argón (Ar) je vzácny plyn široko používaný v metalurgii, zváraní, chemickom priemysle a iných oblastiach. Výroba argónu spočíva hlavne v oddeľovaní rôznych zložiek plynu vo vzduchu, keďže koncentrácia argónu v atmosfére je približne 0,93 %. Dve primárne metódy priemyselnej výroby argónu sú kryogénna destilácia a adsorpcia s kolísaním tlaku (PSA).

Kryogénna destilácia

Kryogénna destilácia je najbežnejšie používaná metóda na separáciu argónu v priemysle. Táto metóda využíva rozdiely v bodoch varu rôznych zložiek plynu vo vzduchu, skvapalňuje vzduch pri nízkych teplotách a oddeľuje plyny cez destilačnú kolónu.

Priebeh procesu:

Predúprava vzduchu: Najprv sa vzduch stlačí a spočiatku ochladí, aby sa odstránila vlhkosť a oxid uhličitý. Tento krok sa zvyčajne dosahuje použitím sušiča (CD) alebo adsorbéra s molekulovým sitom na odstránenie vlhkosti a nečistôt.

Kompresia vzduchu a chladenie: Po vysušení sa vzduch stlačí na niekoľko megapascalov tlaku a potom sa ochladí cez chladiace zariadenie (napr. vzduchový chladič), aby sa teplota vzduchu priblížila k bodu skvapalnenia. Tento proces znižuje teplotu vzduchu na -170°C až -180°C.

Skvapalnenie vzduchom: Ochladený vzduch prechádza expanzným ventilom a vstupuje do kryogénnej destilačnej kolóny. Zložky vo vzduchu sa vo vnútri kolóny postupne oddeľujú na základe ich bodov varu. Dusík (N₂) a kyslík (O₂) sa oddeľujú pri nižších teplotách, zatiaľ čo argón (Ar), ktorý má teplotu varu medzi dusíkom a kyslíkom (-195,8°C pre dusík, -183°C pre kyslík a -185,7°C pre argón), sa zhromažďuje v špecifických častiach kolóny.

Frakčná destilácia: V destilačnej kolóne sa kvapalný vzduch odparuje a kondenzuje pri rôznych teplotách a efektívne sa oddeľuje argón. Oddelený argón sa potom zbiera a ďalej čistí.

Čistenie argónu:

Kryogénnou destiláciou sa vo všeobecnosti získa argón s čistotou nad 99 %. Pre určité aplikácie (napr. v elektronickom priemysle alebo pri špičkovom spracovaní materiálov) môže byť potrebné ďalšie čistenie s použitím adsorbentov (ako je aktívne uhlie alebo molekulové sitá) na odstránenie stopových nečistôt, ako je dusík a kyslík.

Adsorpcia pri kolísaní tlaku (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) je ďalšou metódou na generovanie argónu, ktorá je vhodná pre výrobu v menšom meradle. Táto metóda oddeľuje argón zo vzduchu využitím rôznych adsorpčných charakteristík rôznych plynov na materiáloch, ako sú molekulové sitá.

Priebeh procesu:

Adsorpčná veža: Vzduch prechádza adsorpčnou vežou naplnenou molekulárnymi sitami, kde sú dusík a kyslík silne adsorbované molekulárnymi sitami, zatiaľ čo inertné plyny ako argón nie sú adsorbované, čo im umožňuje oddeliť sa od dusíka a kyslíka.

Adsorpcia a desorpcia: Počas jedného cyklu adsorpčná veža najskôr adsorbuje dusík a kyslík zo vzduchu pod vysokým tlakom, zatiaľ čo argón prúdi von cez výstup z veže. Potom znížením tlaku dochádza k desorbcii dusíka a kyslíka z molekulových sít a adsorpčná kapacita adsorpčnej veže sa obnoví regeneráciou kolísaním tlaku.

Cyklus viacerých veží: Typicky sa striedavo používajú viaceré adsorpčné veže—jeden na adsorpciu, zatiaľ čo druhý je v desorpcii—umožňujúci nepretržitú výrobu.

