Argon (Ar) is een edelgas dat veel wordt gebruikt in de metallurgie, lassen, chemische industrie en andere gebieden. De productie van argon is voornamelijk afhankelijk van het scheiden van de verschillende gascomponenten in de lucht, aangezien de concentratie van argon in de atmosfeer ongeveer 0,93% bedraagt. De twee belangrijkste methoden voor industriële argonproductie zijn cryogene destillatie en Pressure Swing Adsorption (PSA).

Cryogene destillatie

Cryogene destillatie is de meest gebruikte methode voor argonscheiding in de industrie. Deze methode maakt gebruik van de verschillen in kookpunten van verschillende gascomponenten in de lucht, maakt de lucht vloeibaar bij lage temperaturen en scheidt de gassen via een destillatiekolom.

Processtroom:

Luchtvoorbehandeling: Eerst wordt de lucht gecomprimeerd en aanvankelijk gekoeld om vocht en kooldioxide te verwijderen. Deze stap wordt doorgaans bereikt door gebruik te maken van een droger (CD) of moleculaire zeefadsorber om vocht en onzuiverheden te verwijderen.

Luchtcompressie en koeling: Na het drogen wordt de lucht gecomprimeerd tot een druk van enkele megapascal en vervolgens gekoeld door een koelapparaat (bijvoorbeeld een luchtkoeler) om de luchttemperatuur dicht bij het vloeibaarmakingspunt te brengen. Dit proces verlaagt de luchttemperatuur tot -170°C°C tot -180°C.

Luchtliquefactie: De gekoelde lucht passeert een expansieventiel en komt in een cryogene destillatiekolom terecht. De componenten in de lucht worden in de kolom geleidelijk gescheiden op basis van hun kookpunten. Stikstof (n₂) en zuurstof (O₂) worden bij lagere temperaturen gescheiden, terwijl argon (Ar), met een kookpunt tussen stikstof en zuurstof (-195,8°C voor stikstof, -183°C voor zuurstof en -185,7°C voor argon), wordt opgevangen in specifieke secties van de kolom.

Gefractioneerde destillatie: In de destillatiekolom verdampt en condenseert vloeibare lucht bij verschillende temperaturen, waardoor argon effectief wordt afgescheiden. Het afgescheiden argon wordt vervolgens opgevangen en verder gezuiverd.

Argonzuivering:

Cryogene destillatie levert over het algemeen argon op met een zuiverheid van meer dan 99%. Voor bepaalde toepassingen (bijvoorbeeld in de elektronica-industrie of hoogwaardige materiaalverwerking) kan verdere zuivering nodig zijn met behulp van adsorbentia (zoals actieve kool of moleculaire zeven) om sporen van onzuiverheden zoals stikstof en zuurstof te verwijderen.

Pressure Swing-adsorptie (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) is een andere methode voor het genereren van argon, geschikt voor productie op kleinere schaal. Deze methode scheidt argon uit de lucht door gebruik te maken van de verschillende adsorptie-eigenschappen van verschillende gassen op materialen zoals moleculaire zeven.

Processtroom:

Adsorptietoren: De lucht gaat door een adsorptietoren gevuld met moleculaire zeven, waar stikstof en zuurstof sterk worden geadsorbeerd door de moleculaire zeven, terwijl inerte gassen zoals argon niet worden geadsorbeerd, waardoor ze zich kunnen scheiden van stikstof en zuurstof.

Adsorptie en desorptie: Gedurende één cyclus absorbeert de adsorptietoren eerst onder hoge druk stikstof en zuurstof uit de lucht, terwijl argon via de uitlaat van de toren naar buiten stroomt. Door vervolgens de druk te verlagen, desorberen stikstof en zuurstof uit de moleculaire zeven, en wordt de adsorptiecapaciteit van de adsorptietoren hersteld door regeneratie van drukschommelingen.

Multi-torencyclus: Meestal worden afwisselend meerdere adsorptietorens gebruikt—één voor adsorptie, terwijl de andere in desorptie is—waardoor continue productie mogelijk is.

Het voordeel van de PSA-methode is dat deze eenvoudiger in te stellen is en lagere bedrijfskosten heeft, maar dat de zuiverheid van het geproduceerde argon over het algemeen lager is dan die van cryogene destillatie. Het is geschikt voor situaties met een lagere argonvraag.

