Argon (Ar) egy ritka gáz, amelyet széles körben használnak a kohászatban, hegesztésben, vegyiparban és más területeken. Az argon előállítása elsősorban a levegőben lévő gázkomponensek szétválasztásán alapul, mivel az argon koncentrációja a légkörben körülbelül 0,93%. Az ipari argongyártás két elsődleges módszere a kriogén desztilláció és a nyomásingadozású adszorpció (PSA).

Kriogén desztilláció

A kriogén desztilláció az iparban leggyakrabban használt módszer az argon elválasztására. Ez a módszer felhasználja a levegőben lévő különböző gázkomponensek forráspontbeli különbségeit, alacsony hőmérsékleten cseppfolyósítja a levegőt, és desztillációs oszlopon keresztül választja el a gázokat.

Folyamatfolyamat:

Levegő előkezelés: Először a levegőt összenyomják és először lehűtik, hogy eltávolítsák a nedvességet és a szén-dioxidot. Ezt a lépést általában szárító (CD) vagy molekulaszita adszorber használatával érik el a nedvesség és a szennyeződések eltávolítására.

Légkompresszió és hűtés: Szárítás után a levegőt több megapascal nyomásra sűrítik, majd egy hűtőberendezésen (pl. léghűtőn) keresztül lehűtik, hogy a levegő hőmérséklete közel kerüljön a cseppfolyósodási pontjához. Ez az eljárás a levegő hőmérsékletét -170 °C-ra csökkenti°C -180-ra°C.

Levegő cseppfolyósítás: A lehűtött levegő egy expanziós szelepen halad át, és belép egy kriogén desztillációs oszlopba. A levegőben lévő komponensek forráspontjaik alapján fokozatosan elkülönülnek az oszlopon belül. Nitrogén (N₂) és oxigén (O₂) alacsonyabb hőmérsékleten válnak el, míg az argon (Ar), amelynek forráspontja nitrogén és oxigén között van (-195,8°C nitrogén esetén -183°C oxigénnél, és -185,7°C az argon esetében), az oszlop meghatározott szakaszaiban gyűjtik össze.

Frakcionált desztilláció: A desztillációs oszlopban a folyékony levegő különböző hőmérsékleteken elpárolog és kondenzálódik, és az argon hatékonyan leválik. Az elválasztott argont ezután összegyűjtjük és tovább tisztítjuk.

Argon tisztítás:

A kriogén desztilláció általában 99% feletti tisztaságú argont eredményez. Bizonyos alkalmazásokhoz (például az elektronikai iparban vagy a csúcsminőségű anyagfeldolgozásban) további tisztításra lehet szükség adszorbensek (például aktív szén vagy molekulaszita) használatával a nyomokban lévő szennyeződések, például a nitrogén és az oxigén eltávolítása érdekében.

Nyomáslengés adszorpció (PSA)

A Pressure Swing Adsorption (PSA) egy másik módszer az argon előállítására, amely alkalmas kisebb méretű termelésre. Ez a módszer az argont a levegőtől úgy választja el, hogy felhasználja a különböző gázok eltérő adszorpciós jellemzőit olyan anyagokon, mint például a molekulaszita.

Folyamatfolyamat:

Adszorpciós torony: A levegő egy molekulaszitákkal teli adszorpciós tornyon halad át, ahol a nitrogént és az oxigént erősen adszorbeálják a molekulasziták, míg az inert gázokat, például az argont nem adszorbeálják, így elválik a nitrogéntől és az oxigéntől.

Adszorpció és deszorpció: Egy ciklus alatt az adszorpciós torony először a nitrogént és oxigént adszorbeálja a levegőből nagy nyomás alatt, míg az argon a torony kimenetén keresztül áramlik ki. Ezután a nyomás csökkentésével a nitrogén és az oxigén deszorbeálódik a molekulaszitáról, és az adszorpciós torony adszorpciós képessége helyreáll a nyomásingadozásos regeneráció révén.

Több tornyos ciklus: Általában több adszorpciós tornyot használnak felváltva—az egyik az adszorpcióhoz, míg a másik deszorpcióban van—folyamatos termelést tesz lehetővé.

