Argon (Ar) er en sjelden gass som er mye brukt i metallurgi, sveising, kjemisk industri og andre felt. Produksjonen av argon er hovedsakelig avhengig av å separere de forskjellige gasskomponentene i luften, da konsentrasjonen av argon i atmosfæren er ca. 0,93 %. De to primære metodene for industriell argonproduksjon er Cryogenic Destillation og Pressure Swing Adsorption (PSA).

Kryogen destillasjon

Kryogen destillasjon er den mest brukte metoden for argon-separasjon i industrien. Denne metoden utnytter forskjellene i kokepunktene til ulike gasskomponenter i luften, gjør luften flytende ved lave temperaturer og skiller gassene gjennom en destillasjonskolonne.

Prosessflyt:

Luftforbehandling: Først blir luften komprimert og først avkjølt for å fjerne fuktighet og karbondioksid. Dette trinnet oppnås vanligvis ved å bruke en tørketrommel (CD) eller molekylsiktadsorber for å fjerne fuktighet og urenheter.

Luftkompresjon og kjøling: Etter tørking blir luften komprimert til flere megapascal trykk, og deretter avkjølt gjennom en kjøleanordning (f.eks. en luftkjøler) for å bringe lufttemperaturen nær flytendepunktet. Denne prosessen senker lufttemperaturen til -170°C til -180°C.

Luftkondisjonering: Den avkjølte luften passerer gjennom en ekspansjonsventil og går inn i en kryogen destillasjonskolonne. Komponentene i luften separeres gradvis inne i kolonnen basert på deres kokepunkt. Nitrogen (N₂) og oksygen (O₂) separeres ved lavere temperaturer, mens argon (Ar), har et kokepunkt mellom nitrogen og oksygen (-195,8).°C for nitrogen, -183°C for oksygen, og -185,7°C for argon), er samlet i bestemte deler av kolonnen.

Fraksjonert destillasjon: I destillasjonskolonnen fordamper og kondenserer flytende luft ved forskjellige temperaturer, og argon separeres effektivt. Det separerte argon samles deretter og renses ytterligere.

Argonrensing:

Kryogen destillasjon gir generelt argon med en renhet over 99 %. For visse bruksområder (f.eks. i elektronikkindustrien eller avansert materialbehandling), kan ytterligere rensing være nødvendig ved bruk av adsorbenter (som aktivert karbon eller molekylsikter) for å fjerne sporforurensninger som nitrogen og oksygen.

Pressure Swing Adsorption (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) er en annen metode for å generere argon, egnet for produksjon i mindre skala. Denne metoden skiller argon fra luften ved å utnytte de forskjellige adsorpsjonsegenskapene til forskjellige gasser på materialer som molekylsikter.

Prosessflyt:

Adsorpsjonstårn: Luften passerer gjennom et adsorpsjonstårn fylt med molekylsikter, der nitrogen og oksygen er sterkt adsorbert av molekylsilene, mens inerte gasser som argon ikke adsorberes, slik at de kan skilles fra nitrogen og oksygen.

Adsorpsjon og desorpsjon: I løpet av en syklus adsorberer adsorpsjonstårnet først nitrogen og oksygen fra luften under høyt trykk, mens argon strømmer ut gjennom tårnets utløp. Deretter, ved å redusere trykket, desorberer nitrogen og oksygen fra molekylsilene, og adsorpsjonstårnets adsorpsjonskapasitet gjenopprettes gjennom trykksvingningsregenerering.

Multi-Tower-syklus: Vanligvis brukes flere adsorpsjonstårn vekselvis—en for adsorpsjon mens den andre er i desorpsjon—tillater kontinuerlig produksjon.

Fordelen med PSA-metoden er at den har et enklere oppsett og lavere driftskostnader, men renheten til det produserte argonet er generelt lavere enn for kryogen destillasjon. Den er egnet for situasjoner med lavere argonbehov.

Argon rensing

Enten du bruker kryogen destillasjon eller PSA, inneholder den genererte argon vanligvis små mengder oksygen, nitrogen eller vanndamp. For å forbedre renheten til argon er det vanligvis nødvendig med ytterligere rensetrinn:

Kondensering av urenheter: Ytterligere avkjøling av argon for å kondensere og skille ut noen urenheter.

Molekylær siktadsorpsjon: Bruk av høyeffektive molekylsiktadsorbere for å fjerne spormengder av nitrogen, oksygen eller vanndamp. Molekylære sikter har spesifikke porestørrelser som selektivt kan adsorbere visse gassmolekyler.

Membranseparasjonsteknologi: I noen tilfeller kan gasseparasjonsmembranteknologi brukes til å separere gasser basert på selektiv permeasjon, noe som ytterligere forbedrer renheten til argon.

Forholdsregler for argonproduksjon på stedet

Sikkerhetstiltak:

Kryogen fare: Flytende argon er ekstremt kaldt, og direkte kontakt med det bør unngås for å forhindre frostskader. Operatører bør bruke spesialiserte kryogene verneklær, hansker og vernebriller.

Kvelningsfare: Argon er en inert gass og kan fortrenge oksygen. I lukkede rom kan argonlekkasje føre til en reduksjon i oksygennivået, noe som resulterer i kvelning. Derfor må områder der argon produseres og lagres være godt ventilert, og oksygenovervåkingssystemer bør installeres.

Utstyrsvedlikehold:

Trykk og temperaturkontroll: Argonproduksjonsutstyr krever streng kontroll av trykk og temperatur, spesielt i den kryogene destillasjonskolonnen og adsorpsjonstårn. Utstyret bør inspiseres regelmessig for å sikre at alle parametere er innenfor normale områder.

Forebygging av lekkasje: Siden argonsystemet opererer under høyt trykk og lave temperaturer, er tetningsintegritet avgjørende. Gassrørledninger, skjøter og ventiler bør kontrolleres med jevne mellomrom for å forhindre gasslekkasjer.

Gassrenhetskontroll:

Presisjonsovervåking: Renheten til argon som kreves varierer avhengig av applikasjonen. Gassanalysatorer bør brukes regelmessig for å kontrollere renheten til argon og sikre at produktet oppfyller industrielle standarder.

Urenhetsbehandling: Spesielt ved kryogen destillasjon kan separasjonen av argon påvirkes av destillasjonskolonnens design, driftsbetingelser og kjøleeffektivitet. Ytterligere rensing kan være nødvendig avhengig av den endelige bruken av argon (f.eks. argon med ultrahøy renhet for elektronikkindustrien).

Energieffektivisering:

Energiforbruk: Kryogen destillasjon er energikrevende, så det bør gjøres en innsats for å optimalisere kjøle- og kompresjonsprosesser for å minimere energitapet.

Gjenvinning av spillvarme: Moderne argonproduksjonsanlegg bruker ofte spillvarmegjenvinningssystemer for å gjenvinne den kalde energien som produseres under den kryogene destillasjonsprosessen, og forbedrer den generelle energieffektiviteten.

I industriell produksjon er argon først og fremst avhengig av kryogen destillasjon og trykksvingadsorpsjonsmetoder. Kryogen destillasjon er mye brukt til storskala argonproduksjon på grunn av dens evne til å gi høyere renhet argon. Spesiell oppmerksomhet er nødvendig under produksjon for å sikre sikkerhet, vedlikehold av utstyr, kontroll av gassrenhet og energieffektivitetsstyring.