فرایند تصفیه گاز آرگون

فرایند  خالص سازی و تصفیه گاز آرگون با قدمهای ساده با مصرف پایین انرژی به شرح زیر امکان پذیر می باشد :

در فرآیند اول تصفیه گاز آرگون ، در قدم اول گاز اکسیژن موجود در گاز آرگون را با تبدیل شدن آن به آب از ان جدا می کنند تا بتوان اکسیژن آرگون را گرفت . در مرحله دوم جدا کردن دی اکسید کربن موجود در گاز آرگون می باشد برای بالا بردن خلوص گاز میباشد. در گام سوم برای داشتن آرگون خالص  با تغییر دمای آرگون می توان ناخالصی ها را از ان جدا نمود .

روش کار جدید تصفیه گاز آرگون

در این روش جدید برای بالابردن خلوص گاز آرگون و تصفیه گاز آرگون از یک فرایند تولید نیمه هادی و به ویژه فرایند بازیابی و تصفیه گاز آرگون از یک کوره کشویی در یک خط تولید سیم کربن تک کریستالی استفاده می شود .در کوره سیلیکون برای تولید شمش های سیلیکونی، مقدار زیادی گاز آرگون به عنوان گاز بی اثر استفاده می کند. این گاز آرگون شامل N2 و O2 و هیدروکربن هایی مانند CH4 است. گاز آرگونی که از طریق خالص سازی بر روی هوا در دمای بسیار پایین بدست می آید گران و پر هزینه می باشد . به همین دلیل استفاده از روش کوره سیلیکونی مناسب تر به نظر می رسد.

مطالعات زیادی قبلا در خصوص خالص سازی گاز آرگون صورت گرفته است. برای مثال مطالعات

J-A-63-189,774, J-A-01-230,975, J-A-02-272,288 and J-A-05-256,570

در این فرایند ها co, co2, H2o  را برای تصفیه گازآرگون جدا می کنند که این روش با کاتالیروز و یا واکنش در دمای پایین صورت می گیرد . در برخی از مطالعات دیگری  co, H2 و هیدروکربن ها را با استفاده از کاتالیزور به آب و دی اکسید کربن تبدیل می کنند .

در فرایند های بازیافت و تصفیه گاز آرگون که در هر یک از روش های فوق، یک روش اکسیداسیون بر اساس واکنش کاتالیزوری بر روی هیدروکربن های موجود در گاز آرگون ناخالص انجام می شود و به این ترتیب این هیدروکربن ها را به مواد مانند H2O و CO2 تبدیل می کند. که در این حالت گاز اکسیژن به گاز آرگون تزریق می شود و باید این اکسیژن اضافی نیز جدا سازی گردد .برای جدا کردن اکسیژن از گاز آرگون ناخالص، معمولا یک فرایند اتخاذ می شود که واکنش O2 و H2 انجام می دهد به طوری که اکسیژن به H2O تبدیل می شود و سپس این H2O را حذف می کند .علاوه بر این، این واکنش کاتالیزوری نیاز به یک منبع گرما خارجی دارد و بنابراین نتیجه گیری خواهد شد که این فرایند از دیدگاه بهره وری انرژی رضایت بخش نیست.

 خلاصه روش جدید تصفیه آرگون

 فرایند بازیابی و تصفیه آرگون ارائه می شود که شامل تصفیه گاز خالص آرگون تخلیه شده از کوره سیلیکون است .که حاوی برخی ناخالصی ها با نقطه جوش کمتری نسبت به آرگون مانند اکسیژن و نیتروژن ، نقطه جوش بالاتر از آرگون مانند هیدروکربن ها است. در گام اول هیدروژن به گاز آرگون تزریق می شود تا جایی که این هیدروژن با اکسیژن موجود در آرگون واکنش داده و به آب تبدیل گردد تا میزان زیادی از اکسیژن موجود در آرگون گرفته شود . گام دوم جدا کردن دی اکسید کربن موجود در گاز آرگون می باشد .مرحله سوم تبدیل آرگون به آرگون مایع می باشد تا ناخالصی با نقطه جوش پایین تر و نقطه جوش بالاتر نسبت به آرگون از آن جدا گردد . برای اینکار از دو ستون می توان استفاده نمود که ستون اول ناخالصی با نقطه جوش پایین از گاز آرگون و ستون دوم ناخالصی با نقطه ذوب بالا تر از آرگون جدا خواهد کرد.گازهایی مانند اکسیژن (O2)، نیتروژن (N2) و مونوکسید کربن (CO) و هیدروکربن ها مانند متان (CH4)  به عنوان ناخالصی در گاز آرگون می باشند . در استقاده از کوره سیلیکون نیازی به حرارت دادن گاز در دماهای بالا مانند واکنش کاتالیزوری هیدروکربن ها نیست و بنابراین امکان کاهش مصرف برق برای گرم کردن یا مانند آن را سبب می شود .

