Аргон - це особливий елемент періодичної системи. Велика енциклопедія нафти і газу
У сучасному світі з кожним днем стає популярніші і важливіше. Цей газ «працює» в склопакетах вікон і лазерах, в лампах розжарювання і зварюванні металів. Він оберігає харчові продукти від гнильних бактерій і допомагає гасити пожежі. Оскільки сфер застосування цього інертного газу стає все більше, важливішим стає і питання його отримання.
Після того, як Релей виявив в дослідах з повітрям що раніше не вивчений газ, він разом з Рамзаем почав серію експериментів з дослідження його властивостей. Для цього потрібно отримати недосліджений газ в достатній кількості. Виділяли його двома способами. При пропущенні електричних іскор кисень зв'язувався з азотом, роблячи можливим виділення аргону. Іншим способом було поглинання азоту розпеченим магнієм. На сьогоднішній день, промислового значення жоден з цих способів не має.
Сучасна промисловість найчастіше отримує низькотемпературної ректифікації повітря. Це ще й один з найбільш застосовуваних способів отримання чистих кисню та азоту. при цьому виходить як побічний продукт. У промисловому виробництві аміаку теж як побічний продукт виходить аргон.
Сучасні технології одержання аргону.
криогенний спосіб
Більшу частину, який використовується для різноманітних цілей в різних галузях промисловості, отримано в Повітророзподільну апараті, криогенним способом поділу зрідженого повітря. При цьому відбувається поділ його на складові гази. Чимала частка одержуваного в промисловості кисню та азоту виходить саме цим способом.
Принцип роботи кріогенної колони ректифікації ґрунтується на різниці в температурах кипіння газів, складових атмосферне повітря. Легкокіпящіе речовини, такі як гелій і неон, виявляються у вигляді пари, що накопичується у верхній частині колони. Більш труднокіпящіе криптон і ксенон залишаються у вигляді рідини внизу. разом з киснем і азотом відноситься до середньої фракції. Оскільки вона всього лише на кілька градусів відрізняється від їх температур кипіння, це трохи ускладнює процес його отримання.
Тому приблизно на рівні однієї третини висоти основної колони розташовується патрубок, через який в спеціальну колону виводиться фракція аргону, що містить приблизно десять - дванадцять відсотків цього газу. Тут проводиться повторна ректифікація. Азот, до більш летюча речовина йде вгору колони, а більш «важкий» кисень опускається вниз.
Після часткового відділення кисню та азоту, залишається суміш, вміст аргону в якій коливається від 94 до 85 відсотків. Такий «сирий» підлягає доочищення. Домішки азоту, що становлять від трьох до п'яти відсотків суміші, видаляються ректифікацією. А три - десять відсотків кисню прибираються адсорбцией або хімічним способом, пов'язуючи його воднем або сіркою. В результаті чистота отриманого аргону досягає 99,99 відсотків.
Побічний продукт при виробництві аміаку
Ще одне джерело одержання аргону - це аміачна виробництво. В даному випадку цей газ є відходом - домішкою, залишком, що витягується з азоту, необхідного для синтезу аміаку. , Який служить сировиною для виробництва аміаку, що не передбачає такого очищення, як позбавлення його від домішки аргону. Після взаємодії азоту і водню з утворенням аміаку, він просто залишається як і прореагировавший залишок.
Мембранна або дифузійна технологія
Ця технологія зародилася ще в сімдесятих роках минулого століття. Це економічно вигідний спосіб отримання газів, виділенням їх з повітря. Принцип роботи цього методу полягає в тому, що газова суміш, в даному випадку повітря проходить крізь мембрану.
Атоми і молекули різних газів розрізняються розмірами. Мембрана пропускає тільки молекули або атоми до певного діаметра, більші залишаються по іншу її сторону. У сучасній промисловості для поділу газів застосовують половолоконной мембрани останнього п'ятого покоління, що володіють кращими якостями в порівнянні з їх попередніми версіями.
адсорбційна технологія
У п'ятдесятих роках двадцятого століття з'явився адсорбційний спосіб поділу газових сумішей. Він заснований на здатності адсорбуючих речовин селективно поглинати той чи інший газ. В основному цим способом виділяють з повітря азот і кисень. Для здійснення цього поділу в основному використовують синтетичні цеоліти, а також природні мінерали: клиноптилоліт і морденіт.
