Argons (Ar) ir reta gāze, ko plaši izmanto metalurģijā, metināšanā, ķīmiskajā rūpniecībā un citās jomās. Argona ražošana galvenokārt balstās uz dažādu gāzes komponentu atdalīšanu gaisā, jo argona koncentrācija atmosfērā ir aptuveni 0,93%. Divas galvenās rūpnieciskās argona ražošanas metodes ir kriogēnā destilācija un spiediena svārstību adsorbcija (PSA).

Kriogēnā destilācija

Kriogēnā destilācija ir visbiežāk izmantotā metode argona atdalīšanai rūpniecībā. Šī metode izmanto dažādu gāzu komponentu viršanas punktu atšķirības gaisā, sašķidrina gaisu zemā temperatūrā un atdala gāzes caur destilācijas kolonnu.

Procesa plūsma:

Gaisa pirmapstrāde: Pirmkārt, gaiss tiek saspiests un sākotnēji atdzesēts, lai noņemtu mitrumu un oglekļa dioksīdu. Šo soli parasti panāk, izmantojot žāvētāju (CD) vai molekulāro sietu adsorberu, lai noņemtu mitrumu un piemaisījumus.

Gaisa saspiešana un dzesēšana: Pēc žāvēšanas gaiss tiek saspiests līdz vairākiem megapaskāļiem spiediena un pēc tam atdzesēts caur dzesēšanas ierīci (piemēram, gaisa dzesētāju), lai gaisa temperatūra būtu tuvu sašķidrināšanas punktam. Šis process samazina gaisa temperatūru līdz -170°C līdz -180°C.

Gaisa sašķidrināšana: Atdzesētais gaiss iziet cauri izplešanās vārstam un nonāk kriogēnās destilācijas kolonnā. Gaisā esošās sastāvdaļas pakāpeniski tiek atdalītas kolonnas iekšpusē, pamatojoties uz to viršanas punktiem. Slāpeklis (N₂) un skābeklis (O₂) tiek atdalīti zemākā temperatūrā, savukārt argons (Ar), kura viršanas temperatūra ir starp slāpekli un skābekli (-195,8°C slāpeklim, -183°C skābeklim un -185,7°C argonam), tiek savākts īpašās kolonnas sadaļās.

Frakcionētā destilācija: Destilācijas kolonnā šķidrais gaiss iztvaiko un kondensējas dažādās temperatūrās, un argons tiek efektīvi atdalīts. Pēc tam atdalīto argonu savāc un tālāk attīra.

Argona attīrīšana:

Kriogēnajā destilācijā parasti tiek iegūts argons ar tīrību virs 99%. Dažiem lietojumiem (piemēram, elektronikas rūpniecībā vai augstākās klases materiālu apstrādē) var būt nepieciešama turpmāka attīrīšana, izmantojot adsorbentus (piemēram, aktivēto ogli vai molekulāros sietus), lai noņemtu tādus piemaisījumus kā slāpeklis un skābekli.

Spiediena svārstību adsorbcija (PSA)

Spiediena svārstību adsorbcija (PSA) ir vēl viena metode argona iegūšanai, kas piemērota mazāka mēroga ražošanai. Šī metode atdala argonu no gaisa, izmantojot dažādu gāzu adsorbcijas īpašības uz materiāliem, piemēram, molekulārajiem sietiem.

Procesa plūsma:

Adsorbcijas tornis: Gaiss iet caur adsorbcijas torni, kas piepildīts ar molekulārajiem sietiem, kur slāpeklis un skābeklis tiek spēcīgi adsorbēts ar molekulārajiem sietiem, savukārt inertās gāzes, piemēram, argons, netiek adsorbētas, ļaujot tām atdalīties no slāpekļa un skābekļa.

Adsorbcija un desorbcija: Viena cikla laikā adsorbcijas tornis vispirms adsorbē slāpekli un skābekli no gaisa zem augsta spiediena, bet argons izplūst caur torņa izeju. Pēc tam, samazinot spiedienu, slāpeklis un skābeklis desorbējas no molekulārajiem sietiem, un adsorbcijas torņa adsorbcijas spēja tiek atjaunota ar spiediena svārstību reģenerāciju.

Vairāku torņu cikls: Parasti pārmaiņus tiek izmantoti vairāki adsorbcijas torņi—viens paredzēts adsorbcijai, bet otrs ir desorbcijas procesā—kas ļauj nepārtraukti ražot.