در این مقاله سیستم تصفیه گاز آرگون

سیستم تصفیه گاز آرگون است که در آن گاز خالص آرگون از یک کوره پودری کادمیوم سیلیکون  به وسیله یک پمپ خلاء که شبیه کوره کشش است ، بازیافت می گردد در یک کوره سیلیکونی تحت فشار، مقدار زیادی از گاز آرگون به عنوان گاز اتمسفر مورد استفاده قرار می گیرد. یک پمپ خلاء  برای بازیابی گاز آرگون استفاده می شود حدود 50 ppm  هیدروکربن ها (CnHm) مانند متان غیر از چند درصد هوا (اکسیژن، نیتروژن و غیره) به عنوان ناخالصی در گاز آرگون. در نظر گرفته می شود.

یک واحد جداسازی ، گاز آرگون را به مایع تبدیل می کند تا هیدروکربن ها (CnHm) از گاز آرگون حذف گردد بدون آنکه نیاز به اضافه کردن O2 به هیدروکربن ها (CnHm) مانند متان وجود داشته باشد . در این سیستم کمپرسور گاز غیر گاز آرگون که به فیلتر نیز مجهز است استفاده می گردد.گرد و غبار موجود در گاز آرگون در واحد فیلتر مکش  برداشته می شود. گاز خالص آرگون فیلتر شده توسط واحد فیلتر مکش به یک کمپرسور آرگون تزریق می شود، جایی که تحت فشار 3.5 … 9.0 کیلوگرم بر سانتی متر مربع جی  (3.5˜9.0 kg/cm2 G)فشار داده می شود. کمپرسور نیز گاز آرگون باتوجه به افزایش دما و فشرده سازی ،تحت فشار قرار می دهد.

Deoxo نصب شده شامل یک منبع حرارتی ، ستون deoxo ، لاین جریان هیدروژن می باشد .ستون با کاتالیزوری به طور مثال Pd پر شده است تا واکنش اکسیژن (O2) موجود در گاز آرگون با گاز هیدروژن (H2) را تسریع کند. علاوه بر این، کاتالیزور Pd  واکنش گاز مونوکسید کربن (CO) در گاز آرگون با O2 و تبدیل شدن به CO2  را سرعت می دهد. یعنی اکسیژن (O2) و مونوکسید کربن (CO) موجود در گاز آرگون که در ستون دئوکسو وارد شده است به مواد دیگر تبدیل می شود. بنابراین، O2 به طور قابل ملاحظه ای از گاز آرگون حذف می شود.  در حالتی که دمای گاز برای واکنش کافی نباشد ، منبع حرارتی  دما را حدود 150 درجه سانتیگراد میرساند و سرعت جریان گاز هیدروژن بالاتر می رود .تا مقدار هیدروژن بیش از حد پس از واکنش اکسیژن و هیدروژن در ستون deoxo  ممکن است حدود 0.7٪ ~ 1.5٪ باشد.سپس گاز آرگون به یك واحد خنكی تغذیه می شود و تا دمای  40 درجه سانتیگراد سرد می گردد سپس گاز سرد شده به واحد جداسازی آب می رود تا در این قسمت آب از گاز آرگون جدا شود و گاز آرگون تا دمای 10  درجه سانتیگراد سرد می گردد. سیستم خشک کردن و کربن گیری شامل دوستون از جنس آلومینا می باشد برای جذب آب و دی اکسید کربن ، روش جذب ممکن است بر اساس اختلاف فشار باشد PSA یا دما TSA  باشد . این سیستم به لاینی برای بازیابی نیتروژن متصل می گردد و گاز نیتروژن شامل آب و دی اکسید کربن خارج می گردد .

