Argoon (Ar) on haruldane gaas, mida kasutatakse laialdaselt metallurgias, keevitamises, keemiatööstuses ja muudes valdkondades. Argooni tootmine põhineb peamiselt erinevate gaasikomponentide eraldamisel õhus, kuna argooni kontsentratsioon atmosfääris on umbes 0,93%. Tööstusliku argooni tootmise kaks peamist meetodit on krüogeenne destilleerimine ja rõhumuutusadsorptsioon (PSA).

Krüogeenne destilleerimine

Krüogeenne destilleerimine on tööstuses argooni eraldamiseks kõige sagedamini kasutatav meetod. See meetod kasutab ära erinevate õhus leiduvate gaasikomponentide keemistemperatuuride erinevusi, vedeldab õhku madalatel temperatuuridel ja eraldab gaasid läbi destilleerimiskolonni.

Protsessi voog:

Õhu eeltöötlus: Esiteks surutakse õhk kokku ja esialgu jahutatakse niiskuse ja süsihappegaasi eemaldamiseks. See etapp saavutatakse tavaliselt kuivati ​​(CD) või molekulaarsõeladsorberi abil niiskuse ja lisandite eemaldamiseks.

Õhu kokkusurumine ja jahutamine: Pärast kuivatamist surutakse õhk kokku mitme megapaskali rõhuni ja jahutatakse seejärel läbi jahutusseadme (nt õhujahuti), et viia õhutemperatuur veeldamispunkti lähedale. See protsess alandab õhutemperatuuri -170-ni°C kuni -180°C.

Õhu veeldamine: Jahutatud õhk läbib paisuventiili ja siseneb krüogeensesse destilleerimiskolonni. Õhus olevad komponendid eraldatakse kolonnis järk-järgult nende keemispunktide alusel. Lämmastik (N₂) ja hapnik (O₂) eraldatakse madalamatel temperatuuridel, samas kui argooni (Ar), mille keemistemperatuur on lämmastiku ja hapniku vahel (-195,8°C lämmastiku jaoks, -183°C hapniku jaoks ja -185,7°C argooni jaoks), kogutakse kolonni konkreetsetesse osadesse.

Fraktsionaalne destilleerimine: Destilleerimiskolonnis vedel õhk aurustub ja kondenseerub erinevatel temperatuuridel ning argoon eraldatakse tõhusalt. Eraldatud argoon kogutakse seejärel kokku ja puhastatakse edasi.

Argooni puhastamine:

Krüogeenne destilleerimine annab üldiselt argooni puhtusega üle 99%. Teatud rakenduste puhul (nt elektroonikatööstuses või kõrgekvaliteedilises materjalitöötlemises) võib olla vajalik täiendav puhastamine, kasutades adsorbente (nagu aktiivsüsi või molekulaarsõelad), et eemaldada jäägid, nagu lämmastik ja hapnik.

Surve kõikumise adsorptsioon (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) on teine ​​​​meetod argooni genereerimiseks, mis sobib väiksemamahuliseks tootmiseks. See meetod eraldab argooni õhust, kasutades erinevate gaaside erinevaid adsorptsiooniomadusi materjalidel, nagu molekulaarsõelad.

Protsessi voog:

Adsorptsioonitorn: Õhk läbib molekulaarsõelatega täidetud adsorptsioonitorni, kus lämmastik ja hapnik on molekulaarsõelade poolt tugevalt adsorbeeritud, samas kui inertgaasid nagu argoon ei adsorbeerita, võimaldades neil eralduda lämmastikust ja hapnikust.

Adsorptsioon ja desorptsioon: Ühe tsükli jooksul adsorbeerib adsorptsioonitorn esmalt kõrge rõhu all olevast õhust lämmastikku ja hapnikku, samal ajal kui argoon voolab torni väljalaskeava kaudu välja. Seejärel, vähendades rõhku, desorbeeruvad molekulaarsõeltelt lämmastik ja hapnik ning adsorptsioonitorni adsorptsioonivõime taastatakse rõhumuutuse regenereerimise teel.

Mitme torniga tsükkel: Tavaliselt kasutatakse vaheldumisi mitut adsorptsioonitorni—üks adsorptsiooniks, teine ​​aga desorptsioonis—võimaldades pidevat tootmist.

