Argonas (Ar) yra retos dujos, plačiai naudojamos metalurgijoje, suvirinimo, chemijos pramonėje ir kitose srityse. Argono gamyba daugiausia priklauso nuo skirtingų dujų komponentų atskyrimo ore, nes argono koncentracija atmosferoje yra apie 0,93%. Du pagrindiniai pramoninio argono gamybos metodai yra kriogeninis distiliavimas ir slėgio svyravimo adsorbcija (PSA).

Kriogeninis distiliavimas

Kriogeninis distiliavimas yra dažniausiai naudojamas argono atskyrimo būdas pramonėje. Taikant šį metodą naudojami įvairių ore esančių dujų komponentų virimo temperatūrų skirtumai, žemoje temperatūroje oras suskystinamas ir dujos atskiriamos per distiliavimo kolonėlę.

Proceso eiga:

Pirminis oro apdorojimas: Pirma, oras suspaudžiamas ir iš pradžių atšaldomas, kad būtų pašalinta drėgmė ir anglies dioksidas. Šis žingsnis paprastai pasiekiamas naudojant džiovintuvą (CD) arba molekulinį sietą, kad būtų pašalinta drėgmė ir priemaišos.

Oro suspaudimas ir aušinimas: Po džiovinimo oras suspaudžiamas iki kelių megapaskalių slėgio, o po to atšaldomas per aušinimo įrenginį (pvz., oro aušintuvą), kad oro temperatūra priartėtų prie suskystinimo taško. Šis procesas sumažina oro temperatūrą iki -170°C iki -180°C.

Oro suskystinimas: Atvėsintas oras praeina per išsiplėtimo vožtuvą ir patenka į kriogeninę distiliavimo kolonėlę. Oro komponentai palaipsniui atskiriami kolonėlės viduje, atsižvelgiant į jų virimo temperatūrą. Azotas (N₂) ir deguonies (O₂) yra atskiriami žemesnėje temperatūroje, o argonas (Ar), kurio virimo temperatūra tarp azoto ir deguonies (-195,8°C azotui, -183°C deguoniui, o -185,7°C – argonui), surenkamas tam tikrose kolonėlės dalyse.

Frakcinis distiliavimas: Distiliavimo kolonoje skystas oras išgaruoja ir kondensuojasi esant skirtingoms temperatūroms, o argonas efektyviai atskiriamas. Tada atskirtas argonas surenkamas ir toliau valomas.

Argono valymas:

Kriogeninis distiliavimas paprastai duoda argoną, kurio grynumas viršija 99%. Tam tikroms reikmėms (pvz., elektronikos pramonėje arba aukščiausios klasės medžiagų apdorojimui) gali prireikti tolesnio valymo naudojant adsorbentus (pvz., aktyvintąją anglį arba molekulinius sietus), kad būtų pašalintos priemaišos, pvz., azotas ir deguonis.

Slėgio svyravimo adsorbcija (PSA)

Slėgio svyravimo adsorbcija (PSA) yra kitas argono gamybos būdas, tinkamas mažesnio masto gamybai. Šis metodas atskiria argoną nuo oro, naudodamas skirtingas įvairių dujų adsorbcijos savybes ant medžiagų, tokių kaip molekuliniai sietai.

Proceso eiga:

Adsorbcijos bokštas: Oras praeina per adsorbcijos bokštą, užpildytą molekuliniais sietais, kur azotas ir deguonis yra stipriai adsorbuojami molekulinių sietų, o inertinės dujos, tokios kaip argonas, nėra adsorbuojamos, todėl jos gali atsiskirti nuo azoto ir deguonies.

Adsorbcija ir desorbcija: Per vieną ciklą adsorbcijos bokštas pirmiausia adsorbuoja azotą ir deguonį iš oro, esant aukštam slėgiui, o argonas išteka per bokšto išleidimo angą. Tada, sumažinus slėgį, azotas ir deguonis desorbuojasi iš molekulinių sietų, o adsorbcijos bokšto adsorbcijos pajėgumas atkuriamas naudojant slėgio svyravimo regeneraciją.

Kelių bokštų ciklas: Paprastai pakaitomis naudojami keli adsorbcijos bokštai—vienas skirtas adsorbcijai, o kitas yra desorbcijai—leidžianti nuolat gaminti.

