Argon (Ar) ist ein Edelgas, das in der Metallurgie, beim Schweißen, in der chemischen Industrie und in anderen Bereichen weit verbreitet ist. Die Herstellung von Argon beruht hauptsächlich auf der Trennung der verschiedenen Gaskomponenten in der Luft, da die Konzentration von Argon in der Atmosphäre etwa 0,93 % beträgt. Die beiden wichtigsten Methoden zur industriellen Argonproduktion sind kryogene Destillation und Druckwechseladsorption (PSA).

Kryogene Destillation

Die kryogene Destillation ist die in der Industrie am häufigsten verwendete Methode zur Argonabtrennung. Diese Methode nutzt die Siedepunktunterschiede verschiedener Gaskomponenten in der Luft aus, verflüssigt die Luft bei niedrigen Temperaturen und trennt die Gase über eine Destillationskolonne.

Prozessablauf:

Luftvorbehandlung: Zunächst wird die Luft komprimiert und zunächst abgekühlt, um Feuchtigkeit und Kohlendioxid zu entfernen. Dieser Schritt wird typischerweise durch den Einsatz eines Trockners (CD) oder eines Molekularsiebadsorbers zur Entfernung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen erreicht.

Luftkompression und Kühlung: Nach dem Trocknen wird die Luft auf einen Druck von mehreren Megapascal komprimiert und dann durch ein Kühlgerät (z. B. einen Luftkühler) abgekühlt, um die Lufttemperatur nahe an ihren Verflüssigungspunkt zu bringen. Dieser Prozess senkt die Lufttemperatur auf -170°C bis -180°C.

Luftverflüssigung: Die gekühlte Luft strömt durch ein Expansionsventil und gelangt in eine kryogene Destillationskolonne. Die Bestandteile der Luft werden innerhalb der Säule nach und nach anhand ihrer Siedepunkte getrennt. Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) werden bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden, während Argon (Ar) einen Siedepunkt zwischen Stickstoff und Sauerstoff hat (-195,8).°C für Stickstoff, -183°C für Sauerstoff und -185,7°C für Argon) wird in bestimmten Abschnitten der Kolonne gesammelt.

Fraktionierte Destillation: In der Destillationskolonne verdampft und kondensiert flüssige Luft bei unterschiedlichen Temperaturen und Argon wird effektiv abgetrennt. Das abgetrennte Argon wird dann gesammelt und weiter gereinigt.

Argonreinigung:

Die kryogene Destillation liefert im Allgemeinen Argon mit einer Reinheit von über 99 %. Für bestimmte Anwendungen (z. B. in der Elektronikindustrie oder bei der Verarbeitung hochwertiger Materialien) kann eine weitere Reinigung mithilfe von Adsorbentien (z. B. Aktivkohle oder Molekularsieben) erforderlich sein, um Spurenverunreinigungen wie Stickstoff und Sauerstoff zu entfernen.

Druckwechseladsorption (PSA)

Die Druckwechseladsorption (PSA) ist eine weitere Methode zur Argonerzeugung, die sich für die Produktion im kleineren Maßstab eignet. Bei dieser Methode wird Argon aus der Luft abgetrennt, indem die unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften verschiedener Gase auf Materialien wie Molekularsieben genutzt werden.

Prozessablauf:

Adsorptionsturm: Die Luft strömt durch einen mit Molekularsieben gefüllten Adsorptionsturm, in dem Stickstoff und Sauerstoff von den Molekularsieben stark adsorbiert werden, während Inertgase wie Argon nicht adsorbiert werden und sich von Stickstoff und Sauerstoff trennen können.

Adsorption und Desorption: Während eines Zyklus adsorbiert der Adsorptionsturm zunächst unter hohem Druck Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft, während Argon durch den Auslass des Turms ausströmt. Anschließend desorbieren Stickstoff und Sauerstoff aus den Molekularsieben, indem der Druck verringert wird, und die Adsorptionskapazität des Adsorptionsturms wird durch Druckwechselregeneration wiederhergestellt.

Multi-Tower-Zyklus: Typischerweise werden mehrere Adsorptionstürme abwechselnd verwendet—einer dient der Adsorption, der andere dient der Desorption—eine kontinuierliche Produktion ermöglichen.