Звична кріогенна ректифікаційна технологія виділення аргону з атмосферного повітря дозволяє отримувати його у великих обсягах. Але, дорожнеча і складність отримання аргону таким способом надихає винахідників на пошуки більш зручного і дешевого способу отримувати цей газ в потрібній кількості. Всі зростаючі потреби в цьому газі стимулюють нові дослідження в цій галузі. Країни, що розвиваються в даний час адсорбційний і мембранний методи отримання
Отримання аргону мембранним і адсорбційним методом дешевше. Але, створення великих високопродуктивних адсорбційних або дифузійних установок для одержання аргону утруднено фізичними властивостями самих матеріалів.
Цікаві факти
За обсягом і масі, після азоту і кисню, аргон найпоширеніший газ в атмосфері. В атмосфері Землі його приблизно 1,3 відсотка від усієї її маси і 0,9 відсотка від обсягу.
Земна атмосфера надає практично невичерпне джерело. Крім того, майже весь використаний людством аргон знову повертається в атмосферу в незмінному з точки зору фізики і хімії вигляді. За винятком невеликої кількості атомів, розбитих в ході досліджень, що проводяться з метою отримати нові ізотопи і речовини.
На території України чистий аргон і інші промислові гази можна придбати в Компанії «DP Air Gas». Крім того, Компанія здійснює доставку газів по всій території України. А також обслуговування газового обладнання. Більш детальну інформацію про асортимент і послуги пропонованих «DP Air Gas», можна знайти.
Зміст аргону в повітрі досить значно, тому його видобувають як побічний продукт, при отриманні кисню та азоту з повітря методом низькотемпературної ректифікації в спеціальних апаратах.
1 - колона високого тиску;
2 - колона низького тиску
3 - проміжний койденсатор-випарник
по летючості займає проміжне положення між азотом і киснем - основними компонентами повітря. Цим і пояснюється специфічну поведінку аргону при ректифікації рідкого повітря. Остаточний поділ рідкого повітря на і проводиться в колоні низького тиску Повітророзподільну апарату. Дистилятом цієї колони є газоподібний азот, а нижнім продуктом - газоподібний або рідкий кисень.
У верхній частині колони низького тиску аргон виступає в ролі тяжелолетучего (в порівнянні з азотом) компонента, а в нижній частині - легколетучего (в порівнянні з киснем). Цим пояснюється існування в колоні низького тиску зон підвищеної концентрації аргону в обох секціях колони - концентраційної (вище введення рідини з куба колони високого тиску) і отгонной (нижче введення). На розподіл аргону по тарілках ректифікаційної колони низького тиску сильно впливає супутній йому третій компонент - кисень. Зміст аргону в зоні підвищеної концентрації верхньої секції колони зростає в міру зменшення вмісту кисню в дистилляте при незмінному складі продукционного кисню (цього можна досягти збільшенням числа тарілок в колоні).
Схематично процес видобутку аргону описується наступним чином. Спочатку повітря очищається від пилу і стискається до скраплення. Рідке повітря піддається ректифікації з метою поділу його на складові частини. Що виходять аргоно-азотно-киснева суміш (сирої аргон) потім очищається від кисню та азоту. Розділення повітря і попутне вилучення з нього аргону в промисловому масштабі здійснюється шляхом зрідження і ректифікації при низькій температурі. Рідкий кисень під тиском 101 кПа кипить при температурі -182,9 ° С, а рідкий азот - при температурі -195,8 ° С. Тому пари рідкого повітря при кипінні збагачуються легкозакипаючої азотом, температура кипіння якого майже на 13 ° С нижче, ніж у кисню. Одночасно відбувається збагачення киплячій рідини киснем. Завдяки цьому, в ректифікаційної розділової колонці, де безперервно кипить рідкий повітря і конденсуються його пари, вдається отримати одночасно кисень (в нижній частині) і азот - (у верхній частині). Велика частина рідкого аргону, температура кипіння якого -185,3 ° С, накопичується в середній частині колонки, звідки в суміші з і відводиться (так звана аргону фракція) в спеціальну аргону колону, змонтовану разом з повітророзподільної апаратом. Тут аргону фракція (що містить 8-12% аргону, 0,2-0,3% азоту, решта - кисень) піддається додаткової ректифікації і збагачується аргоном до 85-95% (решта 15-5% становить суміш азоту і кисню). Цей продукт називають сирим аргоном, З нього на наступних етапах очистки отримують чистий аргон.
