อาร์กอน (อาร์) เป็นก๊าซหายากที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา การเชื่อม อุตสาหกรรมเคมี และสาขาอื่นๆ การผลิตอาร์กอนอาศัยการแยกส่วนประกอบก๊าซต่างๆ ในอากาศเป็นหลัก เนื่องจากความเข้มข้นของอาร์กอนในบรรยากาศอยู่ที่ประมาณ 0.93% วิธีการหลักสองวิธีสำหรับการผลิตอาร์กอนทางอุตสาหกรรมคือการกลั่นด้วยไครโอเจนิกและการดูดซับด้วยแรงดันสวิง (PSA)

การกลั่นด้วยไครโอเจนิกส์

การกลั่นด้วยความเย็นจัดเป็นวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการแยกอาร์กอนในอุตสาหกรรม วิธีการนี้ใช้ความแตกต่างของจุดเดือดของส่วนประกอบก๊าซต่างๆ ในอากาศ ทำให้อากาศกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำ และแยกก๊าซผ่านคอลัมน์การกลั่น

ผังกระบวนการ:

การบำบัดอากาศล่วงหน้า: ขั้นแรก อากาศจะถูกอัดและทำให้เย็นลงในตอนแรกเพื่อขจัดความชื้นและคาร์บอนไดออกไซด์ โดยทั่วไปขั้นตอนนี้สามารถทำได้โดยใช้เครื่องอบแห้ง (CD) หรือตัวดูดซับตะแกรงโมเลกุลเพื่อขจัดความชื้นและสิ่งสกปรก

การอัดอากาศและการระบายความร้อน: หลังจากการอบแห้ง อากาศจะถูกบีบอัดให้มีความดันหลายเมกะปาสคาล จากนั้นทำให้เย็นลงผ่านอุปกรณ์ทำความเย็น (เช่น เครื่องทำความเย็นด้วยอากาศ) เพื่อให้อุณหภูมิของอากาศใกล้เคียงกับจุดที่ทำให้กลายเป็นของเหลว กระบวนการนี้จะทำให้อุณหภูมิอากาศลดลงเหลือ -170°ค ถึง -180°ค.

การทำให้เป็นของเหลวในอากาศ: อากาศเย็นจะไหลผ่านวาล์วขยายตัวและเข้าสู่คอลัมน์การกลั่นด้วยความเย็นจัด ส่วนประกอบในอากาศจะค่อยๆ แยกออกจากกันภายในคอลัมน์ตามจุดเดือด ไนโตรเจน (N₂) และออกซิเจน (O₂) แยกออกจากกันที่อุณหภูมิต่ำกว่า ขณะที่อาร์กอน (Ar) มีจุดเดือดระหว่างไนโตรเจนกับออกซิเจน (-195.8°C สำหรับไนโตรเจน -183°C สำหรับออกซิเจน และ -185.7°C สำหรับอาร์กอน) จะถูกรวบรวมไว้ในส่วนเฉพาะของคอลัมน์

การกลั่นแบบเศษส่วน: ในคอลัมน์การกลั่น อากาศของเหลวจะระเหยและควบแน่นที่อุณหภูมิต่างกัน และอาร์กอนจะถูกแยกออกจากกันอย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้นอาร์กอนที่แยกออกมาจะถูกรวบรวมและทำให้บริสุทธิ์ต่อไป

การทำให้บริสุทธิ์ด้วยอาร์กอน:

โดยทั่วไปการกลั่นด้วยไครโอเจนิกส์จะให้อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า 99% สำหรับการใช้งานบางอย่าง (เช่น ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์หรือการแปรรูปวัสดุระดับไฮเอนด์) อาจจำเป็นต้องมีการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมโดยใช้ตัวดูดซับ (เช่น ถ่านกัมมันต์หรือตะแกรงโมเลกุล) เพื่อขจัดสิ่งเจือปนเล็กน้อย เช่น ไนโตรเจนและออกซิเจน

การดูดซับแรงดันสวิง (PSA)

การดูดซับแรงดันสวิง (PSA) เป็นอีกวิธีหนึ่งในการสร้างอาร์กอน เหมาะสำหรับการผลิตขนาดเล็ก วิธีนี้แยกอาร์กอนออกจากอากาศโดยใช้คุณลักษณะการดูดซับที่แตกต่างกันของก๊าซต่างๆ บนวัสดุ เช่น ตะแกรงโมเลกุล

ผังกระบวนการ:

หอดูดซับ: อากาศจะไหลผ่านหอดูดซับที่เต็มไปด้วยตะแกรงโมเลกุล โดยที่ไนโตรเจนและออกซิเจนจะถูกดูดซับอย่างแรงด้วยตะแกรงโมเลกุล ในขณะที่ก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน จะไม่ถูกดูดซับ ทำให้แยกออกจากไนโตรเจนและออกซิเจนได้

การดูดซับและการคายการดูดซึม: ในระหว่างรอบหนึ่ง หอดูดซับจะดูดซับไนโตรเจนและออกซิเจนจากอากาศก่อนภายใต้แรงดันสูง ในขณะที่อาร์กอนจะไหลออกมาทางทางออกของหอคอย จากนั้น โดยการลดความดัน ไนโตรเจนและออกซิเจนจะถูกดูดซับออกจากตะแกรงโมเลกุล และความสามารถในการดูดซับของหอดูดซับจะถูกฟื้นฟูผ่านการสร้างแรงดันสวิงใหม่

วงจรหลายทาวเวอร์: โดยทั่วไปแล้ว จะมีการใช้เสาดูดซับหลายอันสลับกัน—อันหนึ่งสำหรับการดูดซับในขณะที่อีกอันอยู่ในการสลาย—ทำให้สามารถผลิตได้อย่างต่อเนื่อง

