Argon (Ar) to rzadki gaz szeroko stosowany w metalurgii, spawalnictwie, przemyśle chemicznym i innych dziedzinach. Produkcja argonu opiera się głównie na oddzieleniu różnych składników gazu w powietrzu, ponieważ stężenie argonu w atmosferze wynosi około 0,93%. Dwie główne metody przemysłowej produkcji argonu to destylacja kriogeniczna i adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA).

Destylacja kriogeniczna

Destylacja kriogeniczna jest najczęściej stosowaną metodą separacji argonu w przemyśle. Metoda ta wykorzystuje różnice w temperaturach wrzenia różnych składników gazu w powietrzu, skrapla powietrze w niskich temperaturach i oddziela gazy w kolumnie destylacyjnej.

Przebieg procesu:

Wstępna obróbka powietrza: W pierwszej kolejności powietrze jest sprężane i wstępnie schładzane w celu usunięcia wilgoci i dwutlenku węgla. Ten etap zazwyczaj osiąga się za pomocą suszarki (CD) lub adsorbera z sitami molekularnymi w celu usunięcia wilgoci i zanieczyszczeń.

Sprężanie i chłodzenie powietrza: Po wysuszeniu powietrze jest sprężane do ciśnienia kilku megapaskali, a następnie schładzane za pomocą urządzenia chłodzącego (np. chłodnicy powietrza), aby doprowadzić temperaturę powietrza do temperatury bliskiej punktu upłynnienia. Proces ten obniża temperaturę powietrza do -170°C do -180°C.

Upłynnianie powietrza: Ochłodzone powietrze przechodzi przez zawór rozprężny i wchodzi do kolumny destylacji kriogenicznej. Składniki powietrza są stopniowo rozdzielane wewnątrz kolumny na podstawie ich temperatur wrzenia. Azot (N₂) i tlen (O₂) oddzielają się w niższych temperaturach, natomiast argon (Ar), mający temperaturę wrzenia pomiędzy azotem i tlenem (-195,8°C dla azotu, -183°C dla tlenu i -185,7°C dla argonu) zbiera się w określonych sekcjach kolumny.

Destylacja frakcyjna: W kolumnie destylacyjnej ciekłe powietrze odparowuje i skrapla się w różnych temperaturach, a argon jest skutecznie oddzielany. Następnie oddzielony argon zbiera się i dalej oczyszcza.

Oczyszczanie argonu:

Destylacja kriogeniczna na ogół daje argon o czystości powyżej 99%. W przypadku niektórych zastosowań (np. w przemyśle elektronicznym lub w przetwarzaniu materiałów wysokiej klasy) może być wymagane dalsze oczyszczanie przy użyciu adsorbentów (takich jak węgiel aktywny lub sita molekularne) w celu usunięcia śladowych zanieczyszczeń, takich jak azot i tlen.

Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA)

Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) to kolejna metoda wytwarzania argonu, odpowiednia do produkcji na mniejszą skalę. Metoda ta oddziela argon od powietrza poprzez wykorzystanie różnych właściwości adsorpcji różnych gazów na materiałach takich jak sita molekularne.

Przebieg procesu:

Wieża adsorpcyjna: Powietrze przepływa przez wieżę adsorpcyjną wypełnioną sitami molekularnymi, gdzie azot i tlen są silnie adsorbowane przez sita molekularne, natomiast gazy obojętne, takie jak argon, nie są adsorbowane, umożliwiając ich oddzielenie od azotu i tlenu.

Adsorpcja i desorpcja: Podczas jednego cyklu wieża adsorpcyjna najpierw adsorbuje azot i tlen z powietrza pod wysokim ciśnieniem, natomiast argon wypływa przez wylot wieży. Następnie, poprzez obniżenie ciśnienia, następuje desorbcja azotu i tlenu z sit molekularnych, a zdolność adsorpcyjna wieży adsorpcyjnej zostaje przywrócona poprzez regenerację zmiennociśnieniową.

Cykl wielowieżowy: Zwykle stosuje się naprzemiennie wiele wież adsorpcyjnych—jeden do adsorpcji, drugi do desorpcji—umożliwiający ciągłą produkcję.

Zaletą metody PSA jest prostsza konfiguracja i niższe koszty operacyjne, ale czystość wytwarzanego argonu jest generalnie niższa niż w przypadku destylacji kriogenicznej. Nadaje się do sytuacji o niższym zapotrzebowaniu na argon.