PSA metodo pranašumas yra tas, kad jo sąranka yra paprastesnė ir eksploatacinės išlaidos mažesnės, tačiau pagaminto argono grynumas paprastai yra mažesnis nei kriogeninio distiliavimo. Jis tinka situacijoms, kai argono poreikis yra mažesnis.

Argono valymas

Nesvarbu, ar naudojamas kriogeninis distiliavimas, ar PSA, sukurtame argone paprastai yra nedidelis kiekis deguonies, azoto arba vandens garų. Norint pagerinti argono grynumą, paprastai reikalingi tolesni valymo etapai:

Priemaišų kondensacija: Tolesnis argono aušinimas, siekiant kondensuotis ir atskirti kai kurias priemaišas.

Molekulinio sieto adsorbcija: Didelio efektyvumo molekulinio sieto adsorberių naudojimas azoto, deguonies ar vandens garų pėdsakams pašalinti. Molekuliniai sietai turi specifinius porų dydžius, kurie gali selektyviai adsorbuoti tam tikras dujų molekules.

Membranos atskyrimo technologija: Kai kuriais atvejais dujų atskyrimo membranos technologija gali būti naudojama dujoms atskirti pagal selektyvų prasiskverbimą, dar labiau padidinant argono grynumą.

Atsargumo priemonės gaminant argoną vietoje

Saugos priemonės:

Kriogeninis pavojus: Skystas argonas yra labai šalta, todėl reikia vengti tiesioginio kontakto su juo, kad būtų išvengta nušalimų. Operatoriai turi dėvėti specialius kriogeninius apsauginius drabužius, pirštines ir akinius.

Uždusimo pavojus: Argonas yra inertinės dujos ir gali išstumti deguonį. Uždarose patalpose dėl argono nutekėjimo gali sumažėti deguonies lygis, o tai gali sukelti asfiksiją. Todėl patalpos, kuriose gaminamas ir laikomas argonas, turi būti gerai vėdinamos, įrengtos deguonies stebėjimo sistemos.

Įrangos priežiūra:

Slėgio ir temperatūros kontrolė: Argono gamybos įrangai reikalinga griežta slėgio ir temperatūros kontrolė, ypač kriogeninėje distiliavimo kolonoje ir adsorbcijos bokštuose. Įranga turi būti reguliariai tikrinama, siekiant užtikrinti, kad visi parametrai būtų normaliose ribose.

Nutekėjimo prevencija: Kadangi argono sistema veikia esant aukštam slėgiui ir žemai temperatūrai, sandarinimo vientisumas yra labai svarbus. Dujotiekiai, jungtys ir vožtuvai turi būti periodiškai tikrinami, kad būtų išvengta dujų nuotėkio.

Dujų grynumo kontrolė:

Tikslus stebėjimas: Reikalingas argono grynumas skiriasi priklausomai nuo naudojimo. Norint patikrinti argono grynumą ir užtikrinti, kad produktas atitinka pramonės standartus, reikia reguliariai naudoti dujų analizatorius.

Priemaišų valdymas: Visų pirma, kriogeninės distiliacijos metu argono atskyrimą gali paveikti distiliavimo kolonėlės konstrukcija, veikimo sąlygos ir aušinimo efektyvumas. Priklausomai nuo galutinio argono panaudojimo (pvz., itin didelio grynumo argono elektronikos pramonei), gali prireikti tolesnio valymo.

Energijos vartojimo efektyvumo valdymas:

Energijos suvartojimas: Kriogeninis distiliavimas reikalauja daug energijos, todėl reikia stengtis optimizuoti aušinimo ir suspaudimo procesus, kad energijos nuostoliai būtų kuo mažesni.

Atliekos šilumos atgavimas: Šiuolaikiniuose argono gamybos įrenginiuose dažnai naudojamos atliekinės šilumos regeneravimo sistemos, kad būtų atgaunama šalta energija, pagaminta kriogeninio distiliavimo proceso metu, taip pagerinant bendrą energijos vartojimo efektyvumą.

Pramoninėje gamyboje argonas pirmiausia priklauso nuo kriogeninio distiliavimo ir slėgio svyravimo adsorbcijos metodų. Kriogeninis distiliavimas plačiai naudojamas didelio masto argono gamyba dėl gebėjimo teikti didesnio grynumo argoną. Ypatingas dėmesys gamybos metu reikalingas saugai, įrangos priežiūrai, dujų grynumo kontrolei ir energijos vartojimo efektyvumo valdymui.