэх
Дараа нь хийг хоёрдогч молекул шигшүүрээр дамжуулж шинээр үүссэн усны молекулуудыг зайлуулна. Эцэст нь хуурай, хүчилтөрөгчгүй аргон хий эцсийн нэрэх багана-цэвэр аргон багана руу тэжээгддэг.
Энд аргон нь шингэн төлөвт буцах хүртэл дахин нэг удаа хөргөнө. Шингэн аргоны температурт хий хэлбэрээр үлддэг аливаа үлдэгдэл азотыг баганын дээд хэсгээс гадагшлуулна. Доод хэсэгт хуримтлагдсан бүтээгдэхүүн нь өндөр цэвэршүүлсэн, хэт хүйтэн шингэн аргон (LAR) бөгөөд худалдаанд түгээхэд бэлэн болно.
5. Шингэн аргоныг хадгалах, тээвэрлэх
Аргон хийг хэрхэн шингэрүүлдэг вэ гэсэн асуултад хариулсны дараа дараагийн асуудал бол түүнийг ийм байдалд байлгах явдал юм. -185.8°C-т хүрээлэн буй орчны халуунд ямар ч нөлөөлөл нь шингэнийг хүчтэй буцалгаад хий болгон хувиргахад хүргэдэг бөгөөд үүнийг буцалгах хий (BOG) гэж нэрлэдэг.
Үүнтэй тэмцэхийн тулд шингэн аргоныг өндөр мэргэшсэн, вакуум тусгаарлагчтай криоген хадгалах сав руу шахдаг. Эдгээр савнууд нь термос колботой адилхан ажилладаг. Эдгээр нь зэвэрдэггүй гангаар хийсэн дотоод сав (криоген температурт хэврэг болдоггүй) ба нүүрстөрөгчийн гангаар хийсэн гаднах савнаас бүрдэнэ. Хоёр савны хоорондох зайг тусгаарлагч нунтаг (перлит гэх мэт) дүүргэж, конвектив болон дамжуулагч дулаан дамжуулалтыг арилгахын тулд бараг төгс вакуум руу шахдаг.
Эцсийн хэрэглэгчдэд зөөвөрлөхдөө LAR-г тусгай зориулалтын криоген цистернээр тээвэрлэдэг. Үйлдвэрийн үйлдвэр эсвэл эмнэлэгт ирсний дараа үүнийг газар дээр нь суурин вакуум хүрэмтэй саванд шилжүүлдэг. Үйлчлүүлэгчид үйл явцдаа хийн аргон хэрэгтэй бол шингэнийг хүрээлэн буй орчны агаарыг ууршуулагчаар дамжуулдаг бөгөөд энэ нь эргэн тойрон дахь агаараас дулааныг шингээж, шингэнийг өндөр даралтын хий болгон аюулгүйгээр дулаацуулдаг хэд хэдэн сэрвээтэй хөнгөн цагаан хоолойгоор дамждаг.
6. Дүгнэлт
Орчны үл үзэгдэх агаарыг хэт цэвэр, тэгээс бага шингэн болгон хувиргах нь орчин үеийн химийн инженерчлэл, термодинамикийн гайхамшиг юм. Өндөр даралтын шахалт, молекул шүүлтүүр, Жоул-Томсоны өргөтгөл, өндөр мэдрэмтгий бутархай нэрэх зэрэг нарийн үе шатуудыг дамжин үйлдвэрүүд манай гарагийг бүрхэж буй аргоныг үр ашигтайгаар хурааж чадна.
Ойлголт аргон хий шингэрүүлэх нь дэлхийн нийлүүлэлтийн сүлжээг оновчтой болгоход амин чухал юм. Технологи хөгжихийн хэрээр, ялангуяа электроникийн үйлдвэрлэл, 3D металл хэвлэлт, сансрын инженерчлэл зэрэгт өндөр цэвэр, үр ашигтай тээвэрлэгдсэн шингэн аргонд найдах байдал улам бүр нэмэгдсээр байгаа нь криоген агаарыг ялгах нь орчин үеийн дэлхийн хамгийн чухал, гэхдээ дутуу үнэлэгддэг үйлдвэрлэлийн процессуудын нэг болж байна.
7. Түгээмэл асуултууд
А1: Аргон ямар температурт шингэн болдог вэ?
Аргон нь буцлах температурт хийгээс шингэн рүү шилждэг -185.8°C (-302.4°F) стандарт атмосферийн даралтаар. Хадгалах, тээвэрлэх зориулалттай шингэн төлөвт байлгахын тулд хурдан буцалгах, тэлэхээс сэргийлэхийн тулд тусгай вакуум тусгаарлагчтай сав ашиглан энэ криоген температурт эсвэл түүнээс доош байлгах ёстой.
Асуулт 2: Аргон яагаад хий биш шингэн хэлбэрээр тээвэрлэгддэг вэ?
Гол шалтгаан нь эзлэхүүний үр ашиг юм. Аргоныг шингэн болгон хөргөхөд 1-ээс 840-ийн харьцаатай өтгөрдөг. Энэ нь нэг литр шингэн аргонд 840 литр аргон хийтэй тэнцэх хэмжээний шингэн агуулагддаг гэсэн үг. Үүнийг шингэн хэлбэрээр тээвэрлэх нь ханган нийлүүлэгчдэд их хэмжээний, бөөнөөр нь нэг ачааны машинд хүргэх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь хүнд, өндөр даралттай хийн цилиндрийг тээвэрлэхээс хамаагүй илүү зардал багатай, логистикийн хувьд практик юм.
Асуулт 3: Шингэн аргонтой харьцах нь аюултай юу?
Тиймээ, шингэн аргон нь хэт хүйтэн, амьсгал боогдуулагч шинж чанараараа үйлдвэрлэлийн томоохон аюулыг бий болгодог. Шингэн аргон эсвэл дулаалгагүй криоген хоолойтой арьсанд хүрэх нь хүчтэй хөлдөх эсвэл криоген түлэгдэлтийг шууд үүсгэдэг. Цаашилбал, дулаарахад хурдацтай өргөжиж (эзэлхүүнээсээ 840 дахин их) учир битүү орон зайд шингэн аргон бага зэрэг гоожих нь орчны хүчилтөрөгчийг хурдан нүүлгэн шилжүүлэх бөгөөд энэ хий нь өнгөгүй, үнэргүй байдаг тул ойр орчмын ажилтнууд ямар ч анхааруулгагүйгээр амьсгал боогдох эрсдэл өндөртэй байдаг. Тохиромжтой агааржуулалт, хувийн хамгаалалтын хэрэгсэл (PPE) -ийг чанд мөрдөх шаардлагатай.
