Argon (Ar) er en sjælden gas, der er meget udbredt inden for metallurgi, svejsning, kemisk industri og andre områder. Produktionen af ​​argon er hovedsageligt afhængig af at adskille de forskellige gaskomponenter i luften, da koncentrationen af ​​argon i atmosfæren er omkring 0,93 %. De to primære metoder til industriel argonproduktion er Cryogenic Destillation og Pressure Swing Adsorption (PSA).

Kryogen destillation

Kryogen destillation er den mest almindeligt anvendte metode til argon-separation i industrien. Denne metode udnytter forskellene i kogepunkter for forskellige gaskomponenter i luften, gør luften flydende ved lave temperaturer og adskiller gasserne gennem en destillationskolonne.

Procesflow:

Luftforbehandling: Først komprimeres luften og indledningsvis afkøles for at fjerne fugt og kuldioxid. Dette trin opnås typisk ved at bruge en tørretumbler (CD) eller molekylsigteadsorber til at fjerne fugt og urenheder.

Luftkompression og køling: Efter tørring komprimeres luften til adskillige megapascal tryk og afkøles derefter gennem en køleanordning (f.eks. en luftkøler) for at bringe lufttemperaturen tæt på dets fortætningspunkt. Denne proces sænker lufttemperaturen til -170°C til -180°C.

Luftvæske: Den afkølede luft passerer gennem en ekspansionsventil og kommer ind i en kryogen destillationskolonne. Komponenterne i luften adskilles gradvist inde i kolonnen baseret på deres kogepunkter. Nitrogen (N₂) og oxygen (O₂) separeres ved lavere temperaturer, mens argon (Ar), har et kogepunkt mellem nitrogen og oxygen (-195,8).°C for nitrogen, -183°C for oxygen og -185,7°C for argon), opsamles i specifikke sektioner af kolonnen.

Fraktioneret destillation: I destillationskolonnen fordamper og kondenserer flydende luft ved forskellige temperaturer, og argon adskilles effektivt. Det separerede argon opsamles derefter og oprenses yderligere.

Argon rensning:

Kryogen destillation giver generelt argon med en renhed på over 99%. Til visse applikationer (f.eks. i elektronikindustrien eller high-end materialebehandling) kan yderligere rensning være påkrævet ved hjælp af adsorbenter (såsom aktivt kul eller molekylsigter) for at fjerne sporurenheder som nitrogen og oxygen.

Pressure Swing Adsorption (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) er en anden metode til at generere argon, velegnet til produktion i mindre skala. Denne metode adskiller argon fra luften ved at udnytte de forskellige adsorptionsegenskaber af forskellige gasser på materialer som molekylsigter.

Procesflow:

Adsorptionstårn: Luften passerer gennem et adsorptionstårn fyldt med molekylsigter, hvor nitrogen og ilt absorberes kraftigt af molekylsigterne, mens inerte gasser som argon ikke adsorberes, hvilket tillader dem at adskille sig fra nitrogen og ilt.

Adsorption og desorption: I løbet af en cyklus adsorberer adsorptionstårnet først nitrogen og ilt fra luften under højt tryk, mens argon strømmer ud gennem tårnets udløb. Derefter, ved at reducere trykket, desorberer nitrogen og oxygen fra molekylsigterne, og adsorptionstårnets adsorptionskapacitet genoprettes gennem tryksvingsregenerering.

Multi-Tower cyklus: Typisk bruges flere adsorptionstårne ​​skiftevis—en til adsorption, mens den anden er i desorption—muliggør kontinuerlig produktion.

Fordelen ved PSA-metoden er, at den har en enklere opsætning og lavere driftsomkostninger, men renheden af ​​det producerede argon er generelt lavere end ved kryogen destillation. Den er velegnet til situationer med lavere argonbehov.

Argon rensning

Uanset om der bruges kryogen destillation eller PSA, indeholder det genererede argon normalt små mængder oxygen, nitrogen eller vanddamp. For at forbedre renheden af ​​argon kræves der typisk yderligere oprensningstrin:

Kondensering af urenheder: Yderligere afkøling af argon for at kondensere og udskille nogle urenheder.

Molekylær sigteadsorption: Brug af højeffektive molekylsigter til at fjerne spormængder af nitrogen, oxygen eller vanddamp. Molekylsigter har specifikke porestørrelser, som selektivt kan adsorbere visse gasmolekyler.

Membranseparationsteknologi: I nogle tilfælde kan gasseparationsmembranteknologi bruges til at adskille gasser baseret på selektiv permeation, hvilket yderligere forbedrer renheden af ​​argon.

Forholdsregler for on-site argonproduktion

Sikkerhedsforanstaltninger:

Kryogen fare: Flydende argon er ekstremt koldt, og direkte kontakt med det bør undgås for at forhindre forfrysninger. Operatører bør bære specialiseret kryogen beskyttelsestøj, handsker og beskyttelsesbriller.

Kvælningsfare: Argon er en inert gas og kan fortrænge ilt. I lukkede rum kan argonlækage føre til et fald i iltniveauet, hvilket resulterer i kvælning. Derfor skal områder, hvor argon produceres og opbevares, være godt ventileret, og der bør installeres iltovervågningssystemer.

Vedligeholdelse af udstyr:

Tryk og temperaturkontrol: Argonproduktionsudstyr kræver streng kontrol af tryk og temperatur, især i den kryogene destillationskolonne og adsorptionstårne. Udstyr bør inspiceres regelmæssigt for at sikre, at alle parametre er inden for normalområdet.

Forebyggelse af lækage: Da argonsystemet fungerer under højt tryk og lave temperaturer, er tætningens integritet afgørende. Gasrørledninger, samlinger og ventiler bør kontrolleres med jævne mellemrum for at forhindre gaslækager.

Gasrenhedskontrol:

Præcisionsovervågning: Den nødvendige renhed af argon varierer afhængigt af anvendelsen. Gasanalysatorer bør bruges regelmæssigt til at kontrollere argonets renhed og sikre, at produktet opfylder industrielle standarder.

Urenhedshåndtering: Især ved kryogen destillation kan adskillelsen af ​​argon blive påvirket af destillationskolonnens design, driftsbetingelser og afkølingseffektivitet. Yderligere oprensning kan være nødvendig afhængig af den endelige anvendelse af argon (f.eks. argon med ultrahøj renhed til elektronikindustrien).

Styring af energieffektivitet:

Energiforbrug: Kryogen destillation er energikrævende, så der bør gøres en indsats for at optimere køle- og kompressionsprocesser for at minimere energitab.

Spildvarmegenvinding: Moderne argonproduktionsfaciliteter bruger ofte spildvarmegenvindingssystemer til at genvinde den kolde energi, der produceres under den kryogene destillationsproces, hvilket forbedrer den samlede energieffektivitet.

I industriel produktion afhænger argon primært af kryogen destillation og tryksvingningsadsorptionsmetoder. Kryogen destillation er meget brugt til storstilet argonproduktion på grund af dets evne til at give højere renhed argon. Der kræves særlig opmærksomhed under produktionen for at sikre sikkerhed, vedligeholdelse af udstyr, kontrol af gasrenhed og energieffektivitetsstyring.