Argon, hamma joyda mavjud, ammo ko'rinmas element, Yer atmosferasining taxminan 0,93% ni tashkil qiladi. Biz nafas olayotgan havoda uchinchi eng ko'p gaz bo'lsa-da, uni sanoat, tibbiy va ilmiy maqsadlarda ishlatish murakkab muhandislikni talab qiladi. Yuqori haroratli payvandlashda yoylarni himoya qilishdan tortib yarimo'tkazgich ishlab chiqarishda nozik kremniy gofretlarni himoya qilishgacha, bu olijanob gazga talab juda katta. Biroq, uni gaz holatida tashish va saqlash juda samarasiz. Bu asosiy sanoat savolini tug'diradi: argon gazi qanday suyultiriladi global talablarni samarali qondirish uchunmi?

Javob kriyojenik havo ajratish deb nomlanuvchi murakkab jarayonda yotadi. Ushbu 2000 so'zli keng qamrovli qo'llanma atmosfera havosini yuqori darajada tozalangan, kriogen suyuq argonga (LAR) aylantirish uchun zarur bo'lgan termodinamik tamoyillar, mashinasozlik va kimyoviy tozalash bosqichlarini chuqur o'rganadi.

1. Argon va suyuqlikka bo‘lgan ehtiyoj haqida tushuncha

Suyuqlanish mexanikasiga sho'ng'ishdan oldin, argon nima ekanligini va nima uchun suyuqlanish jarayoni iqtisodiy va amaliy jihatdan zarurligini tushunish juda muhimdir.

Argon (Ar) - bir atomli, kimyoviy jihatdan inert asil gaz. Bu rangsiz, hidsiz va toksik emas. Haddan tashqari haroratlarda ham boshqa elementlar bilan reaksiyaga kirishmagani uchun u metallurgiya jarayonlari uchun ideal atmosfera qalqoni hisoblanadi.

Nima uchun argonni suyultirish kerak?

Har qanday atmosfera gazini suyultirishning asosiy sababi uning hajmini kamaytirishdir. Oddiy atmosfera bosimidagi gazdan kriyojenik suyuqlikka aylantirilganda, argon 1 dan 840 gacha kengayish nisbatiga ega. Bu 840 litr gazsimon argonning bir litrga kondensatsiyalanishini anglatadi. suyuq argon. Hajmning bunday keskin qisqarishi kriogenli tankerlar orqali ommaviy yuk tashish va sanoat ob'ektlarida vakuumli izolyatsiyalangan sisternalarda samarali saqlash imkonini beradi.

Argonning fizik xususiyatlari

Gazni suyuqlikka aylantirish uchun muhandislar uning termodinamik xususiyatlari bilan yaqindan ishlashlari kerak. Quyida suyuqlanish parametrlarini belgilaydigan muhim jismoniy ma'lumotlar nuqtalari keltirilgan.

2. Asosiy fan: kriogen havoni ajratish

Argon ishlab chiqarilmaydi yoki sintez qilinmaydi; u to'g'ridan-to'g'ri atrofimizdagi havodan yig'ib olinadi. Bunga erishish uchun qo'llaniladigan umumiy texnologiya kriyojenik fraksiyonel distillash.

Bu jarayon kimyoning asosiy printsipiga tayanadi: turli elementlar turli haroratlarda holatini o'zgartiradi (kondensatsiya yoki qaynatiladi). Atrof-muhit havosini suyuqlik holiga kelguncha sovutib, so'ngra uning haroratini asta-sekin ko'tarib, muhandislar havo aralashmasini uning asosiy tarkibiy qismlariga - azot, kislorod va argonga ajratishlari mumkin, chunki ular birma-bir qaynatiladi.

Argonni ajratish muammosi

Argonni ajratish uning qaynash nuqtasi tufayli juda qiyin. Atmosferaning uchta asosiy komponentining qaynash nuqtalariga qarang:

3. Bosqichma-bosqich jarayon: havo qanday qilib suyuq argonga aylanadi

Atmosfera havosidan kriyojenik suyuq argongacha bo'lgan sayohat ko'p bosqichli havo ajratish blokini (ASU) o'z ichiga oladi. Bu erda jarayonning batafsil, bosqichma-bosqich taqsimoti.

