อาร์กอนเป็นองค์ประกอบที่แพร่หลายแต่มองไม่เห็น คิดเป็นประมาณ 0.93% ของชั้นบรรยากาศโลก แม้ว่าจะเป็นก๊าซที่มีมากเป็นอันดับสามในอากาศที่เราหายใจ แต่การนำก๊าซดังกล่าวไปใช้ในอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์นั้น ต้องใช้วิศวกรรมที่ซับซ้อน ตั้งแต่ส่วนป้องกันในการเชื่อมที่อุณหภูมิสูงไปจนถึงการปกป้องเวเฟอร์ซิลิคอนที่ละเอียดอ่อนในระหว่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ความต้องการก๊าซมีตระกูลนี้มีมากมาย อย่างไรก็ตาม การขนส่งและการจัดเก็บในสถานะก๊าซนั้นไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามพื้นฐานทางอุตสาหกรรม: ก๊าซอาร์กอนกลายเป็นของเหลวได้อย่างไร เพื่อตอบสนองความต้องการระดับโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพ?

คำตอบอยู่ในกระบวนการที่ซับซ้อนที่เรียกว่าการแยกอากาศด้วยความเย็นจัด คู่มือฉบับสมบูรณ์ความยาว 2,000 คำนี้จะเจาะลึกเกี่ยวกับหลักการทางอุณหพลศาสตร์ วิศวกรรมเครื่องกล และขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ด้วยสารเคมีที่จำเป็นในการเปลี่ยนอากาศในชั้นบรรยากาศให้เป็นอาร์กอนของเหลวไครโอเจนิก (LAR) ที่มีความบริสุทธิ์สูง

1. ทำความเข้าใจอาร์กอนและความจำเป็นในการทำให้เป็นของเหลว

ก่อนที่จะเจาะลึกถึงกลไกของการทำให้กลายเป็นของเหลว สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าอาร์กอนคืออะไร และเหตุใดกระบวนการทำให้กลายเป็นของเหลวจึงมีความจำเป็นในเชิงเศรษฐกิจและในทางปฏิบัติ

อาร์กอน (Ar) เป็นก๊าซมีตระกูลเฉื่อยทางเคมีที่มีโมเลกุลเดี่ยว ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่เป็นพิษ เนื่องจากมันไม่ทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่นๆ แม้ในอุณหภูมิที่สูงมาก จึงเป็นเกราะป้องกันบรรยากาศในอุดมคติสำหรับกระบวนการทางโลหะวิทยา

ทำไมต้องเป็นของเหลวอาร์กอน?

สาเหตุหลักที่ทำให้ก๊าซในชั้นบรรยากาศกลายเป็นของเหลวก็คือการลดปริมาตร เมื่อแปลงจากก๊าซที่ความดันบรรยากาศมาตรฐานเป็นของเหลวแช่แข็ง อาร์กอนจะมีอัตราส่วนการขยายตัวมหาศาลที่ 1 ถึง 840 ซึ่งหมายความว่าอาร์กอนที่เป็นก๊าซ 840 ลิตรสามารถควบแน่นเป็นของเหลว 1 ลิตร อาร์กอนเหลว. ปริมาณที่ลดลงอย่างมากนี้ช่วยให้สามารถขนส่งจำนวนมากได้อย่างคุ้มต้นทุนผ่านรถบรรทุกน้ำมันแบบไครโอเจนิค และการจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพในถังหุ้มฉนวนสุญญากาศที่โรงงานอุตสาหกรรม

คุณสมบัติทางกายภาพของอาร์กอน

วิศวกรต้องทำงานอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์เพื่อเปลี่ยนก๊าซให้เป็นของเหลว ด้านล่างนี้คือจุดข้อมูลทางกายภาพที่สำคัญซึ่งกำหนดพารามิเตอร์การทำให้เป็นของเหลว

2. วิทยาศาสตร์พื้นฐาน: การแยกอากาศด้วยความเย็นจัด

อาร์กอนไม่ได้ผลิตหรือสังเคราะห์ เก็บเกี่ยวโดยตรงจากอากาศรอบตัวเรา เทคโนโลยีที่ครอบคลุมที่ใช้ในการบรรลุเป้าหมายนี้คือ การกลั่นแบบเศษส่วนด้วยความเย็นจัด.

