Argon (Ar) je redek plin, ki se pogosto uporablja v metalurgiji, varjenju, kemični industriji in na drugih področjih. Proizvodnja argona je v glavnem odvisna od ločevanja različnih komponent plina v zraku, saj je koncentracija argona v atmosferi približno 0,93 %. Dve primarni metodi za industrijsko proizvodnjo argona sta kriogena destilacija in adsorpcija s nihanjem tlaka (PSA).

Kriogena destilacija

Kriogena destilacija je najpogosteje uporabljena metoda za ločevanje argona v industriji. Ta metoda izkorišča razlike v vreliščih različnih komponent plina v zraku, utekočini zrak pri nizkih temperaturah in loči pline skozi destilacijsko kolono.

Potek procesa:

Predobdelava zraka: Najprej se zrak stisne in najprej ohladi, da se odstrani vlaga in ogljikov dioksid. Ta korak se običajno doseže z uporabo sušilnika (CD) ali adsorberja z molekularnim sitom za odstranjevanje vlage in nečistoč.

Stiskanje zraka in hlajenje: Po sušenju se zrak stisne na več megapaskalov tlaka in nato ohladi s hladilno napravo (npr. hladilnik zraka), da se temperatura zraka približa točki utekočinjenja. Ta postopek zniža temperaturo zraka na -170°C do -180°C.

Utekočinjenje zraka: Ohlajen zrak gre skozi ekspanzijski ventil in vstopi v kriogeno destilacijsko kolono. Komponente v zraku se postopoma ločujejo znotraj kolone glede na njihova vrelišča. Dušik (N₂) in kisik (O₂) ločimo pri nižjih temperaturah, medtem ko argon (Ar), ki ima vrelišče med dušikom in kisikom (-195,8°C za dušik, -183°C za kisik in -185,7°C za argon), se zbira v posebnih delih kolone.

Frakcijska destilacija: V destilacijski koloni tekoči zrak izhlapeva in kondenzira pri različnih temperaturah, argon pa se učinkovito loči. Izločeni argon se nato zbere in dodatno očisti.

Čiščenje argona:

Kriogena destilacija na splošno daje argon s čistostjo nad 99%. Pri določenih aplikacijah (npr. v elektronski industriji ali pri obdelavi vrhunskih materialov) bo morda potrebno nadaljnje čiščenje z uporabo adsorbentov (kot so aktivno oglje ali molekularna sita), da se odstranijo sledi nečistoč, kot sta dušik in kisik.

Adsorpcija zaradi nihanja tlaka (PSA)

Adsorpcija z nihanjem tlaka (PSA) je še ena metoda za pridobivanje argona, primerna za manjšo proizvodnjo. Ta metoda loči argon od zraka z uporabo različnih adsorpcijskih značilnosti različnih plinov na materialih, kot so molekularna sita.

Potek procesa:

Adsorpcijski stolp: Zrak prehaja skozi adsorpcijski stolp, napolnjen z molekularnimi siti, kjer dušik in kisik močno adsorbirata molekularna sita, medtem ko inertni plini, kot je argon, niso adsorbirani, kar jim omogoča, da se ločijo od dušika in kisika.

Adsorpcija in desorpcija: Med enim ciklom adsorpcijski stolp najprej adsorbira dušik in kisik iz zraka pod visokim tlakom, medtem ko argon teče ven skozi izhod stolpa. Nato se z zmanjšanjem tlaka dušik in kisik desorbirata iz molekularnih sit, adsorpcijska zmogljivost adsorpcijskega stolpa pa se obnovi z regeneracijo nihanja tlaka.

Cikel z več stolpi: Običajno se izmenično uporablja več adsorpcijskih stolpov—ena za adsorpcijo, druga pa za desorpcijo—omogoča neprekinjeno proizvodnjo.

Prednost metode PSA je, da ima enostavnejšo nastavitev in nižje obratovalne stroške, vendar je čistost proizvedenega argona na splošno nižja kot pri kriogeni destilaciji. Primeren je za situacije z nižjo porabo argona.

