Argon, kipengele kinachopatikana kila mahali lakini kisichoonekana, hufanya takriban 0.93% ya angahewa ya Dunia. Ingawa ni gesi ya tatu kwa wingi zaidi katika hewa tunayopumua, kuitumia kwa matumizi ya viwandani, matibabu na kisayansi kunahitaji uhandisi changamano. Kuanzia safu za kinga katika kulehemu zenye halijoto ya juu hadi kulinda kaki laini za silicon wakati wa utengenezaji wa semicondukta, mahitaji ya gesi hii bora ni makubwa. Hata hivyo, kusafirisha na kuhifadhi katika hali yake ya gesi ni duni sana. Hii inazua swali la msingi la viwanda: jinsi gesi ya argon inavyoyeyuka ili kukidhi mahitaji ya kimataifa kwa ufanisi?

Jibu liko katika mchakato wa kisasa unaojulikana kama utengano wa hewa ya cryogenic. Mwongozo huu wa kina wa maneno 2,000 utachunguza kwa kina kanuni za halijoto, uhandisi wa mitambo, na hatua za utakaso wa kemikali zinazohitajika ili kubadilisha hewa ya angahewa kuwa argon ya kioevu iliyosafishwa sana (LAR).

1. Kuelewa Argon na Haja ya Liquefaction

Kabla ya kupiga mbizi kwenye mechanics ya umwagiliaji, ni muhimu kuelewa argon ni nini na kwa nini mchakato wa umiminishaji ni muhimu kiuchumi na kivitendo.

Argon (Ar) ni gesi nzuri ya monatomiki, isiyo na kemikali. Haina rangi, haina harufu na haina sumu. Kwa sababu haina kuguswa na vipengele vingine hata kwa joto kali, ni ngao bora ya anga kwa michakato ya metallurgiska.

Kwa nini Liquefy Argon?

Sababu ya msingi ya kuongeza gesi yoyote ya anga ni kupunguza kiasi. Inapobadilishwa kutoka kwa gesi kwa shinikizo la anga la kawaida hadi kioevu cha cryogenic, argon hupata uwiano mkubwa wa upanuzi wa 1 hadi 840. Hii ina maana kwamba lita 840 za argon ya gesi zinaweza kufupishwa katika lita moja ya kioevu argon. Kupunguza huku kwa kiasi kikubwa kunaruhusu usafirishaji wa wingi wa gharama nafuu kupitia lori za tanki za cryogenic na uhifadhi mzuri katika matangi yaliyowekwa utupu kwenye vifaa vya viwandani.

Sifa za Kimwili za Argon

Ili kuendesha gesi ndani ya kioevu, wahandisi lazima wafanye kazi kwa karibu na sifa zake za thermodynamic. Chini ni vidokezo muhimu vya data ya kimwili ambayo inaamuru vigezo vya umwagiliaji.

2. Sayansi ya Msingi: Kutenganisha Hewa ya Cryogenic

Argon haijatengenezwa au kuunganishwa; huvunwa moja kwa moja kutoka kwa hewa inayotuzunguka. Teknolojia kuu inayotumika kufanikisha hili ni kunereka kwa sehemu ya cryogenic.

Utaratibu huu unategemea kanuni ya msingi ya kemia: vipengele tofauti hubadilisha hali (kupunguza au kuchemsha) kwa joto tofauti. Kwa kupoza hewa iliyoko hadi iwe kioevu, na kisha kuinua halijoto yake polepole, wahandisi wanaweza kutenganisha mchanganyiko wa hewa ndani ya visehemu vyake vya msingi—nitrojeni, oksijeni, na argon—wanapochemka moja baada ya nyingine.

Changamoto ya Kujitenga kwa Argon

Kutenganisha argon ni ngumu sana kwa sababu ya kiwango chake cha kuchemsha. Angalia sehemu za kuchemsha za sehemu kuu tatu za anga:

3. Mchakato wa Hatua kwa Hatua: Jinsi Hewa Inakuwa Liquid Argon

Safari kutoka kwa hewa iliyoko hadi kwenye argon ya kioevu ya cryogenic inahusisha Kitengo cha Kutenganisha Hewa cha hatua nyingi (ASU). Hapa kuna maelezo ya kina, hatua kwa hatua ya mchakato.

