Application of technical gases and their families in modern industrial technologies: a review

Abstract

The aim of the study is to review the use of gas products of natural and synthetic origin and their future application prospects. To achieve this goal, a number of high-tech technologies were pre-sented and analyzed. The phase equilibrium parameters of inert and fluorine-containing gases were shown, as well as the temperature ranges in which certain refrigerants can be applied. Ex-amples of cooler schemes for providing rectification processes at 28 and 210 K were given. The processes of refrigeration cycles in T-s diagrams of neon and R116 (hexafluoroethane) were shown. Schemes of helium systems for heat removal at the level of 5…28 K were considered. The areas of application of Xe, Kr, Ne, and He in modern technologies, particularly in laser technology, space exploration, lamp industry, and medicine, were highlighted. The most signifi-cant result of the work is the determination of the important role of isotopic components of inert gases for the future of energy, functional diagnostics, metrology, and other fields. In semicon-ductor manufacturing, many inert gases are used as protective environments and working media in ion-plasma and ion-beam etching in vacuum chambers. In plasma chemical surface treatment, substances containing one or more halogen atoms act as active gases. The significance of the results achieved is evident in that, in the context of a global shortage of technical gases, the de-velopment of resource-saving technologies is becoming relevant. Among these, gas product re-cycling, where gas concentrates were obtained from used mixtures, enriched, and subjected to deep purification for the secondary use of target products, is the most promising.

Scopul studiului este de a revizui utilizarea produselor gazoase de origine naturală și sintetică și perspectivele viitoare de aplicare a acestora. Pentru a atinge acest obiectiv, au fost prezentate și analizate o serie de tehnologii de înaltă tehnologie. Au fost prezentați parametrii de echilibru de fază ai gazelor inerte și care conțin fluor, precum și intervalele de temperatură în care pot fi aplicați anumiți agenți frigorifici. Au fost date exemple de scheme de răcire pentru furnizarea de procese de rectificare la 28 și 210 K. Au fost: prezentate procesele ciclurilor de refrigerare în diagramele T-s de neon și R116 (hexafluoretan), luate în considerare scheme de sisteme de heliu pentru îndepărtarea căldurii la nivelul 5...28 K, evidențiate domeniile de aplicare ale lui Xe, Kr, Ne și He în tehnologiile moderne, în special în tehnologia laser, explorarea spațiului, industria lămpilor și medicină. Cel mai important rezultat al lucrării este determinarea rolului important al componentelor izotropice ale gazelor inerte pentru viitorul energiei, diagnosticării funcționale, metrologiei și altor domenii. În producția de semiconductori, multe gaze inerte sunt utilizate ca medii de protecție și medii de lucru în gravarea cu plasmă ionică și prin fascicul ionic în camerele de vid. În tratamentul chimic al suprafeței cu plasmă, substanțele care conțin unul sau mai mulți atomi de halogen acționează ca gaze active. Semnificația rezultatelor obținute este evidentă prin faptul că, în contextul penuriei globale de gaze tehnice, dezvoltarea tehnologiilor de economisire a resurselor devine relevantă. Dintre acestea, reciclarea produselor gazoase, în care concentratele de gaze sunt obținute din amestecuri uzate, îmbogățite și supuse unei epurări profunde pentru utilizarea secundară a produselor țintă, este cea mai promițătoare.

Цель работы – рассмотрение сферы использования газовых продуктов природного и синтетического происхождения и дальнейшие перспективы их применения. Для достижения поставленной цели был приведен и проанализирован ряд наукоемких технологий. Представлены параметры фазового равновесия инертных и фторсодержащих газов и показаны температурные интервалы, в которых возможно применение отдельных хладагентов. Даны примеры схем охладителей для обеспечения процессов ректификации при 28 и 210 К. Показаны процессы рефрижераторных циклов в T-s диаграммах неона и R116 (гексафторэтана). Рассмотрены схемы гелиевых систем для отвода тепла на уровне 5...28 К. Отражены области применения Хе, Kr, Ne и Не в современных технология, в частности, лазерной технике, космонавтике, ламповой промышленности и медицине. Наиболее существенным результатом работы является определение важного значения изотопных компонентов инертных газов для энергетики будущего, функциональной диагностики, метрологии и других сферах. В производстве полупроводников используется множество инертных газов в качестве защитных сред и рабочих тел при ионно-плазменном и ионно-лучевом травлении в вакуумных камерах. При плазмохимической обработке поверхностей в качестве активных газов выступают вещества, содержащие один или более атомов галогенов. Значимость достигнутых результатов проявляется том, что в условиях глобального дефицита технических газов актуальным становится развитие ресурсосберегающих технологий. Среди них наиболее перспективен рециклинг газовых продуктов, при котором из отработанных смесей получают газовые концентраты, обогащают их и подвергают глубокой очистке с целью вторичного использования целевых продуктов.