Argon (Ar) är en ädelgas som ofta används inom metallurgi, svetsning, kemisk industri och andra områden. Framställningen av argon bygger huvudsakligen på att separera de olika gaskomponenterna i luften, eftersom koncentrationen av argon i atmosfären är cirka 0,93 %. De två primära metoderna för industriell argonproduktion är Cryogenic Destillation och Pressure Swing Adsorption (PSA).

Kryogen destillation

Kryogen destillation är den mest använda metoden för argonseparation inom industrin. Denna metod utnyttjar skillnaderna i kokpunkter för olika gaskomponenter i luften, gör luften flytande vid låga temperaturer och separerar gaserna genom en destillationskolonn.

Processflöde:

Luftförbehandling: Först komprimeras luften och kyls initialt för att avlägsna fukt och koldioxid. Detta steg uppnås vanligtvis genom att använda en torktumlare (CD) eller molekylsiktadsorberare för att avlägsna fukt och föroreningar.

Luftkompression och kylning: Efter torkning komprimeras luften till flera megapascals tryck och kyls sedan genom en kylanordning (t.ex. en luftkylare) för att bringa lufttemperaturen nära dess smältpunkt. Denna process sänker lufttemperaturen till -170°C till -180°C.

Luftkondensering: Den kylda luften passerar genom en expansionsventil och kommer in i en kryogen destillationskolonn. Komponenterna i luften separeras gradvis inuti kolonnen baserat på deras kokpunkter. Kväve (N₂) och syre (O₂) separeras vid lägre temperaturer, medan argon (Ar), har en kokpunkt mellan kväve och syre (-195,8).°C för kväve, -183°C för syre och -185,7°C för argon), samlas i specifika sektioner av kolonnen.

Fraktionerad destillation: I destillationskolonnen avdunstar och kondenserar flytande luft vid olika temperaturer och argon separeras effektivt. Det separerade argonet samlas sedan upp och renas ytterligare.

Argonrening:

Kryogen destillation ger i allmänhet argon med en renhet över 99 %. För vissa tillämpningar (t.ex. inom elektronikindustrin eller avancerad materialbearbetning) kan ytterligare rening krävas med hjälp av adsorbenter (som aktivt kol eller molekylsilar) för att avlägsna spårföroreningar som kväve och syre.

Pressure Swing Adsorption (PSA)

Pressure Swing Adsorption (PSA) är en annan metod för att generera argon, lämplig för produktion i mindre skala. Denna metod separerar argon från luften genom att utnyttja de olika adsorptionsegenskaperna hos olika gaser på material som molekylsilar.

Processflöde:

Adsorptionstorn: Luften passerar genom ett adsorptionstorn fyllt med molekylsilar, där kväve och syre absorberas starkt av molekylsilarna, medan inerta gaser som argon inte adsorberas, vilket gör att de kan separeras från kväve och syre.

Adsorption och desorption: Under en cykel adsorberar adsorptionstornet först kväve och syre från luften under högt tryck, medan argon strömmar ut genom tornets utlopp. Sedan, genom att minska trycket, desorberas kväve och syre från molekylsilarna, och adsorptionstornets adsorptionskapacitet återställs genom trycksvängningsregenerering.

Multi-Tower Cycle: Vanligtvis används flera adsorptionstorn växelvis—en för adsorption medan den andra är i desorption—möjliggör kontinuerlig produktion.

Fördelen med PSA-metoden är att den har en enklare installation och lägre driftskostnader, men renheten hos det producerade argonet är generellt sett lägre än för kryogen destillation. Den är lämplig för situationer med lägre argonbehov.

Argonrening

Oavsett om man använder kryogen destillation eller PSA, innehåller den genererade argon vanligtvis små mängder syre, kväve eller vattenånga. För att förbättra renheten hos argon krävs vanligtvis ytterligare reningssteg:

Kondensering av föroreningar: Ytterligare kylning av argon för att kondensera och separera ut några föroreningar.

Molekylär siktadsorption: Använda högeffektiva molekylsiladsorbatorer för att avlägsna spårmängder av kväve, syre eller vattenånga. Molekylsilar har specifika porstorlekar som selektivt kan adsorbera vissa gasmolekyler.

Membranseparationsteknik: I vissa fall kan gasseparationsmembranteknologi användas för att separera gaser baserat på selektiv genomträngning, vilket ytterligare förbättrar argons renhet.

Försiktighetsåtgärder för produktion av argon på plats

Säkerhetsåtgärder:

Kryogen fara: Flytande argon är extremt kallt och direktkontakt med det bör undvikas för att förhindra frostskador. Operatörer bör bära specialiserade kryogena skyddskläder, handskar och skyddsglasögon.

Kvävningsrisk: Argon är en inert gas och kan tränga undan syre. I slutna utrymmen kan argonläckage leda till en minskning av syrehalten, vilket resulterar i kvävning. Därför måste områden där argon produceras och lagras vara väl ventilerade och syrgasövervakningssystem bör installeras.

Utrustningsunderhåll:

Tryck och temperaturkontroll: Argonproduktionsutrustning kräver strikt kontroll av tryck och temperatur, särskilt i den kryogena destillationskolonnen och adsorptionstornen. Utrustning bör inspekteras regelbundet för att säkerställa att alla parametrar ligger inom normala intervall.

Förebyggande av läckage: Eftersom argonsystemet arbetar under högt tryck och låga temperaturer är tätningens integritet avgörande. Gasledningar, skarvar och ventiler bör kontrolleras regelbundet för att förhindra gasläckor.

Gasrenhetskontroll:

Precisionsövervakning: Renheten hos argon som krävs varierar beroende på applikation. Gasanalysatorer bör användas regelbundet för att kontrollera argonets renhet och säkerställa att produkten uppfyller industriella standarder.

Föroreningshantering: I synnerhet vid kryogen destillation kan separationen av argon påverkas av destillationskolonnens design, driftsförhållanden och kylningseffektivitet. Ytterligare rening kan vara nödvändig beroende på den slutliga användningen av argon (t.ex. argon med ultrahög renhet för elektronikindustrin).

Energieffektivitetshantering:

Energiförbrukning: Kryogen destillation är energikrävande, så ansträngningar bör göras för att optimera kylnings- och kompressionsprocesser för att minimera energiförlusten.

Spillvärmeåtervinning: Moderna argonproduktionsanläggningar använder ofta spillvärmeåtervinningssystem för att återvinna den kalla energi som produceras under den kryogena destillationsprocessen, vilket förbättrar den totala energieffektiviteten.

I industriell produktion är argon främst beroende av kryogen destillation och trycksvängningsadsorptionsmetoder. Kryogen destillation används ofta för storskalig argontillverkning på grund av dess förmåga att tillhandahålla argon med högre renhet. Särskild uppmärksamhet krävs under produktionen för att säkerställa säkerhet, underhåll av utrustning, kontroll av gasrenhet och energieffektivitetshantering.