Hatua ya 1: Uingizaji hewa, Mfinyazo, na Uchujaji

Mchakato huanza na malighafi: hewa iliyoko ya anga.
Mashabiki wakubwa wa viwanda huvuta hewa kupitia nyumba za vichungi vya hatua nyingi ili kuondoa chembe chembe, vumbi na wadudu. Baada ya kuchujwa, hewa huingia kwenye compressor ya centrifugal ya hatua nyingi. Hewa imebanwa kwa shinikizo la takriban 5 hadi 7 bar (70 hadi 100 psi).

Kukandamiza gesi kwa kawaida hutoa joto kubwa (joto la compression). Ili kusimamia hili, intercoolers huwekwa kati ya hatua za ukandamizaji. Kupoeza hewa katika hatua hii pia husababisha sehemu kubwa ya unyevunyevu wa angahewa (mvuke wa maji) kufinywa, ambayo hatimaye hutolewa.

Hatua ya 2: Utakaso kupitia Sieve za Masi

Kabla ya hewa kuathiriwa na halijoto ya cryogenic, uchafu wote unaoweza kuganda na kuzuia bomba lazima uondolewe kabisa. Uchafu huu kimsingi ni pamoja na:

• Mvuke wa Maji Uliobaki (H2O)
• Dioksidi kaboni (CO2)
• Fuatilia Hidrokaboni

Hewa iliyoshinikizwa hupitishwa kupitia kitengo cha utakaso kabla (PPU) kinachojumuisha vitanda vya alumina na ungo za molekuli za zeolite. Sieve hizi hufanya kama sponji za hadubini zenye kuchagua sana, zikitangaza unyevu na molekuli za CO2. Hatua hii isipofaulu, CO2 na barafu kavu ingeunda ndani kabisa ya mmea, na kuziba vibadilisha joto laini na kuhitaji kuzimwa kabisa kwa mmea.

Hatua ya 3: Upoevu Uliokithiri na Upanuzi

Hewa kavu, iliyosafishwa, na iliyobanwa sasa inaingia kwenye "sanduku baridi," muundo uliohifadhiwa sana unaoweka vibadilisha joto vya cryogenic na nguzo za kunereka.

Mchakato wa baridi hutumia Athari ya Joule-Thomson na upanuzi wa mitambo. Hewa yenye joto inayoingia hupitia kibadilisha joto kikuu, ikitiririka kinyume na sasa hadi gesi za kutolea moshi zenye baridi sana (nitrojeni na oksijeni) zinazorudi kutoka kwenye nguzo za kunereka. Hii inapunguza joto la hewa inayoingia kwa kasi.

Ili kufikia joto la kweli la cryogenic (chini ya -170 ° C), sehemu ya hewa iliyoshinikizwa hupitishwa kupitia turbo-expander. Gesi ya shinikizo la juu inapoongezeka kwa kasi kupitia turbine, hufanya kazi ya mitambo, ambayo inalazimisha kushuka kwa kiasi kikubwa kwa joto la gesi. Kufikia wakati hewa inatoka kwa kibadilisha joto na kipanuzi, ni mchanganyiko wa mvuke baridi sana na hewa kioevu, tayari kwa kutenganishwa.

Hatua ya 4: Utengenezaji Msingi wa Sehemu (Safu wima za HP na LP)

Moyo wa mchakato wa umiminishaji ni mfumo wa kunereka wa safu wima mbili, unaojumuisha safu ya Shinikizo la Juu (HP) iliyoketi chini ya safu ya Shinikizo la Chini (LP).

1. Safu ya Shinikizo la Juu: Kioevu kilichopozwa kidogo / mchanganyiko wa hewa ya mvuke huingia chini ya safu ya HP. Kioevu kinapoanguka chini na mvuke huinuka kupitia trei za ungo zilizotobolewa, mgawanyo wa kwanza hutokea. Nitrojeni, yenye kiwango cha chini cha mchemko, huinuka juu kama gesi. Kioevu chenye oksijeni nyingi (yenye argon nyingi) mabwawa ya chini.
2. Safu ya Shinikizo la Chini: Kioevu chenye oksijeni nyingi kutoka chini ya safu ya HP hupigwa (kupanuliwa) kwenye safu ya LP juu yake. Kutokana na shinikizo la chini, kujitenga zaidi hufanyika. Vidimbwi vya oksijeni vya kioevu vilivyo chini kabisa ya safu ya LP, huku gesi safi ya nitrojeni ikitoka juu.