1 - Повітророзподільну апарат
2 - аргону колонка
3 - переохолоджувач
Сирий аргон від кисню можна очищати декількома способами. Один з них заснований на каталітичному окисленні водню, що міститься в сирому аргоні, при температурі 400-500 ° С. Внаслідок тозі, що при цьому способі продукти реакції змішуються з очищеним аргоном, необхідно, щоб вони легко відділялися від нього. Для цієї мети застосовується тільки електролітичний, що не містить домішок, що забруднюють аргон. Так як при цьому способі очищення вміст кисню не повинен бути більше 2-2,5%, в схемі передбачена циркуляція газу для розведення сирого аргону очищеним газом, що не містить кисню. Циркуляція газу здійснюється за допомогою газодувки.
Водяна пара, отриманий в результаті з'єднання водню з киснем в контактному апараті, Конденсують в холодильнику і видаляють через влагоотделитель, після чого газ осушують. Отримана суміш аргону з азотом піддається ректифікації за схемою, яка аналогічна застосовуваної при ректифікації повітря. При цьому використовується насос для рідкого аргону, що дозволяє уникнути забруднення чистого аргону при його стисканні і заповненні балонів. За допомогою компресора суміш аргону і азоту стискається і через ресивер подається в блок адсорбційної осушення, де з неї видаляються залишки вологи. Після цією через теплообмінник суміш надходить в ректифікаційної колонку, де охолоджується до температури зрідження виходять з колонки продуктами поділу - азотом і аргоном.
Для забезпечення умов ректифікації і заповнення втрат холоду в ректификационную колонку подають рідкий азот і пароподібну киснево-азотну суміш з основного Повітророзподільну апарату. Чистий аргон збирається в нижній частині колонки, а «отбросний» азот відводиться в атмосферу з верхньої частини колонки через теплообмінник.
Існують і інші способи одержання аргону, наприклад при виробництві синтетичного аміаку. Його отримують при синтезі азотно-водневої суміші в колонках. У продувному газі міститься 10-19% аргону, і саме з цього газу його і витягають. Вважається що аргон, виділений при виробництві аміаку, має більш низьку собівартість.
У будь-якому випадку газу залежить від досконалості систем очищення і від точності визначення малих домішок азоту, кисню, водню і парів води в аргоні.
сторінка 1
Виробництво аргону в СРСР збільшується з року в рік. І в подальшому очікується введення в дію цілого ряду кисло-родно-аргонних установок. Для створення і експлуатації нових установок залучено велику кількість робітників та інженерно-технічних працівників, які потребують відповідної літератури, оскільки отримання аргону з повітря і подальше його очищення від домішок є вельми складні технічні завдання. В останні роки в нашій країні опубліковано кілька робіт, присвячених дослідженню тих чи інших проблем виробництва аргону. Опублікований також ряд фундаментальних робіт з промислового поділу повітря і виробництва кисню, в яких знайшли відображення і деякі питання технології одержання аргону. Найбільш повно цей розділ представлений в двотомній праці колективу авторів - співробітників ВНІІкімаша-під редакцією канд. Багатьом питань виробництва аргону приділено увагу в роботах проф. Розрахунку киснево-аргонних установок відведено відоме місце також в книгах проф. Разом з тим, навіть в першому (найбільшому за обсягом) праці питань виробництва аргону, крім теорії поділу потрійний суміші, приділено порівняно невелику увагу. У пропонованій книзі автор вперше зробив спробу узагальнити і систематизувати вітчизняні та частково зарубіжні матеріали, присвячені питанню виробництва аргону. Крім того, в книзі вміщено матеріали з очищення аргону від кисню новим адсорбционно-тримаючи-ським методом за допомогою синтетичних цеолітів. У книзі відсутні розділи, пов'язані з виробництвом аргону, але які відносяться до загальних питань поділу повітря і досить широко і повно представлені в спеціальній літературі.
Виробництво аргону з продувних газів синтезу аміаку ускладнене тим, що в цьому випадку доводиться видаляти з суміші поряд з азотом і воднем такі гази, як метан та оксид вуглецю. Однак ця проблема в значній мірі компенсується відсутністю кисню.
Виробництво аргону здійснюється на потужних воз-духоразделітельних установках типу Кааре-30.
