الأرجون (آر) هو غاز نادر يستخدم على نطاق واسع في الصناعات المعدنية واللحام والصناعات الكيماوية وغيرها من المجالات. ويعتمد إنتاج الأرجون بشكل أساسي على فصل مكونات الغاز المختلفة الموجودة في الهواء، حيث يبلغ تركيز الأرجون في الغلاف الجوي حوالي 0.93%. الطريقتان الأساسيتان لإنتاج الأرجون الصناعي هما التقطير المبرد والامتصاص المتأرجح بالضغط (PSA).

التقطير المبرد

التقطير المبرد هو الطريقة الأكثر استخدامًا لفصل الأرجون في الصناعة. تستخدم هذه الطريقة الاختلافات في درجات غليان مكونات الغاز المختلفة في الهواء، وتسييل الهواء عند درجات حرارة منخفضة، وفصل الغازات من خلال عمود التقطير.

تدفق العملية:

المعالجة المسبقة للهواء: أولاً، يتم ضغط الهواء وتبريده في البداية لإزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون. يتم تحقيق هذه الخطوة عادة باستخدام مجفف (CD) أو منخل جزيئي لإزالة الرطوبة والشوائب.

ضغط الهواء والتبريد: بعد التجفيف، يتم ضغط الهواء إلى عدة ميجاباسكال من الضغط، ثم يتم تبريده من خلال جهاز تبريد (على سبيل المثال، مبرد الهواء) لجعل درجة حرارة الهواء قريبة من نقطة التميع. تعمل هذه العملية على خفض درجة حرارة الهواء إلى -170°ج إلى -180°ج.

تسييل الهواء: يمر الهواء المبرد عبر صمام التمدد ويدخل إلى عمود التقطير المبرد. ويتم فصل المكونات الموجودة في الهواء تدريجيًا داخل العمود بناءً على نقاط غليانها. النيتروجين (ن₂) والأكسجين (O₂) يتم فصلهما عند درجات حرارة منخفضة، بينما الأرجون (Ar)، لديه نقطة غليان بين النيتروجين والأكسجين (-195.8°C للنيتروجين، -183°C للأكسجين، و-185.7°C للأرجون)، يتم جمعها في أقسام محددة من العمود.

التقطير التجزيئي: في عمود التقطير، يتبخر الهواء السائل ويتكثف عند درجات حرارة مختلفة، ويتم فصل الأرجون بشكل فعال. يتم بعد ذلك جمع الأرجون المنفصل وتنقيته بشكل أكبر.

تنقية الأرجون:

ينتج عن التقطير المبرد عمومًا الأرجون بنقاء أعلى من 99٪. بالنسبة لبعض التطبيقات (على سبيل المثال، في صناعة الإلكترونيات أو معالجة المواد المتطورة)، قد تكون هناك حاجة إلى مزيد من التنقية باستخدام الممتزات (مثل الكربون المنشط أو المناخل الجزيئية) لإزالة الشوائب النزرة مثل النيتروجين والأكسجين.

امتصاص الضغط المتأرجح (PSA)

يعد الامتزاز بتأرجح الضغط (PSA) طريقة أخرى لتوليد الأرجون، وهو مناسب للإنتاج على نطاق أصغر. تفصل هذه الطريقة الأرجون عن الهواء عن طريق الاستفادة من خصائص الامتزاز المختلفة للغازات المختلفة على مواد مثل المناخل الجزيئية.

تدفق العملية:

برج الامتزاز: يمر الهواء عبر برج امتزاز مملوء بالمناخل الجزيئية، حيث يتم امتصاص النيتروجين والأكسجين بقوة بواسطة المناخل الجزيئية، في حين لا يتم امتصاص الغازات الخاملة مثل الأرجون، مما يسمح لها بالفصل عن النيتروجين والأكسجين.

الامتزاز والامتزاز: خلال دورة واحدة، يقوم برج الامتزاز أولاً بامتصاص النيتروجين والأكسجين من الهواء تحت ضغط عالٍ، بينما يتدفق الأرجون عبر منفذ البرج. بعد ذلك، عن طريق تقليل الضغط، يتم امتصاص النيتروجين والأكسجين من المناخل الجزيئية، ويتم استعادة قدرة الامتصاص لبرج الامتزاز من خلال تجديد تأرجح الضغط.

دورة متعددة الأبراج: عادة، يتم استخدام أبراج امتصاص متعددة بالتناوب—واحد للامتزاز بينما الآخر في الامتزاز—السماح بالإنتاج المستمر.

