argon (Ar) je rijedak plin koji se široko koristi u metalurgiji, zavarivanju, hemijskoj industriji i drugim poljima. Proizvodnja argona se uglavnom oslanja na odvajanje različitih komponenti gasa u vazduhu, jer je koncentracija argona u atmosferi oko 0,93%. Dvije osnovne metode za industrijsku proizvodnju argona su kriogena destilacija i adsorpcija s promjenama tlaka (PSA).

Kriogena destilacija

Kriogena destilacija je najčešće korištena metoda za odvajanje argona u industriji. Ova metoda koristi razlike u tačkama ključanja različitih gasnih komponenti u vazduhu, ukapljuje vazduh na niskim temperaturama i odvaja gasove kroz destilacioni stub.

Tok procesa:

Predtretman vazduha: Prvo se zrak komprimira i u početku hladi kako bi se uklonila vlaga i ugljični dioksid. Ovaj korak se obično postiže upotrebom sušilice (CD) ili adsorbera molekulskog sita za uklanjanje vlage i nečistoća.

Kompresija i hlađenje zraka: Nakon sušenja, zrak se komprimira na nekoliko megapaskala tlaka, a zatim se hladi kroz uređaj za hlađenje (npr. zračni hladnjak) kako bi se temperatura zraka približila njegovoj tački ukapljivanja. Ovaj proces snižava temperaturu vazduha na -170°C do -180°C.

Ukapljivanje zraka: Ohlađeni zrak prolazi kroz ekspanzioni ventil i ulazi u kolonu za kriogenu destilaciju. Komponente u vazduhu se postepeno odvajaju unutar kolone na osnovu njihovih tačaka ključanja. Azot (N₂) i kiseonik (O₂) se odvajaju na nižim temperaturama, dok argon (Ar) ima tačku ključanja između dušika i kisika (-195,8°C za dušik, -183°C za kiseonik i -185,7°C za argon), sakuplja se u određenim dijelovima kolone.

frakciona destilacija: U destilacionoj koloni tečni vazduh isparava i kondenzuje se na različitim temperaturama, a argon se efikasno odvaja. Izdvojeni argon se zatim sakuplja i dalje pročišćava.

Pročišćavanje argonom:

Kriogena destilacija općenito daje argon čistoće iznad 99%. Za određene primjene (npr. u elektronskoj industriji ili vrhunskoj obradi materijala) može biti potrebno dodatno pročišćavanje korištenjem adsorbenata (kao što su aktivni ugljen ili molekularna sita) za uklanjanje nečistoća u tragovima poput dušika i kisika.

Adsorpcija s promjenama tlaka (PSA)

Adsorpcija s promjenama tlaka (PSA) je još jedna metoda za stvaranje argona, pogodna za proizvodnju manjeg obima. Ova metoda odvaja argon od zraka korištenjem različitih karakteristika adsorpcije različitih plinova na materijalima kao što su molekularna sita.

Tok procesa:

Adsorpcioni toranj: Vazduh prolazi kroz adsorpcioni toranj ispunjen molekularnim sitom, gde se azot i kiseonik snažno adsorbuju od strane molekularnih sita, dok se inertni gasovi poput argona ne adsorbuju, što im omogućava da se odvoje od azota i kiseonika.

Adsorpcija i desorpcija: Tokom jednog ciklusa, adsorpcioni toranj prvo adsorbuje azot i kiseonik iz vazduha pod visokim pritiskom, dok argon izlazi kroz izlaz tornja. Zatim, smanjenjem tlaka, dušik i kisik se desorbiraju iz molekularnih sita, a adsorpcijski kapacitet adsorpcionog tornja se obnavlja regeneracijom promjene tlaka.

Ciklus sa više tornja: Obično se naizmjenično koristi više adsorpcijskih tornjeva—jedan za adsorpciju dok je drugi u desorpciji—omogućava kontinuiranu proizvodnju.