Виробництво аргону здійснюється на кисневих установках з аргоном приставками. У цих приставках сирої аргон очищається до необхідного ступеня чистоти від азоту і кисню. Гелій подібно аргону хімічно інертний, але на відміну від нього значно легший. Гелій легший за повітря, що ускладнює захист зварювальної ванни і вимагає більшої витрати захисного газу. У порівнянні з аргоном гелій забезпечує більш інтенсивний нагрів зони зварювання, що обумовлюється великим градієнтом падіння напруги в дузі.
Практично виробництво аргону і інших складових повітря зводиться до його поділу на чисті компоненти. Основним способом поділу повітря є в даний час метод глибокого охолодження.
Освоюється виробництво аргону з отдувочних газів аміачних виробництв. Отриманий таким шляхом аргон містить деяку кількість кисню.
Організація виробництва аргону економічно доцільна лише на великих повітророздільних апаратах. Отримання аргону на апаратах продуктивністю менше 150 - 200 ма / год кисню нерентабельно.
Собівартість виробництва аргону в багато разів перевершує витрати з його транспортування, тому виробництво аргону доцільно здійснювати на великих станціях з перевезенням його споживачам на великі відстані.
Технологія виробництва аргону повинна забезпечити достатньо повну очистку аргону від кисню, азоту, водяної пари та інших домішок. Відповідно до цього процес виробництва аргону з повітря складається з декількох технологічних етапів збагачення і очищення аргону.
У виробництві аргону застосовують і прилади, дія яких заснована на різниці в теплопровідності газів, що входять в суміш.
Устаткування для виробництва аргону - М, Машинобудування, 1972, 247 с.
Значне розширення виробництва аргону також вимагає більш поглибленого вивчення процесу ректифікації потрійний суміші З 2 - Аг - N2, в результаті якого відбувається накопичення аргону в певних зонах колони низького тиску. Правильне визначення місця відбору аргонной фракції (8 - 10% Аг) можливо при виконанні ступеневої розрахунку процесу ректифікації потрійний суміші Оз - Аг - N2; такий розрахунок може грунтуватися лише на даних про фазовий рівновазі рідини і пари при тиску в колоні 1 2 - 1 4 ата.
Всі ми знаємо, що аргон застосовується для зварювання різних металів, але не кожен замислювався, про те, що являє собою цей хімічний елемент. А тим часом його історія багата подіями. Що характерно, аргон - це винятковий екземпляр періодичної таблиці Менделєєва, який не має аналогів. Сам вчений дивувався свого часу, як він взагалі міг сюди потрапити.
В атмосфері присутні приблизно 0,9% цього газу. Як і азот, він має нейтральний характер без кольору і запаху. Для підтримки життя він не підходить, але зате просто незамінний в деяких областях людської діяльності.
Невеликий екскурс в історію
Вперше його виявив англієць і фізик за освітою Г. Кавендіш, який помітив присутність в повітрі чогось нового, стійкого до хімічного впливу. На жаль, Кавендіш так і не дізнався природу нового газу. Трохи більше ста років тому це помітив і інший учений - Джон Вільям Страт. Він прийшов до висновку, що в азоті з повітря є якась домішка газу невідомого походження, але аргон це або щось ще, він поки не міг зрозуміти.
При цьому газ не вступав в реакцію з різними металами, хлором, кислотами, лугами. Тобто з хімічної точки зору носив інертний характер. Ще однією несподіванкою стало відкриття - молекула нового газу включає в себе лише один атом. А на той момент подібний склад газів був ще невідомий.
Публічне повідомлення про новий газі призвело в шок багатьох вчених з усього світу - як можна було прогледіти новий газ в повітрі протягом багатьох наукових досліджень і дослідів ?! Але в відкриття повірили не всі вчені, включаючи Менделєєва. Судячи з атомної масі нового газу (39,9), він повинен розташуватися між калієм (39,1) і кальцій (40,1), але позиція вже була зайнята.
Як уже згадувалося, аргон - з багатою і детективною історією. На деякий час він був забутий, але після відкриття гелію новий газ визнали офіційно. Було вирішено відвести для нього окрему нульову позицію, розташовану в між галогенів і лужних металів.
властивості
Серед інших інертних газів, які входять у важку групу, аргон вважається найлегшим. Його маса перевищує вагу повітря в 1,38 рази. У рідкий стан газ переходить при температурі -185,9 ° С, а при -189,4 ° С і нормальному тиску твердне.