Der Vorteil der PSA-Methode besteht darin, dass sie einen einfacheren Aufbau und geringere Betriebskosten aufweist, die Reinheit des erzeugten Argons jedoch im Allgemeinen geringer ist als die der kryogenen Destillation. Es eignet sich für Situationen mit geringerem Argonbedarf.

Argonreinigung

Unabhängig davon, ob kryogene Destillation oder PSA verwendet wird, enthält das erzeugte Argon normalerweise geringe Mengen an Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserdampf. Um die Reinheit von Argon zu verbessern, sind typischerweise weitere Reinigungsschritte erforderlich:

Kondensation von Verunreinigungen: Weitere Abkühlung des Argons, um einige Verunreinigungen zu kondensieren und abzutrennen.

Molekularsiebadsorption: Einsatz hocheffizienter Molekularsieb-Adsorber zur Entfernung von Spurenmengen an Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf. Molekularsiebe haben spezifische Porengrößen, die bestimmte Gasmoleküle selektiv adsorbieren können.

Membrantrenntechnologie: In einigen Fällen kann die Gastrennmembrantechnologie zur Trennung von Gasen auf der Grundlage selektiver Permeation eingesetzt werden, wodurch die Reinheit von Argon weiter verbessert wird.

Vorsichtsmaßnahmen für die Argonproduktion vor Ort

Sicherheitsmaßnahmen:

Kryogene Gefahr: Flüssiges Argon Da es extrem kalt ist, sollte der direkte Kontakt damit vermieden werden, um Erfrierungen vorzubeugen. Bediener sollten spezielle kryogene Schutzkleidung, Handschuhe und Schutzbrillen tragen.

Erstickungsgefahr: Argon ist ein Edelgas und kann Sauerstoff verdrängen. In geschlossenen Räumen kann das Austreten von Argon zu einem Abfall des Sauerstoffgehalts und damit zur Erstickung führen. Daher müssen Bereiche, in denen Argon produziert und gelagert wird, gut belüftet sein und Sauerstoffüberwachungssysteme installiert werden.

Gerätewartung:

Druck- und Temperaturregelung: Anlagen zur Argonproduktion erfordern eine strenge Kontrolle von Druck und Temperatur, insbesondere in der kryogenen Destillationskolonne und den Adsorptionstürmen. Die Ausrüstung sollte regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass alle Parameter im normalen Bereich liegen.

Leckageprävention: Da das Argonsystem unter hohem Druck und niedrigen Temperaturen arbeitet, ist die Integrität der Dichtung von entscheidender Bedeutung. Gasleitungen, Verbindungen und Ventile sollten regelmäßig überprüft werden, um Gaslecks zu verhindern.

Kontrolle der Gasreinheit:

Präzisionsüberwachung: Die erforderliche Reinheit des Argons variiert je nach Anwendung. Gasanalysatoren sollten regelmäßig verwendet werden, um die Reinheit des Argons zu überprüfen und sicherzustellen, dass das Produkt den Industriestandards entspricht.

Verunreinigungsmanagement: Insbesondere bei der kryogenen Destillation kann die Abtrennung von Argon durch das Design der Destillationskolonne, die Betriebsbedingungen und die Wirksamkeit der Kühlung beeinflusst werden. Abhängig von der endgültigen Verwendung von Argon kann eine weitere Reinigung erforderlich sein (z. B. ultrahochreines Argon für die Elektronikindustrie).

Energieeffizienzmanagement:

Energieverbrauch: Die kryogene Destillation ist energieintensiv, daher sollten Anstrengungen unternommen werden, die Kühl- und Kompressionsprozesse zu optimieren, um den Energieverlust zu minimieren.

Abwärmerückgewinnung: Moderne Argonproduktionsanlagen nutzen häufig Abwärmerückgewinnungssysteme, um die während des kryogenen Destillationsprozesses erzeugte Kälteenergie zurückzugewinnen und so die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern.

In der industriellen Produktion kommt es bei Argon vor allem auf kryogene Destillation und Druckwechseladsorptionsverfahren an. Die kryogene Destillation wird häufig verwendet Argonproduktion im großen Maßstab aufgrund seiner Fähigkeit, Argon mit höherer Reinheit bereitzustellen. Während der Produktion ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich, um Sicherheit, Gerätewartung, Kontrolle der Gasreinheit und Energieeffizienzmanagement zu gewährleisten.