Argon (Ar) je rijedak plin koji se široko koristi u metalurgiji, zavarivanju, kemijskoj industriji i drugim područjima. Proizvodnja argona uglavnom se oslanja na odvajanje različitih komponenti plina u zraku, budući da je koncentracija argona u atmosferi oko 0,93%. Dvije primarne metode za industrijsku proizvodnju argona su kriogena destilacija i adsorpcija uz promjenu tlaka (PSA).

Kriogena destilacija

Kriogena destilacija je najčešće korištena metoda za odvajanje argona u industriji. Ova metoda koristi razlike u vrelištima različitih komponenti plina u zraku, ukapljuje zrak na niskim temperaturama i odvaja plinove kroz destilacijski stupac.

Tijek procesa:

Predobrada zraka: Prvo se zrak komprimira i prvo hladi kako bi se uklonili vlaga i ugljični dioksid. Ovaj se korak obično postiže korištenjem sušilice (CD) ili adsorbera na molekularnom situ za uklanjanje vlage i nečistoća.

Kompresija zraka i hlađenje: Nakon sušenja, zrak se komprimira na nekoliko megapaskala tlaka, a zatim se hladi pomoću rashladnog uređaja (npr. hladnjaka zraka) kako bi se temperatura zraka približila točki ukapljivanja. Ovaj proces snižava temperaturu zraka na -170°C do -180°C.

Ukapljivanje zraka: Ohlađeni zrak prolazi kroz ekspanzijski ventil i ulazi u kriogenu destilacijsku kolonu. Komponente u zraku postupno se odvajaju unutar stupca na temelju njihovih vrelišta. Dušik (N₂) i kisik (O₂) odvajaju se na nižim temperaturama, dok argon (Ar), koji ima vrelište između dušika i kisika (-195,8°C za dušik, -183°C za kisik i -185,7°C za argon), skuplja se u određenim dijelovima kolone.

Frakcijska destilacija: U destilacijskoj koloni tekući zrak isparava i kondenzira se na različitim temperaturama, a argon se učinkovito odvaja. Odvojeni argon se zatim skuplja i dalje pročišćava.

Pročišćavanje argonom:

Kriogena destilacija općenito daje argon čistoće iznad 99%. Za određene primjene (npr. u elektroničkoj industriji ili visokokvalitetnoj obradi materijala), može biti potrebno dodatno pročišćavanje upotrebom adsorbenata (kao što su aktivni ugljen ili molekularna sita) za uklanjanje tragova nečistoća poput dušika i kisika.

Adsorpcija promjene tlaka (PSA)

Adsorpcija uz promjenu tlaka (PSA) još je jedna metoda za generiranje argona, pogodna za proizvodnju manjih razmjera. Ova metoda odvaja argon od zraka korištenjem različitih karakteristika adsorpcije različitih plinova na materijalima kao što su molekularna sita.

Tijek procesa:

Adsorpcijski toranj: Zrak prolazi kroz adsorpcijski toranj ispunjen molekularnim sitima, gdje su dušik i kisik snažno adsorbirani pomoću molekularnih sita, dok se inertni plinovi poput argona ne adsorbiraju, što im omogućuje odvajanje od dušika i kisika.

Adsorpcija i desorpcija: Tijekom jednog ciklusa, adsorpcijski toranj prvo adsorbira dušik i kisik iz zraka pod visokim pritiskom, dok argon istječe kroz izlaz tornja. Zatim, smanjenjem tlaka, dušik i kisik desorbiraju se iz molekularnih sita, a adsorpcijski kapacitet adsorpcijskog tornja se obnavlja kroz regeneraciju promjene tlaka.

Ciklus s više tornjeva: Obično se naizmjenično koriste višestruki adsorpcijski tornjevi—jedan za adsorpciju dok je drugi u desorpciji—omogućujući kontinuiranu proizvodnju.