1-qadam: Havo qabul qilish, siqish va filtrlash

Jarayon xom ashyo bilan boshlanadi: atrof-muhit atmosfera havosi.
Massiv sanoat fanatlar zarrachalar, chang va hasharotlarni olib tashlash uchun ko'p bosqichli filtr uylari orqali havoni tortadi. Filtrlangandan so'ng, havo ko'p bosqichli santrifüj kompressorga kiradi. Havo taxminan 5 dan 7 bargacha (70 dan 100 psi) bosimgacha siqiladi.

Gazni siqish tabiiy ravishda sezilarli issiqlik hosil qiladi (siqilish issiqligi). Buni boshqarish uchun interkolerlar siqish bosqichlari orasiga joylashtiriladi. Ushbu bosqichda havoni sovutish, shuningdek, atrof-muhit namligining (suv bug'ining) katta qismi kondensatsiyalanishiga olib keladi va keyinchalik u drenajlanadi.

2-qadam: Molekulyar elaklar orqali tozalash

Havo kriyojenik haroratga duchor bo'lishidan oldin, quvurlarni muzlatib qo'yishi va to'sib qo'yishi mumkin bo'lgan barcha qoldiqlarni butunlay olib tashlash kerak. Bu aralashmalar, birinchi navbatda, quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Qoldiq suv bug'i (H2O)
• Karbonat angidrid (CO2)
• Uglevodorodlarni kuzatish

Siqilgan havo alumina va zeolit molekulyar elaklaridan tashkil topgan oldindan tozalash moslamasidan (PPU) o'tkaziladi. Ushbu elaklar namlik va CO2 molekulalarini adsorbsiya qiluvchi yuqori selektiv mikroskopik gubkalar rolini o'ynaydi. Agar bu qadam muvaffaqiyatsiz bo'lsa, CO2 va quruq muz zavod ichida chuqur hosil bo'lib, nozik issiqlik almashtirgichlarni yopib qo'yadi va zavodni to'liq o'chirishni talab qiladi.

3-qadam: Haddan tashqari sovutish va kengaytirish

Quruq, tozalangan va siqilgan havo endi "sovuq quti" ga kiradi, bu kriyojenik issiqlik almashtirgichlar va distillash ustunlarini o'z ichiga olgan kuchli izolyatsiyalangan strukturadir.

Sovutish jarayoni dan foydalanadi Joul-Tomson effekti va mexanik kengayish. Kiruvchi issiq havo asosiy issiqlik almashtirgichdan o'tib, distillash ustunlaridan qaytib keladigan juda sovuq chiqindi gazlarga (azot va kislorod) qarshi oqimga o'tadi. Bu kiruvchi havo haroratini keskin pasaytiradi.

Haqiqiy kriogen haroratlarga (-170 ° C dan past) erishish uchun siqilgan havoning bir qismi turbo-kengaytirgichdan o'tkaziladi. Yuqori bosimli gaz turbina orqali tez kengayganligi sababli, u mexanik ishlarni bajaradi, bu esa gaz haroratining katta pasayishiga olib keladi. Havo issiqlik almashtirgich va kengaytirgichdan chiqqach, u ajoyib darajada sovuq bug 'va suyuq havo aralashmasi bo'lib, ajratishga tayyor.

4-qadam: Birlamchi fraksiyonel distillash (HP va LP ustunlari)

Suyuqlanish jarayonining yuragi ikki ustunli distillash tizimi bo'lib, past bosimli (LP) ustun ostida joylashgan yuqori bosimli (HP) ustundan iborat.

1. Yuqori bosim ustuni: Past sovutilgan suyuqlik / bug 'havo aralashmasi HP ustunining pastki qismiga kiradi. Suyuqlik pastki qismga tushganda va bug 'teshilgan elak tovoqlar orqali ko'tariladi, birinchi ajralish sodir bo'ladi. Eng past qaynash nuqtasi bo'lgan azot gaz holida yuqoriga ko'tariladi. Pastki qismida kislorodga boy suyuqlik (argonning ko'p qismini o'z ichiga oladi) hovuzlari.
2. Past bosim ustuni: HP ustunining pastki qismidagi kislorodga boy suyuqlik uning ustidagi LP ustuniga tiqilib (kengaytiriladi). Pastroq bosim tufayli keyingi ajralish sodir bo'ladi. LP ustunining eng pastki qismida sof suyuq kislorod hovuzlari, sof azot gazi esa yuqoridan chiqadi.

