آرگون (Ar) گاز کمیاب است که به طور گسترده در متالورژی، جوشکاری، صنایع شیمیایی و سایر زمینه ها استفاده می شود. تولید آرگون عمدتاً به جداسازی اجزای مختلف گاز در هوا بستگی دارد، زیرا غلظت آرگون در جو حدود 0.93٪ است. دو روش اصلی برای تولید آرگون صنعتی عبارتند از تقطیر برودتی و جذب نوسان فشار (PSA).

تقطیر برودتی

تقطیر برودتی رایج‌ترین روش جداسازی آرگون در صنعت است. این روش از اختلاف نقطه جوش اجزای مختلف گاز در هوا استفاده می کند، هوا را در دماهای پایین مایع می کند و گازها را از طریق ستون تقطیر جدا می کند.

جریان فرآیند:

پیش تصفیه هوا: ابتدا هوا فشرده شده و در ابتدا خنک می شود تا رطوبت و دی اکسید کربن حذف شود. این مرحله معمولاً با استفاده از خشک کن (CD) یا جاذب الک مولکولی برای حذف رطوبت و ناخالصی ها انجام می شود.

فشرده سازی و خنک کننده هوا: پس از خشک شدن، هوا تا چندین مگا پاسکال فشار فشرده می شود و سپس از طریق یک دستگاه خنک کننده (به عنوان مثال، یک خنک کننده هوا) خنک می شود تا دمای هوا به نقطه مایع شدن خود نزدیک شود. این فرآیند دمای هوا را تا 170- کاهش می دهد°C تا -180°سی.

مایع سازی هوا: هوای خنک شده از یک شیر انبساط عبور کرده و وارد ستون تقطیر برودتی می شود. اجزای موجود در هوا بر اساس نقطه جوش به تدریج در داخل ستون جدا می شوند. نیتروژن (N₂) و اکسیژن (O₂در دماهای پایین تر جدا می شوند، در حالی که آرگون (Ar) دارای نقطه جوش بین نیتروژن و اکسیژن (-195.8) است.°C برای نیتروژن، -183°C برای اکسیژن و -185.7°C برای آرگون)، در بخش های خاصی از ستون جمع آوری می شود.

تقطیر جزئی: در ستون تقطیر، هوای مایع در دماهای مختلف تبخیر و متراکم می شود و آرگون به طور موثر جدا می شود. سپس آرگون جدا شده جمع آوری شده و بیشتر خالص می شود.

تصفیه آرگون:

تقطیر برودتی معمولاً آرگون را با خلوص بالای 99 درصد به دست می آورد. برای کاربردهای خاص (به عنوان مثال، در صنعت الکترونیک یا پردازش مواد پیشرفته)، ممکن است نیاز به تصفیه بیشتر با استفاده از جاذب‌ها (مانند کربن فعال یا غربال‌های مولکولی) برای حذف ناخالصی‌های کمیاب مانند نیتروژن و اکسیژن باشد.

جذب نوسان فشار (PSA)

جذب نوسان فشار (PSA) روش دیگری برای تولید آرگون است که برای تولید در مقیاس کوچکتر مناسب است. این روش با استفاده از ویژگی های مختلف جذب گازهای مختلف بر روی موادی مانند غربال های مولکولی، آرگون را از هوا جدا می کند.

جریان فرآیند:

برج جذب: هوا از یک برج جذب پر از غربال های مولکولی عبور می کند، جایی که نیتروژن و اکسیژن به شدت توسط غربال های مولکولی جذب می شوند، در حالی که گازهای بی اثر مانند آرگون جذب نمی شوند و به آنها اجازه می دهد از نیتروژن و اکسیژن جدا شوند.

جذب و دفع: در طول یک چرخه، برج جذب ابتدا نیتروژن و اکسیژن هوا را تحت فشار بالا جذب می کند، در حالی که آرگون از طریق خروجی برج به بیرون جریان می یابد. سپس با کاهش فشار، نیتروژن و اکسیژن از غربال‌های مولکولی خارج می‌شوند و ظرفیت جذب برج جذب از طریق بازسازی نوسان فشار بازیابی می‌شود.

چرخه چند برج: به طور معمول، چند برج جذب به طور متناوب استفاده می شود—یکی برای جذب و دیگری در واجذب است—امکان تولید مداوم

مزیت روش PSA این است که راه اندازی ساده تر و هزینه های عملیاتی کمتری دارد، اما خلوص آرگون تولید شده به طور کلی کمتر از تقطیر برودتی است. برای موقعیت هایی با تقاضای کمتر آرگون مناسب است.

