Argon (Ar) je vzácný plyn široce používaný v metalurgii, svařování, chemickém průmyslu a dalších oborech. Výroba argonu spočívá především v oddělování různých složek plynu ve vzduchu, protože koncentrace argonu v atmosféře je asi 0,93 %. Dvěma primárními metodami průmyslové výroby argonu jsou kryogenní destilace a adsorpce s kolísáním tlaku (PSA).

Kryogenní destilace

Kryogenní destilace je nejběžněji používanou metodou pro separaci argonu v průmyslu. Tato metoda využívá rozdílů v bodech varu různých složek plynu ve vzduchu, zkapalňuje vzduch při nízkých teplotách a odděluje plyny přes destilační kolonu.

Průběh procesu:

Předúprava vzduchu: Nejprve se vzduch stlačí a zpočátku ochladí, aby se odstranila vlhkost a oxid uhličitý. Tohoto kroku se typicky dosáhne použitím sušičky (CD) nebo adsorbéru na molekulárním sítu k odstranění vlhkosti a nečistot.

Komprese vzduchu a chlazení: Po vysušení je vzduch stlačen na několik megapascalů tlaku a poté ochlazen chladicím zařízením (např. vzduchovým chladičem), aby se teplota vzduchu přiblížila jeho bodu zkapalnění. Tento proces snižuje teplotu vzduchu na -170°C až -180°C.

Zkapalnění vzduchem: Ochlazený vzduch prochází expanzním ventilem a vstupuje do kryogenní destilační kolony. Složky ve vzduchu se uvnitř kolony postupně oddělují na základě jejich bodů varu. Dusík (N₂) a kyslík (O₂) se oddělují při nižších teplotách, zatímco argon (Ar), mající bod varu mezi dusíkem a kyslíkem (-195,8°C pro dusík, -183°C pro kyslík a -185,7°C pro argon), se shromažďuje ve specifických částech kolony.

Frakční destilace: V destilační koloně se kapalný vzduch odpařuje a kondenzuje při různých teplotách a efektivně se odděluje argon. Oddělený argon se poté shromáždí a dále čistí.

Čištění argonu:

Kryogenní destilací se obecně získá argon s čistotou nad 99 %. Pro určité aplikace (např. v elektronickém průmyslu nebo při zpracování špičkových materiálů) může být vyžadováno další čištění pomocí adsorbentů (jako je aktivní uhlí nebo molekulární síta) k odstranění stopových nečistot, jako je dusík a kyslík.

Adsorpce při kolísání tlaku (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) je další způsob výroby argonu, vhodný pro výrobu v menším měřítku. Tato metoda odděluje argon ze vzduchu využitím různých adsorpčních charakteristik různých plynů na materiálech, jako jsou molekulární síta.

Průběh procesu:

Adsorpční věž: Vzduch prochází adsorpční věží naplněnou molekulárními síty, kde jsou dusík a kyslík silně adsorbovány molekulárními síty, zatímco inertní plyny, jako je argon, adsorbovány nejsou, což jim umožňuje oddělit se od dusíku a kyslíku.

Adsorpce a desorpce: Během jednoho cyklu adsorpční věž nejprve adsorbuje dusík a kyslík ze vzduchu pod vysokým tlakem, zatímco argon vytéká výstupem z věže. Poté snížením tlaku dochází k desorbci dusíku a kyslíku z molekulárních sít a adsorpční kapacita adsorpční věže se obnoví pomocí regenerace kolísáním tlaku.

Cyklus více věží: Typicky se střídavě používá více adsorpčních věží—jeden pro adsorpci, zatímco druhý je v desorpci—umožňující nepřetržitou výrobu.

Výhodou metody PSA je, že má jednodušší nastavení a nižší provozní náklady, ale čistota vyrobeného argonu je obecně nižší než u kryogenní destilace. Je vhodný pro situace s nižší spotřebou argonu.

Čištění argonu

Ať už se používá kryogenní destilace nebo PSA, generovaný argon obvykle obsahuje malé množství kyslíku, dusíku nebo vodní páry. Ke zlepšení čistoty argonu jsou obvykle nutné další kroky čištění:

Kondenzace nečistot: Další chlazení argonu za účelem kondenzace a oddělení některých nečistot.

Adsorpce na molekulárním sítu: Použití vysoce účinných adsorbérů s molekulárním sítem k odstranění stopových množství dusíku, kyslíku nebo vodní páry. Molekulární síta mají specifické velikosti pórů, které mohou selektivně adsorbovat určité molekuly plynu.

Technologie oddělování membrán: V některých případech lze k separaci plynů na základě selektivní permeace použít technologii membrány pro separaci plynů, což dále zvyšuje čistotu argonu.

Opatření pro výrobu argonu na místě

Bezpečnostní opatření:

Kryogenní nebezpečí: Tekutý argon je extrémně chladný a je třeba se vyhnout přímému kontaktu s ním, aby se zabránilo omrzlinám. Operátoři by měli nosit speciální kryogenní ochranný oděv, rukavice a brýle.

Nebezpečí udušení: Argon je inertní plyn a může vytlačovat kyslík. V uzavřených prostorách může únik argonu vést ke snížení hladiny kyslíku, což má za následek udušení. Prostory, kde se vyrábí a skladuje argon, musí být proto dobře větrané a měly by být instalovány systémy monitorování kyslíku.

Údržba zařízení:

Regulace tlaku a teploty: Zařízení na výrobu argonu vyžaduje přísnou kontrolu tlaku a teploty, zejména v kryogenní destilační koloně a adsorpčních věžích. Zařízení by mělo být pravidelně kontrolováno, aby se zajistilo, že všechny parametry jsou v normálním rozmezí.

Prevence úniku: Protože argonový systém pracuje pod vysokým tlakem a nízkými teplotami, je integrita těsnění zásadní. Plynová potrubí, spoje a ventily by měly být pravidelně kontrolovány, aby se zabránilo únikům plynu.

Kontrola čistoty plynu:

Přesné sledování: Požadovaná čistota argonu se liší v závislosti na aplikaci. Analyzátory plynu by se měly pravidelně používat ke kontrole čistoty argonu a zajištění, že produkt splňuje průmyslové normy.

Správa nečistot: Zejména při kryogenní destilaci může být separace argonu ovlivněna konstrukcí destilační kolony, provozními podmínkami a účinností chlazení. Další čištění může být nezbytné v závislosti na konečném použití argonu (např. argon s ultravysokou čistotou pro elektronický průmysl).

Řízení energetické účinnosti:

Spotřeba energie: Kryogenní destilace je energeticky náročná, proto by se mělo vyvinout úsilí k optimalizaci procesů chlazení a komprese, aby se minimalizovaly energetické ztráty.

Rekuperace odpadního tepla: Moderní zařízení na výrobu argonu často využívají systémy rekuperace odpadního tepla k rekuperaci studené energie vyrobené během procesu kryogenní destilace, čímž se zlepšuje celková energetická účinnost.

V průmyslové výrobě závisí argon především na metodách kryogenní destilace a adsorpce s kolísáním tlaku. Kryogenní destilace je široce používána pro velkovýroba argonu díky své schopnosti poskytovat vyšší čistotu argonu. Během výroby je třeba věnovat zvláštní pozornost zajištění bezpečnosti, údržby zařízení, řízení čistoty plynu a řízení energetické účinnosti.