Від гелію і неону аргон відрізняється тим, що здатний розчинятися у воді - при температурі 20 градусів в кількості 3,3 мл в ста грамах рідини. Але в ряді органічних розчинів газ розчиняється краще. Дія електричного струму змушує його світитися, завдяки чому він став широко застосовуватися в освітлювальному обладнанні.
Біологами виявлено іншу корисну властивість, якою володіє аргон. Це свого роду середовище, де рослина прекрасно себе почуває, що доведено дослідами. Так, перебуваючи в атмосфері газу, посаджені насіння рису, кукурудзи, огірків і жита дали свої паростки. В іншій атмосфері, де 98% припадає на аргон і 2% - на кисень, добре проростає така овочева культура, як морква, салат і цибулю.
Що особливо характерно, зміст цього газу в земній корі набагато більше, ніж інших елементів, що знаходяться в його групі. Його приблизний зміст - 0,04 г на одну тонну. Це в 14 разів перевищує кількість гелію і в 57 разів - неону. Що стосується навколишньої Всесвіту, його там ще більше, особливо на різних зірках і в туманностях. За деякими підрахунками, аргону на просторах космосу більше, ніж хлору, фосфору, кальцію або калію, яких повно на Землі.
отримання газу
Той аргон в балонах, в яких ми його частіше зустрічаємо, є невичерпним джерелом. До того ж він в будь-якому випадку повертається в атмосферу в силу того, що при використанні не змінюється в фізичному або хімічному плані. Винятком можуть бути випадки витрати малої кількості ізотопів аргону на отримання нових ізотопів і елементів в ході ядерних реакцій.
У промисловості газ отримують шляхом поділу повітря на кисень і азот. В результаті чого і народжується газ як побічний продукт. Для цього використовується спеціальне промислове обладнання дворазовою ректифікації з двома колонами високого і низького тиску і проміжним конденсатором-випарником. Крім цього, для одержання аргону можуть бути використані відходи аміачного виробництва.
Галузь застосування
Сфера застосування аргону нараховує кілька областей:
- харчова промисловість;
- металургія;
- наукові дослідження і досліди;
- зварювальні роботи;
- електроніка;
- автомобільна промисловість.
Цей нейтральний газ знаходиться всередині електричних лапочек, що уповільнює випаровування вольфрамової спіралі всередині. Завдяки цій властивості широко застосовується заснований на даному газі зварювальний апарат. Аргон дозволяє надійно з'єднувати деталі з алюмінію і дюралю.
Широке поширення газ отримав при створенні захисної і інертної атмосфери. Це зазвичай необхідно для термічної обробки тих металів, які легко схильні до окислення. В атмосфері аргону добре ростуть кристали для отримання напівпровідникових елементів або надчистих матеріалів.
Переваги і недоліки застосування аргону в зварюванні
Відносно галузі зварювання аргон дає певні переваги. Перш за все, металеві деталі в ході зварювання не так сильно нагріваються. Це дозволяє уникнути деформації. До інших достоїнств відносяться:
- надійний захист зварного шва;
- швидкість на порядок вище;
- процес легко контролювати;
- зварювання можна механізувати або повністю перевести в автоматичний режим;
- можливість з'єднувати деталі з різнорідних металів.
У той же час зварювальний аргон має на увазі і ряд недоліків:
- при зварюванні виникає ультрафіолетове випромінювання;
- для використання високоамперной дуги необхідно якісне охолодження;
- складна робота на відкритому повітрі або протязі.
Проте при наявності стількох достоїнств важко недооцінити значення аргонової зварки.
Запобіжні заходи
При використанні аргону варто проявляти обережність. Хоч газ нетоксичний, але здатний викликати задуху, заміщаючи собою кисень або скраплений його. Тому вкрай важливо контролювати обсяг O 2 в повітрі (не менше 19%) за допомогою спеціальних приладів, ручних або автоматичних.
Робота з рідким газом вимагає граничної обережності, оскільки низька температура аргону може викликати сильне обмороження шкірного покриву і пошкодження очної оболонки. Необхідно використовувати окуляри і спеціальний одяг. Особам, яким необхідно проводити роботи в аргонной атмосфері, потрібно надягати протигази або інші ізолюючі кисневі прилади.