กระบวนการนี้อาศัยหลักการพื้นฐานของเคมี กล่าวคือ องค์ประกอบต่างๆ จะเปลี่ยนสถานะ (ควบแน่นหรือเดือด) ที่อุณหภูมิต่างกัน ด้วยการทำให้อากาศโดยรอบเย็นลงจนกลายเป็นของเหลว แล้วค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิ วิศวกรสามารถแยกส่วนผสมของอากาศออกเป็นส่วนประกอบที่เป็นฐาน ได้แก่ ไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน ขณะที่พวกมันเดือดออกมาทีละตัว

ความท้าทายของการแยกอาร์กอน

การแยกอาร์กอนเป็นเรื่องยากอย่างฉาวโฉ่เนื่องจากมีจุดเดือด ดูจุดเดือดขององค์ประกอบบรรยากาศหลักทั้งสาม:

3. กระบวนการทีละขั้นตอน: อากาศกลายเป็นอาร์กอนเหลวได้อย่างไร

การเดินทางจากอากาศโดยรอบไปยังอาร์กอนเหลวแบบแช่แข็งนั้นเกี่ยวข้องกับหน่วยแยกอากาศ (ASU) แบบหลายขั้นตอน นี่คือรายละเอียดกระบวนการโดยละเอียดทีละขั้นตอน

ขั้นตอนที่ 1: การดูดอากาศ การบีบอัด และการกรอง

กระบวนการเริ่มต้นด้วยวัตถุดิบ: อากาศในบรรยากาศโดยรอบ
พัดลมอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ดึงอากาศผ่านโรงกรองหลายขั้นตอนเพื่อกำจัดฝุ่นละออง ฝุ่น และแมลง เมื่อกรองแล้ว อากาศจะเข้าสู่คอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงหลายขั้นตอน อากาศถูกอัดให้มีความดันประมาณ 5 ถึง 7 บาร์ (70 ถึง 100 psi)

การบีบอัดก๊าซโดยธรรมชาติจะสร้างความร้อนอย่างมาก (ความร้อนจากการอัด) ในการจัดการสิ่งนี้ อินเตอร์คูลเลอร์จะถูกวางไว้ระหว่างขั้นตอนการบีบอัด การระบายความร้อนของอากาศในขั้นตอนนี้ยังทำให้ความชื้นในบรรยากาศโดยรอบ (ไอน้ำ) ส่วนใหญ่ควบแน่นออกมา ซึ่งจะถูกระบายออกไปในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 2: การทำให้บริสุทธิ์ผ่านตะแกรงโมเลกุล

ก่อนที่อากาศจะอยู่ภายใต้อุณหภูมิที่เย็นจัด จะต้องกำจัดสิ่งเจือปนที่อาจแข็งตัวและปิดกั้นท่อทั้งหมดออกเสียก่อน สิ่งเจือปนเหล่านี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วย:

• ไอน้ำตกค้าง (H2O)
• คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)
• ติดตามไฮโดรคาร์บอน

อากาศอัดถูกส่งผ่านหน่วยเตรียมการทำให้บริสุทธิ์ (PPU) ซึ่งประกอบด้วยเบดของตะแกรงโมเลกุลอลูมินาและซีโอไลต์ ตะแกรงเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นฟองน้ำกล้องจุลทรรศน์ที่คัดเลือกมาอย่างดี โดยดูดซับความชื้นและโมเลกุลของ CO2 หากขั้นตอนนี้ล้มเหลว CO2 และน้ำแข็งแห้งจะก่อตัวลึกภายในโรงงาน อุดตันตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ละเอียดอ่อน และจำเป็นต้องปิดโรงงานโดยสมบูรณ์

ขั้นตอนที่ 3: การระบายความร้อนและการขยายตัวขั้นสูงสุด

อากาศแห้ง บริสุทธิ์ และอัดจะเข้าสู่ "กล่องเย็น" ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีการหุ้มฉนวนอย่างหนาซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไครโอเจนิกและคอลัมน์การกลั่น

กระบวนการทำความเย็นใช้ จูล-ทอมสันเอฟเฟ็กต์ และการขยายตัวทางกล อากาศอุ่นที่เข้ามาจะไหลผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก โดยไหลทวนกระแสไปยังก๊าซไอเสียที่เย็นจัด (ไนโตรเจนและออกซิเจน) ที่กลับมาจากคอลัมน์การกลั่น ส่งผลให้อุณหภูมิอากาศที่เข้ามาลดลงอย่างมาก

