ארגון (Ar) הוא גז נדיר בשימוש נרחב במטלורגיה, ריתוך, תעשיות כימיות ותחומים אחרים. ייצור הארגון מסתמך בעיקר על הפרדת מרכיבי הגז השונים באוויר, שכן ריכוז הארגון באטמוספרה הוא כ-0.93%. שתי השיטות העיקריות לייצור ארגון תעשייתי הן זיקוק קריוגני וספיחת תנודת לחץ (PSA).

זיקוק קריוגני

זיקוק קריוגני הוא השיטה הנפוצה ביותר להפרדת ארגון בתעשייה. שיטה זו מנצלת את ההבדלים בנקודות הרתיחה של רכיבי גז שונים באוויר, מנזלת את האוויר בטמפרטורות נמוכות ומפרידה בין הגזים באמצעות עמודת זיקוק.

זרימת תהליך:

טיפול מקדים באוויר: ראשית, האוויר נדחס ומקורר בתחילה כדי להסיר לחות ופחמן דו חמצני. שלב זה מושג בדרך כלל על ידי שימוש במייבש (CD) או סופח מסננת מולקולרית כדי להסיר לחות ולכלוכים.

דחיסת אוויר וקירור: לאחר הייבוש, האוויר נדחס למספר מגה-פסקאל של לחץ, ולאחר מכן מקורר באמצעות מכשיר קירור (למשל, מצנן אוויר) כדי להביא את טמפרטורת האוויר קרוב לנקודת ההנזלה שלו. תהליך זה מוריד את טמפרטורת האוויר ל-170°C עד -180°ג.

נזילות אוויר: האוויר המקורר עובר דרך שסתום התפשטות ונכנס לעמוד זיקוק קריוגני. הרכיבים באוויר מופרדים בהדרגה בתוך העמוד על סמך נקודות הרתיחה שלהם. חנקן (N₂) וחמצן (O₂) מופרדים בטמפרטורות נמוכות יותר, בעוד שלארגון (Ar), יש נקודת רתיחה בין חנקן וחמצן (-195.8°C עבור חנקן, -183°C עבור חמצן, ו-185.7°C עבור ארגון), נאסף בחלקים ספציפיים של העמודה.

זיקוק חלקי: בעמודת הזיקוק אוויר נוזלי מתאדה ומתעבה בטמפרטורות שונות, והארגון מופרד למעשה. לאחר מכן נאסף הארגון המופרד ומטוהר עוד יותר.

טיהור ארגון:

זיקוק קריוגני מניב בדרך כלל ארגון עם טוהר מעל 99%. עבור יישומים מסוימים (לדוגמה, בתעשיית האלקטרוניקה או בעיבוד חומרים מתקדמים), ייתכן שיידרש טיהור נוסף באמצעות סופחים (כגון פחמן פעיל או נפות מולקולריות) כדי להסיר זיהומים עקבים כמו חנקן וחמצן.

ספיחת תנודת לחץ (PSA)

ספיחה בתנופת לחץ (PSA) היא שיטה נוספת לייצור ארגון, המתאימה לייצור בקנה מידה קטן יותר. שיטה זו מפרידה ארגון מהאוויר על ידי ניצול מאפייני הספיחה השונים של גזים שונים על חומרים כגון נפות מולקולריות.

זרימת תהליך:

מגדל ספיחה: האוויר עובר דרך מגדל ספיחה מלא במסננות מולקולריות, שבו חנקן וחמצן נספגים בחוזקה על ידי הנפות המולקולריות, בעוד גזים אינרטיים כמו ארגון אינם נספגים, מה שמאפשר להם להיפרד מחנקן וחמצן.

ספיחה וספיחה: במהלך מחזור אחד, מגדל הספיחה סופח תחילה חנקן וחמצן מהאוויר בלחץ גבוה, בעוד ארגון זורם החוצה דרך מוצא המגדל. לאחר מכן, על ידי הפחתת הלחץ, חנקן וחמצן נספגים מהמסננות המולקולריות, ויכולת הספיחה של מגדל הספיחה משוחזרת באמצעות התחדשות תנודת לחץ.

מחזור ריבוי מגדלים: בדרך כלל, משתמשים במגדלי ספיחה מרובים לסירוגין—אחד לספיחה ואילו השני נמצא בספיחה—המאפשר ייצור רציף.