5-qadam: Argon yon qo'li ustuni

Argonning qaynash nuqtasi kislorod va azot o'rtasida joylashganligi sababli, u past bosim ustunining pastki o'rta qismida to'planadi. Uning eng yuqori konsentratsiyasida, ustunning ushbu o'ziga xos "qorinidagi" gaz aralashmasi taxminan 10% dan 12% gacha argon, qolgan qismi kislorod va ozgina azot izidir.

Uni ajratib olish uchun muhandislar ushbu maxsus qismga tegib, aralashmani alohida, biriktirilgan tuzilishga tortadilar Argon yonbosh ustuni.
Ushbu nihoyatda baland ustun ichida (ko'pincha 150 dan ortiq nazariy tovoqlar mavjud) ikkilamchi distillash sodir bo'ladi. Argon kislorodga qaraganda bir oz ko'proq uchuvchan (qaynatish osonroq) bo'lganligi sababli, argon bug'i yon ustunning yuqori qismiga ko'tariladi, og'irroq suyuq kislorod esa pastki qismga tushadi va asosiy LP ustuniga qaytariladi.

Yon qo'l ustunining tepasidan chiqadigan narsa "xom argon" deb nomlanadi. Ushbu bosqichda u muvaffaqiyatli suyultirilgan, ammo atigi 98% toza. U hali ham taxminan 2% kislorod va iz miqdordagi azotni o'z ichiga oladi, ular sanoatda foydalanish uchun olib tashlanishi kerak.

4. Tozalash: Xomni yuqori tozalikdagi suyuq argonga ko'tarish

Zamonaviy ilovalar uchun, ayniqsa yarimo'tkazgich va aerokosmik sanoatda argon "besh to'qqiz" sof (99,999%) bo'lishi kerak. Xom argon qattiq tozalashdan o'tishi kerak.

"Deokso" katalitik jarayon

Qolgan 2% kislorodni olib tashlash uchun xom argon Deoxo birligi deb nomlanuvchi katalitik reaktorga yuboriladi. Ichkarida suyuqlik oqimiga yuqori darajada toza vodorod gazi yuboriladi.
Palladiy yoki platina katalizatori ishtirokida vodorod zararli kislorod molekulalari bilan kimyoviy reaksiyaga kirishib, suv hosil qiladi (2H₂ + O₂ → 2H₂O). Bu reaksiya oz miqdorda issiqlik chiqaradi, bir lahzada argonni yana gazga aylantiradi.

Yakuniy quritish va distillash

Keyin yangi hosil bo'lgan suv molekulalarini tozalash uchun gaz ikkilamchi molekulyar elakdan o'tkaziladi. Nihoyat, quruq, kislorodsiz argon gazi oxirgi distillash ustuniga - sof argon ustuniga beriladi.

Bu erda argon yana suyuq holatga kelguncha sovutiladi. Suyuq argon haroratida gazsimon bo'lib qoladigan har qanday qoldiq iz azot ustunning yuqori qismidan chiqariladi. Olingan mahsulotning pastki qismidagi birlashmasi yuqori darajada tozalangan, o'ta sovuq Suyuq Argon (LAR) bo'lib, tijorat tarqatish uchun tayyor.

5. Suyuq argonni saqlash va tashish

Argon gazining qanday suyultirilganligi haqidagi savolga javob berilgandan so'ng, keyingi muammo uni shu holatda saqlashdir. -185,8 ° C da, atrof-muhit issiqligining har qanday ta'siri suyuqlikning shiddat bilan yana gazga aylanishiga olib keladi - bu "Qaynash gazi" (BOG) deb nomlanuvchi hodisa.

Bunga qarshi kurashish uchun suyuq argon yuqori darajada ixtisoslashgan, vakuumli izolyatsiyalangan kriogen saqlash tanklariga quyiladi. Ushbu tanklar termos idishiga o'xshash ishlaydi. Ular zanglamaydigan po'latdan yasalgan ichki idishdan (kriogen haroratda mo'rt bo'lib qolmaydigan) va uglerodli po'latdan yasalgan tashqi idishdan iborat. Ikki tomir orasidagi bo'shliq izolyatsion kukun (masalan, perlit) bilan to'ldiriladi va konvektiv va o'tkazuvchan issiqlik uzatishni bartaraf etish uchun mukammal vakuumga pompalanadi.

