Argó (Ar) és un gas rar molt utilitzat en la metal·lúrgia, la soldadura, les indústries químiques i altres camps. La producció d'argó depèn principalment de la separació dels diferents components gasosos de l'aire, ja que la concentració d'argó a l'atmosfera és d'uns 0,93%. Els dos mètodes principals per a la producció d'argó industrial són la destil·lació criogènica i l'adsorció de canvi de pressió (PSA).

Destil·lació criogènica

La destil·lació criogènica és el mètode més utilitzat per a la separació d'argó a la indústria. Aquest mètode utilitza les diferències de punts d'ebullició de diversos components de gas a l'aire, liqua l'aire a baixes temperatures i separa els gasos a través d'una columna de destil·lació.

Flux del procés:

Pretractament de l'aire: En primer lloc, l'aire es comprimeix i es refreda inicialment per eliminar la humitat i el diòxid de carboni. Aquest pas normalment s'aconsegueix mitjançant l'ús d'un assecador (CD) o un absorbent de garbell molecular per eliminar la humitat i les impureses.

Compressió i refrigeració d'aire: Després de l'assecat, l'aire es comprimeix a diversos megapascals de pressió i després es refreda mitjançant un dispositiu de refrigeració (per exemple, un refrigerador d'aire) per apropar la temperatura de l'aire al seu punt de liqüefacció. Aquest procés redueix la temperatura de l'aire a -170°C a -180°C.

Liqüefacció de l'aire: L'aire refrigerat passa per una vàlvula d'expansió i entra a una columna de destil·lació criogènica. Els components de l'aire es separen gradualment dins de la columna en funció dels seus punts d'ebullició. Nitrogen (N₂) i oxigen (O₂) es separen a temperatures més baixes, mentre que l'argó (Ar), té un punt d'ebullició entre nitrogen i oxigen (-195,8).°C per nitrogen, -183°C per a l'oxigen, i -185,7°C per argó), es recull en seccions específiques de la columna.

Destil·lació fraccionada: A la columna de destil·lació, l'aire líquid s'evapora i es condensa a diferents temperatures, i l'argó es separa efectivament. Després es recull l'argó separat i es purifica més.

Purificació d'argó:

La destil·lació criogènica generalment produeix argó amb una puresa superior al 99%. Per a determinades aplicacions (per exemple, a la indústria electrònica o al processament de materials de gamma alta), pot ser necessari una purificació addicional utilitzant adsorbents (com ara carbó actiu o tamisos moleculars) per eliminar traces d'impureses com el nitrogen i l'oxigen.

Adsorció de canvi de pressió (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) és un altre mètode per generar argó, adequat per a la producció a menor escala. Aquest mètode separa l'argó de l'aire utilitzant les diferents característiques d'adsorció de diversos gasos en materials com ara garbells moleculars.

Flux del procés:

Torre d'adsorció: L'aire passa per una torre d'adsorció plena de tamisos moleculars, on el nitrogen i l'oxigen són fortament adsorbits pels tamisos moleculars, mentre que els gasos inerts com l'argó no s'adsorbeixen, cosa que els permet separar-se del nitrogen i l'oxigen.

Adsorció i desorció: Durant un cicle, la torre d'adsorció primer adsorbeix nitrogen i oxigen de l'aire a alta pressió, mentre que l'argó surt per la sortida de la torre. Aleshores, reduint la pressió, el nitrogen i l'oxigen es desorbeixen dels tamisos moleculars, i la capacitat d'adsorció de la torre d'adsorció es restaura mitjançant la regeneració de la pressió.

Cicle de múltiples torres: Normalment, s'utilitzen múltiples torres d'adsorció alternativament—un per adsorció mentre que l'altre està en desorció—permetent una producció contínua.

L'avantatge del mètode PSA és que té una configuració més senzilla i uns costos operatius més baixos, però la puresa de l'argó produït és generalment inferior a la de la destil·lació criogènica. És adequat per a situacions amb menor demanda d'argó.

Purificació d'argó

Tant si s'utilitza destil·lació criogènica com PSA, l'argó generat sol contenir petites quantitats d'oxigen, nitrogen o vapor d'aigua. Per millorar la puresa de l'argó, normalment es requereixen passos de purificació addicionals:

Condensació d'impureses: Refredament addicional de l'argó per condensar i separar algunes impureses.

Adsorció del tamís molecular: Ús d'adsorbents de tamís moleculars d'alta eficiència per eliminar traces de nitrogen, oxigen o vapor d'aigua. Els tamisos moleculars tenen mides de porus específiques que poden adsorbir selectivament determinades molècules de gas.

Tecnologia de separació de membrana: En alguns casos, la tecnologia de membrana de separació de gasos es pot utilitzar per separar gasos basats en la permeació selectiva, millorant encara més la puresa de l'argó.

Precaucions per a la producció d'argó in situ

Mesures de seguretat:

Perill criogènic: Argó líquid fa molt fred, i s'ha d'evitar el contacte directe amb ella per evitar les congelacions. Els operadors han de portar roba especialitzada de protecció criogènica, guants i ulleres protectores.

Perill d'asfíxia: L'argó és un gas inert i pot desplaçar l'oxigen. En espais tancats, les fuites d'argó poden provocar una disminució dels nivells d'oxigen, donant lloc a asfíxia. Per tant, les zones on es produeix i emmagatzema argó han d'estar ben ventilades i s'han d'instal·lar sistemes de control d'oxigen.

Manteniment d'equips:

Control de pressió i temperatura: Els equips de producció d'argó requereixen un control estricte de la pressió i la temperatura, especialment a la columna de destil·lació criogènica i les torres d'adsorció. L'equip s'ha de revisar periòdicament per assegurar-se que tots els paràmetres es troben dins dels rangs normals.

Prevenció de fuites: Com que el sistema d'argó funciona a alta pressió i baixes temperatures, la integritat del segell és crucial. Els gasoductes, les juntes i les vàlvules s'han de revisar periòdicament per evitar fuites de gas.

Control de puresa del gas:

Monitorització de precisió: La puresa de l'argó requerida varia segons l'aplicació. Els analitzadors de gas s'han d'utilitzar regularment per comprovar la puresa de l'argó i assegurar-se que el producte compleix els estàndards industrials.

Gestió d'impureses: En particular, en la destil·lació criogènica, la separació de l'argó es pot veure afectada pel disseny de la columna de destil·lació, les condicions de funcionament i l'eficàcia de refrigeració. Pot ser necessària una purificació addicional en funció de l'ús final d'argó (per exemple, argó d'alta puresa per a la indústria electrònica).

Gestió de l'eficiència energètica:

Consum d'energia: La destil·lació criogènica consumeix molta energia, per la qual cosa s'han de fer esforços per optimitzar els processos de refrigeració i compressió per minimitzar la pèrdua d'energia.

Recuperació de calor residual: Les instal·lacions modernes de producció d'argó sovint utilitzen sistemes de recuperació de calor residual per recuperar l'energia freda produïda durant el procés de destil·lació criogènica, millorant l'eficiència energètica general.

En la producció industrial, l'argó depèn principalment de la destil·lació criogènica i dels mètodes d'adsorció de canvi de pressió. La destil·lació criogènica s'utilitza àmpliament producció d'argó a gran escala a causa de la seva capacitat de proporcionar argó de major puresa. Es requereix una atenció especial durant la producció per garantir la seguretat, el manteniment dels equips, el control de la puresa del gas i la gestió de l'eficiència energètica.