تصفیه آرگون

چه با استفاده از تقطیر برودتی یا PSA، آرگون تولید شده معمولاً حاوی مقادیر کمی اکسیژن، نیتروژن یا بخار آب است. برای بهبود خلوص آرگون، معمولاً مراحل تصفیه بیشتر مورد نیاز است:

تراکم ناخالصی ها: خنک شدن بیشتر آرگون برای متراکم شدن و جداسازی برخی ناخالصی ها.

جذب الک مولکولی: استفاده از جاذب های الک مولکولی با کارایی بالا برای حذف مقادیر کمی نیتروژن، اکسیژن یا بخار آب. غربال های مولکولی دارای منافذ خاصی هستند که می توانند به طور انتخابی مولکول های گاز خاصی را جذب کنند.

فناوری جداسازی غشا: در برخی موارد، از فناوری غشای جداسازی گاز می توان برای جداسازی گازها بر اساس نفوذ انتخابی استفاده کرد و خلوص آرگون را بیشتر افزایش داد.

اقدامات احتیاطی برای تولید آرگون در محل

اقدامات ایمنی:

خطر برودتی: آرگون مایع بسیار سرد است و برای جلوگیری از سرمازدگی باید از تماس مستقیم با آن خودداری شود. اپراتورها باید لباس، دستکش و عینک محافظ ویژه برودتی بپوشند.

خطر خفگی: آرگون یک گاز بی اثر است و می تواند اکسیژن را جابجا کند. در فضاهای بسته، نشت آرگون می تواند منجر به کاهش سطح اکسیژن و در نتیجه خفگی شود. بنابراین، مناطقی که آرگون تولید و ذخیره می شود باید تهویه مناسبی داشته باشند و سیستم های نظارت بر اکسیژن باید نصب شوند.

تعمیر و نگهداری تجهیزات:

کنترل فشار و دما: تجهیزات تولید آرگون به کنترل دقیق فشار و دما به ویژه در ستون تقطیر برودتی و برج های جذب نیاز دارند. تجهیزات باید به طور مرتب بازرسی شوند تا اطمینان حاصل شود که همه پارامترها در محدوده نرمال قرار دارند.

پیشگیری از نشت: از آنجایی که سیستم آرگون تحت فشار بالا و دمای پایین کار می کند، یکپارچگی مهر و موم بسیار مهم است. خطوط لوله گاز، اتصالات و شیرها باید به طور دوره ای بررسی شوند تا از نشت گاز جلوگیری شود.

کنترل خلوص گاز:

مانیتورینگ دقیق: خلوص آرگون مورد نیاز بسته به کاربرد متفاوت است. از آنالایزرهای گاز باید به طور منظم برای بررسی خلوص آرگون و اطمینان از مطابقت محصول با استانداردهای صنعتی استفاده شود.

مدیریت ناخالصی: به طور خاص، در تقطیر برودتی، جداسازی آرگون ممکن است تحت تأثیر طراحی ستون تقطیر، شرایط عملیاتی و اثربخشی خنک‌کننده قرار گیرد. تصفیه بیشتر ممکن است بسته به استفاده نهایی از آرگون ضروری باشد (به عنوان مثال، آرگون با خلوص فوق العاده بالا برای صنعت الکترونیک).

مدیریت بهره وری انرژی:

مصرف انرژی: تقطیر برودتی انرژی بر است، بنابراین باید تلاش هایی برای بهینه سازی فرآیندهای خنک سازی و فشرده سازی برای به حداقل رساندن اتلاف انرژی صورت گیرد.

بازیابی حرارت زباله: تاسیسات مدرن تولید آرگون اغلب از سیستم‌های بازیابی گرمای اتلاف برای بازیابی انرژی سرد تولید شده در طول فرآیند تقطیر برودتی استفاده می‌کنند و بازده انرژی کلی را بهبود می‌بخشند.

در تولید صنعتی، آرگون در درجه اول به روش های تقطیر برودتی و جذب نوسان فشار بستگی دارد. تقطیر برودتی به طور گسترده ای استفاده می شود تولید آرگون در مقیاس بزرگ به دلیل توانایی آن در ارائه آرگون با خلوص بالاتر. توجه ویژه در طول تولید برای اطمینان از ایمنی، نگهداری تجهیزات، کنترل خلوص گاز و مدیریت بهره وری انرژی مورد نیاز است.