Argon, ohun elo ti o wa ni ibi gbogbo sibẹsibẹ airi, jẹ to 0.93% ti oju-aye ti Earth. Lakoko ti o jẹ gaasi kẹta ti o pọ julọ ni afẹfẹ ti a nmi, fifipa rẹ fun ile-iṣẹ, iṣoogun, ati awọn ohun elo imọ-jinlẹ nilo imọ-ẹrọ eka. Lati idabobo awọn arcs ni alurinmorin iwọn otutu giga si aabo awọn wafer ohun alumọni elege lakoko iṣelọpọ semikondokito, ibeere fun gaasi ọlọla yii jẹ pupọ. Sibẹsibẹ, gbigbe ati titọju rẹ ni ipo gaseous jẹ ailagbara pupọ. Eyi gbe ibeere ile-iṣẹ ipilẹ kan dide: bawo ni argon gaasi liquefied lati pade awọn ibeere agbaye daradara?

Idahun si wa ninu ilana ti o fafa ti a mọ si iyapa afẹfẹ cryogenic. Itọsọna okeerẹ ọrọ 2,000 yii yoo jinlẹ sinu awọn ipilẹ thermodynamic, ẹrọ imọ-ẹrọ, ati awọn igbesẹ mimu kemikali ti o nilo lati yi afẹfẹ afẹfẹ pada si mimọ pupọ, argon omi omi cryogenic (LAR).

1. Agbọye Argon ati iwulo fun Liquefaction

Ṣaaju ki o to omiwẹ sinu awọn ẹrọ ti liquefaction, o ṣe pataki lati ni oye kini argon jẹ ati idi ti ilana liquefaction jẹ ti ọrọ-aje ati iṣe pataki.

Argon (Ar) jẹ monatomic, gaasi ọlọla inert kemikali. Ko ni awọ, olfato, ati kii ṣe majele. Nitoripe ko fesi pẹlu awọn eroja miiran paapaa ni awọn iwọn otutu to gaju, o jẹ apata oju aye ti o dara julọ fun awọn ilana irin.

Kini idi ti Argon Liquefy?

Idi akọkọ fun liquefying eyikeyi gaasi oju aye jẹ idinku iwọn didun. Nigbati o ba yipada lati inu gaasi ni titẹ oju aye ti o ṣe deede si omi omi cryogenic, argon gba ipin imugboroja nla ti 1 si 840. Eyi tumọ si pe 840 liters ti argon gaseous le ti di sinu lita kan kan ti olomi gbego. Idinku iyalẹnu ni iwọn didun ngbanilaaye fun gbigbe gbigbe olopobobo ti o munadoko nipasẹ awọn oko nla ti ojò cryogenic ati ibi ipamọ to munadoko ninu awọn tanki ti o ya sọtọ ni igbale ni awọn ohun elo ile-iṣẹ.

Ti ara Properties of Argon

Lati ṣe afọwọyi gaasi sinu omi kan, awọn onimọ-ẹrọ gbọdọ ṣiṣẹ ni pẹkipẹki pẹlu awọn ohun-ini thermodynamic rẹ. Ni isalẹ wa ni awọn aaye data ti ara to ṣe pataki ti o sọ awọn aye-aye liquefaction.

2. Imọ Ipilẹ: Cryogenic Air Iyapa

Argon ko ni iṣelọpọ tabi ṣajọpọ; o ti wa ni ikore taara lati afẹfẹ ni ayika wa. Imọ-ẹrọ apapọ ti a lo lati ṣaṣeyọri eyi ni distillation ida cryogenic.

Ilana yii da lori ipilẹ ipilẹ ti kemistri: awọn eroja oriṣiriṣi yipada ipo (condense tabi sise) ni awọn iwọn otutu oriṣiriṣi. Nípa mímú afẹ́fẹ́ afẹ́fẹ́ àyíká kan tutù títí tí yóò fi di omi, tí ó sì ń mú kí ìwọ̀n ìgbóná rẹ̀ túbọ̀ máa ń pọ̀ sí i, àwọn onímọ̀ iṣẹ́ ẹ̀rọ lè ya àkópọ̀ afẹ́fẹ́ sọ́tọ̀ sínú àwọn èròjà ìpìlẹ̀ rẹ̀—nitrogen, oxygen, àti argon—bí wọ́n ti ń hó lọ́kọ̀ọ̀kan.

Ipenija ti Argon Iyapa

Iyapa argon jẹ ohun akiyesi nira nitori aaye sisun rẹ. Wo awọn aaye didan ti awọn paati oju-aye akọkọ mẹta:

3. Ilana Igbesẹ-Igbese: Bawo ni Air Di Argon Liquid

Irin-ajo lati afẹfẹ ibaramu si argon omi omi cryogenic kan pẹlu Ẹka Iyapa Air ti ọpọlọpọ-ipele (ASU). Eyi ni alaye, didenukole igbese-nipasẹ-igbesẹ ti ilana naa.