Výhodou metódy PSA je, že má jednoduchšie nastavenie a nižšie prevádzkové náklady, ale čistota vyrobeného argónu je vo všeobecnosti nižšia ako pri kryogénnej destilácii. Je vhodný pre situácie s nižšou potrebou argónu.

Purifikácia argónu

Či už používate kryogénnu destiláciu alebo PSA, generovaný argón zvyčajne obsahuje malé množstvo kyslíka, dusíka alebo vodnej pary. Na zlepšenie čistoty argónu sú zvyčajne potrebné ďalšie kroky čistenia:

Kondenzácia nečistôt: Ďalšie chladenie argónu na kondenzáciu a oddelenie niektorých nečistôt.

Adsorpcia molekulového sita: Použitie vysoko účinných adsorbérov s molekulovým sitom na odstránenie stopových množstiev dusíka, kyslíka alebo vodnej pary. Molekulové sitá majú špecifické veľkosti pórov, ktoré môžu selektívne adsorbovať určité molekuly plynu.

Technológia oddeľovania membrán: V niektorých prípadoch možno na separáciu plynov na základe selektívnej permeácie použiť technológiu membrány na separáciu plynov, čím sa ďalej zvyšuje čistota argónu.

Bezpečnostné opatrenia pre výrobu argónu na mieste

Bezpečnostné opatrenia:

Kryogénne nebezpečenstvo: Tekutý argón je extrémne chladný a je potrebné sa vyhnúť priamemu kontaktu s ním, aby sa predišlo omrzlinám. Operátori by mali nosiť špeciálny kryogénny ochranný odev, rukavice a okuliare.

Nebezpečenstvo zadusenia: Argón je inertný plyn a dokáže vytesniť kyslík. V uzavretých priestoroch môže únik argónu viesť k zníženiu hladiny kyslíka, čo vedie k zaduseniu. Priestory, kde sa vyrába a skladuje argón, musia byť preto dobre vetrané a mali by sa nainštalovať systémy na monitorovanie kyslíka.

Údržba zariadenia:

Regulácia tlaku a teploty: Zariadenie na výrobu argónu vyžaduje prísnu kontrolu tlaku a teploty, najmä v kryogénnej destilačnej kolóne a adsorpčných vežiach. Zariadenie by sa malo pravidelne kontrolovať, aby sa zabezpečilo, že všetky parametre sú v normálnych medziach.

Prevencia úniku: Keďže argónový systém pracuje pri vysokom tlaku a nízkych teplotách, integrita tesnenia je rozhodujúca. Plynové potrubia, spoje a ventily by sa mali pravidelne kontrolovať, aby sa zabránilo úniku plynu.

Kontrola čistoty plynu:

Presné monitorovanie: Požadovaná čistota argónu sa líši v závislosti od aplikácie. Analyzátory plynu by sa mali pravidelne používať na kontrolu čistoty argónu a na zabezpečenie toho, aby produkt spĺňal priemyselné normy.

Manažment nečistôt: Najmä pri kryogénnej destilácii môže byť separácia argónu ovplyvnená konštrukciou destilačnej kolóny, prevádzkovými podmienkami a účinnosťou chladenia. Ďalšie čistenie môže byť potrebné v závislosti od konečného použitia argónu (napr. argónu s ultra vysokou čistotou pre elektronický priemysel).

Riadenie energetickej účinnosti:

Spotreba energie: Kryogénna destilácia je energeticky náročná, preto by sa malo vyvinúť úsilie na optimalizáciu procesov chladenia a kompresie, aby sa minimalizovali straty energie.

Rekuperácia odpadového tepla: Moderné zariadenia na výrobu argónu často využívajú systémy spätného získavania odpadového tepla na regeneráciu studenej energie vyrobenej počas procesu kryogénnej destilácie, čím sa zlepšuje celková energetická účinnosť.

V priemyselnej výrobe závisí argón predovšetkým na metódach kryogénnej destilácie a adsorpcie s kolísaním tlaku. Široko sa používa kryogénna destilácia veľkovýroba argónu vďaka svojej schopnosti poskytovať vyššiu čistotu argónu. Počas výroby sa vyžaduje osobitná pozornosť na zaistenie bezpečnosti, údržby zariadení, kontroly čistoty plynu a riadenia energetickej účinnosti.