아르곤(Ar) 야금, 용접, 화학 산업 및 기타 분야에서 널리 사용되는 희가스입니다. 대기 중 아르곤 농도는 약 0.93%이므로 아르곤 생산은 주로 공기 중의 다양한 가스 성분을 분리하는 데 의존합니다. 산업용 아르곤 생산을 위한 두 가지 주요 방법은 극저온 증류와 압력 변동 흡착(PSA)입니다.

극저온 증류

극저온 증류는 업계에서 아르곤 분리에 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. 공기 중의 다양한 가스 성분의 끓는점 차이를 이용하여 공기를 저온에서 액화시킨 후 증류탑을 통해 가스를 분리하는 방식입니다.

프로세스 흐름:

공기 전처리: 먼저, 공기를 압축한 후 1차 냉각하여 수분과 이산화탄소를 제거합니다. 이 단계는 일반적으로 수분과 불순물을 제거하기 위해 건조기(CD) 또는 분자체 흡착기를 사용하여 수행됩니다.

공기 압축 및 냉각: 건조 후 공기는 수 메가파스칼의 압력으로 압축된 다음 냉각 장치(예: 공기 냉각기)를 통해 냉각되어 공기 온도를 액화점에 가깝게 만듭니다. 이 과정은 공기 온도를 -170까지 낮춥니다.°섭씨 -180°기음.

공기 액화: 냉각된 공기는 팽창 밸브를 통과하여 극저온 증류탑으로 들어갑니다. 공기 중의 성분은 끓는점에 따라 기둥 내부에서 점차적으로 분리됩니다. 질소(N₂) 및 산소(O₂)는 더 낮은 온도에서 분리되는 반면, 아르곤(Ar)은 질소와 산소 사이의 끓는점(-195.8)을 가지고 있습니다.°질소는 C, -183°산소는 C, 그리고 -185.7°아르곤의 경우 C)는 열의 특정 섹션에서 수집됩니다.

분별 증류: 증류탑에서는 액체 공기가 다양한 온도에서 증발 및 응축되며 아르곤이 효과적으로 분리됩니다. 분리된 아르곤은 수집되어 추가로 정제됩니다.

아르곤 정화:

극저온 증류에서는 일반적으로 순도가 99% 이상인 아르곤이 생성됩니다. 특정 응용 분야(예: 전자 산업 또는 고급 재료 가공)의 경우 질소 및 산소와 같은 미량 불순물을 제거하기 위해 흡착제(예: 활성탄 또는 분자체)를 사용하여 추가 정제가 필요할 수 있습니다.

압력 변동 흡착(PSA)

압력 변동 흡착(PSA)은 아르곤을 생성하는 또 다른 방법으로 소규모 생산에 적합합니다. 이 방법은 분자체와 같은 물질에 대한 다양한 가스의 다양한 흡착 특성을 활용하여 공기에서 아르곤을 분리합니다.

프로세스 흐름:

흡착탑: 공기는 분자체로 채워진 흡착탑을 통과하며, 분자체에 의해 질소와 산소는 강력하게 흡착되고, 아르곤과 같은 불활성 가스는 흡착되지 않아 질소와 산소로부터 분리됩니다.

흡착 및 탈착: 한 사이클 동안 흡착탑은 먼저 고압 하에서 공기로부터 질소와 산소를 흡착하고, 아르곤은 탑의 배출구를 통해 흘러나옵니다. 그런 다음 압력을 낮추면 분자체에서 질소와 산소가 탈착되고, 압력 변동 재생을 통해 흡착탑의 흡착 능력이 회복됩니다.

멀티 타워 사이클: 일반적으로 여러 개의 흡착탑을 교대로 사용합니다.—하나는 흡착을 위한 것이고 다른 하나는 탈착을 위한 것입니다.—지속적인 생산이 가능합니다.

PSA 방법의 장점은 설정이 간단하고 운영 비용이 낮다는 점이지만, 생산된 아르곤의 순도는 일반적으로 극저온 증류보다 낮습니다. 아르곤 수요가 낮은 상황에 적합합니다.

아르곤 정제

극저온 증류를 사용하든 PSA를 사용하든 생성된 아르곤에는 일반적으로 소량의 산소, 질소 또는 수증기가 포함되어 있습니다. 아르곤의 순도를 높이려면 일반적으로 추가 정제 단계가 필요합니다.

불순물의 응축: 일부 불순물을 응축하고 분리하기 위해 아르곤을 추가로 냉각합니다.

분자체 흡착: 고효율 분자체 흡착기를 사용하여 미량의 질소, 산소 또는 수증기를 제거합니다. 분자체는 특정 가스 분자를 선택적으로 흡착할 수 있는 특정 기공 크기를 가지고 있습니다.

막 분리 기술: 경우에 따라 가스분리막 기술을 활용해 선택적 투과를 통해 가스를 분리해 아르곤의 순도를 더욱 높일 수도 있다.

현장 아르곤 생산 시 주의사항

안전 조치:

극저온 위험: 액체 아르곤 매우 추운 곳이므로 동상을 예방하려면 직접적인 접촉을 피해야 합니다. 작업자는 특수 극저온 보호복, 장갑 및 고글을 착용해야 합니다.

질식 위험: 아르곤은 불활성 가스이며 산소를 대체할 수 있습니다. 밀폐된 공간에서 아르곤 누출로 인해 산소 수준이 감소하여 질식을 초래할 수 있습니다. 따라서 아르곤이 생산되고 저장되는 구역은 환기가 잘 되어야 하며 산소 모니터링 시스템을 설치해야 합니다.

장비 유지 관리:

압력 및 온도 제어: 아르곤 생산 장비는 특히 극저온 증류탑과 흡착탑에서 압력과 온도에 대한 엄격한 제어가 필요합니다. 장비를 정기적으로 검사하여 모든 매개변수가 정상 범위 내에 있는지 확인해야 합니다.

누출 방지: 아르곤 시스템은 고압 및 저온에서 작동하므로 씰 무결성이 중요합니다. 가스 배관, 조인트, 밸브 등을 정기적으로 점검하여 가스 누출을 방지해야 합니다.

가스 순도 제어:

정밀 모니터링: 필요한 아르곤의 순도는 응용 분야에 따라 다릅니다. 가스 분석기를 정기적으로 사용하여 아르곤의 순도를 확인하고 제품이 산업 표준을 충족하는지 확인해야 합니다.

불순물 관리: 특히, 극저온 증류에서 아르곤 분리는 증류탑 설계, 작동 조건 및 냉각 효율성에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 아르곤의 최종 용도(예: 전자 산업을 위한 초고순도 아르곤)에 따라 추가 정제가 필요할 수 있습니다.

에너지 효율 관리:

에너지 소비: 극저온 증류는 에너지 집약적이므로 에너지 손실을 최소화하기 위해 냉각 및 압축 공정을 최적화하려는 노력이 이루어져야 합니다.

폐열 회수: 현대식 아르곤 생산 시설은 종종 폐열 회수 시스템을 활용하여 극저온 증류 과정에서 생성된 저온 에너지를 회수하여 전반적인 에너지 효율성을 향상시킵니다.

산업 생산에서 아르곤은 주로 극저온 증류 및 압력 변동 흡착 방법에 의존합니다. 극저온 증류가 널리 사용됩니다. 대규모 아르곤 생산 더 높은 순도의 아르곤을 제공할 수 있는 능력 때문입니다. 생산 중에는 안전, 장비 유지 관리, 가스 순도 제어 및 에너지 효율성 관리를 보장하기 위해 특별한 주의가 필요합니다.