Αργό (Ar) είναι ένα σπάνιο αέριο που χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία, τη συγκόλληση, τις χημικές βιομηχανίες και άλλους τομείς. Η παραγωγή αργού βασίζεται κυρίως στον διαχωρισμό των διαφορετικών συστατικών αερίων στον αέρα, καθώς η συγκέντρωση αργού στην ατμόσφαιρα είναι περίπου 0,93%. Οι δύο κύριες μέθοδοι για τη βιομηχανική παραγωγή αργού είναι η κρυογενική απόσταξη και η προσρόφηση αιώρησης πίεσης (PSA).

Κρυογενική Απόσταξη

Η κρυογονική απόσταξη είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος διαχωρισμού αργού στη βιομηχανία. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί τις διαφορές στα σημεία βρασμού των διαφόρων συστατικών αερίων στον αέρα, υγροποιεί τον αέρα σε χαμηλές θερμοκρασίες και διαχωρίζει τα αέρια μέσω μιας στήλης απόσταξης.

Ροή διαδικασίας:

Προεπεξεργασία αέρα: Αρχικά, ο αέρας συμπιέζεται και αρχικά ψύχεται για να αφαιρεθεί η υγρασία και το διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το βήμα συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ξηραντήρα (CD) ή ενός προσροφητή μοριακού κόσκινου για την αφαίρεση της υγρασίας και των ακαθαρσιών.

Συμπίεση και ψύξη αέρα: Μετά την ξήρανση, ο αέρας συμπιέζεται σε αρκετά μεγαπασκάλ πίεσης και στη συνέχεια ψύχεται μέσω μιας συσκευής ψύξης (π.χ. ψύκτη αέρα) για να φέρει τη θερμοκρασία του αέρα κοντά στο σημείο ρευστοποίησής του. Αυτή η διαδικασία μειώνει τη θερμοκρασία του αέρα στους -170°C έως -180°ΝΤΟ.

Υγροποίηση αέρα: Ο ψυχρός αέρας διέρχεται από μια βαλβίδα εκτόνωσης και εισέρχεται σε μια στήλη κρυογονικής απόσταξης. Τα συστατικά στον αέρα διαχωρίζονται σταδιακά μέσα στη στήλη με βάση τα σημεία βρασμού τους. Άζωτο (Ν₂) και οξυγόνο (Ο₂) διαχωρίζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ενώ το αργό (Ar), με σημείο βρασμού μεταξύ αζώτου και οξυγόνου (-195,8°C για άζωτο, -183°C για το οξυγόνο και -185,7°C για αργό), συλλέγεται σε συγκεκριμένα τμήματα της στήλης.

Κλασματική απόσταξη: Στη στήλη απόσταξης, ο υγρός αέρας εξατμίζεται και συμπυκνώνεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και το αργό διαχωρίζεται αποτελεσματικά. Το διαχωρισμένο αργό στη συνέχεια συλλέγεται και καθαρίζεται περαιτέρω.

Καθαρισμός αργού:

Η κρυογονική απόσταξη γενικά αποδίδει αργό με καθαρότητα άνω του 99%. Για ορισμένες εφαρμογές (π.χ. στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών ή στην επεξεργασία υλικών υψηλής ποιότητας), μπορεί να απαιτείται περαιτέρω καθαρισμός με τη χρήση προσροφητικών ουσιών (όπως ενεργός άνθρακας ή μοριακά κόσκινα) για την απομάκρυνση ιχνών ακαθαρσιών όπως άζωτο και οξυγόνο.

Προσρόφηση ταλάντωσης πίεσης (PSA)

Η προσρόφηση ταλάντωσης πίεσης (PSA) είναι μια άλλη μέθοδος για την παραγωγή αργού, κατάλληλη για παραγωγή μικρότερης κλίμακας. Αυτή η μέθοδος διαχωρίζει το αργό από τον αέρα χρησιμοποιώντας τα διαφορετικά χαρακτηριστικά προσρόφησης διαφόρων αερίων σε υλικά όπως τα μοριακά κόσκινα.

Ροή διαδικασίας:

Πύργος Προσρόφησης: Ο αέρας διέρχεται από έναν πύργο προσρόφησης γεμάτο με μοριακά κόσκινα, όπου το άζωτο και το οξυγόνο απορροφώνται έντονα από τα μοριακά κόσκινα, ενώ αδρανή αέρια όπως το αργό δεν απορροφώνται, επιτρέποντάς τους να διαχωριστούν από το άζωτο και το οξυγόνο.

Προσρόφηση και εκρόφηση: Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου, ο πύργος προσρόφησης πρώτα απορροφά άζωτο και οξυγόνο από τον αέρα υπό υψηλή πίεση, ενώ το αργό ρέει έξω από την έξοδο του πύργου. Στη συνέχεια, μειώνοντας την πίεση, το άζωτο και το οξυγόνο εκροφούνται από τα μοριακά κόσκινα και η ικανότητα προσρόφησης του πύργου προσρόφησης αποκαθίσταται μέσω της αναγέννησης της ταλάντευσης πίεσης.

Κύκλος πολλαπλών πύργων: Τυπικά, πολλαπλοί πύργοι προσρόφησης χρησιμοποιούνται εναλλάξ—το ένα για προσρόφηση ενώ το άλλο είναι σε εκρόφηση—επιτρέποντας τη συνεχή παραγωγή.

Το πλεονέκτημα της μεθόδου PSA είναι ότι έχει απλούστερη εγκατάσταση και χαμηλότερο λειτουργικό κόστος, αλλά η καθαρότητα του παραγόμενου αργού είναι γενικά χαμηλότερη από αυτή της κρυογονικής απόσταξης. Είναι κατάλληλο για καταστάσεις με χαμηλότερη ζήτηση αργού.