گاز آرگون مایع شده حاوی ناخالصی هایی به عنوان مثال، 1٪ H2، 0.1٪  N2 و 0.005٪ از CH4 می باشد . سپس، این گاز آرگون مایع به جداساز هیدروژن هدایت می شود. پس از احیاء گاز هیدروژن از قسمت بالای جداساز هیدروژن توسط مبدل حرارتی آرگون  به دمای طبیعی حرارت داده می شود، و به هوا جو یا به سمت بالا ارسال می گردد .

از قسمت پایینی  جداساز هیدروژن  ،گاز آرگون مایع پس از کاهش فشار به صورت گاز به ستون بعدی می رود و ناخالصی هایی مثل  H2، N2 و CO که نقطه جوش کمتری دارند مجدد جدا می شود و گاز ارگون خالص تر به دست میدهد . در بخش پایین تر ، ستونی برای جداسازی ناخالصی با نقطه بالا جوش مانند متان در نظر گرفته شده است . ممکن است میزان بازیابی آرگون 95-90٪ بدست آید.

اثر و نتیجه این روش تصفیه گاز آرگون

با توجه به روند بازیابی و تصفیه گاز آرگون حاضر، همانطور که در بخش بالا توضیح داده شده است، گاز آرگون خالص را می توان با تبدیل اکسیژن (O2) که نقطه جوش آن بسیار نزدیک به آرگون است، به دست آورد، به وسیله ی deoxo به آب، از بین بردن همان آب توسط انجماد و خشک کردن امکان پذیر است .

در یک مورد که اصطلاحا شامل یک ستون اصلاح اول و یک ستون اصلاح دوم است، اجزای ناخالص نقطه کم جوش( N2، CO، H2، و غیره)که نقاط جوش آنها پایین تر از آرگون است، در اولین ستون اصلاح حذف می شوند و اجزای ناخالص نقطه جوش بالاتر  (CH4 ، C2H6، و غیره) از آرگون است در اینجا تمرکز شده و به ستون اصلاح دوم وارد می شوند و به طور قابل ملاحظه ای می توان گاز آرگون خالص به دست آورد.

ما ادعا میکنیم:
1. روند بازیابی و تصفیه آرگون، که شامل تصفیه گاز خالص آرگون تخلیه شده از کوره سیلیکون و از طریق کاهش اجزا با نقطه جوش نقطه کم تر مثل اکسیژن، نیتروژن و منوکسید کربن و اجزای ناخالصی نقطه جوش بالا تر شامل هیدروکربن ، که نقطه جوش آنها بالاتر از آرگون  است ، گاز آرگون خالص دوباره به کوره سیلیکون ارسال می گردد و شامل مراحل زیر می باشد :

گام اول برای اضافه کردن هیدروژن به گاز گاز آرگون ناخالص و واکنش هیدروژن با اکسیژن موجود در گاز آرگون ناخالص، به طوری که به آب تبدیل شود، در نتیجه اکسیژن را از گاز آرگون ناخالص حذف می کند؛
گام دوم جذب آب و دی اکسید کربن موجود در گاز گاز آرگون ناخالص، در نتیجه از بین بردن آب و دی اکسید کربن از گاز آرگون ناخالص.
گام سوم برای گاز آرگون ناخالص با یک روانکاری با دمای پایین و معرفی گاز آرگون مایع به یک ابزار اصلاح، که شامل
یک ستون اصلاح کننده اول که در آن ذرات با جوش نقطه ای  کم تر از آرگون حذف می شود و یک ستون اصلاح دوم که ذکر شد، اجزای ناخالص نقطه جوش بالاتر از گاز آرگون  حذف می شود.

2. فرآیند مطابق با ایتم 1، هیچ ماکسیداسیون اتفاق نمی افتد.
3. فرآیند مطابق با ایتم 1، مایع از یك ستون اصلاح اول و پایین ستون اول اصلاح است، گرفته شده و به پایین ستون اصلاح دوم ارسال می شود.
4. فرآیند مطابق با ایتم 1 ، جایی که در اولین ستون اصلاح شده شامل یک گرم کننده است.
5. فرآیند مطابق با ایتم 1 ، که در آن ستون اول و دوم اصلاح، هر کدام یک کندانسور بالا دارند.

منبع اصلی مقاله