Oczyszczanie argonu

Niezależnie od tego, czy stosuje się destylację kriogeniczną, czy PSA, wytworzony argon zwykle zawiera niewielkie ilości tlenu, azotu lub pary wodnej. Aby poprawić czystość argonu, zazwyczaj wymagane są dalsze etapy oczyszczania:

Kondensacja zanieczyszczeń: Dalsze chłodzenie argonu w celu skroplenia i oddzielenia części zanieczyszczeń.

Adsorpcja na sicie molekularnym: Zastosowanie wysokowydajnych adsorberów z sitami molekularnymi do usuwania śladowych ilości azotu, tlenu lub pary wodnej. Sita molekularne mają określone rozmiary porów, które mogą selektywnie adsorbować określone cząsteczki gazu.

Technologia separacji membranowej: W niektórych przypadkach technologię membran do separacji gazów można zastosować do separacji gazów w oparciu o selektywne przenikanie, co dodatkowo zwiększa czystość argonu.

Środki ostrożności przy produkcji argonu na miejscu

Środki bezpieczeństwa:

Zagrożenie kriogeniczne: Ciekły argon jest bardzo zimny i należy unikać bezpośredniego kontaktu z nim, aby zapobiec odmrożeniom. Operatorzy powinni nosić specjalistyczną kriogeniczną odzież ochronną, rękawice i gogle.

Ryzyko uduszenia: Argon jest gazem obojętnym i może wypierać tlen. W zamkniętych przestrzeniach wyciek argonu może prowadzić do spadku poziomu tlenu, co może skutkować uduszeniem. Dlatego obszary, w których wytwarza się i przechowuje argon, muszą być dobrze wentylowane i należy zainstalować systemy monitorowania zawartości tlenu.

Konserwacja sprzętu:

Kontrola ciśnienia i temperatury: Urządzenia do produkcji argonu wymagają ścisłej kontroli ciśnienia i temperatury, szczególnie w kolumnie do destylacji kriogenicznej i wieżach adsorpcyjnych. Sprzęt powinien być regularnie sprawdzany, aby upewnić się, że wszystkie parametry mieszczą się w normalnych zakresach.

Zapobieganie wyciekom: Ponieważ system argonowy działa pod wysokim ciśnieniem i w niskich temperaturach, integralność uszczelnienia ma kluczowe znaczenie. Rurociągi gazowe, złącza i zawory należy okresowo sprawdzać, aby zapobiec wyciekom gazu.

Kontrola czystości gazu:

Precyzyjne monitorowanie: Wymagana czystość argonu różni się w zależności od zastosowania. Należy regularnie używać analizatorów gazu w celu sprawdzenia czystości argonu i upewnienia się, że produkt spełnia standardy przemysłowe.

Zarządzanie zanieczyszczeniami: W szczególności w destylacji kriogenicznej na separację argonu może mieć wpływ konstrukcja kolumny destylacyjnej, warunki pracy i skuteczność chłodzenia. Konieczne może być dalsze oczyszczanie w zależności od końcowego zastosowania argonu (np. argonu o ultrawysokiej czystości dla przemysłu elektronicznego).

Zarządzanie efektywnością energetyczną:

Zużycie energii: Destylacja kriogeniczna jest energochłonna, dlatego należy podjąć wysiłki w celu optymalizacji procesów chłodzenia i sprężania, aby zminimalizować straty energii.

Odzysk ciepła odpadowego: Nowoczesne zakłady produkujące argon często wykorzystują systemy odzyskiwania ciepła odpadowego w celu odzyskania zimnej energii wytwarzanej podczas procesu destylacji kriogenicznej, poprawiając ogólną efektywność energetyczną.

W produkcji przemysłowej argon opiera się przede wszystkim na metodach destylacji kriogenicznej i adsorpcji zmiennociśnieniowej. Destylacja kriogeniczna jest szeroko stosowana produkcja argonu na dużą skalę ze względu na zdolność do dostarczania argonu o wyższej czystości. Podczas produkcji wymagana jest szczególna uwaga w celu zapewnienia bezpieczeństwa, konserwacji sprzętu, kontroli czystości gazu i zarządzania efektywnością energetyczną.