Argon (Ar) on harvinainen kaasu, jota käytetään laajalti metallurgiassa, hitsauksessa, kemianteollisuudessa ja muilla aloilla. Argonin tuotanto perustuu pääasiassa eri kaasukomponenttien erottamiseen ilmassa, sillä argonin pitoisuus ilmakehässä on noin 0,93 %. Kaksi ensisijaista menetelmää teolliseen argonin tuotantoon ovat kryogeeninen tislaus ja painevaihteluadsorptio (PSA).

Kryogeeninen tislaus

Kryogeeninen tislaus on yleisimmin käytetty menetelmä argonin erottamiseen teollisuudessa. Tämä menetelmä hyödyntää ilmassa olevien kaasukomponenttien kiehumispisteiden eroja, nesteyttää ilman alhaisissa lämpötiloissa ja erottaa kaasut tislauskolonnin kautta.

Prosessin kulku:

Ilman esikäsittely: Ensin ilma puristetaan ja jäähdytetään aluksi kosteuden ja hiilidioksidin poistamiseksi. Tämä vaihe saavutetaan tyypillisesti käyttämällä kuivainta (CD) tai molekyyliseulaadsorberia kosteuden ja epäpuhtauksien poistamiseksi.

Ilmanpuristus ja jäähdytys: Kuivauksen jälkeen ilma puristetaan useisiin megapascaleihin ja jäähdytetään sitten jäähdytyslaitteen (esim. ilmajäähdyttimen) läpi ilman lämpötilan saattamiseksi lähelle nesteytymispistettä. Tämä prosessi laskee ilman lämpötilan -170 asteeseen°C -180°C.

Ilman nesteytys: Jäähtynyt ilma kulkee paisuntaventtiilin läpi ja menee kryogeeniseen tislauskolonniin. Ilmassa olevat komponentit erotetaan asteittain kolonnin sisällä niiden kiehumispisteiden perusteella. Typpi (N₂) ja happi (O₂) erotetaan alemmissa lämpötiloissa, kun taas argon (Ar), jonka kiehumispiste on typen ja hapen välillä (-195,8°C typelle, -183°C hapelle ja -185,7°C argonille), kerätään kolonnin tiettyihin osiin.

Jakotislaus: Tislauskolonnissa nestemäinen ilma haihtuu ja tiivistyy eri lämpötiloissa, ja argon erottuu tehokkaasti. Sitten erotettu argon kerätään ja puhdistetaan edelleen.

Argonin puhdistus:

Kryogeeninen tislaus tuottaa yleensä argonia, jonka puhtaus on yli 99 %. Tietyissä sovelluksissa (esim. elektroniikkateollisuudessa tai huippuluokan materiaalinkäsittelyssä) saatetaan tarvita lisäpuhdistusta käyttämällä adsorbentteja (kuten aktiivihiiltä tai molekyyliseuloja) epäpuhtauksien, kuten typen ja hapen, poistamiseksi.

Painevaihteluadsorptio (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) on toinen menetelmä argonin tuottamiseksi, joka soveltuu pienemmän mittakaavan tuotantoon. Tämä menetelmä erottaa argonin ilmasta hyödyntämällä eri kaasujen erilaisia ​​adsorptio-ominaisuuksia materiaaleihin, kuten molekyyliseuloihin.

Prosessin kulku:

Adsorptiotorni: Ilma kulkee molekyyliseuloilla täytetyn adsorptiotornin läpi, jossa typpi ja happi adsorboituvat voimakkaasti molekyyliseuloihin, kun taas inertit kaasut, kuten argon, eivät adsorboidu, jolloin ne erottuvat typestä ja hapesta.

Adsorptio ja desorptio: Yhden jakson aikana adsorptiotorni ensin adsorboi typpeä ja happea ilmasta korkeassa paineessa, kun taas argon virtaa ulos tornin ulostulon kautta. Sitten painetta alentamalla typpi ja happi desorboivat molekyyliseuloista ja adsorptiotornin adsorptiokyky palautuu paineenvaihteluregeneraation avulla.

Monen tornin sykli: Tyypillisesti useita adsorptiotorneja käytetään vuorotellen—toinen adsorptioon, kun taas toinen on desorptiossa—mahdollistaa jatkuvan tuotannon.

PSA-menetelmän etuna on sen yksinkertaisempi asennus ja alhaisemmat käyttökustannukset, mutta tuotetun argonin puhtaus on yleensä alhaisempi kuin kryogeenisen tislauksen. Se sopii tilanteisiin, joissa argonin tarve on pienempi.