เพื่อให้ได้อุณหภูมิแช่แข็งที่แท้จริง (ต่ำกว่า -170°C) ส่วนหนึ่งของอากาศอัดจะถูกส่งผ่านเครื่องขยายเทอร์โบ เมื่อก๊าซแรงดันสูงขยายตัวอย่างรวดเร็วผ่านกังหัน ก็จะทำงานทางกล ซึ่งทำให้อุณหภูมิของก๊าซลดลงอย่างมาก เมื่ออากาศออกจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องขยาย อากาศจะเป็นส่วนผสมของไอเย็นและอากาศของเหลวอย่างไม่น่าเชื่อ พร้อมสำหรับการแยกตัว

ขั้นตอนที่ 4: การกลั่นแบบเศษส่วนหลัก (คอลัมน์ HP และ LP)

หัวใจของกระบวนการทำให้เป็นของเหลวคือระบบการกลั่นแบบสองคอลัมน์ ซึ่งประกอบด้วยคอลัมน์แรงดันสูง (HP) ซึ่งอยู่ใต้คอลัมน์แรงดันต่ำ (LP)

1. คอลัมน์แรงดันสูง: ส่วนผสมของของเหลว/อากาศไอระบายความร้อนจะเข้าสู่ด้านล่างของคอลัมน์ HP เมื่อของเหลวตกลงไปที่ด้านล่างและไอระเหยลอยขึ้นผ่านถาดตะแกรงที่มีรูพรุน การแยกครั้งแรกจะเกิดขึ้น ไนโตรเจนซึ่งมีจุดเดือดต่ำที่สุดจะลอยขึ้นด้านบนเป็นแก๊ส ของเหลวที่อุดมด้วยออกซิเจน (ประกอบด้วยอาร์กอนส่วนใหญ่) อยู่ที่ด้านล่าง
2. คอลัมน์แรงดันต่ำ: ของเหลวที่อุดมด้วยออกซิเจนจากด้านล่างของคอลัมน์ HP จะถูกควบคุมปริมาณ (ขยาย) ลงในคอลัมน์ LP ที่อยู่ด้านบน เนื่องจากแรงดันต่ำกว่า จึงเกิดการแยกเพิ่มเติม สระออกซิเจนเหลวบริสุทธิ์ที่ด้านล่างสุดของคอลัมน์ LP ในขณะที่ก๊าซไนโตรเจนบริสุทธิ์จะออกจากด้านบน

ขั้นตอนที่ 5: คอลัมน์แขนข้างอาร์กอน

เนื่องจากจุดเดือดของอาร์กอนอยู่ระหว่างออกซิเจนและไนโตรเจน จึงเข้มข้นที่ส่วนกลางล่างของคอลัมน์แรงดันต่ำ ที่ความเข้มข้นสูงสุด ส่วนผสมของก๊าซใน "ส่วนท้อง" ของคอลัมน์นี้จะมีอาร์กอนประมาณ 10% ถึง 12% ส่วนที่เหลือเป็นออกซิเจนและไนโตรเจนเล็กน้อย

ในการสกัดมันออกมา วิศวกรจะแตะที่ส่วนเฉพาะนี้และดึงส่วนผสมออกมาเป็นโครงสร้างแยกส่วนที่แนบมาที่เรียกว่า เสาข้างอาร์กอน.
ภายในเสาที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อนี้ (มักบรรจุถาดตามทฤษฎีมากกว่า 150 ถาด) การกลั่นขั้นที่สองจะเกิดขึ้น เนื่องจากอาร์กอนมีความผันผวนมากกว่าออกซิเจนเล็กน้อย (เดือดง่ายกว่า) ไออาร์กอนจึงลอยขึ้นไปที่ด้านบนของคอลัมน์ด้านข้าง ในขณะที่ออกซิเจนเหลวที่หนักกว่าจะตกลงไปที่ด้านล่างและจะถูกส่งกลับไปยังคอลัมน์ LP หลัก

สิ่งที่โผล่ออกมาจากด้านบนของคอลัมน์แขนข้างเรียกว่า "อาร์กอนดิบ" ในขั้นตอนนี้ สามารถทำให้กลายเป็นของเหลวได้สำเร็จ แต่มีความบริสุทธิ์เพียงประมาณ 98% เท่านั้น ยังคงประกอบด้วยออกซิเจนประมาณ 2% และไนโตรเจนในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งต้องกำจัดออกเพื่อใช้ในอุตสาหกรรม

4. การทำให้บริสุทธิ์: การอัพเกรดน้ำมันดิบเป็นอาร์กอนเหลวที่มีความบริสุทธิ์สูง

สำหรับการใช้งานสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และการบินและอวกาศ อาร์กอนจะต้องมีความบริสุทธิ์ “ห้าเก้า” (99.999%) อาร์กอนดิบต้องผ่านการทำให้บริสุทธิ์อย่างเข้มงวด