Yakuniy foydalanuvchilarga yetkazilganda, LAR maxsus kriogenli tankerlarda tashiladi. Ishlab chiqarish zavodiga yoki kasalxonaga kelgandan so'ng, u joyida statsionar vakuumli ko'ylagi bo'lgan idishga o'tkaziladi. Xaridorga o'z jarayonlari uchun gazsimon argon kerak bo'lganda, suyuqlik shunchaki atrof-muhit havosini bug'lashtirgichdan o'tkaziladi - atrofdagi havodan issiqlikni o'zlashtiradigan, suyuqlikni yuqori bosimli gazga xavfsiz tarzda isitadigan bir qator qanotli alyuminiy quvurlar.

6. Xulosa

Ko'rinmas, atrofdagi havoning o'ta toza, noldan past suyuqlikka aylanishi zamonaviy kimyo muhandisligi va termodinamikaning ajoyibotidir. Yuqori bosimli siqish, molekulyar filtrlash, Joule-Tomson kengayishi va yuqori sezgir fraksiyonel distillashning jiddiy bosqichlari orqali sanoatlar sayyoramizni qoplaydigan argonni samarali yig'ishlari mumkin.

Tushunish argon gazini suyultirish global ta'minot zanjirlarini optimallashtirish uchun juda muhimdir. Texnologiyalar, xususan, elektronika ishlab chiqarish, 3D metall bosib chiqarish va aerokosmik muhandislik sohasida rivojlanib borar ekan, yuqori darajada toza, samarali tashiladigan suyuq argonga bo'lgan ishonch o'sishda davom etadi, bu esa kriogen havoni ajratishni zamonaviy dunyodagi eng muhim, ammo qadrlanmagan sanoat jarayonlaridan biriga aylantiradi.

7. Tez-tez so'raladigan savollar

1-savol: Argon qanday haroratda suyuqlikka aylanadi?

Argon qaynash nuqtasida gazdan suyuqlikka o'tadi -185,8°C (-302,4°F) standart atmosfera bosimida. Saqlash va tashish uchun uni suyuq holatda ushlab turish uchun uni tez qaynatish va kengayishning oldini olish uchun maxsus vakuumli izolyatsiyalangan idishlar yordamida ushbu kriogen haroratda yoki undan pastda saqlash kerak.

2-savol: Nima uchun argon gaz emas, balki suyuqlik sifatida tashiladi?

Asosiy sabab - bu hajm samaradorligi. Argon suyuqlikka sovutilganda, u 1 dan 840 gacha bo'lgan nisbatda kondensatsiyalanadi. Bu bir litr suyuq argonda 840 litr argon gazining ekvivalentini o'z ichiga oladi. Uni suyuqlik sifatida tashish etkazib beruvchilarga katta hajmdagi yuklarni bitta yuk mashinasida etkazib berish imkonini beradi, bu og'ir, yuqori bosimli gaz ballonlarini tashishdan ko'ra ancha tejamkor va logistik jihatdan amaliydir.

3-savol: Suyuq argon bilan ishlash xavflimi?

Ha, suyuq argon, birinchi navbatda, o'zining qattiq sovuqligi va asfiksiya sifatida tabiati tufayli muhim sanoat xavflarini keltirib chiqaradi. Suyuq argon yoki izolyatsiyalanmagan kriyojenik quvurlar bilan teriga tegishi bir zumda qattiq muzlash yoki kriogen kuyishga olib kelishi mumkin. Bundan tashqari, u qizib ketganda tez kengayganligi sababli (uning hajmidan 840 marta), yopiq xonada suyuq argonning ozgina oqishi atrof-muhit kislorodini tezda siqib chiqarishi mumkin, bu esa yaqin atrofdagi xodimlar uchun hech qanday ogohlantirishsiz asfiksiyaning yuqori xavfiga olib keladi, chunki gaz rangsiz va hidsizdir. To'g'ri shamollatish va shaxsiy himoya vositalari (PPE) qat'iy talab qilinadi.