Аргон (Ar) е рядък газ, широко използван в металургията, заваряването, химическата промишленост и други области. Производството на аргон разчита главно на разделянето на различните газови компоненти във въздуха, тъй като концентрацията на аргон в атмосферата е около 0,93%. Двата основни метода за промишлено производство на аргон са криогенна дестилация и адсорбция с промяна на налягането (PSA).

Криогенна дестилация

Криогенната дестилация е най-често използваният метод за отделяне на аргон в индустрията. Този метод използва разликите в точките на кипене на различните газови компоненти във въздуха, втечнява въздуха при ниски температури и разделя газовете през дестилационна колона.

Поток на процеса:

Предварителна обработка на въздуха: Първо, въздухът се компресира и първоначално се охлажда, за да се отстранят влагата и въглеродният диоксид. Тази стъпка обикновено се постига чрез използване на сушилня (CD) или адсорбер с молекулно сито за отстраняване на влагата и примесите.

Въздушна компресия и охлаждане: След изсушаване въздухът се компресира до няколко мегапаскала налягане и след това се охлажда чрез охлаждащо устройство (напр. въздушен охладител), за да се доближи температурата на въздуха до точката му на втечняване. Този процес понижава температурата на въздуха до -170°С до -180°В.

Втечняване на въздуха: Охладеният въздух преминава през разширителен вентил и постъпва в криогенна дестилационна колона. Компонентите във въздуха постепенно се разделят вътре в колоната въз основа на техните точки на кипене. Азот (N₂) и кислород (O₂) се отделят при по-ниски температури, докато аргонът (Ar), имащ точка на кипене между азот и кислород (-195,8°С за азот, -183°С за кислород и -185,7°C за аргон), се събира в определени секции на колоната.

Фракционна дестилация: В дестилационната колона течният въздух се изпарява и кондензира при различни температури, а аргонът се отделя ефективно. След това отделеният аргон се събира и допълнително се пречиства.

Пречистване с аргон:

Криогенната дестилация обикновено дава аргон с чистота над 99%. За определени приложения (напр. в електронната промишленост или висококачествена обработка на материали) може да се наложи допълнително пречистване с помощта на адсорбенти (като активен въглен или молекулярни сита) за отстраняване на следи от примеси като азот и кислород.

Адсорбция при промяна на налягането (PSA)

Адсорбцията с промяна на налягането (PSA) е друг метод за генериране на аргон, подходящ за производство в по-малък мащаб. Този метод отделя аргона от въздуха чрез използване на различните характеристики на адсорбция на различни газове върху материали като молекулярни сита.

Поток на процеса:

Адсорбционна кула: Въздухът преминава през адсорбционна кула, пълна с молекулярни сита, където азотът и кислородът се адсорбират силно от молекулярните сита, докато инертните газове като аргон не се адсорбират, което им позволява да се отделят от азота и кислорода.

Адсорбция и десорбция: По време на един цикъл адсорбционната кула първо адсорбира азот и кислород от въздуха под високо налягане, докато аргонът изтича през изхода на кулата. След това, чрез намаляване на налягането, азотът и кислородът се десорбират от молекулярните сита и адсорбционният капацитет на адсорбционната кула се възстановява чрез регенерация на промяна на налягането.

Цикъл на няколко кули: Обикновено се използват редуващи се множество адсорбционни кули—един за адсорбция, докато другият е в десорбция—което позволява непрекъснато производство.

Предимството на метода PSA е, че има по-проста настройка и по-ниски оперативни разходи, но чистотата на произведения аргон обикновено е по-ниска от тази на криогенната дестилация. Подходящ е за ситуации с по-ниско търсене на аргон.

Пречистване с аргон

Независимо дали се използва криогенна дестилация или PSA, генерираният аргон обикновено съдържа малки количества кислород, азот или водна пара. За да се подобри чистотата на аргона, обикновено са необходими допълнителни стъпки на пречистване:

Кондензация на примеси: Допълнително охлаждане на аргона за кондензиране и отделяне на някои примеси.

Адсорбция на молекулярно сито: Използване на високоефективни адсорбери с молекулярно сито за отстраняване на следи от азот, кислород или водна пара. Молекулярните сита имат специфични размери на порите, които могат селективно да адсорбират определени газови молекули.

Технология за разделяне на мембраната: В някои случаи може да се използва мембранна технология за разделяне на газове за разделяне на газове на базата на селективно проникване, което допълнително повишава чистотата на аргона.

Предпазни мерки при производство на аргон на място

Мерки за безопасност:

Криогенна опасност: Течен аргон е изключително студено и трябва да се избягва директен контакт с него, за да се предотврати измръзване. Операторите трябва да носят специализирано криогенно защитно облекло, ръкавици и очила.

Опасност от задушаване: Аргонът е инертен газ и може да измести кислорода. В затворени пространства изтичането на аргон може да доведе до намаляване на нивата на кислород, което води до задушаване. Поради това зоните, където се произвежда и съхранява аргон, трябва да бъдат добре проветрени и трябва да бъдат инсталирани системи за мониторинг на кислорода.

Поддръжка на оборудването:

Контрол на налягането и температурата: Оборудването за производство на аргон изисква строг контрол на налягането и температурата, особено в колоната за криогенна дестилация и адсорбционните кули. Оборудването трябва да се проверява редовно, за да се гарантира, че всички параметри са в нормални граници.

Предотвратяване на течове: Тъй като аргоновата система работи при високо налягане и ниски температури, целостта на уплътнението е от решаващо значение. Газопроводите, съединенията и клапаните трябва периодично да се проверяват, за да се предотвратят течове на газ.

Контрол на чистотата на газа:

Прецизен мониторинг: Необходимата чистота на аргон варира в зависимост от приложението. Газовите анализатори трябва да се използват редовно, за да се проверява чистотата на аргона и да се гарантира, че продуктът отговаря на индустриалните стандарти.

Управление на примеси: По-специално, при криогенна дестилация, отделянето на аргон може да бъде повлияно от дизайна на дестилационната колона, условията на работа и ефективността на охлаждане. Може да е необходимо допълнително пречистване в зависимост от крайната употреба на аргон (напр. аргон със свръхвисока чистота за електронната индустрия).

Управление на енергийната ефективност:

Консумация на енергия: Криогенната дестилация е енергоемка, така че трябва да се положат усилия за оптимизиране на процесите на охлаждане и компресия, за да се сведе до минимум загубата на енергия.

Възстановяване на отпадна топлина: Съвременните съоръжения за производство на аргон често използват системи за възстановяване на отпадна топлина за възстановяване на студената енергия, произведена по време на процеса на криогенна дестилация, подобрявайки цялостната енергийна ефективност.

В промишленото производство аргонът зависи предимно от методите за криогенна дестилация и адсорбция с промяна на налягането. Криогенната дестилация се използва широко за мащабно производство на аргон поради способността си да осигурява аргон с по-висока чистота. По време на производството се изисква специално внимание за осигуряване на безопасност, поддръжка на оборудването, контрол на чистотата на газа и управление на енергийната ефективност.