היתרון של שיטת ה-PSA הוא בכך שיש לה הגדרה פשוטה יותר ועלויות תפעול נמוכות יותר, אך הטוהר של הארגון המיוצר נמוך בדרך כלל מזה של זיקוק קריוגני. זה מתאים למצבים עם ביקוש נמוך יותר לארגון.

טיהור ארגון

בין אם משתמשים בזיקוק קריוגני או PSA, הארגון הנוצר מכיל בדרך כלל כמויות קטנות של חמצן, חנקן או אדי מים. כדי לשפר את טוהר הארגון, נדרשים בדרך כלל שלבי טיהור נוספים:

עיבוי זיהומים: קירור נוסף של הארגון כדי לעבות ולהפריד כמה זיהומים.

ספיחת מסננת מולקולרית: שימוש בסופחי מסננות מולקולריות ביעילות גבוהה להסרת כמויות עקבות של חנקן, חמצן או אדי מים. למסננות מולקולריות יש גדלי נקבוביות ספציפיים שיכולים לספוח באופן סלקטיבי מולקולות גז מסוימות.

טכנולוגיית הפרדת ממברנה: במקרים מסוימים, ניתן להשתמש בטכנולוגיית ממברנות הפרדת גזים להפרדת גזים על בסיס חדירות סלקטיבית, מה שמשפר עוד יותר את טוהר הארגון.

אמצעי זהירות לייצור ארגון באתר

אמצעי בטיחות:

סכנה קריוגני: ארגון נוזלי קר מאוד, ויש להימנע ממגע ישיר איתו כדי למנוע כוויות קור. על המפעילים ללבוש ביגוד מגן, כפפות ומשקפי מגן מיוחדים.

סכנת חנק: ארגון הוא גז אינרטי ויכול לעקור חמצן. בחללים סגורים, דליפת ארגון עלולה להוביל לירידה ברמות החמצן, וכתוצאה מכך לחנק. לכן, יש לאוורר היטב אזורים שבהם מיוצר ומאוחסן ארגון ולהתקין מערכות ניטור חמצן.

תחזוקת ציוד:

בקרת לחץ וטמפרטורה: ציוד לייצור ארגון דורש שליטה קפדנית על לחץ וטמפרטורה, במיוחד בעמודת הזיקוק הקריוגנית ובמגדלי הספיחה. יש לבדוק את הציוד באופן קבוע כדי לוודא שכל הפרמטרים נמצאים בטווחים הנורמליים.

מניעת דליפות: מכיוון שמערכת הארגון פועלת תחת לחץ גבוה וטמפרטורות נמוכות, שלמות האיטום היא קריטית. יש לבדוק מעת לעת צינורות גז, מפרקים ושסתומים כדי למנוע דליפות גז.

בקרת טוהר הגז:

ניטור מדויק: טוהר הארגון הנדרש משתנה בהתאם ליישום. יש להשתמש במנתחי גז באופן קבוע כדי לבדוק את טוהר הארגון ולהבטיח שהמוצר עומד בתקנים תעשייתיים.

ניהול טומאה: בפרט, בזיקוק קריוגני, ההפרדה של ארגון עשויה להיות מושפעת מעיצוב עמודת הזיקוק, תנאי ההפעלה ויעילות הקירור. טיהור נוסף עשוי להיות נחוץ בהתאם לשימוש הסופי בארגון (למשל, ארגון בטוהר גבוה במיוחד עבור תעשיית האלקטרוניקה).

ניהול יעילות אנרגטית:

צריכת אנרגיה: זיקוק קריוגני הוא עתיר אנרגיה, ולכן יש לעשות מאמצים לייעל את תהליכי הקירור והדחיסה כדי למזער אובדן אנרגיה.

שחזור חום פסולת: מתקנים מודרניים לייצור ארגון משתמשים לעתים קרובות במערכות שחזור חום פסולת כדי לשחזר את האנרגיה הקרה המופקת במהלך תהליך הזיקוק הקריוגני, תוך שיפור היעילות האנרגטית הכוללת.

בייצור תעשייתי, ארגון תלוי בעיקר בשיטות זיקוק קריוגני ובשיטות ספיחה בתנודת לחץ. זיקוק קריוגני נמצא בשימוש נרחב עבור ייצור ארגון בקנה מידה גדול בשל יכולתו לספק ארגון טוהר גבוה יותר. תשומת לב מיוחדת נדרשת במהלך הייצור כדי להבטיח בטיחות, תחזוקת ציוד, בקרת טוהר הגז וניהול יעילות אנרגטית.