PSA meetodi eeliseks on lihtsam seadistus ja madalamad kasutuskulud, kuid toodetava argooni puhtus on üldiselt madalam kui krüogeensel destilleerimisel. See sobib väiksema argoonivajadusega olukordades.

Argooni puhastamine

Olenemata sellest, kas kasutatakse krüogeenset destilleerimist või PSA-d, sisaldab tekkiv argoon tavaliselt väikeses koguses hapnikku, lämmastikku või veeauru. Argooni puhtuse parandamiseks on tavaliselt vaja täiendavaid puhastamisetappe:

Lisandite kondenseerumine: Argooni edasine jahutamine kondenseerumiseks ja osade lisandite eraldamiseks.

Molekulaarsõela adsorptsioon: Suure efektiivsusega molekulaarsõeladsorberite kasutamine lämmastiku, hapniku või veeauru jälgede eemaldamiseks. Molekulaarsõeltel on spetsiifilised pooride suurused, mis võivad teatud gaasimolekule selektiivselt adsorbeerida.

Membraani eraldamise tehnoloogia: Mõnel juhul saab gaasieraldusmembraani tehnoloogiat kasutada gaaside eraldamiseks selektiivse läbitungimise alusel, suurendades veelgi argooni puhtust.

Ettevaatusabinõud kohapealse argooni tootmiseks

Ohutusmeetmed:

Krüogeenne oht: Vedel argoon on äärmiselt külm ja külmumise vältimiseks tuleks sellega otsest kokkupuudet vältida. Operaatorid peaksid kandma spetsiaalset krüogeenset kaitseriietust, kindaid ja kaitseprille.

Lämbumisoht: Argoon on inertgaas ja võib hapnikku välja tõrjuda. Suletud ruumides võib argooni leke põhjustada hapnikutaseme langust, mille tulemuseks on lämbumine. Seetõttu peavad alad, kus argooni toodetakse ja ladustatakse, olema hästi ventileeritud ja paigaldada hapniku jälgimise süsteemid.

Seadmete hooldus:

Rõhu ja temperatuuri reguleerimine: Argooni tootmisseadmed nõuavad ranget rõhu ja temperatuuri kontrolli, eriti krüogeense destilleerimise kolonnis ja adsorptsioonitornides. Seadmeid tuleks regulaarselt kontrollida, et kõik parameetrid oleksid normaalsetes vahemikes.

Lekke vältimine: Kuna argoonisüsteem töötab kõrge rõhu ja madalate temperatuuride all, on tihendi terviklikkus ülioluline. Gaasitorusid, liitekohti ja ventiile tuleks perioodiliselt kontrollida, et vältida gaasilekkeid.

Gaasi puhtuse kontroll:

Täpne jälgimine: Vajalik argooni puhtus sõltub rakendusest. Gaasianalüsaatoreid tuleks regulaarselt kasutada, et kontrollida argooni puhtust ja tagada toote vastavus tööstusstandarditele.

Lisandite juhtimine: Eelkõige võivad krüogeense destilleerimise korral argooni eraldamist mõjutada destilleerimiskolonni konstruktsioon, töötingimused ja jahutuse efektiivsus. Sõltuvalt argooni lõppkasutusest (nt ülikõrge puhtusastmega argoon elektroonikatööstuses) võib olla vajalik täiendav puhastamine.

Energiatõhususe juhtimine:

Energia tarbimine: Krüogeenne destilleerimine on energiamahukas, seega tuleks energiakadude minimeerimiseks püüda optimeerida jahutus- ja kokkusurumisprotsesse.

Jääksoojuse taaskasutamine: Kaasaegsed argooni tootmisrajatised kasutavad sageli jääksoojuse taaskasutamise süsteeme, et taastada krüogeense destilleerimise käigus toodetud külma energiat, parandades üldist energiatõhusust.

Tööstuslikus tootmises sõltub argoon peamiselt krüogeensest destilleerimisest ja rõhu kõikumisest adsorptsiooni meetoditest. Krüogeenset destilleerimist kasutatakse laialdaselt suuremahuline argooni tootmine tänu oma võimele pakkuda kõrgema puhtusastmega argooni. Tootmise ajal tuleb erilist tähelepanu pöörata ohutuse, seadmete hoolduse, gaasi puhtuse kontrolli ja energiatõhususe juhtimisele.