กระบวนการเร่งปฏิกิริยา “ดีออกโซ”

ในการกำจัดออกซิเจน 2% ที่เหลือ อาร์กอนดิบจะถูกส่งไปยังเครื่องปฏิกรณ์แบบเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่าหน่วย Deoxo ภายในก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์สูงจะถูกฉีดเข้าไปในกระแสของเหลว
ภายใต้การปรากฏตัวของแพลเลเดียมหรือแพลตตินัมตัวเร่งปฏิกิริยา ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับโมเลกุลออกซิเจนอันธพาลเพื่อสร้างน้ำ (2H₂ + โอ₂ → 2ชม₂โอ) ปฏิกิริยานี้จะปล่อยความร้อนออกมาเล็กน้อย และเปลี่ยนอาร์กอนกลับเป็นแก๊สชั่วขณะหนึ่ง

การอบแห้งและการกลั่นขั้นสุดท้าย

จากนั้นก๊าซจะถูกส่งผ่านตะแกรงโมเลกุลทุติยภูมิเพื่อแยกโมเลกุลน้ำที่เพิ่งก่อตัวใหม่ออกไป สุดท้ายก็แห้งแล้ง ก๊าซอาร์กอนที่ปราศจากออกซิเจน จะถูกป้อนเข้าไปในคอลัมน์การกลั่นขั้นสุดท้าย ซึ่งก็คือคอลัมน์อาร์กอนบริสุทธิ์

ที่นี่อาร์กอนจะถูกทำให้เย็นลงอีกครั้งจนกระทั่งควบแน่นกลับเป็นสถานะของเหลว ไนโตรเจนปริมาณน้อยที่ตกค้างซึ่งยังคงเป็นก๊าซที่อุณหภูมิอาร์กอนเหลว จะถูกระบายออกจากด้านบนของคอลัมน์ ผลลัพธ์ที่รวบรวมไว้ด้านล่างคืออาร์กอนเหลว (LAR) ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีความบริสุทธิ์สูง พร้อมจำหน่ายเชิงพาณิชย์

5. การจัดเก็บและขนส่งอาร์กอนเหลว

เมื่อคำถามที่ว่าก๊าซอาร์กอนกลายเป็นของเหลวได้รับคำตอบอย่างไร ความท้าทายต่อไปคือการรักษาก๊าซให้อยู่ในสถานะนั้น ที่อุณหภูมิ -185.8°C การสัมผัสกับความร้อนโดยรอบจะทำให้ของเหลวเดือดกลับกลายเป็นก๊าซอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าก๊าซต้มออก (BOG)

เพื่อต่อสู้กับสิ่งนี้ อาร์กอนเหลวจะถูกปั๊มเข้าไปในถังเก็บความเย็นเยือกแข็งที่มีความเชี่ยวชาญสูงและหุ้มฉนวนสุญญากาศ ถังเหล่านี้ทำงานคล้ายกับกระติกน้ำร้อน ประกอบด้วยภาชนะด้านในทำจากสแตนเลส (ซึ่งไม่เปราะเมื่ออุณหภูมิเย็นจัด) และภาชนะด้านนอกทำจากเหล็กกล้าคาร์บอน ช่องว่างระหว่างภาชนะทั้งสองนั้นเต็มไปด้วยผงฉนวน (เช่น เพอร์ไลต์) และปั๊มลงไปที่สุญญากาศที่เกือบจะสมบูรณ์แบบเพื่อกำจัดการพาความร้อนและการนำความร้อน

เมื่อขนส่งไปยังผู้ใช้ปลายทาง LAR จะถูกบรรทุกในรถบรรทุกน้ำมันแบบไครโอเจนิกแบบพิเศษ เมื่อมาถึงโรงงานผลิตหรือโรงพยาบาล สินค้าจะถูกถ่ายโอนไปยังภาชนะใส่เสื้อสุญญากาศแบบประจำที่ในสถานที่ เมื่อลูกค้าต้องการอาร์กอนที่เป็นก๊าซสำหรับกระบวนการของพวกเขา ของเหลวจะถูกส่งผ่านเครื่องสร้างไอระเหยในอากาศโดยรอบ ซึ่งเป็นชุดท่ออะลูมิเนียมแบบครีบที่ดูดซับความร้อนจากอากาศโดยรอบ ช่วยให้ของเหลวอุ่นกลับเป็นก๊าซแรงดันสูงได้อย่างปลอดภัย