Hatua ya 5: Safu ya Argon Side-Arm

Kwa sababu kiwango cha mchemko cha argon hukaa kati ya oksijeni na nitrojeni, huzingatia sehemu ya chini ya kati ya safu ya Shinikizo la Chini. Katika mkusanyiko wake wa kilele, mchanganyiko wa gesi katika "tumbo" hili maalum la safu ni takriban 10% hadi 12% ya argon, na wengine ni oksijeni na athari ndogo ya nitrojeni.

Ili kuitoa, wahandisi hugonga kwenye sehemu hii maalum na kuchora mchanganyiko katika muundo tofauti, uliounganishwa unaoitwa Safu ya Argon Side-Arm.
Ndani ya safu hii ndefu sana (mara nyingi huwa na trei zaidi ya 150 za kinadharia), kunereka kwa pili hutokea. Kwa sababu argon ni tete zaidi (majipu rahisi) kuliko oksijeni, mvuke wa argon hupanda juu ya safu ya upande, wakati oksijeni ya kioevu nzito huanguka chini na kurudi kwenye safu kuu ya LP.

Kinachojitokeza kutoka juu ya safu ya mkono wa kando kinajulikana kama "argon ghafi." Katika hatua hii, imeyeyushwa kwa mafanikio lakini ni takriban 98% safi. Bado ina takriban 2% ya oksijeni na kufuatilia kiasi cha nitrojeni, ambayo lazima iondolewe kwa matumizi ya viwandani.

4. Utakaso: Kuboresha Ghafi hadi Kioevu cha Usafi wa Hali ya Juu

Kwa matumizi ya kisasa, haswa katika tasnia ya semiconductor na anga, argon lazima iwe "nines tano" safi (99.999%). Argon ghafi lazima kupitia utakaso mkali.

Mchakato wa Kichochezi wa "Deoxo".

Ili kuondoa oksijeni iliyobaki 2%, argon ghafi inaelekezwa kwa kicheshi kichocheo kinachojulikana kama kitengo cha Deoxo. Ndani, gesi safi ya hidrojeni hudungwa kwenye mkondo wa kioevu.
Chini ya uwepo wa paladiamu au kichocheo cha platinamu, hidrojeni humenyuka kwa kemikali pamoja na molekuli mbaya za oksijeni kuunda maji (2H.₂ + O₂ → 2H₂O). Mmenyuko huu hutoa kiasi kidogo cha joto, kwa muda kugeuza argon kuwa gesi.

Mwisho wa Kukausha na kunereka

Kisha gesi hupitishwa kupitia ungo wa pili wa molekuli ili kuondoa molekuli mpya za maji. Hatimaye, kavu, gesi ya argon isiyo na oksijeni huingizwa kwenye safu ya mwisho ya kunereka-safu safi ya argon.

Hapa, argon imepozwa mara nyingine tena hadi inarudi kwenye hali ya kioevu. Nitrojeni yoyote ya mabaki, ambayo inabaki kuwa na gesi kwenye joto la kioevu la argon, hutolewa kutoka juu ya safu. Mchanganyiko wa bidhaa chini umesafishwa sana, Liquid Argon (LAR), tayari kwa usambazaji wa kibiashara.

5. Uhifadhi na Usafirishaji wa Liquid Argon

Mara tu swali la jinsi gesi ya argon imeyeyushwa ikijibiwa, changamoto inayofuata ni kuiweka katika hali hiyo. Katika -185.8°C, mkao wowote wa joto iliyoko utasababisha kioevu kuchemsha kwa nguvu na kuwa gesi—jambo linalojulikana kama Boil-Off Gas (BOG).

Ili kukabiliana na hili, argon ya kioevu hupigwa ndani ya mizinga maalum ya kuhifadhi cryogenic iliyoboreshwa na utupu. Mizinga hii hufanya kazi sawa na chupa ya thermos. Wao hujumuisha chombo cha ndani kilichofanywa kwa chuma cha pua (ambacho hakiwezi kuwa brittle katika joto la cryogenic) na chombo cha nje kilichofanywa kwa chuma cha kaboni. Nafasi kati ya vyombo viwili imejazwa na poda ya kuhami joto (kama perlite) na kusukumwa chini kwa utupu ulio karibu kabisa ili kuondokana na uhamisho wa joto wa convective na conductive.