وتتمثل ميزة طريقة PSA في أنها تحتوي على إعداد أبسط وتكاليف تشغيل أقل، ولكن نقاء الأرجون المنتج أقل عمومًا من نقاء التقطير المبرد. إنها مناسبة للحالات التي يكون فيها الطلب أقل على الأرجون.

تنقية الأرجون

سواء باستخدام التقطير المبرد أو PSA، عادة ما يحتوي الأرجون الناتج على كميات صغيرة من الأكسجين أو النيتروجين أو بخار الماء. لتحسين نقاء الأرجون، عادة ما تكون خطوات التنقية الإضافية مطلوبة:

تكثيف الشوائب: مزيد من التبريد للأرجون لتكثيف وفصل بعض الشوائب.

امتزاز المنخل الجزيئي: استخدام منخل جزيئي عالي الكفاءة لإزالة كميات ضئيلة من النيتروجين أو الأكسجين أو بخار الماء. تحتوي المناخل الجزيئية على أحجام مسام محددة يمكنها امتصاص جزيئات غاز معينة بشكل انتقائي.

تكنولوجيا فصل الغشاء: في بعض الحالات، يمكن استخدام تكنولوجيا غشاء فصل الغاز لفصل الغازات على أساس النفاذ الانتقائي، مما يزيد من تعزيز نقاء الأرجون.

الاحتياطات اللازمة لإنتاج الأرجون في الموقع

تدابير السلامة:

خطر التبريد: الأرجون السائل بارد للغاية، وينبغي تجنب الاتصال المباشر به لمنع قضمة الصقيع. يجب على المشغلين ارتداء الملابس الواقية المبردة المتخصصة والقفازات والنظارات الواقية.

خطر الاختناق: الأرجون هو غاز خامل ويمكن أن يحل محل الأكسجين. وفي الأماكن المغلقة، يمكن أن يؤدي تسرب الأرجون إلى انخفاض مستويات الأكسجين، مما يؤدي إلى الاختناق. ولذلك، فإن المناطق التي يتم فيها إنتاج وتخزين الأرجون تحتاج إلى تهوية جيدة، ويجب تركيب أنظمة مراقبة الأكسجين.

صيانة المعدات:

التحكم في الضغط ودرجة الحرارة: تتطلب معدات إنتاج الأرجون رقابة صارمة على الضغط ودرجة الحرارة، وخاصة في عمود التقطير المبرد وأبراج الامتزاز. يجب فحص المعدات بانتظام للتأكد من أن جميع المعلمات ضمن النطاقات الطبيعية.

منع التسرب: نظرًا لأن نظام الأرجون يعمل تحت ضغط عالٍ ودرجات حرارة منخفضة، فإن سلامة الختم أمر بالغ الأهمية. يجب فحص خطوط أنابيب الغاز والمفاصل والصمامات بشكل دوري لمنع تسرب الغاز.

التحكم في نقاء الغاز:

مراقبة الدقة: يختلف نقاء الأرجون المطلوب حسب التطبيق. يجب استخدام أجهزة تحليل الغاز بانتظام للتحقق من نقاء الأرجون والتأكد من أن المنتج يلبي المعايير الصناعية.

إدارة الشوائب: على وجه الخصوص، في التقطير المبرد، قد يتأثر فصل الأرجون بتصميم عمود التقطير، وظروف التشغيل، وفعالية التبريد. قد يكون من الضروري إجراء مزيد من التنقية اعتمادًا على الاستخدام النهائي للأرجون (على سبيل المثال، الأرجون عالي النقاء لصناعة الإلكترونيات).

إدارة كفاءة الطاقة:

استهلاك الطاقة: التقطير المبرد يستهلك الكثير من الطاقة، لذلك ينبغي بذل الجهود لتحسين عمليات التبريد والضغط لتقليل فقدان الطاقة.

استعادة الحرارة المهدرة: غالبًا ما تستخدم مرافق إنتاج الأرجون الحديثة أنظمة استعادة الحرارة المهدرة لاستعادة الطاقة الباردة المنتجة أثناء عملية التقطير المبرد، مما يحسن كفاءة الطاقة بشكل عام.

في الإنتاج الصناعي، يعتمد الأرجون بشكل أساسي على التقطير المبرد وطرق الامتزاز بالضغط المتأرجح. يستخدم التقطير المبرد على نطاق واسع إنتاج الأرجون على نطاق واسع بسبب قدرته على توفير الأرجون بدرجة نقاء أعلى. ويتطلب الأمر اهتمامًا خاصًا أثناء الإنتاج لضمان السلامة وصيانة المعدات والتحكم في نقاء الغاز وإدارة كفاءة الطاقة.