A PSA módszer előnye, hogy egyszerűbb az összeállítása és alacsonyabb az üzemeltetési költsége, de az előállított argon tisztasága általában alacsonyabb, mint a kriogén desztillációé. Alkalmas kisebb argonigényű helyzetekben.

Argon tisztítás

Akár kriogén desztillációról, akár PSA-ról van szó, a keletkezett argon általában kis mennyiségű oxigént, nitrogént vagy vízgőzt tartalmaz. Az argon tisztaságának javítása érdekében általában további tisztítási lépésekre van szükség:

A szennyeződések kondenzációja: Az argon további hűtése a kondenzáció és néhány szennyeződés elkülönítése érdekében.

Molekuláris szita adszorpció: Nagy hatékonyságú molekulaszita adszorberek használata nyomokban nitrogén, oxigén vagy vízgőz eltávolítására. A molekulaszita meghatározott pórusméretekkel rendelkezik, amelyek szelektíven adszorbeálhatnak bizonyos gázmolekulákat.

Membránleválasztó technológia: Egyes esetekben a gázleválasztó membrán technológiával szelektív permeáción alapuló gázok szétválasztására is lehetőség nyílik, tovább növelve az argon tisztaságát.

Óvintézkedések a helyszíni argongyártáshoz

Biztonsági intézkedések:

Kriogén veszély: Folyékony argon rendkívül hideg, és kerülni kell vele a közvetlen érintkezést a fagyás elkerülése érdekében. A kezelőknek speciális kriogén védőruházatot, kesztyűt és védőszemüveget kell viselniük.

Fulladásveszély: Az argon inert gáz, és képes kiszorítani az oxigént. Zárt térben az argon szivárgása az oxigénszint csökkenéséhez vezethet, ami fulladást okozhat. Ezért azokat a területeket, ahol argont termelnek és tárolnak, jól szellőztetni kell, és oxigénfigyelő rendszereket kell telepíteni.

Berendezések karbantartása:

Nyomás és hőmérséklet szabályozás: Az argongyártó berendezések szigorú nyomás- és hőmérséklet-szabályozást igényelnek, különösen a kriogén desztillációs oszlopban és az adszorpciós tornyokban. A berendezést rendszeresen ellenőrizni kell, hogy minden paraméter a normál tartományon belül legyen.

Szivárgás megelőzés: Mivel az argonrendszer magas nyomáson és alacsony hőmérsékleten működik, a tömítés integritása kulcsfontosságú. A gázvezetékeket, csatlakozásokat és szelepeket rendszeresen ellenőrizni kell a gázszivárgás elkerülése érdekében.

Gáztisztaság ellenőrzése:

Precíziós monitorozás: A szükséges argon tisztasága az alkalmazástól függően változik. Rendszeresen gázanalizátorokat kell használni az argon tisztaságának ellenőrzésére és annak biztosítására, hogy a termék megfelel-e az ipari szabványoknak.

Szennyeződéskezelés: Különösen a kriogén desztillációnál az argon elválasztását befolyásolhatja a desztillálóoszlop kialakítása, a működési feltételek és a hűtési hatékonyság. Az argon végső felhasználásától függően további tisztításra lehet szükség (pl. ultranagy tisztaságú argon az elektronikai ipar számára).

Energiahatékonyság menedzsment:

Energia fogyasztás: A kriogén desztilláció energiaigényes, ezért törekedni kell a hűtési és kompressziós folyamatok optimalizálására az energiaveszteség minimalizálása érdekében.

Hulladékhő visszanyerése: A modern argongyártó létesítmények gyakran használnak hulladékhővisszanyerő rendszereket a kriogén desztillációs folyamat során keletkezett hideg energia visszanyerésére, javítva ezzel az általános energiahatékonyságot.

Az ipari termelésben az argon elsősorban a kriogén desztillációs és nyomásingadozásos adszorpciós módszerektől függ. A kriogén desztillációt széles körben használják nagyüzemi argongyártás nagyobb tisztaságú argont szolgáltató képessége miatt. A gyártás során különös figyelmet kell fordítani a biztonságra, a berendezések karbantartására, a gáztisztaság-ellenőrzésre és az energiahatékonyság-kezelésre.