ข้อดีของวิธี PSA คือมีการตั้งค่าที่ง่ายกว่าและต้นทุนการดำเนินงานต่ำกว่า แต่โดยทั่วไปความบริสุทธิ์ของอาร์กอนที่ผลิตจะต่ำกว่าความบริสุทธิ์ของการกลั่นด้วยความเย็นจัด เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความต้องการอาร์กอนต่ำ

การทำให้บริสุทธิ์ด้วยอาร์กอน

ไม่ว่าจะใช้การกลั่นด้วยความเย็นจัดหรือ PSA อาร์กอนที่สร้างขึ้นมักจะมีออกซิเจน ไนโตรเจน หรือไอน้ำจำนวนเล็กน้อย เพื่อปรับปรุงความบริสุทธิ์ของอาร์กอน โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม:

การควบแน่นของสิ่งสกปรก: การระบายความร้อนของอาร์กอนเพิ่มเติมเพื่อควบแน่นและแยกสิ่งสกปรกบางส่วนออก

การดูดซับตะแกรงโมเลกุล: การใช้ตัวดูดซับตะแกรงโมเลกุลประสิทธิภาพสูงเพื่อกำจัดไนโตรเจน ออกซิเจน หรือไอน้ำในปริมาณเล็กน้อย ตะแกรงโมเลกุลมีขนาดรูพรุนเฉพาะที่สามารถเลือกดูดซับโมเลกุลของก๊าซบางชนิดได้

เทคโนโลยีการแยกเมมเบรน: ในบางกรณี เทคโนโลยีเมมเบรนแยกก๊าซสามารถใช้เพื่อแยกก๊าซตามการซึมผ่านแบบเลือก ซึ่งช่วยเพิ่มความบริสุทธิ์ของอาร์กอน

ข้อควรระวังสำหรับการผลิตอาร์กอนที่ไซต์งาน

มาตรการความปลอดภัย:

อันตรายจากการแช่แข็ง: อาร์กอนเหลว มีอากาศหนาวจัด และควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงเพื่อป้องกันอาการบวมเป็นน้ำเหลือง ผู้ปฏิบัติงานควรสวมชุดป้องกันถุงมือและแว่นตาป้องกันความเย็นจัดโดยเฉพาะ

อันตรายจากการหายใจไม่ออก: อาร์กอนเป็นก๊าซเฉื่อยและสามารถแทนที่ออกซิเจนได้ ในพื้นที่ปิด การรั่วไหลของอาร์กอนอาจทำให้ระดับออกซิเจนลดลง ส่งผลให้หายใจไม่ออก ดังนั้นพื้นที่ที่ผลิตและจัดเก็บอาร์กอนจึงต้องมีการระบายอากาศที่ดีและควรติดตั้งระบบตรวจสอบออกซิเจน

การบำรุงรักษาอุปกรณ์:

การควบคุมอุณหภูมิและความดัน: อุปกรณ์การผลิตอาร์กอนต้องมีการควบคุมความดันและอุณหภูมิอย่างเข้มงวด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคอลัมน์การกลั่นด้วยความเย็นจัดและหอดูดซับ ควรตรวจสอบอุปกรณ์อย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์ทั้งหมดอยู่ในช่วงปกติ

การป้องกันการรั่วไหล: เนื่องจากระบบอาร์กอนทำงานภายใต้แรงดันสูงและอุณหภูมิต่ำ ความสมบูรณ์ของซีลจึงเป็นสิ่งสำคัญ ควรตรวจสอบท่อส่งก๊าซ ข้อต่อ และวาล์วเป็นระยะเพื่อป้องกันการรั่วไหลของก๊าซ

การควบคุมความบริสุทธิ์ของแก๊ส:

การตรวจสอบความแม่นยำ: ความบริสุทธิ์ของอาร์กอนที่ต้องการจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งาน ควรใช้เครื่องวิเคราะห์ก๊าซเป็นประจำเพื่อตรวจสอบความบริสุทธิ์ของอาร์กอนและรับรองว่าผลิตภัณฑ์ตรงตามมาตรฐานอุตสาหกรรม

การจัดการสิ่งเจือปน: โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการกลั่นด้วยความเย็นจัด การแยกอาร์กอนอาจได้รับผลกระทบจากการออกแบบคอลัมน์การกลั่น สภาพการทำงาน และประสิทธิภาพในการทำความเย็น อาจจำเป็นต้องทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมโดยขึ้นอยู่กับการใช้อาร์กอนในขั้นสุดท้าย (เช่น อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษสำหรับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์)

การจัดการประสิทธิภาพพลังงาน:

การใช้พลังงาน: การกลั่นด้วยไครโอเจนิกส์เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานสูง ดังนั้นจึงควรพยายามเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการทำความเย็นและการบีบอัดเพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่: โรงงานผลิตอาร์กอนสมัยใหม่มักใช้ระบบนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่เพื่อนำพลังงานเย็นที่ผลิตในระหว่างกระบวนการกลั่นด้วยความเย็นมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวม

ในการผลิตทางอุตสาหกรรม อาร์กอนขึ้นอยู่กับการกลั่นด้วยความเย็นจัดและวิธีการดูดซับด้วยแรงดันสวิงเป็นหลัก การกลั่นด้วยไครโอเจนิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับ การผลิตอาร์กอนขนาดใหญ่ เนื่องจากความสามารถในการให้อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า ในระหว่างการผลิตจำเป็นต้องเอาใจใส่เป็นพิเศษเพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัย การบำรุงรักษาอุปกรณ์ การควบคุมความบริสุทธิ์ของก๊าซ และการจัดการประสิทธิภาพพลังงาน