Igbesẹ 1: Gbigbe afẹfẹ, Imukuro, ati Filtration

Ilana naa bẹrẹ pẹlu ohun elo aise: afẹfẹ afẹfẹ ibaramu.
Awọn onijakidijagan ile-iṣẹ nla fa afẹfẹ nipasẹ awọn ile àlẹmọ ọpọ-ipele lati yọ awọn nkan ti o ni nkan kuro, eruku, ati awọn kokoro. Ni kete ti a ba ti yan, afẹfẹ wọ inu konpireso centrifugal pupọ-ipele. Afẹfẹ ti wa ni fisinuirindigbindigbin si titẹ kan ti o to 5 si 7 bar (70 si 100 psi).

Fifun gaasi nipa ti ara nmu ooru pataki (ooru ti funmorawon). Lati ṣakoso eyi, awọn intercoolers ti wa ni gbe laarin awọn ipele funmorawon. Itutu afẹfẹ ni ipele yii tun nfa ipin nla ti ọrinrin oju aye ibaramu ( oru omi ) lati di jade, eyiti o jẹ ki o yọ kuro.

Igbesẹ 2: Mimo nipasẹ Molecular Sieves

Ṣaaju ki afẹfẹ to le tẹriba si awọn iwọn otutu cryogenic, gbogbo awọn idoti itọpa ti o le di ati dina paipu gbọdọ yọkuro patapata. Awọn aimọ wọnyi ni akọkọ pẹlu:

• Omi Omi to ku (H2O)
• Erogba Dioxide (CO2)
• Wa kakiri Hydrocarbons

Afẹfẹ fisinuirindigbindigbin ti wa ni koja nipasẹ kan ami-mimọ kuro (PPU) wa ninu ti awọn ibusun ti alumina ati zeolite molikula sieves. Awọn sieves wọnyi n ṣiṣẹ bi awọn sponge airi airi ti o yan gaan, ti n ṣe agbero ọrinrin ati awọn ohun elo CO2. Ti igbesẹ yii ba kuna, CO2 ati yinyin gbigbẹ yoo dagba ni jinlẹ laarin ọgbin naa, dina awọn paarọ ooru elege ati nilo pipade ọgbin pipe.

Igbesẹ 3: Itutu agbaiye ati Imugboroosi

Atẹ́gùn gbígbẹ, ìwẹ̀nùmọ́, àti mímúná wọ “àpótí tútù” nísinsìnyí, ẹ̀ka tí a yà sọ́tọ̀ gédégbé tí ń gbé àwọn apàrọ̀ ooru cryogenic àti àwọn ọwọ̀n ìpayà.

Awọn itutu ilana lilo awọn Joule-Thomson ipa ati darí imugboroosi. Afẹfẹ gbigbona ti nwọle n kọja nipasẹ oluyipada ooru akọkọ, ti nṣàn counter-lọwọlọwọ si awọn gaasi eefin eefin tutu pupọ (nitroji ati atẹgun) ti n pada lati awọn ọwọn distillation. Eyi yoo dinku iwọn otutu afẹfẹ ti nwọle ni iyalẹnu.

Lati ṣaṣeyọri awọn iwọn otutu cryogenic otitọ (ni isalẹ -170 ° C), apakan kan ti afẹfẹ fisinuirindigbindigbin nipasẹ turbo-expander. Bi gaasi ti o ga-giga ti n pọ si ni kiakia nipasẹ turbine, o ṣe iṣẹ-ṣiṣe ẹrọ, eyi ti o fi agbara mu idinku nla ni iwọn otutu gaasi. Ni akoko ti afẹfẹ ba jade kuro ni oluyipada ooru ati imugboroja, o jẹ adalu otutu otutu ti iyalẹnu ati afẹfẹ omi, ṣetan fun iyapa.

Igbesẹ 4: Distillation Ida akọkọ (HP ati LP Awọn ọwọn)

Okan ti ilana liquefaction jẹ eto distillation ti ọwọn meji, ti o wa ninu iwe giga-Titẹ (HP) ti o joko labẹ iwe-Iwọn-Iwọn (LP).

