Argón (Ar) Es un gas raro ampliamente utilizado en metalurgia, soldadura, industrias químicas y otros campos. La producción de argón se basa principalmente en la separación de los diferentes componentes del gas en el aire, ya que la concentración de argón en la atmósfera es aproximadamente del 0,93%. Los dos métodos principales para la producción industrial de argón son la destilación criogénica y la adsorción por cambio de presión (PSA).

Destilación criogénica

La destilación criogénica es el método más utilizado para la separación de argón en la industria. Este método utiliza las diferencias en los puntos de ebullición de varios componentes gaseosos en el aire, licua el aire a bajas temperaturas y separa los gases a través de una columna de destilación.

Flujo de proceso:

Pretratamiento del aire: Primero, el aire se comprime y se enfría inicialmente para eliminar la humedad y el dióxido de carbono. Este paso generalmente se logra mediante el uso de un secador (CD) o un adsorbedor de tamiz molecular para eliminar la humedad y las impurezas.

Compresión y enfriamiento de aire: Después del secado, el aire se comprime a varios megapascales de presión y luego se enfría a través de un dispositivo de enfriamiento (por ejemplo, un enfriador de aire) para acercar la temperatura del aire a su punto de licuefacción. Este proceso reduce la temperatura del aire a -170°C a -180°DO.

Licuefacción del aire: El aire enfriado pasa a través de una válvula de expansión y ingresa a una columna de destilación criogénica. Los componentes del aire se separan gradualmente dentro de la columna en función de sus puntos de ebullición. Nitrógeno (norte₂) y oxígeno (O₂) se separan a temperaturas más bajas, mientras que el argón (Ar), que tiene un punto de ebullición entre nitrógeno y oxígeno (-195,8°C para nitrógeno, -183°C para oxígeno y -185,7°C para argón), se recoge en secciones específicas de la columna.

Destilación fraccionada: En la columna de destilación, el aire líquido se evapora y condensa a diferentes temperaturas, y el argón se separa eficazmente. Luego se recoge el argón separado y se purifica adicionalmente.

Purificación de argón:

La destilación criogénica generalmente produce argón con una pureza superior al 99%. Para determinadas aplicaciones (por ejemplo, en la industria electrónica o en el procesamiento de materiales de alta gama), es posible que se requiera una purificación adicional utilizando adsorbentes (como carbón activado o tamices moleculares) para eliminar trazas de impurezas como nitrógeno y oxígeno.

Adsorción por cambio de presión (PSA)

La adsorción por cambio de presión (PSA) es otro método para generar argón, adecuado para la producción a menor escala. Este método separa el argón del aire utilizando las diferentes características de adsorción de varios gases en materiales como tamices moleculares.

Flujo de proceso:

Torre de adsorción: El aire pasa a través de una torre de adsorción llena de tamices moleculares, donde el nitrógeno y el oxígeno son fuertemente adsorbidos por los tamices moleculares, mientras que los gases inertes como el argón no son adsorbidos, lo que les permite separarse del nitrógeno y el oxígeno.

Adsorción y Desorción: Durante un ciclo, la torre de adsorción primero adsorbe nitrógeno y oxígeno del aire a alta presión, mientras que el argón fluye por la salida de la torre. Luego, al reducir la presión, el nitrógeno y el oxígeno se desorben de los tamices moleculares y la capacidad de adsorción de la torre de adsorción se restablece mediante la regeneración por oscilación de presión.

Ciclo de múltiples torres: Normalmente, se utilizan varias torres de adsorción alternativamente.—Uno para adsorción mientras que el otro está en desorción.—permitiendo una producción continua.

La ventaja del método PSA es que tiene una configuración más sencilla y menores costos operativos, pero la pureza del argón producido es generalmente menor que la de la destilación criogénica. Es adecuado para situaciones con menor demanda de argón.

Purificación de argón

Ya sea que se utilice destilación criogénica o PSA, el argón generado suele contener pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno o vapor de agua. Para mejorar la pureza del argón, normalmente se requieren pasos de purificación adicionales:

Condensación de Impurezas: Enfriamiento adicional del argón para condensar y separar algunas impurezas.

Adsorción por tamiz molecular: Uso de adsorbentes de tamiz molecular de alta eficiencia para eliminar trazas de nitrógeno, oxígeno o vapor de agua. Los tamices moleculares tienen tamaños de poro específicos que pueden adsorber selectivamente ciertas moléculas de gas.

Tecnología de separación de membranas: En algunos casos, la tecnología de membranas de separación de gases se puede utilizar para separar gases mediante permeación selectiva, lo que mejora aún más la pureza del argón.

Precauciones para la producción de argón in situ

Medidas de seguridad:

Peligro criogénico: Argón líquido Hace mucho frío y se debe evitar el contacto directo con él para evitar la congelación. Los operadores deben usar ropa, guantes y gafas protectoras criogénicas especializadas.

Peligro de asfixia: El argón es un gas inerte y puede desplazar el oxígeno. En espacios cerrados, la fuga de argón puede provocar una disminución de los niveles de oxígeno y provocar asfixia. Por lo tanto, las áreas donde se produce y almacena argón deben estar bien ventiladas y se deben instalar sistemas de monitoreo de oxígeno.

Mantenimiento de equipos:

Control de presión y temperatura: Los equipos de producción de argón requieren un control estricto de la presión y la temperatura, especialmente en la columna de destilación criogénica y las torres de adsorción. El equipo debe inspeccionarse periódicamente para garantizar que todos los parámetros estén dentro de los rangos normales.

Prevención de fugas: Dado que el sistema de argón opera bajo alta presión y bajas temperaturas, la integridad del sello es crucial. Las tuberías, juntas y válvulas de gas deben revisarse periódicamente para evitar fugas de gas.

Control de pureza del gas:

Monitoreo de precisión: La pureza del argón requerida varía según la aplicación. Se deben utilizar analizadores de gas con regularidad para comprobar la pureza del argón y garantizar que el producto cumpla con los estándares industriales.

Gestión de impurezas: En particular, en la destilación criogénica, la separación de argón puede verse afectada por el diseño de la columna de destilación, las condiciones operativas y la eficacia del enfriamiento. Puede ser necesaria una purificación adicional dependiendo del uso final del argón (por ejemplo, argón de pureza ultraalta para la industria electrónica).

Gestión de la Eficiencia Energética:

Consumo de energía: La destilación criogénica consume mucha energía, por lo que se deben hacer esfuerzos para optimizar los procesos de enfriamiento y compresión para minimizar la pérdida de energía.

Recuperación de calor residual: Las instalaciones modernas de producción de argón suelen utilizar sistemas de recuperación de calor residual para recuperar la energía fría producida durante el proceso de destilación criogénica, mejorando la eficiencia energética general.

En la producción industrial, el argón depende principalmente de la destilación criogénica y de los métodos de adsorción por cambio de presión. La destilación criogénica se utiliza ampliamente para producción de argón a gran escala debido a su capacidad para proporcionar argón de mayor pureza. Se requiere atención especial durante la producción para garantizar la seguridad, el mantenimiento de los equipos, el control de la pureza del gas y la gestión de la eficiencia energética.