Argon (Ar) metalurji, kaynak, kimya endüstrileri ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan nadir bir gazdır. Argon üretimi esas olarak havadaki farklı gaz bileşenlerinin ayrılmasına dayanır, çünkü atmosferdeki argon konsantrasyonu yaklaşık %0,93'tür. Endüstriyel argon üretimi için iki ana yöntem Kriyojenik Damıtma ve Basınç Salınımlı Adsorpsiyondur (PSA).

Kriyojenik Damıtma

Kriyojenik damıtma, endüstride argon ayırma için en yaygın kullanılan yöntemdir. Bu yöntem, havadaki çeşitli gaz bileşenlerinin kaynama noktaları arasındaki farklardan yararlanır, havayı düşük sıcaklıklarda sıvılaştırır ve gazları bir damıtma kolonu aracılığıyla ayırır.

Süreç Akışı:

Hava Ön Arıtma: İlk olarak hava sıkıştırılır ve nemi ve karbondioksiti uzaklaştırmak için başlangıçta soğutulur. Bu adım tipik olarak nemi ve yabancı maddeleri uzaklaştırmak için bir kurutucu (CD) veya moleküler elek adsorberi kullanılarak gerçekleştirilir.

Hava Sıkıştırma ve Soğutma: Kuruduktan sonra, hava birkaç megapaskal basınca kadar sıkıştırılır ve daha sonra hava sıcaklığını sıvılaşma noktasına yaklaştırmak için bir soğutma cihazı (örneğin bir hava soğutucu) aracılığıyla soğutulur. Bu işlem hava sıcaklığını -170'e düşürür°C ila -180°C.

Hava Sıvılaşması: Soğutulan hava bir genleşme valfinden geçer ve kriyojenik damıtma kolonuna girer. Havadaki bileşenler kaynama noktalarına göre kolon içerisinde kademeli olarak ayrıştırılır. Azot (N₂) ve oksijen (O₂) daha düşük sıcaklıklarda ayrılırken, nitrojen ve oksijen arasında kaynama noktasına sahip olan argon (Ar) (-195,8)°Azot için C, -183°Oksijen için C ve -185,7°Argon için C), sütunun belirli bölümlerinde toplanır.

Fraksiyonel Damıtma: Damıtma kolonunda sıvı hava farklı sıcaklıklarda buharlaşır ve yoğunlaşır ve argon etkili bir şekilde ayrılır. Ayrılan argon daha sonra toplanır ve daha da saflaştırılır.

Argon Arıtma:

Kriyojenik damıtma genellikle %99'un üzerinde saflığa sahip argon verir. Belirli uygulamalar için (örneğin elektronik endüstrisinde veya ileri teknoloji malzeme işlemede), nitrojen ve oksijen gibi eser miktardaki yabancı maddeleri çıkarmak için adsorbanlar (aktif karbon veya moleküler elekler gibi) kullanılarak daha fazla saflaştırma gerekebilir.

Basınç Salınımlı Adsorpsiyon (PSA)

Basınç Salınımlı Adsorpsiyon (PSA), daha küçük ölçekli üretime uygun, argon üretmeye yönelik başka bir yöntemdir. Bu yöntem, çeşitli gazların moleküler elekler gibi malzemeler üzerindeki farklı adsorpsiyon özelliklerinden yararlanarak argonu havadan ayırır.

Süreç Akışı:

Adsorpsiyon Kulesi: Hava, moleküler eleklerle dolu bir adsorpsiyon kulesinden geçer; burada nitrojen ve oksijen, moleküler elekler tarafından güçlü bir şekilde adsorbe edilirken, argon gibi inert gazlar adsorbe edilmez, bu da onların nitrojen ve oksijenden ayrılmasını sağlar.

Adsorpsiyon ve Desorpsiyon: Bir döngü sırasında, adsorpsiyon kulesi ilk önce yüksek basınç altında havadaki nitrojeni ve oksijeni adsorbe ederken argon da kulenin çıkışından dışarı akar. Daha sonra basıncın azaltılmasıyla nitrojen ve oksijen moleküler eleklerden desorbe edilir ve adsorpsiyon kulesinin adsorpsiyon kapasitesi, basınç salınımı rejenerasyonu yoluyla geri yüklenir.

Çoklu Kule Çevrimi: Tipik olarak birden fazla adsorpsiyon kulesi dönüşümlü olarak kullanılır.—biri adsorpsiyon için, diğeri desorpsiyon için—sürekli üretime olanak sağlar.

