Argon (Ar) est un gaz rare largement utilisé dans la métallurgie, le soudage, les industries chimiques et d'autres domaines. La production d'argon repose principalement sur la séparation des différents composants gazeux présents dans l'air, puisque la concentration d'argon dans l'atmosphère est d'environ 0,93 %. Les deux principales méthodes de production industrielle d’argon sont la distillation cryogénique et l’adsorption modulée en pression (PSA).

Distillation cryogénique

La distillation cryogénique est la méthode la plus couramment utilisée pour la séparation de l’argon dans l’industrie. Cette méthode utilise les différences de points d'ébullition de divers composants gazeux dans l'air, liquéfie l'air à basse température et sépare les gaz à travers une colonne de distillation.

Flux de processus :

Prétraitement de l'air : Tout d’abord, l’air est comprimé et initialement refroidi pour éliminer l’humidité et le dioxyde de carbone. Cette étape est généralement réalisée en utilisant un séchoir (CD) ou un adsorbeur à tamis moléculaire pour éliminer l'humidité et les impuretés.

Compression et refroidissement de l'air : Après séchage, l'air est comprimé à plusieurs mégapascals de pression, puis refroidi à travers un dispositif de refroidissement (par exemple, un refroidisseur d'air) pour rapprocher la température de l'air de son point de liquéfaction. Ce processus abaisse la température de l'air à -170°C à -180°C.

Liquéfaction de l'air : L'air refroidi traverse un détendeur et entre dans une colonne de distillation cryogénique. Les composants présents dans l’air sont progressivement séparés à l’intérieur de la colonne en fonction de leur point d’ébullition. Azote (N₂) et l'oxygène (O₂) sont séparés à des températures plus basses, tandis que l'argon (Ar), ayant un point d'ébullition compris entre l'azote et l'oxygène (-195,8°C pour l'azote, -183°C pour l'oxygène et -185,7°C pour argon), est collecté dans des sections spécifiques de la colonne.

Distillation fractionnée : Dans la colonne de distillation, l'air liquide s'évapore et se condense à différentes températures, et l'argon est efficacement séparé. L'argon séparé est ensuite collecté et purifié davantage.

Purification de l'argon :

La distillation cryogénique donne généralement de l'argon d'une pureté supérieure à 99 %. Pour certaines applications (par exemple, dans l'industrie électronique ou dans le traitement des matériaux haut de gamme), une purification plus poussée peut être nécessaire à l'aide d'adsorbants (tels que du charbon actif ou des tamis moléculaires) pour éliminer les traces d'impuretés comme l'azote et l'oxygène.

Adsorption modulée en pression (PSA)

L'adsorption modulée en pression (PSA) est une autre méthode de génération d'argon, adaptée à une production à plus petite échelle. Cette méthode sépare l'argon de l'air en utilisant les différentes caractéristiques d'adsorption de divers gaz sur des matériaux tels que des tamis moléculaires.

Flux de processus :

Tour d'adsorption : L'air passe à travers une tour d'adsorption remplie de tamis moléculaires, où l'azote et l'oxygène sont fortement adsorbés par les tamis moléculaires, tandis que les gaz inertes comme l'argon ne sont pas adsorbés, ce qui leur permet de se séparer de l'azote et de l'oxygène.

Adsorption et désorption : Au cours d’un cycle, la tour d’adsorption absorbe d’abord l’azote et l’oxygène de l’air sous haute pression, tandis que l’argon s’écoule par la sortie de la tour. Ensuite, en réduisant la pression, l’azote et l’oxygène sont désorbés des tamis moléculaires et la capacité d’adsorption de la tour d’adsorption est restaurée grâce à une régénération modulée en pression.

Cycle multi-tours : Généralement, plusieurs tours d'adsorption sont utilisées en alternance—l'un pour l'adsorption tandis que l'autre est en désorption—permettant une production continue.

