Аргон (Ar) — редкий газ, широко используемый в металлургии, сварке, химической промышленности и других областях. Производство аргона в основном основано на разделении различных компонентов газа в воздухе, поскольку концентрация аргона в атмосфере составляет около 0,93%. Двумя основными методами промышленного производства аргона являются криогенная дистилляция и адсорбция при переменном давлении (PSA).

Криогенная дистилляция

Криогенная дистилляция — наиболее распространенный метод разделения аргона в промышленности. Этот метод использует разницу в температурах кипения различных компонентов газа в воздухе, сжижает воздух при низких температурах и разделяет газы через дистилляционную колонну.

Ход процесса:

Предварительная обработка воздуха: Сначала воздух сжимается и первоначально охлаждается для удаления влаги и углекислого газа. Этот этап обычно достигается с помощью сушилки (CD) или адсорбера на основе молекулярных сит для удаления влаги и примесей.

Сжатие воздуха и охлаждение: После сушки воздух сжимается до давления в несколько мегапаскалей, а затем охлаждается с помощью охлаждающего устройства (например, воздухоохладителя), чтобы довести температуру воздуха близко к точке его сжижения. Этот процесс снижает температуру воздуха до -170.°С до -180°С.

Сжижение воздуха: Охлажденный воздух проходит через расширительный клапан и поступает в криогенную дистилляционную колонну. Компоненты в воздухе постепенно разделяются внутри колонны в зависимости от их температуры кипения. Азот (N₂) и кислород (O₂) отделяются при более низких температурах, тогда как аргон (Ar), имеющий температуру кипения между азотом и кислородом (-195,8°С для азота, -183°C для кислорода и -185,7°C для аргона), собирается в определенных секциях колонны.

Фракционная перегонка: В ректификационной колонне жидкий воздух испаряется и конденсируется при разных температурах, а аргон эффективно отделяется. Выделенный аргон затем собирают и дополнительно очищают.

Очистка аргона:

Криогенная перегонка обычно дает аргон чистотой более 99%. Для некоторых применений (например, в электронной промышленности или в высокотехнологичной обработке материалов) может потребоваться дополнительная очистка с использованием адсорбентов (таких как активированный уголь или молекулярные сита) для удаления следовых примесей, таких как азот и кислород.

Адсорбция при переменном давлении (PSA)

Адсорбция при переменном давлении (PSA) — еще один метод получения аргона, подходящий для мелкомасштабного производства. Этот метод отделяет аргон от воздуха за счет использования различных характеристик адсорбции различных газов на таких материалах, как молекулярные сита.

Ход процесса:

Адсорбционная башня: Воздух проходит через адсорбционную башню, заполненную молекулярными ситами, где молекулярные сита сильно адсорбируют азот и кислород, в то время как инертные газы, такие как аргон, не адсорбируются, что позволяет им отделяться от азота и кислорода.

Адсорбция и десорбция: В течение одного цикла адсорбционная башня сначала адсорбирует азот и кислород из воздуха под высоким давлением, а аргон вытекает через выпускное отверстие башни. Затем, снижая давление, азот и кислород десорбируются из молекулярных сит, и адсорбционная способность адсорбционной колонны восстанавливается за счет регенерации при перепаде давления.

Многобашенный цикл: Обычно несколько адсорбционных башен используются поочередно.—один для адсорбции, а другой для десорбции—позволяющие осуществлять непрерывное производство.

Преимущество метода КДА в том, что он имеет более простую установку и меньшие эксплуатационные затраты, однако чистота получаемого аргона, как правило, ниже, чем при криогенной перегонке. Подходит для ситуаций с низкой потребностью в аргоне.

Очистка аргона

Независимо от того, используется ли криогенная дистилляция или PSA, образующийся аргон обычно содержит небольшое количество кислорода, азота или водяного пара. Для повышения чистоты аргона обычно требуются дополнительные этапы очистки:

Конденсация примесей: Дальнейшее охлаждение аргона для конденсации и отделения некоторых примесей.

Адсорбция на молекулярном сите: Использование высокоэффективных адсорберов на основе молекулярных сит для удаления следовых количеств азота, кислорода или водяного пара. Молекулярные сита имеют поры определенного размера, которые могут избирательно адсорбировать определенные молекулы газа.

Технология мембранного разделения: В некоторых случаях мембранная технология газоразделения может использоваться для разделения газов на основе селективной проницаемости, что еще больше повышает чистоту аргона.

Меры предосторожности при производстве аргона на месте

Меры безопасности:

Криогенная опасность: Жидкий аргон чрезвычайно холоден, и следует избегать прямого контакта с ним во избежание обморожения. Операторы должны носить специальную криогенную защитную одежду, перчатки и очки.

Опасность удушья: Аргон является инертным газом и может вытеснять кислород. В закрытых помещениях утечка аргона может привести к снижению уровня кислорода, что приведет к удушью. Поэтому помещения, где производится и хранится аргон, должны быть хорошо вентилируемы и установлены системы контроля кислорода.

Обслуживание оборудования:

Контроль давления и температуры: Оборудование для производства аргона требует строгого контроля давления и температуры, особенно в криогенной ректификационной колонне и адсорбционных колоннах. Оборудование следует регулярно проверять, чтобы убедиться, что все параметры находятся в пределах нормы.

Предотвращение утечек: Поскольку аргоновая система работает при высоком давлении и низких температурах, целостность уплотнения имеет решающее значение. Газопроводы, соединения и клапаны следует периодически проверять во избежание утечек газа.

Контроль чистоты газа:

Точный мониторинг: Требуемая чистота аргона варьируется в зависимости от применения. Газоанализаторы следует использовать регулярно для проверки чистоты аргона и обеспечения соответствия продукта промышленным стандартам.

Управление примесями: В частности, при криогенной перегонке на отделение аргона могут влиять конструкция ректификационной колонны, условия эксплуатации и эффективность охлаждения. Дальнейшая очистка может потребоваться в зависимости от конечного использования аргона (например, аргон сверхвысокой чистоты для электронной промышленности).

Управление энергоэффективностью:

Энергопотребление: Криогенная дистилляция является энергоемкой, поэтому необходимо приложить усилия для оптимизации процессов охлаждения и сжатия, чтобы минимизировать потери энергии.

Рекуперация отходящего тепла: Современные предприятия по производству аргона часто используют системы рекуперации отходящего тепла для рекуперации холодной энергии, вырабатываемой в процессе криогенной дистилляции, что повышает общую энергоэффективность.

В промышленном производстве аргон в первую очередь зависит от методов криогенной дистилляции и адсорбции при переменном давлении. Криогенная дистилляция широко используется для крупномасштабное производство аргона из-за его способности обеспечивать аргон более высокой чистоты. Особое внимание при производстве требуется для обеспечения безопасности, технического обслуживания оборудования, контроля чистоты газа и управления энергоэффективностью.