PSA yönteminin avantajı, daha basit bir kurulum ve daha düşük işletme maliyetlerine sahip olmasıdır, ancak üretilen argonun saflığı genellikle kriyojenik damıtmanınkinden daha düşüktür. Argon talebinin düşük olduğu durumlar için uygundur.

Argon Arıtma

İster kriyojenik damıtma ister PSA kullanılsın, üretilen argon genellikle az miktarda oksijen, nitrojen veya su buharı içerir. Argonun saflığını arttırmak için tipik olarak daha ileri saflaştırma adımları gereklidir:

Safsızlıkların Yoğunlaşması: Bazı yabancı maddelerin yoğunlaşması ve ayrılması için argonun daha fazla soğutulması.

Moleküler Elek Adsorpsiyonu: Eser miktarda nitrojen, oksijen veya su buharını gidermek için yüksek verimli moleküler elek adsorberlerinin kullanılması. Moleküler elekler, belirli gaz moleküllerini seçici olarak adsorbe edebilen belirli gözenek boyutlarına sahiptir.

Membran Ayırma Teknolojisi: Bazı durumlarda gaz ayırma membranı teknolojisi, seçici geçirgenliğe dayalı olarak gazları ayırmak için kullanılabilir ve bu da argonun saflığını daha da artırır.

Yerinde Argon Üretimine İlişkin Önlemler

Güvenlik Önlemleri:

Kriyojenik Tehlike: Sıvı argon aşırı soğuktur ve donmayı önlemek için doğrudan temastan kaçınılmalıdır. Operatörler özel kriyojenik koruyucu giysiler, eldivenler ve gözlükler takmalıdır.

Boğulma Tehlikesi: Argon inert bir gazdır ve oksijenin yerini alabilir. Kapalı alanlarda argon sızıntısı oksijen seviyelerinin azalmasına neden olarak boğulmaya neden olabilir. Bu nedenle argonun üretildiği ve depolandığı alanların iyi havalandırılması ve oksijen izleme sistemlerinin kurulması gerekmektedir.

Ekipman Bakımı:

Basınç ve Sıcaklık Kontrolü: Argon üretim ekipmanı, özellikle kriyojenik damıtma kolonu ve adsorpsiyon kulelerinde basınç ve sıcaklığın sıkı kontrolünü gerektirir. Tüm parametrelerin normal aralıklarda olduğundan emin olmak için ekipman düzenli olarak incelenmelidir.

Sızıntı Önleme: Argon sistemi yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda çalıştığından conta bütünlüğü çok önemlidir. Gaz sızıntılarını önlemek için gaz boru hatları, bağlantıları ve vanaları periyodik olarak kontrol edilmelidir.

Gaz Saflık Kontrolü:

Hassas İzleme: Gerekli argonun saflığı uygulamaya bağlı olarak değişir. Argonun saflığını kontrol etmek ve ürünün endüstriyel standartları karşıladığından emin olmak için gaz analizörleri düzenli olarak kullanılmalıdır.

Safsızlık Yönetimi: Özellikle kriyojenik damıtmada argonun ayrılması, damıtma kolonunun tasarımından, çalışma koşullarından ve soğutma etkinliğinden etkilenebilir. Argonun nihai kullanımına bağlı olarak daha fazla saflaştırma gerekli olabilir (örneğin, elektronik endüstrisi için ultra yüksek saflıkta argon).

Enerji Verimliliği Yönetimi:

Enerji Tüketimi: Kriyojenik damıtma enerji yoğun bir işlemdir, bu nedenle enerji kaybını en aza indirmek için soğutma ve sıkıştırma işlemlerini optimize etmek için çaba gösterilmelidir.

Atık Isı Geri Kazanımı: Modern argon üretim tesisleri, kriyojenik damıtma işlemi sırasında üretilen soğuk enerjiyi geri kazanmak için genellikle atık ısı geri kazanım sistemlerini kullanır ve genel enerji verimliliğini artırır.

Endüstriyel üretimde argon öncelikle kriyojenik damıtma ve basınç salınımlı adsorpsiyon yöntemlerine bağlıdır. Kriyojenik damıtma yaygın olarak kullanılmaktadır. büyük ölçekli argon üretimi daha yüksek saflıkta argon sağlama yeteneği nedeniyle. Güvenlik, ekipman bakımı, gaz saflık kontrolü ve enerji verimliliği yönetimini sağlamak için üretim sırasında özel dikkat gereklidir.