L’avantage de la méthode PSA est qu’elle présente une configuration plus simple et des coûts d’exploitation inférieurs, mais la pureté de l’argon produit est généralement inférieure à celle de la distillation cryogénique. Il convient aux situations où la demande en argon est faible.

Purification de l'argon

Qu'il s'agisse d'une distillation cryogénique ou d'un PSA, l'argon généré contient généralement de petites quantités d'oxygène, d'azote ou de vapeur d'eau. Pour améliorer la pureté de l'argon, d'autres étapes de purification sont généralement nécessaires :

Condensation des impuretés : Refroidissement supplémentaire de l'argon pour condenser et séparer certaines impuretés.

Adsorption sur tamis moléculaire : Utilisation d'adsorbeurs à tamis moléculaire à haute efficacité pour éliminer les traces d'azote, d'oxygène ou de vapeur d'eau. Les tamis moléculaires ont des tailles de pores spécifiques qui peuvent adsorber sélectivement certaines molécules de gaz.

Technologie de séparation par membrane : Dans certains cas, la technologie des membranes de séparation des gaz peut être utilisée pour séparer les gaz sur la base d'une perméation sélective, améliorant ainsi encore la pureté de l'argon.

Précautions pour la production d'argon sur site

Mesures de sécurité :

Risque cryogénique : Argon liquide est extrêmement froid et tout contact direct avec celui-ci doit être évité pour éviter les engelures. Les opérateurs doivent porter des vêtements, des gants et des lunettes de protection cryogéniques spécialisés.

Risque d'asphyxie : L'argon est un gaz inerte et peut déplacer l'oxygène. Dans les espaces clos, les fuites d’argon peuvent entraîner une diminution des niveaux d’oxygène, entraînant une asphyxie. Par conséquent, les zones où l’argon est produit et stocké doivent être bien ventilées et des systèmes de surveillance de l’oxygène doivent être installés.

Entretien des équipements :

Contrôle de la pression et de la température : Les équipements de production d'argon nécessitent un contrôle strict de la pression et de la température, notamment dans la colonne de distillation cryogénique et les tours d'adsorption. L'équipement doit être régulièrement inspecté pour garantir que tous les paramètres se situent dans les plages normales.

Prévention des fuites : Étant donné que le système à l'argon fonctionne sous haute pression et basse température, l'intégrité du joint est cruciale. Les gazoducs, les joints et les vannes doivent être vérifiés périodiquement pour éviter les fuites de gaz.

Contrôle de la pureté du gaz :

Surveillance de précision : La pureté de l'argon requise varie en fonction de l'application. Des analyseurs de gaz doivent être utilisés régulièrement pour vérifier la pureté de l'argon et garantir que le produit répond aux normes industrielles.

Gestion des impuretés : En particulier, dans la distillation cryogénique, la séparation de l'argon peut être affectée par la conception de la colonne de distillation, les conditions opératoires et l'efficacité du refroidissement. Une purification plus poussée peut être nécessaire en fonction de l'utilisation finale de l'argon (par exemple, argon de très haute pureté pour l'industrie électronique).

Gestion de l'efficacité énergétique :

Consommation d'énergie : La distillation cryogénique est gourmande en énergie, des efforts doivent donc être faits pour optimiser les processus de refroidissement et de compression afin de minimiser les pertes d'énergie.

Récupération de chaleur perdue : Les installations modernes de production d'argon utilisent souvent des systèmes de récupération de chaleur résiduelle pour récupérer l'énergie froide produite pendant le processus de distillation cryogénique, améliorant ainsi l'efficacité énergétique globale.

Dans la production industrielle, l'argon dépend principalement de méthodes de distillation cryogénique et d'adsorption modulée en pression. La distillation cryogénique est largement utilisée pour production d'argon à grande échelle en raison de sa capacité à fournir de l'argon de plus grande pureté. Une attention particulière est requise pendant la production pour assurer la sécurité, la maintenance des équipements, le contrôle de la pureté du gaz et la gestion de l'efficacité énergétique.