Argon (Ar) è un gas raro ampiamente utilizzato nella metallurgia, nella saldatura, nell'industria chimica e in altri campi. La produzione di argon si basa principalmente sulla separazione dei diversi componenti del gas nell'aria, poiché la concentrazione di argon nell'atmosfera è di circa lo 0,93%. I due metodi principali per la produzione di argon industriale sono la distillazione criogenica e l'adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA).

Distillazione criogenica

La distillazione criogenica è il metodo più comunemente utilizzato per la separazione dell'argon nell'industria. Questo metodo sfrutta le differenze nei punti di ebollizione dei vari componenti del gas nell'aria, liquefa l'aria a basse temperature e separa i gas attraverso una colonna di distillazione.

Flusso del processo:

Pretrattamento dell'aria: Innanzitutto, l'aria viene compressa e inizialmente raffreddata per rimuovere l'umidità e l'anidride carbonica. Questa fase viene generalmente ottenuta utilizzando un essiccatore (CD) o un adsorbitore a setaccio molecolare per rimuovere l'umidità e le impurità.

Compressione e raffreddamento dell'aria: Dopo l'essiccazione, l'aria viene compressa a diversi megapascal di pressione e quindi raffreddata attraverso un dispositivo di raffreddamento (ad esempio un refrigeratore d'aria) per portare la temperatura dell'aria vicino al punto di liquefazione. Questo processo abbassa la temperatura dell'aria a -170°C a -180°C.

Liquefazione dell'aria: L'aria raffreddata passa attraverso una valvola di espansione ed entra in una colonna di distillazione criogenica. I componenti presenti nell'aria vengono gradualmente separati all'interno della colonna in base al loro punto di ebollizione. Azoto (n₂) e ossigeno (O₂) vengono separati a temperature più basse, mentre l'argon (Ar), avente un punto di ebollizione compreso tra azoto e ossigeno (-195,8°C per azoto, -183°C per l'ossigeno e -185,7°C per argon), è raccolto in sezioni specifiche della colonna.

Distillazione frazionata: Nella colonna di distillazione, l'aria liquida evapora e condensa a diverse temperature e l'argon viene efficacemente separato. L'argon separato viene quindi raccolto e ulteriormente purificato.

Purificazione dell'argon:

La distillazione criogenica generalmente produce argon con purezza superiore al 99%. Per alcune applicazioni (ad esempio, nell'industria elettronica o nella lavorazione di materiali di fascia alta), potrebbe essere necessaria un'ulteriore purificazione utilizzando adsorbenti (come carbone attivo o setacci molecolari) per rimuovere impurità in tracce come azoto e ossigeno.

Adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA)

Il PSA (Pressure Swing Adsorption) è un altro metodo per generare argon, adatto per la produzione su scala ridotta. Questo metodo separa l'argon dall'aria utilizzando le diverse caratteristiche di adsorbimento di vari gas su materiali come i setacci molecolari.

Flusso del processo:

Torre di assorbimento: L'aria passa attraverso una torre di adsorbimento riempita di setacci molecolari, dove l'azoto e l'ossigeno vengono fortemente adsorbiti dai setacci molecolari, mentre i gas inerti come l'argon non vengono adsorbiti, consentendo loro di separarsi dall'azoto e dall'ossigeno.

Adsorbimento e desorbimento: Durante un ciclo, la torre di adsorbimento assorbe prima l’azoto e l’ossigeno dall’aria ad alta pressione, mentre l’argon fuoriesce attraverso l’uscita della torre. Quindi, riducendo la pressione, l’azoto e l’ossigeno vengono desorbiti dai setacci molecolari e la capacità di adsorbimento della torre di adsorbimento viene ripristinata attraverso la rigenerazione dell’oscillazione della pressione.

Ciclo multi-torre: Tipicamente, più torri di adsorbimento vengono utilizzate alternativamente—uno per l'adsorbimento mentre l'altro è per il desorbimento—consentendo una produzione continua.