1. Ọwọ̀n Títẹ̀ Gíga: Iha-tutu omi / oru air adalu ti nwọ awọn isalẹ ti HP iwe. Bi omi ti n ṣubu si isalẹ ati oru ti n dide nipasẹ awọn apẹja ti o wa ni perforated sieve, iyapa akọkọ waye. Nitrojini, pẹlu aaye sisun ti o kere julọ, dide si oke bi gaasi. Omi-ọlọrọ atẹgun (ti o ni ọpọlọpọ awọn argon) awọn adagun omi ni isalẹ.
2. Àwọ̀n Títẹ̀ Kekere: Omi-ọlọrọ atẹgun ti o wa lati isalẹ ti iwe HP ti wa ni fifun (figboro) sinu iwe LP loke rẹ. Nitori titẹ isalẹ, iyapa siwaju sii waye. Awọn adagun omi atẹgun olomi mimọ ni isalẹ pupọ ti iwe LP, lakoko ti gaasi nitrogen mimọ jade ni oke.

Igbesẹ 5: Ọwọn Argon Side-Arm

Nitori aaye gbigbona argon joko laarin atẹgun ati nitrogen, o ṣojumọ si apakan aarin-isalẹ ti ọwọn Irẹwẹsi-kekere. Ni ifọkansi ti o ga julọ, idapọ gaasi ni “ikun” pato ti ọwọn jẹ isunmọ 10% si 12% argon, pẹlu iyokù jẹ atẹgun ati itọpa nitrogen kekere kan.

Lati jade kuro, awọn onimọ-ẹrọ tẹ sinu apakan pato yii ki o fa adalu naa sinu lọtọ, eto ti a so mọ ti a pe ni Argon Side-Arm Ọwọn.
Inu iwe giga ti iyalẹnu yii (nigbagbogbo ti o ni lori awọn atẹ ilana imọ-jinlẹ 150), distillation keji waye. Nitori argon jẹ die-die diẹ sii iyipada (awọn õwo rọrun) ju atẹgun, afẹfẹ argon ga soke si oke ti ẹgbẹ ẹgbẹ, nigba ti atẹgun omi ti o wuwo ṣubu si isalẹ ati pe a pada si ori LP akọkọ.

Ohun ti o jade lati oke ti ọwọn-apa ni a mọ si “argon robi.” Ni ipele yii, o jẹ liquefied ni aṣeyọri ṣugbọn o jẹ nikan nipa 98% mimọ. O tun ni aijọju 2% atẹgun ati awọn oye itọpa ti nitrogen, eyiti o gbọdọ yọkuro fun lilo ile-iṣẹ.

4. Mimo: Igbegasoke robi to High-Purity Liquid Argon

Fun awọn ohun elo ode oni, paapaa ni semikondokito ati awọn ile-iṣẹ afẹfẹ, argon gbọdọ jẹ “mẹsan marun” mimọ (99.999%). Argon robi gbọdọ faragba ìwẹnumọ lile.

Ilana Katalitiki "Deoxo".

Lati yọkuro 2% atẹgun ti o ku, argon robi ti wa ni ipa si riakito catalytic ti a mọ si ẹyọ Deoxo kan. Ninu inu, gaasi hydrogen mimọ gaan ni a itasi sinu ṣiṣan omi.
Labẹ wiwa palladium tabi ayase Pilatnomu, hydrogen kemikali ṣe idahun pẹlu awọn ohun elo atẹgun rogue lati dagba omi (2H).₂ + O₂ → 2H₂O). Yi lenu tu kan kekere iye ti ooru, momentarily titan argon pada sinu kan gaasi.

Ik gbigbe ati distillation

Awọn gaasi ti wa ni ki o si kọja nipasẹ kan keji molikula sieve lati yọ awọn titun omi moleku kuro. Nikẹhin, awọn gbẹ, gaasi argon ti ko ni atẹgun ti wa ni je sinu kan ik distillation iwe — awọn funfun argon iwe.

Nibi, argon ti wa ni tutu lẹẹkan si titi ti o fi rọ pada sinu ipo omi. Eyikeyi iyọkuro nitrogen ti o ku, eyiti o jẹ gaseous ni awọn iwọn otutu argon olomi, ti yọ jade lati oke ti ọwọn naa. Ijọpọ ọja ti o wa ni isalẹ jẹ mimọ pupọ, ultra-tutu Liquid Argon (LAR), ti o ṣetan fun pinpin iṣowo.

5. Ibi ipamọ ati Gbigbe ti Argon Liquid

Ni kete ti ibeere ti bawo ni a ṣe dahun gaasi argon, ipenija ti o tẹle ni fifipamọ si ipo yẹn. Ni -185.8°C, eyikeyi ifihan si ooru ibaramu yoo fa ki omi naa ṣan ni agbara pada sinu gaasi kan — lasan kan ti a mọ si Boil-Off Gas (BOG).

