Аргон (Ar) це рідкісний газ, який широко використовується в металургії, зварюванні, хімічній промисловості та інших галузях. Виробництво аргону в основному залежить від розділення різних компонентів газу в повітрі, оскільки концентрація аргону в атмосфері становить близько 0,93%. Двома основними методами промислового виробництва аргону є кріогенна дистиляція та адсорбція під тиском (PSA).

Кріогенна дистиляція

Кріогенна дистиляція є найбільш часто використовуваним методом виділення аргону в промисловості. Цей метод використовує різницю в температурах кипіння різних компонентів газу в повітрі, зріджує повітря при низьких температурах і відокремлює гази через дистиляційну колону.

Потік процесу:

Попередня обробка повітря: Спочатку повітря стискається і спочатку охолоджується для видалення вологи та вуглекислого газу. Цей етап зазвичай досягається за допомогою осушувача (CD) або адсорбера з молекулярним ситом для видалення вологи та домішок.

Стиснення повітря та охолодження: Після сушіння повітря стискається до кількох мегапаскалів тиску, а потім охолоджується через охолоджуючий пристрій (наприклад, повітроохолоджувач), щоб наблизити температуру повітря до точки розрідження. Цей процес знижує температуру повітря до -170°С до -180°C.

Розрідження повітря: Охолоджене повітря проходить через розширювальний клапан і потрапляє в кріогенну дистиляційну колону. Компоненти в повітрі поступово розділяються всередині колони на основі їх температури кипіння. Азот (N₂) і кисень (О₂) відокремлюються при нижчих температурах, тоді як аргон (Ar), що має температуру кипіння між азотом і киснем (-195,8°С для азоту, -183°С для кисню і -185,7°C для аргону), збирається в певних секціях колони.

Фракційна дистиляція: У ректифікаційній колоні рідке повітря випаровується і конденсується при різних температурах, а аргон ефективно відокремлюється. Виділений аргон потім збирають і додатково очищають.

Очищення аргоном:

Кріогенна дистиляція зазвичай дає аргон з чистотою вище 99%. Для певних застосувань (наприклад, в електронній промисловості чи високоякісній обробці матеріалів) може знадобитися додаткове очищення за допомогою адсорбентів (таких як активоване вугілля або молекулярні сита) для видалення слідів домішок, таких як азот і кисень.

Адсорбція при зміні тиску (PSA)

Адсорбція під тиском (PSA) — ще один метод генерації аргону, придатний для невеликого виробництва. Цей метод відокремлює аргон від повітря, використовуючи різні характеристики адсорбції різних газів на таких матеріалах, як молекулярні сита.

Потік процесу:

Адсорбційна вежа: Повітря проходить через адсорбційну вежу, заповнену молекулярними ситами, де азот і кисень сильно адсорбуються молекулярними ситами, тоді як інертні гази, такі як аргон, не адсорбуються, що дозволяє їм відокремлюватися від азоту та кисню.

Адсорбція та десорбція: Протягом одного циклу адсорбційна вежа спочатку адсорбує азот і кисень з повітря під високим тиском, тоді як аргон витікає через вихідний отвір вежі. Потім, шляхом зниження тиску, азот і кисень десорбуються з молекулярних сит, і адсорбційна здатність адсорбційної вежі відновлюється за допомогою регенерації коливання тиску.

Багатовежовий цикл: Як правило, кілька адсорбційних башт використовуються по черзі—один для адсорбції, а інший – для десорбції—дозволяючи безперервне виробництво.

Перевага методу PSA полягає в тому, що він має простішу установку та нижчі експлуатаційні витрати, але чистота виробленого аргону, як правило, нижча, ніж у кріогенної дистиляції. Він підходить для ситуацій з меншим попитом на аргон.

Очищення аргоном

Незалежно від того, чи використовується кріогенна дистиляція чи PSA, утворений аргон зазвичай містить невелику кількість кисню, азоту або водяної пари. Щоб підвищити чистоту аргону, зазвичай потрібні додаткові етапи очищення:

Конденсація домішок: Подальше охолодження аргону для конденсації та виділення деяких домішок.

Адсорбція на молекулярному ситі: Використання високоефективних молекулярно-ситових адсорберів для видалення незначних кількостей азоту, кисню або водяної пари. Молекулярні сита мають певний розмір пор, які можуть вибірково адсорбувати певні молекули газу.

Технологія розділення мембрани: У деяких випадках технологія газороздільної мембрани може бути використана для розділення газів на основі селективного проникнення, що ще більше підвищує чистоту аргону.

Запобіжні заходи для виробництва аргону на місці

Заходи безпеки:

Кріогенна небезпека: Аргон рідкий дуже холодний, тому слід уникати прямого контакту з ним, щоб запобігти обмороженню. Оператори повинні носити спеціальний криогенний захисний одяг, рукавички та окуляри.

Небезпека асфіксії: Аргон є інертним газом і може витісняти кисень. У закритих приміщеннях витік аргону може призвести до зниження рівня кисню, що призведе до асфіксії. Тому приміщення, де виробляється і зберігається аргон, повинні бути добре провітрюваними, а також повинні бути встановлені системи моніторингу кисню.

Технічне обслуговування обладнання:

Контроль тиску та температури: Обладнання для виробництва аргону вимагає суворого контролю тиску та температури, особливо в кріогенній дистиляційній колоні та адсорбційних вежах. Необхідно регулярно перевіряти обладнання, щоб переконатися, що всі параметри знаходяться в межах норми.

Запобігання витоку: Оскільки аргонова система працює під високим тиском і низькими температурами, цілісність ущільнення має вирішальне значення. Необхідно періодично перевіряти газопроводи, з’єднання та засувки, щоб запобігти витоку газу.

Контроль чистоти газу:

Точний моніторинг: Необхідна чистота аргону залежить від застосування. Необхідно регулярно використовувати газоаналізатори для перевірки чистоти аргону та забезпечення відповідності продукту промисловим стандартам.

Управління домішками: Зокрема, при кріогенній дистиляції на виділення аргону може впливати конструкція дистиляційної колони, умови роботи та ефективність охолодження. Залежно від кінцевого використання аргону може знадобитися подальше очищення (наприклад, аргон надвисокої чистоти для електронної промисловості).

Управління енергоефективністю:

Енергоспоживання: Кріогенна дистиляція є енергоємною, тому слід докласти зусиль для оптимізації процесів охолодження та стиснення, щоб мінімізувати втрати енергії.

Рекуперація відпрацьованого тепла: Сучасні підприємства з виробництва аргону часто використовують системи рекуперації відпрацьованого тепла для відновлення холодної енергії, виробленої під час процесу кріогенної дистиляції, покращуючи загальну енергоефективність.

У промисловому виробництві аргон в основному залежить від методів кріогенної дистиляції та адсорбції при зміні тиску. Кріогенна дистиляція широко використовується для великомасштабне виробництво аргону завдяки своїй здатності виробляти аргон вищої чистоти. Під час виробництва особлива увага приділяється забезпеченню безпеки, обслуговуванню обладнання, контролю чистоти газу та управлінню енергоефективністю.