Argonin puhdistus

Käytetäänpä sitten kryogeenistä tislausta tai PSA:ta, muodostunut argon sisältää yleensä pieniä määriä happea, typpeä tai vesihöyryä. Argonin puhtauden parantamiseksi tarvitaan tyypillisesti lisäpuhdistusvaiheita:

Epäpuhtauksien kondensoituminen: Argonin jäähdytys edelleen kondensoimiseksi ja joidenkin epäpuhtauksien erottamiseksi.

Molekyyliseula-adsorptio: Tehokkaiden molekyyliseula-adsorbereiden käyttäminen typen, hapen tai vesihöyryn jäämien poistamiseen. Molekyyliseuloilla on tietyt huokoskoot, jotka voivat selektiivisesti adsorboida tiettyjä kaasumolekyylejä.

Kalvon erotustekniikka: Joissakin tapauksissa kaasunerotuskalvotekniikkaa voidaan käyttää kaasujen erottamiseen selektiivisen läpäisyn perusteella, mikä lisää entisestään argonin puhtautta.

Varotoimet paikan päällä tapahtuvalle argonituotannolle

Turvatoimenpiteet:

Kryogeeninen vaara: Nestemäinen argon on erittäin kylmä, ja suoraa kosketusta sen kanssa tulee välttää paleltumien estämiseksi. Käyttäjien tulee käyttää erityisiä kryogeenisiä suojavaatteita, käsineitä ja suojalaseja.

Tukehtumisvaara: Argon on inertti kaasu ja voi syrjäyttää hapen. Suljetuissa tiloissa argonin vuoto voi johtaa happipitoisuuden laskuun, mikä johtaa tukehtumiseen. Siksi tilat, joissa argonia tuotetaan ja varastoidaan, on tuuletettava hyvin, ja hapen valvontajärjestelmät tulee asentaa.

Laitteiden huolto:

Paineen ja lämpötilan säätö: Argonin tuotantolaitteet vaativat tiukkaa paineen ja lämpötilan valvontaa erityisesti kryogeenisessä tislauskolonnissa ja adsorptiotorneissa. Laitteet tulee tarkastaa säännöllisesti sen varmistamiseksi, että kaikki parametrit ovat normaaleilla alueilla.

Vuodon ehkäisy: Koska argonjärjestelmä toimii korkeassa paineessa ja alhaisissa lämpötiloissa, tiivisteen eheys on ratkaisevan tärkeää. Kaasuputket, liitokset ja venttiilit tulee tarkastaa säännöllisesti kaasuvuodojen estämiseksi.

Kaasun puhtauden valvonta:

Tarkkuusvalvonta: Tarvittavan argonin puhtaus vaihtelee sovelluksen mukaan. Kaasuanalysaattoreita tulee käyttää säännöllisesti tarkistamaan argonin puhtaus ja varmistamaan, että tuote täyttää teollisuusstandardit.

Epäpuhtauksien hallinta: Erityisesti kryogeenisessä tislauksessa argonin erottumiseen voivat vaikuttaa tislauskolonnin rakenne, käyttöolosuhteet ja jäähdytystehokkuus. Lisäpuhdistus voi olla tarpeen argonin (esim. erittäin puhtaan argonin elektroniikkateollisuudelle) lopullisesta käytöstä riippuen.

Energiatehokkuuden hallinta:

Energiankulutus: Kryogeeninen tislaus on energiaintensiivistä, joten jäähdytys- ja puristusprosessit on pyrittävä optimoimaan energiahäviön minimoimiseksi.

Hukkalämmön talteenotto: Nykyaikaiset argonin tuotantolaitokset käyttävät usein hukkalämmön talteenottojärjestelmiä kryogeenisen tislausprosessin aikana tuotetun kylmän energian talteen ottamiseksi, mikä parantaa yleistä energiatehokkuutta.

Teollisessa tuotannossa argon riippuu ensisijaisesti kryogeenisestä tislauksesta ja painevaihteluadsorptiomenetelmistä. Kryogeenistä tislausta käytetään laajalti laajamittaista argonin tuotantoa johtuen sen kyvystä tuottaa puhtaampaa argonia. Tuotannossa kiinnitetään erityistä huomiota turvallisuuteen, laitteiden kunnossapitoon, kaasun puhtauden valvontaan ja energiatehokkuuden hallintaan.