Lati dojuko eyi, argon omi ti wa ni fifa sinu amọja ti o ga julọ, awọn tanki ibi-itọju cryogenic ti o ni idabobo. Awọn tanki wọnyi ṣiṣẹ bakan naa si ọpọn thermos kan. Wọn ni ohun elo inu ti a ṣe ti irin alagbara (eyiti ko di brittle ni awọn iwọn otutu cryogenic) ati ọkọ oju omi ti ita ti a ṣe ti irin erogba. Awọn aaye laarin awọn meji ohun èlò ti wa ni kún pẹlu ohun idabobo lulú (bi perlite) ati ki o fa soke si isalẹ lati kan sunmọ-pipe igbale lati se imukuro convective ati conductive ooru gbigbe.

Nigbati a ba gbe lọ si awọn olumulo ipari, LAR ni a gbe ni awọn ọkọ nla nla ti ojò cryogenic. Nigbati o ba de ile-iṣẹ iṣelọpọ tabi ile-iwosan, a gbe lọ sinu ọkọ oju-omi igbale igbale ti o duro lori aaye. Nigbati alabara ba nilo argon gaseous fun awọn ilana wọn, omi naa ni irọrun nipasẹ ipanu afẹfẹ afẹfẹ ibaramu — lẹsẹsẹ ti awọn tubes aluminiomu ti o ni finnifinni ti o fa ooru lati inu afẹfẹ agbegbe, ti n gbona omi lailewu pada sinu gaasi ti o ga.

6. Ipari

Iyipada ti airi, afẹfẹ ibaramu sinu ohun mimọ-pupa, omi kekere-odo jẹ iyalẹnu ti imọ-ẹrọ kemikali ode oni ati thermodynamics. Nipasẹ awọn ipele lile ti titẹ titẹ-giga, sisẹ molikula, imugboroja Joule-Thomson, ati distillation ida ti o ni itara pupọ, awọn ile-iṣẹ le ṣe ikore argon daradara ti o bo aye wa.

Loye argon gaasi liquefaction jẹ pataki fun iṣapeye awọn ẹwọn ipese agbaye. Bi awọn imọ-ẹrọ ti nlọsiwaju-paapaa ni iṣelọpọ ẹrọ itanna, titẹjade irin 3D, ati imọ-ẹrọ aerospace-igbẹkẹle lori mimọ giga, argon omi ti o munadoko yoo tẹsiwaju lati dagba nikan, ṣiṣe ipinya afẹfẹ cryogenic ọkan ninu awọn pataki julọ, sibẹsibẹ aibikita, awọn ilana ile-iṣẹ ni agbaye ode oni.

7. FAQs

Q1: Iwọn otutu wo ni argon di omi?

Argon awọn itejade lati kan gaasi to kan omi ni a farabale ojuami ti -185.8°C (-302.4°F) ni boṣewa ti oyi titẹ. Lati ṣetọju rẹ ni ipo omi fun ibi ipamọ ati gbigbe, o gbọdọ wa ni fipamọ ni tabi ni isalẹ iwọn otutu cryogenic nipa lilo awọn ọkọ oju-omi ti o ya sọtọ pataki lati ṣe idiwọ gbigbona ati imugboroja ni iyara.

Q2: Kilode ti a fi gbe argon bi omi ju gaasi lọ?

Idi akọkọ jẹ ṣiṣe iwọn didun. Nigbati argon ti wa ni tutu sinu omi, o condenses ni ipin kan ti 1 si 840. Eyi tumọ si pe lita kan ti argon omi ni deede 840 liters ti gaasi argon. Gbigbe bi omi kan ngbanilaaye awọn olupese lati ṣafipamọ nla, awọn iwọn olopobobo ni ẹru ọkọ nla kan, eyiti o jẹ idiyele-doko diẹ sii ati adaṣe adaṣe ju gbigbe eru, awọn silinda gaasi titẹ giga.

Q3: Ṣe mimu argon omi bibajẹ lewu?

Bẹẹni, argon olomi ṣafihan awọn eewu ile-iṣẹ pataki ni akọkọ nitori otutu otutu rẹ ati iseda rẹ bi asphyxiant. Fọwọkan awọ ara pẹlu argon olomi tabi piping cryogenic ti ko ni irẹwẹsi le fa frostbite nla tabi awọn ijona cryogenic lesekese. Pẹlupẹlu, nitori pe o gbooro ni kiakia bi o ti ngbona (840 ni igba iwọn didun rẹ), omi kekere ti argon omi ni aaye ti a fipa si le yara yipo atẹgun ti o wa ni ayika, ti o yori si ewu nla ti asphyxiation fun awọn oṣiṣẹ ti o wa nitosi laisi ikilọ eyikeyi, bi gaasi ko ni awọ ati õrùn. Fentilesonu to peye ati ohun elo aabo ti ara ẹni (PPE) ni a nilo ni muna.