Argônio (Ar) é um gás raro amplamente utilizado em metalurgia, soldagem, indústrias químicas e outros campos. A produção de argônio depende principalmente da separação dos diferentes componentes do gás no ar, já que a concentração de argônio na atmosfera é de cerca de 0,93%. Os dois métodos principais para a produção industrial de argônio são a destilação criogênica e a adsorção com oscilação de pressão (PSA).

Destilação Criogênica

A destilação criogênica é o método mais comumente usado para separação de argônio na indústria. Este método utiliza as diferenças nos pontos de ebulição de vários componentes do gás no ar, liquefaz o ar a baixas temperaturas e separa os gases através de uma coluna de destilação.

Fluxo do Processo:

Pré-tratamento de ar: Primeiro, o ar é comprimido e inicialmente resfriado para remover a umidade e o dióxido de carbono. Esta etapa é normalmente alcançada usando um secador (CD) ou adsorvedor de peneira molecular para remover umidade e impurezas.

Compressão e resfriamento de ar: Após a secagem, o ar é comprimido a vários megapascais de pressão e depois resfriado através de um dispositivo de resfriamento (por exemplo, um refrigerador de ar) para aproximar a temperatura do ar do seu ponto de liquefação. Este processo reduz a temperatura do ar para -170°C a -180°C.

Liquefação de Ar: O ar resfriado passa por uma válvula de expansão e entra em uma coluna de destilação criogênica. Os componentes do ar são separados gradualmente dentro da coluna com base em seus pontos de ebulição. Nitrogênio (N₂) e oxigênio (O₂) são separados em temperaturas mais baixas, enquanto o argônio (Ar), tendo um ponto de ebulição entre o nitrogênio e o oxigênio (-195,8°C para nitrogênio, -183°C para oxigênio e -185,7°C para argônio), é coletado em seções específicas da coluna.

Destilação Fracionada: Na coluna de destilação, o ar líquido evapora e condensa em diferentes temperaturas, e o argônio é efetivamente separado. O argônio separado é então coletado e posteriormente purificado.

Purificação de Argônio:

A destilação criogênica geralmente produz argônio com pureza acima de 99%. Para certas aplicações (por exemplo, na indústria eletrônica ou no processamento de materiais de alta qualidade), pode ser necessária purificação adicional usando adsorventes (como carvão ativado ou peneiras moleculares) para remover vestígios de impurezas como nitrogênio e oxigênio.

Adsorção com oscilação de pressão (PSA)

Adsorção com oscilação de pressão (PSA) é outro método para gerar argônio, adequado para produção em menor escala. Este método separa o argônio do ar utilizando as diferentes características de adsorção de vários gases em materiais como peneiras moleculares.

Fluxo do Processo:

Torre de Adsorção: O ar passa por uma torre de adsorção cheia de peneiras moleculares, onde o nitrogênio e o oxigênio são fortemente adsorvidos pelas peneiras moleculares, enquanto gases inertes como o argônio não são adsorvidos, permitindo que se separem do nitrogênio e do oxigênio.

Adsorção e Dessorção: Durante um ciclo, a torre de adsorção primeiro adsorve nitrogênio e oxigênio do ar sob alta pressão, enquanto o argônio flui pela saída da torre. Então, ao reduzir a pressão, o nitrogênio e o oxigênio são dessorvidos das peneiras moleculares, e a capacidade de adsorção da torre de adsorção é restaurada através da regeneração de oscilação de pressão.

Ciclo Multitorre: Normalmente, múltiplas torres de adsorção são usadas alternadamente—um para adsorção enquanto o outro está em dessorção—permitindo produção contínua.

A vantagem do método PSA é que ele possui uma configuração mais simples e custos operacionais mais baixos, mas a pureza do argônio produzido é geralmente inferior à da destilação criogênica. É adequado para situações com menor demanda de argônio.

Purificação de Argônio

Seja por destilação criogênica ou PSA, o argônio gerado geralmente contém pequenas quantidades de oxigênio, nitrogênio ou vapor de água. Para melhorar a pureza do argônio, normalmente são necessárias outras etapas de purificação:

Condensação de Impurezas: Resfriamento adicional do argônio para condensar e separar algumas impurezas.

Adsorção de peneira molecular: Usando adsorventes de peneira molecular de alta eficiência para remover vestígios de nitrogênio, oxigênio ou vapor de água. As peneiras moleculares têm tamanhos de poros específicos que podem adsorver seletivamente certas moléculas de gás.

Tecnologia de separação de membrana: Em alguns casos, a tecnologia de membrana de separação de gases pode ser usada para separar gases com base na permeação seletiva, aumentando ainda mais a pureza do argônio.

Precauções para produção de argônio no local

Medidas de segurança:

Perigo criogênico: Argônio líquido está extremamente frio e o contato direto com ele deve ser evitado para evitar queimaduras pelo frio. Os operadores devem usar roupas, luvas e óculos de proteção criogênicos especializados.

Perigo de asfixia: O argônio é um gás inerte e pode deslocar o oxigênio. Em espaços fechados, o vazamento de argônio pode levar à diminuição dos níveis de oxigênio, resultando em asfixia. Portanto, as áreas onde o argônio é produzido e armazenado precisam ser bem ventiladas e devem ser instalados sistemas de monitoramento de oxigênio.

Manutenção de Equipamentos:

Controle de pressão e temperatura: Os equipamentos de produção de argônio requerem controle rigoroso de pressão e temperatura, principalmente na coluna de destilação criogênica e nas torres de adsorção. O equipamento deve ser inspecionado regularmente para garantir que todos os parâmetros estejam dentro dos limites normais.

Prevenção de vazamentos: Como o sistema de argônio opera sob alta pressão e baixas temperaturas, a integridade da vedação é crucial. Gasodutos, juntas e válvulas devem ser verificados periodicamente para evitar vazamentos de gás.

Controle de pureza de gás:

Monitoramento de precisão: A pureza do argônio necessária varia dependendo da aplicação. Analisadores de gás devem ser usados ​​regularmente para verificar a pureza do argônio e garantir que o produto atenda aos padrões industriais.

Gerenciamento de impurezas: Em particular, na destilação criogênica, a separação do argônio pode ser afetada pelo projeto da coluna de destilação, pelas condições operacionais e pela eficácia do resfriamento. Purificação adicional pode ser necessária dependendo do uso final do argônio (por exemplo, argônio de pureza ultra-alta para a indústria eletrônica).

Gestão de Eficiência Energética:

Consumo de energia: A destilação criogênica consome muita energia, portanto devem ser feitos esforços para otimizar os processos de resfriamento e compressão para minimizar a perda de energia.

Recuperação de calor residual: As modernas instalações de produção de argônio utilizam frequentemente sistemas de recuperação de calor residual para recuperar a energia fria produzida durante o processo de destilação criogênica, melhorando a eficiência energética geral.

Na produção industrial, o argônio depende principalmente de métodos de destilação criogênica e adsorção com oscilação de pressão. A destilação criogênica é amplamente utilizada para produção de argônio em grande escala devido à sua capacidade de fornecer argônio de maior pureza. É necessária atenção especial durante a produção para garantir segurança, manutenção de equipamentos, controle de pureza de gás e gestão de eficiência energética.