6. บทสรุป

การเปลี่ยนแปลงของอากาศโดยรอบที่มองไม่เห็นให้กลายเป็นของเหลวที่มีความบริสุทธิ์เป็นพิเศษและมีค่าต่ำกว่าศูนย์ถือเป็นความมหัศจรรย์ของวิศวกรรมเคมีและอุณหพลศาสตร์สมัยใหม่ ด้วยขั้นตอนที่เข้มงวดของการบีบอัดแรงดันสูง การกรองระดับโมเลกุล การขยายตัวของจูล-ทอมสัน และการกลั่นแบบแยกส่วนที่มีความไวสูง อุตสาหกรรมต่างๆ จึงสามารถเก็บเกี่ยวอาร์กอนที่ปกคลุมโลกของเราได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความเข้าใจ การทำให้ก๊าซอาร์กอนกลายเป็นของเหลว มีความสำคัญต่อการเพิ่มประสิทธิภาพห่วงโซ่อุปทานทั่วโลก ในขณะที่เทคโนโลยีก้าวหน้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การพิมพ์โลหะ 3 มิติ และวิศวกรรมการบินและอวกาศ การพึ่งพาอาร์กอนของเหลวที่มีความบริสุทธิ์สูงและขนส่งอย่างมีประสิทธิภาพจะยังคงเติบโตต่อไป ทำให้การแยกอากาศด้วยความเย็นจัดเป็นหนึ่งในกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุดแต่ยังไม่ค่อยได้รับความนิยมในโลกสมัยใหม่

7. คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: อาร์กอนกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิเท่าใด

อาร์กอนเปลี่ยนจากก๊าซเป็นของเหลวที่จุดเดือด -185.8°ซ (-302.4°F) ที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน หากต้องการรักษาให้อยู่ในสถานะของเหลวสำหรับการจัดเก็บและขนส่ง ต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเยือกแข็งนี้โดยใช้ภาชนะหุ้มฉนวนสุญญากาศแบบพิเศษเพื่อป้องกันการเดือดและการขยายตัวอย่างรวดเร็ว

คำถามที่ 2: เหตุใดอาร์กอนจึงขนส่งเป็นของเหลวมากกว่าก๊าซ

เหตุผลหลักคือประสิทธิภาพของปริมาณ เมื่ออาร์กอนถูกทำให้เย็นลงเป็นของเหลว อาร์กอนจะควบแน่นในอัตราส่วน 1 ต่อ 840 ซึ่งหมายความว่าอาร์กอนเหลว 1 ลิตรจะมีก๊าซอาร์กอนเทียบเท่ากับ 840 ลิตร การขนส่งในรูปแบบของเหลวช่วยให้ซัพพลายเออร์สามารถขนส่งสินค้าปริมาณมากในปริมาณมากได้ในรถบรรทุกเพียงคันเดียว ซึ่งคุ้มต้นทุนและใช้งานได้จริงด้านลอจิสติกส์มากกว่าการขนส่งถังแก๊สแรงดันสูงแรงดันสูงอย่างมาก

คำถามที่ 3: การจัดการอาร์กอนเหลวเป็นอันตรายหรือไม่?

ใช่ อาร์กอนเหลวก่อให้เกิดอันตรายทางอุตสาหกรรมที่สำคัญ โดยมีสาเหตุหลักมาจากความเย็นจัดและธรรมชาติของอาร์กอนคือทำให้ขาดอากาศหายใจ การสัมผัสทางผิวหนังกับอาร์กอนเหลวหรือท่อไครโอเจนิกที่ไม่มีฉนวนอาจทำให้เกิดอาการบวมเป็นน้ำเหลืองอย่างรุนแรงหรือแผลไหม้จากความเย็นจัดทันที นอกจากนี้ เนื่องจากอาร์กอนเหลวจะขยายตัวอย่างรวดเร็วเมื่ออุ่นขึ้น (840 เท่าของปริมาตร) การรั่วไหลเล็กน้อยของอาร์กอนเหลวในพื้นที่ปิดจึงสามารถแทนที่ออกซิเจนโดยรอบได้อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้บุคลากรในบริเวณใกล้เคียงมีความเสี่ยงสูงที่จะขาดอากาศหายใจโดยไม่มีการเตือนล่วงหน้า เนื่องจากก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น จำเป็นต้องมีการระบายอากาศและอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) ที่เหมาะสมโดยเคร่งครัด