Prednost PSA metode je u tome što ima jednostavnije podešavanje i niže operativne troškove, ali je čistoća proizvedenog argona općenito niža od čistoće kriogene destilacije. Pogodan je za situacije sa nižom potražnjom za argonom.

Argon Purification

Bilo da se koristi kriogena destilacija ili PSA, generirani argon obično sadrži male količine kisika, dušika ili vodene pare. Da bi se poboljšala čistoća argona, obično su potrebni daljnji koraci pročišćavanja:

Kondenzacija nečistoća: Dalje hlađenje argona da se kondenzuje i odvoji neke nečistoće.

Adsorpcija na molekularnom situ: Korištenje visokoučinkovitih adsorbera molekularnog sita za uklanjanje tragova dušika, kisika ili vodene pare. Molekularna sita imaju specifične veličine pora koje mogu selektivno adsorbirati određene molekule plina.

Tehnologija membranskog razdvajanja: U nekim slučajevima, tehnologija membrane za odvajanje plina može se koristiti za odvajanje plinova na temelju selektivne permeacije, čime se dodatno poboljšava čistoća argona.

Mjere opreza za proizvodnju argona na licu mjesta

Sigurnosne mjere:

Kriogena opasnost: Tečni argon je izuzetno hladno, te treba izbjegavati direktan kontakt s njim kako bi se spriječile promrzline. Operateri treba da nose specijalizovanu kriogenu zaštitnu odeću, rukavice i naočare.

Opasnost od gušenja: Argon je inertan gas i može istisnuti kiseonik. U zatvorenim prostorima, curenje argona može dovesti do smanjenja nivoa kiseonika, što rezultira gušenjem. Zbog toga, prostori u kojima se proizvodi i skladišti argon moraju biti dobro provetreni i instalirani sistemi za praćenje kiseonika.

Održavanje opreme:

Kontrola pritiska i temperature: Oprema za proizvodnju argona zahteva strogu kontrolu pritiska i temperature, posebno u koloni za kriogenu destilaciju i adsorpcionim tornjevima. Opremu treba redovno provjeravati kako bi se osiguralo da su svi parametri unutar normalnih raspona.

Prevencija curenja: Budući da sistem argona radi pod visokim pritiskom i niskim temperaturama, integritet zaptivača je ključan. Gasovode, spojeve i ventile treba povremeno provjeravati kako bi se spriječilo curenje plina.

Kontrola čistoće gasa:

Precizno praćenje: Potrebna čistoća argona varira ovisno o primjeni. Analizatore plina treba redovno koristiti kako bi se provjerila čistoća argona i osiguralo da proizvod ispunjava industrijske standarde.

Upravljanje nečistoćama: Konkretno, u kriogenoj destilaciji, na odvajanje argona može uticati dizajn kolone za destilaciju, radni uslovi i efikasnost hlađenja. Dalje prečišćavanje može biti potrebno u zavisnosti od konačne upotrebe argona (npr. argon ultra visoke čistoće za elektronsku industriju).

Upravljanje energetskom efikasnošću:

Potrošnja energije: Kriogena destilacija je energetski intenzivna, tako da treba uložiti napore da se optimiziraju procesi hlađenja i kompresije kako bi se smanjili gubici energije.

Rekuperacija otpadne toplote: Moderna postrojenja za proizvodnju argona često koriste sisteme povrata otpadne topline za povrat hladne energije proizvedene tokom procesa kriogene destilacije, poboljšavajući ukupnu energetsku efikasnost.

U industrijskoj proizvodnji, argon prvenstveno ovisi o metodama kriogene destilacije i adsorpcije s promjenama tlaka. Kriogena destilacija se široko koristi za proizvodnja argona velikih razmera zbog svoje sposobnosti da pruži argon veće čistoće. Posebna pažnja je potrebna tokom proizvodnje kako bi se osigurala sigurnost, održavanje opreme, kontrola čistoće gasa i upravljanje energetskom efikasnošću.