Argon-zuivering

Of het nu gaat om cryogene destillatie of PSA, het gegenereerde argon bevat meestal kleine hoeveelheden zuurstof, stikstof of waterdamp. Om de zuiverheid van argon te verbeteren, zijn doorgaans verdere zuiveringsstappen vereist:

Condensatie van onzuiverheden: Verdere koeling van het argon om enkele onzuiverheden te condenseren en af ​​te scheiden.

Moleculaire zeefadsorptie: Gebruik van zeer efficiënte moleculaire zeefadsorbers om sporenhoeveelheden stikstof, zuurstof of waterdamp te verwijderen. Moleculaire zeven hebben specifieke poriegroottes die bepaalde gasmoleculen selectief kunnen adsorberen.

Membraanscheidingstechnologie: In sommige gevallen kan gasscheidingsmembraantechnologie worden gebruikt om gassen te scheiden op basis van selectieve permeatie, waardoor de zuiverheid van argon verder wordt verbeterd.

Voorzorgsmaatregelen voor argonproductie op locatie

Veiligheidsmaatregelen:

Cryogeen gevaar: Vloeibare argon Het is extreem koud en direct contact ermee moet worden vermeden om bevriezing te voorkomen. Operators moeten gespecialiseerde cryogene beschermende kleding, handschoenen en een veiligheidsbril dragen.

Verstikkingsgevaar: Argon is een inert gas en kan zuurstof verdringen. In besloten ruimtes kan argonlekkage leiden tot een afname van het zuurstofniveau, met als gevolg verstikking. Daarom moeten gebieden waar argon wordt geproduceerd en opgeslagen goed geventileerd zijn en moeten er zuurstofmonitoringsystemen worden geïnstalleerd.

Onderhoud van apparatuur:

Druk- en temperatuurregeling: Apparatuur voor de productie van argon vereist strikte controle van druk en temperatuur, vooral in de cryogene destillatiekolom en adsorptietorens. Apparatuur moet regelmatig worden geïnspecteerd om er zeker van te zijn dat alle parameters binnen het normale bereik liggen.

Lekpreventie: Omdat het argonsysteem onder hoge druk en lage temperaturen werkt, is de integriteit van de afdichting cruciaal. Gasleidingen, verbindingen en kleppen moeten periodiek worden gecontroleerd om gaslekken te voorkomen.

Controle van de gaszuiverheid:

Precisiemonitoring: De vereiste zuiverheid van argon varieert afhankelijk van de toepassing. Er moeten regelmatig gasanalysatoren worden gebruikt om de zuiverheid van het argon te controleren en ervoor te zorgen dat het product aan de industriële normen voldoet.

Onzuiverheidsbeheer: In het bijzonder kan bij cryogene destillatie de scheiding van argon worden beïnvloed door het ontwerp van de destillatiekolom, de bedrijfsomstandigheden en de effectiviteit van de koeling. Verdere zuivering kan nodig zijn, afhankelijk van het uiteindelijke gebruik van argon (bijvoorbeeld argon met ultrahoge zuiverheid voor de elektronica-industrie).

Energie-efficiëntiebeheer:

Energieverbruik: Cryogene destillatie is energie-intensief, dus er moeten inspanningen worden gedaan om de koel- en compressieprocessen te optimaliseren om energieverlies te minimaliseren.

Terugwinning van afvalwarmte: Moderne argonproductiefaciliteiten maken vaak gebruik van systemen voor de terugwinning van afvalwarmte om de koude energie terug te winnen die wordt geproduceerd tijdens het cryogene destillatieproces, waardoor de algehele energie-efficiëntie wordt verbeterd.

Bij de industriële productie is argon voornamelijk afhankelijk van cryogene destillatie en drukwisseladsorptiemethoden. Cryogene destillatie wordt veel gebruikt grootschalige argonproductie vanwege het vermogen om argon met een hogere zuiverheid te leveren. Tijdens de productie is speciale aandacht vereist om de veiligheid, het onderhoud van de apparatuur, de controle van de gaszuiverheid en het beheer van de energie-efficiëntie te garanderen.