アルゴン (Ar) 冶金、溶接、化学工業などの分野で広く使用されている希ガスです。大気中のアルゴン濃度は約 0.93% であるため、アルゴンの生成は主に空気中のさまざまなガス成分の分離に依存しています。工業用アルゴン製造の 2 つの主な方法は、極低温蒸留と圧力変動吸着 (PSA) です。

極低温蒸留

極低温蒸留は、業界でアルゴンを分離するために最も一般的に使用される方法です。空気中のさまざまなガス成分の沸点の違いを利用し、空気を低温で液化し、蒸留塔でガスを分離する方法です。

プロセスフロー:

空気前処理: まず、空気が圧縮され、最初に冷却されて水分と二酸化炭素が除去されます。このステップは通常、乾燥機 (CD) またはモレキュラーシーブ吸着装置を使用して水分と不純物を除去することによって行われます。

空気圧縮と冷却: 乾燥後、空気は数メガパスカルの圧力まで圧縮され、冷却装置（空冷器など）で冷却されて空気温度が液化点に近くなります。このプロセスにより気温は-170℃まで下がります。°C～-180°C.

空気の液化: 冷却された空気は膨張弁を通過し、極低温蒸留塔に入ります。空気中の成分はカラム内で沸点に応じて徐々に分離されます。窒素(N₂) と酸素 (O₂) は低温で分離されますが、アルゴン (Ar) は窒素と酸素の間の沸点 (-195.8) を持ちます。°窒素の場合は C、-183°酸素は C、-185.7°Cはアルゴンを表します）は、カラムの特定のセクションに収集されます。

分別蒸留: 蒸留塔では、液体空気がさまざまな温度で蒸発および凝縮し、アルゴンが効果的に分離されます。分離されたアルゴンは次に収集され、さらに精製されます。

アルゴン精製:

極低温蒸留では、通常、99% 以上の純度のアルゴンが得られます。特定の用途 (エレクトロニクス産業やハイエンド材料処理など) では、窒素や酸素などの微量不純物を除去するために、吸着剤 (活性炭やモレキュラーシーブなど) を使用してさらに精製する必要がある場合があります。

圧力スイング吸着 (PSA)

圧力スイング吸着 (PSA) はアルゴンを生成するもう 1 つの方法であり、小規模生産に適しています。この方法は、モレキュラーシーブなどの材料に対するさまざまなガスの異なる吸着特性を利用して、空気からアルゴンを分離します。

プロセスフロー:

吸着塔： 空気はモレキュラーシーブが充填された吸着塔を通過し、窒素と酸素はモレキュラーシーブによって強力に吸着されますが、アルゴンなどの不活性ガスは吸着されず、窒素と酸素から分離されます。

吸着と脱着: 1 サイクル中、吸着塔はまず高圧下で空気から窒素と酸素を吸着し、アルゴンが塔の出口から流出します。その後、圧力を下げることで窒素と酸素がモレキュラーシーブから脱離し、圧力スイング再生により吸着塔の吸着能力が回復します。

マルチタワーサイクル: 通常は複数の吸着塔を交互に使用します。—1 つは吸着用、もう 1 つは脱着用—継続的な生産が可能になります。

PSA 法の利点は、セットアップが簡単で運転コストが低いことですが、生成されるアルゴンの純度は一般に極低温蒸留の純度よりも低くなります。アルゴン需要が低い状況に適しています。

アルゴン精製

極低温蒸留を使用するか PSA を使用するかにかかわらず、生成されたアルゴンには通常、少量の酸素、窒素、または水蒸気が含まれています。アルゴンの純度を向上させるには、通常、さらなる精製手順が必要です。

不純物の凝縮: アルゴンをさらに冷却して凝縮し、一部の不純物を分離します。

モレキュラーシーブ吸着: 高効率モレキュラーシーブ吸着剤を使用して、微量の窒素、酸素、または水蒸気を除去します。モレキュラーシーブは特定の気体分子を選択的に吸着できる特定の細孔サイズを持っています。

膜分離技術: 場合によっては、ガス分離膜技術を使用して選択透過に基づいてガスを分離し、アルゴンの純度をさらに高めることができます。

現場でのアルゴン製造に関する注意事項

安全対策:

極低温の危険性: 液体アルゴン 非常に寒いので、凍傷を防ぐために直接触れないでください。オペレータは特殊な極低温保護服、手袋、ゴーグルを着用する必要があります。

窒息の危険性: アルゴンは不活性ガスであり、酸素を置き換えることができます。密閉された空間では、アルゴンが漏れると酸素レベルが低下し、窒息につながる可能性があります。したがって、アルゴンが生成および貯蔵されるエリアは十分に換気され、酸素監視システムが設置される必要があります。

機器のメンテナンス:

圧力と温度の制御: アルゴン製造装置では、特に極低温蒸留塔や吸着塔において圧力と温度を厳密に制御する必要があります。機器を定期的に検査して、すべてのパラメータが正常範囲内にあることを確認する必要があります。

漏れ防止： アルゴン システムは高圧かつ低温で動作するため、シールの完全性が非常に重要です。ガス漏れを防ぐために、ガスパイプライン、接続部、バルブを定期的にチェックする必要があります。

ガス純度管理:

正確なモニタリング: 必要なアルゴンの純度は用途によって異なります。ガス分析装置を定期的に使用してアルゴンの純度をチェックし、製品が工業規格を満たしていることを確認する必要があります。

不純物管理: 特に、極低温蒸留では、アルゴンの分離は蒸留塔の設計、操作条件、冷却効率によって影響を受ける可能性があります。アルゴンの最終用途（電子産業用の超高純度アルゴンなど）によっては、さらに精製が必要になる場合があります。

エネルギー効率管理:

エネルギー消費量: 極低温蒸留はエネルギーを大量に消費するため、エネルギー損失を最小限に抑えるために冷却および圧縮プロセスを最適化する努力が必要です。

廃熱回収: 最新のアルゴン製造施設では、廃熱回収システムを利用して極低温蒸留プロセス中に生成される冷エネルギーを回収することが多く、全体的なエネルギー効率が向上しています。

工業生産では、アルゴンは主に極低温蒸留と圧力スイング吸着法に依存します。深冷蒸留は以下の用途に広く使用されています。 大規模なアルゴン生産 より高純度のアルゴンを供給できるためです。製造中は、安全性、設備のメンテナンス、ガス純度の管理、エネルギー効率の管理を確保するために特別な注意が必要です。