Il vantaggio del metodo PSA è che ha una configurazione più semplice e costi operativi inferiori, ma la purezza dell’argon prodotto è generalmente inferiore a quella della distillazione criogenica. È adatto a situazioni con una minore richiesta di argon.

Purificazione dell'argon

Sia che si utilizzi la distillazione criogenica o il PSA, l'argon generato solitamente contiene piccole quantità di ossigeno, azoto o vapore acqueo. Per migliorare la purezza dell'argon, sono generalmente necessarie ulteriori fasi di purificazione:

Condensazione delle impurità: Ulteriore raffreddamento dell'argon per condensare e separare alcune impurità.

Adsorbimento del setaccio molecolare: Utilizzo di adsorbitori a setaccio molecolare ad alta efficienza per rimuovere tracce di azoto, ossigeno o vapore acqueo. I setacci molecolari hanno dimensioni dei pori specifiche che possono assorbire selettivamente determinate molecole di gas.

Tecnologia di separazione a membrana: In alcuni casi, la tecnologia a membrana di separazione dei gas può essere utilizzata per separare i gas in base alla permeazione selettiva, migliorando ulteriormente la purezza dell'argon.

Precauzioni per la produzione di argon in loco

Misure di sicurezza:

Pericolo criogenico: Argon liquido è estremamente freddo e il contatto diretto con esso dovrebbe essere evitato per prevenire il congelamento. Gli operatori devono indossare indumenti protettivi, guanti e occhiali protettivi criogenici specializzati.

Pericolo di asfissia: L'argon è un gas inerte e può sostituire l'ossigeno. Negli spazi chiusi, la perdita di argon può portare a una diminuzione dei livelli di ossigeno, con conseguente asfissia. Pertanto, le aree in cui viene prodotto e immagazzinato l'argon devono essere ben ventilate e devono essere installati sistemi di monitoraggio dell'ossigeno.

Manutenzione dell'attrezzatura:

Controllo della pressione e della temperatura: Le apparecchiature per la produzione di argon richiedono un controllo rigoroso della pressione e della temperatura, soprattutto nella colonna di distillazione criogenica e nelle torri di adsorbimento. L'attrezzatura deve essere regolarmente ispezionata per garantire che tutti i parametri rientrino negli intervalli normali.

Prevenzione delle perdite: Poiché il sistema ad argon funziona ad alta pressione e basse temperature, l'integrità della tenuta è fondamentale. I gasdotti, i giunti e le valvole devono essere controllati periodicamente per evitare perdite di gas.

Controllo della purezza del gas:

Monitoraggio di precisione: La purezza dell'argon richiesta varia a seconda dell'applicazione. Gli analizzatori di gas dovrebbero essere utilizzati regolarmente per verificare la purezza dell'argon e garantire che il prodotto soddisfi gli standard industriali.

Gestione delle impurità: In particolare, nella distillazione criogenica, la separazione dell'argon può essere influenzata dal design della colonna di distillazione, dalle condizioni operative e dall'efficacia del raffreddamento. Potrebbe essere necessaria un'ulteriore purificazione a seconda dell'uso finale dell'argon (ad esempio, argon ad altissima purezza per l'industria elettronica).

Gestione dell’efficienza energetica:

Consumo energetico: La distillazione criogenica è ad alta intensità energetica, quindi dovrebbero essere compiuti sforzi per ottimizzare i processi di raffreddamento e compressione per ridurre al minimo la perdita di energia.

Recupero del calore di scarto: I moderni impianti di produzione di argon utilizzano spesso sistemi di recupero del calore di scarto per recuperare l’energia fredda prodotta durante il processo di distillazione criogenica, migliorando l’efficienza energetica complessiva.

Nella produzione industriale, l'argon dipende principalmente dalla distillazione criogenica e dai metodi di adsorbimento con oscillazione di pressione. La distillazione criogenica è ampiamente utilizzata produzione di argon su larga scala grazie alla sua capacità di fornire argon di purezza più elevata. Durante la produzione è necessaria un'attenzione particolare per garantire la sicurezza, la manutenzione delle apparecchiature, il controllo della purezza del gas e la gestione dell'efficienza energetica.