Argon (Ar) este un gaz rar utilizat pe scară largă în metalurgie, sudare, industrii chimice și alte domenii. Producția de argon se bazează în principal pe separarea diferitelor componente ale gazului din aer, deoarece concentrația de argon în atmosferă este de aproximativ 0,93%. Cele două metode principale pentru producția industrială de argon sunt Distilarea Criogenică și Adsorbția prin fluctuație de presiune (PSA).

Distilarea criogenică

Distilarea criogenică este metoda cea mai frecvent utilizată pentru separarea argonului în industrie. Această metodă utilizează diferențele de puncte de fierbere ale diferitelor componente ale gazului din aer, lichefiază aerul la temperaturi scăzute și separă gazele printr-o coloană de distilare.

Fluxul procesului:

Pretratarea aerului: În primul rând, aerul este comprimat și inițial răcit pentru a elimina umezeala și dioxidul de carbon. Această etapă se realizează în mod obișnuit prin utilizarea unui uscător (CD) sau adsorbant cu sită moleculară pentru a îndepărta umezeala și impuritățile.

Compresia și răcirea aerului: După uscare, aerul este comprimat la câțiva megapascali de presiune și apoi răcit printr-un dispozitiv de răcire (de exemplu, un răcitor de aer) pentru a aduce temperatura aerului aproape de punctul său de lichefiere. Acest proces scade temperatura aerului la -170°C până la -180°C.

Lichefierea aerului: Aerul răcit trece printr-o supapă de expansiune și intră într-o coloană de distilare criogenică. Componentele din aer sunt separate treptat în interiorul coloanei în funcție de punctele lor de fierbere. Azot (N₂) și oxigen (O₂) sunt separate la temperaturi mai scăzute, în timp ce argonul (Ar), având un punct de fierbere între azot și oxigen (-195,8).°C pentru azot, -183°C pentru oxigen și -185,7°C pentru argon), este colectat în secțiuni specifice ale coloanei.

Distilarea fracționată: În coloana de distilare, aerul lichid se evaporă și se condensează la diferite temperaturi, iar argonul este separat eficient. Argonul separat este apoi colectat și purificat în continuare.

Purificare cu argon:

Distilarea criogenică dă în general argon cu puritate peste 99%. Pentru anumite aplicații (de exemplu, în industria electronică sau în procesarea materialelor de ultimă generație), poate fi necesară o purificare suplimentară folosind adsorbanți (cum ar fi cărbune activ sau site moleculare) pentru a îndepărta urmele de impurități precum azotul și oxigenul.

Adsorbție prin fluctuație de presiune (PSA)

Adsorbția prin fluctuație de presiune (PSA) este o altă metodă de generare a argonului, potrivită pentru producția la scară mai mică. Această metodă separă argonul de aer prin utilizarea diferitelor caracteristici de adsorbție ale diferitelor gaze pe materiale precum sitele moleculare.

Fluxul procesului:

Turnul de adsorbție: Aerul trece printr-un turn de adsorbție umplut cu site moleculare, unde azotul și oxigenul sunt puternic absorbiți de sitele moleculare, în timp ce gazele inerte precum argonul nu sunt adsorbite, permițându-le să se separe de azot și oxigen.

Adsorbție și desorbție: În timpul unui ciclu, turnul de adsorbție adsorb mai întâi azotul și oxigenul din aer sub presiune ridicată, în timp ce argonul curge prin ieșirea turnului. Apoi, prin reducerea presiunii, azotul și oxigenul se desorb din sitele moleculare, iar capacitatea de adsorbție a turnului de adsorbție este restabilită prin regenerarea prin schimbarea presiunii.

Ciclu cu mai multe turnuri: De obicei, mai multe turnuri de adsorbție sunt utilizate alternativ—unul pentru adsorbție în timp ce celălalt este în desorbție—permiţând producţia continuă.