PSA metodes priekšrocība ir tā, ka tai ir vienkāršāka uzstādīšana un zemākas ekspluatācijas izmaksas, bet saražotā argona tīrība parasti ir zemāka nekā kriogēnās destilācijas gadījumā. Tas ir piemērots situācijām ar mazāku argona pieprasījumu.

Argona attīrīšana

Neatkarīgi no tā, vai tiek izmantota kriogēnā destilācija vai PSA, iegūtais argons parasti satur nelielu daudzumu skābekļa, slāpekļa vai ūdens tvaiku. Lai uzlabotu argona tīrību, parasti ir nepieciešami turpmāki attīrīšanas posmi:

Piemaisījumu kondensācija: Argona turpmāka dzesēšana, lai kondensētu un atdalītu dažus piemaisījumus.

Molekulārā sieta adsorbcija: Augstas efektivitātes molekulāro sietu adsorberu izmantošana, lai noņemtu nelielu daudzumu slāpekļa, skābekļa vai ūdens tvaiku. Molekulārajiem sietiem ir specifiski poru izmēri, kas var selektīvi adsorbēt noteiktas gāzes molekulas.

Membrānas atdalīšanas tehnoloģija: Dažos gadījumos gāzu atdalīšanas membrānas tehnoloģiju var izmantot, lai atdalītu gāzes, pamatojoties uz selektīvu caurlaidību, vēl vairāk uzlabojot argona tīrību.

Piesardzības pasākumi argona ražošanai uz vietas

Drošības pasākumi:

Kriogēnais apdraudējums: Šķidrais argons ir ārkārtīgi auksts, un jāizvairās no tieša kontakta ar to, lai novērstu apsaldējumus. Operatoriem jāvalkā specializēts kriogēns aizsargtērps, cimdi un aizsargbrilles.

Nosmakšanas risks: Argons ir inerta gāze un var izspiest skābekli. Slēgtās telpās argona noplūde var izraisīt skābekļa līmeņa pazemināšanos, izraisot nosmakšanu. Tāpēc vietās, kur tiek ražots un uzglabāts argons, ir jābūt labi vēdinātām un jāuzstāda skābekļa monitoringa sistēmas.

Aprīkojuma apkope:

Spiediena un temperatūras kontrole: Argona ražošanas iekārtām nepieciešama stingra spiediena un temperatūras kontrole, īpaši kriogēnās destilācijas kolonnā un adsorbcijas torņos. Iekārtas regulāri jāpārbauda, ​​lai pārliecinātos, ka visi parametri ir normas robežās.

Noplūdes novēršana: Tā kā argona sistēma darbojas augstā spiedienā un zemā temperatūrā, blīvējuma integritāte ir ļoti svarīga. Gāzes cauruļvadi, savienojumi un vārsti ir periodiski jāpārbauda, ​​lai novērstu gāzes noplūdes.

Gāzes tīrības kontrole:

Precizitātes uzraudzība: Nepieciešamā argona tīrība atšķiras atkarībā no pielietojuma. Regulāri jāizmanto gāzes analizatori, lai pārbaudītu argona tīrību un nodrošinātu produkta atbilstību rūpnieciskajiem standartiem.

Piemaisījumu pārvaldība: Jo īpaši kriogēnajā destilācijā argona atdalīšanos var ietekmēt destilācijas kolonnas konstrukcija, darbības apstākļi un dzesēšanas efektivitāte. Var būt nepieciešama turpmāka attīrīšana atkarībā no argona galīgās izmantošanas (piemēram, īpaši augstas tīrības pakāpes argons elektronikas rūpniecībai).

Energoefektivitātes vadība:

Enerģijas patēriņš: Kriogēnā destilācija ir energoietilpīga, tāpēc ir jācenšas optimizēt dzesēšanas un saspiešanas procesus, lai samazinātu enerģijas zudumus.

Atkritumu siltuma reģenerācija: Mūsdienu argona ražošanas iekārtas bieži izmanto atkritumu siltuma reģenerācijas sistēmas, lai atgūtu auksto enerģiju, kas saražota kriogēnās destilācijas procesā, uzlabojot kopējo energoefektivitāti.

Rūpnieciskajā ražošanā argons galvenokārt ir atkarīgs no kriogēnās destilācijas un spiediena svārstību adsorbcijas metodēm. Kriogēnā destilācija tiek plaši izmantota liela mēroga argona ražošana pateicoties tā spējai nodrošināt augstākas tīrības pakāpes argonu. Ražošanas laikā īpaša uzmanība jāpievērš drošībai, iekārtu apkopei, gāzes tīrības kontrolei un energoefektivitātes pārvaldībai.