Καθαρισμός αργού

Είτε χρησιμοποιείται κρυογονική απόσταξη είτε PSA, το παραγόμενο αργό συνήθως περιέχει μικρές ποσότητες οξυγόνου, αζώτου ή υδρατμών. Για να βελτιωθεί η καθαρότητα του αργού, απαιτούνται συνήθως περαιτέρω βήματα καθαρισμού:

Συμπύκνωση ακαθαρσιών: Περαιτέρω ψύξη του αργού για συμπύκνωση και διαχωρισμό ορισμένων ακαθαρσιών.

Προσρόφηση μοριακού κόσκινου: Χρησιμοποιώντας προσροφητές μοριακού κόσκινου υψηλής απόδοσης για την αφαίρεση ιχνών ποσοτήτων αζώτου, οξυγόνου ή υδρατμών. Τα μοριακά κόσκινα έχουν συγκεκριμένα μεγέθη πόρων που μπορούν να προσροφήσουν επιλεκτικά ορισμένα μόρια αερίου.

Τεχνολογία διαχωρισμού μεμβράνης: Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τεχνολογία μεμβράνης διαχωρισμού αερίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον διαχωρισμό αερίων με βάση την επιλεκτική διείσδυση, ενισχύοντας περαιτέρω την καθαρότητα του αργού.

Προφυλάξεις για την επιτόπια παραγωγή αργού

Μέτρα Ασφαλείας:

Κρυογενικός κίνδυνος: Υγρό αργό είναι εξαιρετικά κρύο και θα πρέπει να αποφεύγεται η άμεση επαφή με αυτό για την αποφυγή κρυοπαγημάτων. Οι χειριστές θα πρέπει να φορούν εξειδικευμένα κρυογονικά προστατευτικά ρούχα, γάντια και γυαλιά.

Κίνδυνος ασφυξίας: Το αργό είναι ένα αδρανές αέριο και μπορεί να εκτοπίσει το οξυγόνο. Σε κλειστούς χώρους, η διαρροή αργού μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των επιπέδων οξυγόνου, με αποτέλεσμα την ασφυξία. Επομένως, οι περιοχές όπου παράγεται και αποθηκεύεται αργό πρέπει να αερίζονται καλά και να εγκατασταθούν συστήματα παρακολούθησης οξυγόνου.

Συντήρηση εξοπλισμού:

Έλεγχος πίεσης και θερμοκρασίας: Ο εξοπλισμός παραγωγής αργού απαιτεί αυστηρό έλεγχο της πίεσης και της θερμοκρασίας, ειδικά στη στήλη κρυογονικής απόσταξης και στους πύργους προσρόφησης. Ο εξοπλισμός θα πρέπει να ελέγχεται τακτικά για να διασφαλίζεται ότι όλες οι παράμετροι βρίσκονται εντός των κανονικών ορίων.

Πρόληψη διαρροών: Δεδομένου ότι το σύστημα αργού λειτουργεί υπό υψηλή πίεση και χαμηλές θερμοκρασίες, η ακεραιότητα της στεγανοποίησης είναι ζωτικής σημασίας. Οι αγωγοί αερίου, οι αρμοί και οι βαλβίδες θα πρέπει να ελέγχονται περιοδικά για την αποφυγή διαρροών αερίου.

Έλεγχος καθαρότητας αερίου:

Παρακολούθηση Ακρίβειας: Η καθαρότητα του αργού που απαιτείται ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμογή. Οι αναλυτές αερίων θα πρέπει να χρησιμοποιούνται τακτικά για να ελέγχεται η καθαρότητα του αργού και να διασφαλίζεται ότι το προϊόν πληροί τα βιομηχανικά πρότυπα.

Διαχείριση ακαθαρσιών: Συγκεκριμένα, στην κρυογονική απόσταξη, ο διαχωρισμός του αργού μπορεί να επηρεαστεί από τον σχεδιασμό της στήλης απόσταξης, τις συνθήκες λειτουργίας και την αποτελεσματικότητα ψύξης. Περαιτέρω καθαρισμός μπορεί να είναι απαραίτητος ανάλογα με την τελική χρήση αργού (π.χ. αργό εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών).

Διαχείριση Ενεργειακής Απόδοσης:

Κατανάλωση Ενέργειας: Η κρυογονική απόσταξη είναι ενεργοβόρα, επομένως πρέπει να καταβληθούν προσπάθειες για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών ψύξης και συμπίεσης για την ελαχιστοποίηση της απώλειας ενέργειας.

Ανάκτηση απόβλητης θερμότητας: Οι σύγχρονες εγκαταστάσεις παραγωγής αργού συχνά χρησιμοποιούν συστήματα ανάκτησης απορριμμάτων θερμότητας για την ανάκτηση της ψυχρής ενέργειας που παράγεται κατά τη διαδικασία της κρυογονικής απόσταξης, βελτιώνοντας τη συνολική ενεργειακή απόδοση.

Στη βιομηχανική παραγωγή, το αργό εξαρτάται κυρίως από τις μεθόδους κρυογονικής απόσταξης και προσρόφησης αιώρησης πίεσης. Η κρυογονική απόσταξη χρησιμοποιείται ευρέως για μεγάλης κλίμακας παραγωγή αργού λόγω της ικανότητάς του να παρέχει αργό υψηλότερης καθαρότητας. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται κατά την παραγωγή για να διασφαλιστεί η ασφάλεια, η συντήρηση του εξοπλισμού, ο έλεγχος καθαρότητας αερίου και η διαχείριση της ενεργειακής απόδοσης.