Avantajul metodei PSA este că are o configurare mai simplă și costuri de operare mai mici, dar puritatea argonului produs este în general mai mică decât cea a distilării criogenice. Este potrivit pentru situații cu cerere mai mică de argon.

Purificare cu argon

Indiferent dacă se utilizează distilare criogenică sau PSA, argonul generat conține de obicei cantități mici de oxigen, azot sau vapori de apă. Pentru a îmbunătăți puritatea argonului, sunt de obicei necesari pași de purificare suplimentari:

Condensarea impurităților: Răcirea în continuare a argonului pentru a condensa și a separa unele impurități.

Adsorbția prin sită moleculară: Folosind adsorbanți cu site moleculare de înaltă eficiență pentru a îndepărta urmele de azot, oxigen sau vapori de apă. Sitele moleculare au dimensiuni specifice ale porilor care pot adsorbi selectiv anumite molecule de gaz.

Tehnologia de separare a membranei: În unele cazuri, tehnologia membranei de separare a gazelor poate fi utilizată pentru a separa gazele pe baza permeației selective, sporind și mai mult puritatea argonului.

Precauții pentru producția de argon la fața locului

Măsuri de siguranță:

Pericol criogenic: Argon lichid este extrem de rece și trebuie evitat contactul direct cu acesta pentru a preveni degerăturile. Operatorii trebuie să poarte îmbrăcăminte specială de protecție criogenică, mănuși și ochelari de protecție.

Pericol de asfixiere: Argonul este un gaz inert și poate înlocui oxigenul. În spațiile închise, scurgerea de argon poate duce la o scădere a nivelului de oxigen, ducând la asfixiere. Prin urmare, zonele în care se produce și se depozitează argonul trebuie să fie bine ventilate și ar trebui instalate sisteme de monitorizare a oxigenului.

Întreținerea echipamentelor:

Controlul presiunii și temperaturii: Echipamentele de producție de argon necesită un control strict al presiunii și temperaturii, în special în coloana de distilare criogenică și în turnurile de adsorbție. Echipamentul trebuie inspectat regulat pentru a se asigura că toți parametrii sunt în limite normale.

Prevenirea scurgerilor: Deoarece sistemul cu argon funcționează sub presiune ridicată și temperaturi scăzute, integritatea etanșării este crucială. Conductele de gaz, îmbinările și supapele trebuie verificate periodic pentru a preveni scurgerile de gaz.

Controlul purității gazului:

Monitorizare de precizie: Puritatea argonului necesară variază în funcție de aplicație. Analizoarele de gaze trebuie utilizate în mod regulat pentru a verifica puritatea argonului și pentru a se asigura că produsul îndeplinește standardele industriale.

Managementul impurităților: În special, în distilarea criogenică, separarea argonului poate fi afectată de designul coloanei de distilare, condițiile de funcționare și eficacitatea răcirii. O purificare suplimentară poate fi necesară în funcție de utilizarea finală a argonului (de exemplu, argon de puritate ultra-înaltă pentru industria electronică).

Managementul eficienței energetice:

Consum de energie: Distilarea criogenică este consumatoare de energie, așa că ar trebui depuse eforturi pentru a optimiza procesele de răcire și compresie pentru a minimiza pierderile de energie.

Recuperarea căldurii reziduale: Instalațiile moderne de producție de argon utilizează adesea sisteme de recuperare a căldurii reziduale pentru a recupera energia rece produsă în timpul procesului de distilare criogenică, îmbunătățind eficiența energetică generală.

În producția industrială, argonul depinde în primul rând de metodele de distilare criogenică și de adsorbție prin schimbarea presiunii. Distilarea criogenică este utilizată pe scară largă pentru producția de argon pe scară largă datorită capacității sale de a furniza argon de puritate mai mare. O atenție specială este necesară în timpul producției pentru a asigura siguranța, întreținerea echipamentelor, controlul purității gazului și managementul eficienței energetice.