Prednost PSA metode je u tome što ima jednostavniji postav i niže operativne troškove, ali je čistoća proizvedenog argona općenito niža nego kod kriogene destilacije. Pogodan je za situacije s niskom potražnjom argona.

Pročišćavanje argonom

Bilo da se koristi kriogena destilacija ili PSA, generirani argon obično sadrži male količine kisika, dušika ili vodene pare. Da bi se poboljšala čistoća argona, obično su potrebni daljnji koraci pročišćavanja:

Kondenzacija nečistoća: Daljnje hlađenje argona radi kondenzacije i odvajanja nekih nečistoća.

Adsorpcija na molekularnom situ: Korištenje visokoučinkovitih adsorbera s molekularnim sitom za uklanjanje tragova dušika, kisika ili vodene pare. Molekularna sita imaju specifične veličine pora koje mogu selektivno adsorbirati određene molekule plina.

Tehnologija odvajanja membrane: U nekim slučajevima, tehnologija membrane za odvajanje plinova može se koristiti za odvajanje plinova na temelju selektivne propusnosti, čime se dodatno povećava čistoća argona.

Mjere opreza za proizvodnju argona na licu mjesta

Sigurnosne mjere:

Kriogena opasnost: Tekući argon je izuzetno hladan, te treba izbjegavati izravan kontakt s njim kako bi se spriječile ozebline. Operateri trebaju nositi specijaliziranu kriogenu zaštitnu odjeću, rukavice i naočale.

Opasnost od gušenja: Argon je inertan plin i može istisnuti kisik. U zatvorenim prostorima curenje argona može dovesti do smanjenja razine kisika, što može dovesti do gušenja. Stoga prostori u kojima se argon proizvodi i skladišti moraju biti dobro prozračeni i potrebno je instalirati sustave za praćenje kisika.

Održavanje opreme:

Kontrola tlaka i temperature: Oprema za proizvodnju argona zahtijeva strogu kontrolu tlaka i temperature, posebno u stupcu za kriogenu destilaciju i adsorpcijskim tornjevima. Opremu treba redovito provjeravati kako bi se osiguralo da su svi parametri unutar normalnih raspona.

Sprječavanje curenja: Budući da argonski sustav radi pod visokim tlakom i niskim temperaturama, integritet brtve je ključan. Plinske vodove, spojeve i ventile treba povremeno provjeravati kako bi se spriječilo curenje plina.

Kontrola čistoće plina:

Praćenje preciznosti: Potrebna čistoća argona ovisi o primjeni. Analizatore plina treba redovito koristiti za provjeru čistoće argona i osiguravanje da proizvod zadovoljava industrijske standarde.

Upravljanje nečistoćama: Konkretno, kod kriogene destilacije, na odvajanje argona može utjecati dizajn destilacijske kolone, radni uvjeti i učinkovitost hlađenja. Daljnje pročišćavanje može biti potrebno ovisno o konačnoj upotrebi argona (npr. argon ultravisoke čistoće za elektroničku industriju).

Upravljanje energetskom učinkovitošću:

Potrošnja energije: Kriogena destilacija je energetski intenzivna, stoga treba nastojati optimizirati procese hlađenja i kompresije kako bi se smanjio gubitak energije.

Oporaba otpadne topline: Moderna postrojenja za proizvodnju argona često koriste sustave za povrat otpadne topline za povrat hladne energije proizvedene tijekom procesa kriogene destilacije, poboljšavajući ukupnu energetsku učinkovitost.

U industrijskoj proizvodnji argon primarno ovisi o metodama kriogene destilacije i adsorpcije s promjenom tlaka. Kriogena destilacija naširoko se koristi za velika proizvodnja argona zbog svoje sposobnosti da osigura argon veće čistoće. Posebna pozornost potrebna je tijekom proizvodnje kako bi se osigurala sigurnost, održavanje opreme, kontrola čistoće plina i upravljanje energetskom učinkovitošću.