Čiščenje z argonom

Ne glede na to, ali uporabljamo kriogeno destilacijo ali PSA, proizvedeni argon običajno vsebuje majhne količine kisika, dušika ali vodne pare. Za izboljšanje čistosti argona so običajno potrebni dodatni koraki čiščenja:

Kondenzacija nečistoč: Nadaljnje hlajenje argona za kondenzacijo in ločevanje nekaterih nečistoč.

Adsorpcija z molekularnim sitom: Uporaba visoko učinkovitih adsorberjev z molekularnimi siti za odstranjevanje sledov dušika, kisika ali vodne pare. Molekularna sita imajo posebne velikosti por, ki lahko selektivno adsorbirajo določene molekule plina.

Tehnologija ločevanja membran: V nekaterih primerih se lahko tehnologija membrane za ločevanje plinov uporabi za ločevanje plinov na podlagi selektivne permeacije, s čimer se dodatno poveča čistost argona.

Previdnostni ukrepi za proizvodnjo argona na kraju samem

Varnostni ukrepi:

Kriogena nevarnost: Tekoči argon je izjemno mrzlo, zato se je treba izogibati neposrednemu stiku z njim, da preprečimo ozebline. Operaterji morajo nositi specializirana kriogenska zaščitna oblačila, rokavice in očala.

Nevarnost zadušitve: Argon je inerten plin in lahko izpodriva kisik. V zaprtih prostorih lahko uhajanje argona povzroči zmanjšanje ravni kisika, kar povzroči zadušitev. Zato je treba prostore, kjer se proizvaja in shranjuje argon, dobro prezračevati in namestiti sisteme za spremljanje kisika.

Vzdrževanje opreme:

Nadzor tlaka in temperature: Oprema za proizvodnjo argona zahteva strog nadzor tlaka in temperature, zlasti v stolpcu za kriogeno destilacijo in adsorpcijskih stolpih. Opremo je treba redno pregledovati, da se zagotovi, da so vsi parametri v normalnih mejah.

Preprečevanje puščanja: Ker argonski sistem deluje pod visokim pritiskom in nizkimi temperaturami, je celovitost tesnila ključnega pomena. Plinovode, spoje in ventile je treba redno preverjati, da preprečite uhajanje plina.

Nadzor čistosti plina:

Natančno spremljanje: Zahtevana čistost argona se razlikuje glede na uporabo. Analizatorje plina je treba redno uporabljati za preverjanje čistosti argona in zagotavljanje, da izdelek ustreza industrijskim standardom.

Upravljanje nečistoč: Zlasti pri kriogeni destilaciji lahko na ločevanje argona vplivajo zasnova destilacijske kolone, pogoji delovanja in učinkovitost hlajenja. Morda bo potrebno nadaljnje čiščenje, odvisno od končne uporabe argona (npr. argon ultra visoke čistosti za elektronsko industrijo).

Upravljanje energetske učinkovitosti:

Poraba energije: Kriogena destilacija je energetsko intenzivna, zato si je treba prizadevati za optimizacijo procesov hlajenja in stiskanja, da se zmanjša izguba energije.

Rekuperacija odpadne toplote: Sodobni obrati za proizvodnjo argona pogosto uporabljajo sisteme za rekuperacijo odpadne toplote za rekuperacijo hladne energije, proizvedene med postopkom kriogene destilacije, s čimer izboljšajo splošno energetsko učinkovitost.

V industrijski proizvodnji je argon predvsem odvisen od metod kriogene destilacije in adsorpcije s nihanjem tlaka. Kriogena destilacija se pogosto uporablja za velika proizvodnja argona zaradi svoje sposobnosti zagotavljanja argona višje čistosti. Med proizvodnjo je potrebna posebna pozornost za zagotavljanje varnosti, vzdrževanje opreme, nadzor čistosti plina in upravljanje energetske učinkovitosti.