Inaposafirishwa kwa watumiaji wa mwisho, LAR hubebwa katika lori maalum za tanki za cryogenic. Baada ya kuwasili kwenye kiwanda cha utengenezaji au hospitali, huhamishiwa kwenye chombo kilicho na koti ya utupu iliyosimama kwenye tovuti. Wakati mteja anahitaji argon ya gesi kwa michakato yake, kioevu hupitishwa kwa urahisi kupitia kivukizo cha hewa iliyoko—msururu wa mirija ya alumini iliyochongwa ambayo hufyonza joto kutoka kwa hewa inayozunguka, na kurudisha joto kioevu kwenye gesi yenye shinikizo la juu kwa usalama.

6. Hitimisho

Mabadiliko ya hewa isiyoonekana, iliyoko ndani ya kioevu safi zaidi, chini ya sifuri ni ajabu ya uhandisi wa kisasa wa kemikali na thermodynamics. Kupitia hatua kali za mgandamizo wa shinikizo la juu, uchujaji wa molekuli, upanuzi wa Joule-Thomson, na kunereka kwa sehemu nyeti sana, viwanda vinaweza kuvuna argon inayofunika sayari yetu kwa ufanisi.

Uelewa liquefaction ya gesi ya argon ni muhimu kwa ajili ya kuboresha minyororo ya ugavi duniani. Kadiri teknolojia zinavyosonga mbele—hasa katika utengenezaji wa vifaa vya elektroniki, uchapishaji wa metali za 3D, na uhandisi wa anga—utegemezi wa argon ya kioevu iliyo safi sana, inayosafirishwa kwa ufanisi itaendelea kukua, na kufanya utengano wa hewa ya kilio kuwa mojawapo ya michakato muhimu zaidi, lakini isiyothaminiwa, ya viwanda katika ulimwengu wa kisasa.

7. Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara

Q1: Je, argon inakuwa kioevu cha joto gani?

Mabadiliko ya Argon kutoka gesi hadi kioevu kwenye kiwango cha kuchemsha -185.8°C (-302.4°F) kwa shinikizo la kawaida la anga. Ili kuidumisha katika hali ya kimiminika kwa ajili ya kuhifadhi na kusafirisha, ni lazima ihifadhiwe kwa joto au chini ya halijoto hii ya cryogenic kwa kutumia vyombo maalumu vya maboksi ya utupu ili kuzuia kuchemka na upanuzi wa haraka.

Q2: Kwa nini argon inasafirishwa kama kioevu badala ya gesi?

Sababu kuu ni ufanisi wa kiasi. Wakati argon imepozwa kwenye kioevu, inapunguza kwa uwiano wa 1 hadi 840. Hii ina maana kwamba lita moja ya argon ya kioevu ina sawa na lita 840 za gesi ya argon. Kuisafirisha kama kioevu huruhusu wasambazaji kuwasilisha kiasi kikubwa, kikubwa katika shehena moja ya lori, ambayo ni ya gharama nafuu zaidi na ya vitendo kuliko kusafirisha mitungi ya gesi yenye shinikizo la juu.

Q3: Je, kushughulikia argon ya kioevu ni hatari?

Ndiyo, argon ya kioevu inatoa hatari kubwa za viwandani hasa kutokana na baridi kali na asili yake kama dawa ya kupumua. Mgusano wa ngozi na argon ya kioevu au bomba la cryogenic lisilo na maboksi linaweza kusababisha baridi kali au kuchoma kwa ryogenic papo hapo. Zaidi ya hayo, kwa sababu inapanuka haraka inapopata joto (mara 840 ya ujazo wake), uvujaji mdogo wa argon ya kioevu kwenye nafasi iliyofungwa inaweza kuondoa haraka oksijeni iliyoko, na kusababisha hatari kubwa ya kukosa hewa kwa wafanyikazi wa karibu bila onyo lolote, kwani gesi haina rangi na haina harufu. Uingizaji hewa sahihi na vifaa vya kinga ya kibinafsi (PPE) vinahitajika sana.