Argon (Ar) là một loại khí hiếm được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, hàn, công nghiệp hóa chất và các lĩnh vực khác. Việc sản xuất argon chủ yếu dựa vào việc tách các thành phần khí khác nhau trong không khí, vì nồng độ argon trong khí quyển là khoảng 0,93%. Hai phương pháp chính để sản xuất argon công nghiệp là Chưng cất đông lạnh và Hấp phụ xoay áp suất (PSA).

Chưng cất đông lạnh

Chưng cất đông lạnh là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để tách argon trong công nghiệp. Phương pháp này tận dụng sự khác biệt về điểm sôi của các thành phần khí khác nhau trong không khí, hóa lỏng không khí ở nhiệt độ thấp và tách khí thông qua cột chưng cất.

Quy trình xử lý:

Tiền xử lý không khí: Đầu tiên, không khí được nén và làm mát ban đầu để loại bỏ độ ẩm và carbon dioxide. Bước này thường đạt được bằng cách sử dụng máy sấy (CD) hoặc chất hấp phụ rây phân tử để loại bỏ độ ẩm và tạp chất.

Nén khí và làm mát: Sau khi sấy khô, không khí được nén đến áp suất vài megapascal, sau đó được làm mát thông qua một thiết bị làm mát (ví dụ: máy làm mát không khí) để đưa nhiệt độ không khí đến gần điểm hóa lỏng của nó. Quá trình này làm giảm nhiệt độ không khí xuống -170°C đến -180°C.

Hóa lỏng không khí: Không khí được làm mát đi qua van giãn nở và đi vào cột chưng cất đông lạnh. Các thành phần trong không khí được tách dần bên trong cột dựa trên điểm sôi của chúng. Nitơ (N₂) và oxy (O₂) được tách ra ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi argon (Ar), có nhiệt độ sôi nằm giữa nitơ và oxy (-195,8°C đối với nitơ, -183°C đối với oxy và -185,7°C cho argon), được thu thập trong các phần cụ thể của cột.

Chưng cất phân đoạn: Trong cột chưng cất, không khí lỏng bay hơi và ngưng tụ ở các nhiệt độ khác nhau, và argon được tách ra một cách hiệu quả. Argon tách ra sau đó được thu thập và tinh chế thêm.

Tinh chế Argon:

Chưng cất đông lạnh thường mang lại argon với độ tinh khiết trên 99%. Đối với một số ứng dụng nhất định (ví dụ: trong ngành điện tử hoặc xử lý vật liệu cao cấp), có thể cần phải tinh chế thêm bằng cách sử dụng chất hấp phụ (như than hoạt tính hoặc sàng phân tử) để loại bỏ các tạp chất dạng vết như nitơ và oxy.

Hấp phụ xoay áp suất (PSA)

Hấp phụ xoay áp suất (PSA) là một phương pháp khác để tạo ra argon, phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ hơn. Phương pháp này tách argon khỏi không khí bằng cách sử dụng các đặc tính hấp phụ khác nhau của các loại khí khác nhau trên các vật liệu như sàng phân tử.

Quy trình xử lý:

Tháp hấp phụ: Không khí đi qua tháp hấp phụ chứa đầy các sàng phân tử, tại đó nitơ và oxy được hấp phụ mạnh bởi các sàng phân tử, trong khi các khí trơ như argon không bị hấp phụ, cho phép chúng tách khỏi nitơ và oxy.

Hấp phụ và giải hấp: Trong một chu kỳ, trước tiên tháp hấp phụ sẽ hấp thụ nitơ và oxy từ không khí dưới áp suất cao, trong khi argon chảy ra ngoài qua cửa thoát của tháp. Sau đó, bằng cách giảm áp suất, nitơ và oxy sẽ được giải hấp từ các sàng phân tử và khả năng hấp phụ của tháp hấp phụ được phục hồi thông qua quá trình tái tạo dao động áp suất.

Chu kỳ nhiều tháp: Thông thường, nhiều tháp hấp phụ được sử dụng luân phiên—một cái để hấp phụ trong khi cái kia ở trạng thái giải hấp—cho phép sản xuất liên tục.

Ưu điểm của phương pháp PSA là thiết lập đơn giản hơn và chi phí vận hành thấp hơn, nhưng độ tinh khiết của argon được tạo ra thường thấp hơn so với phương pháp chưng cất đông lạnh. Nó phù hợp cho các tình huống có nhu cầu argon thấp hơn.

Thanh lọc Argon

Dù sử dụng phương pháp chưng cất đông lạnh hay PSA, argon được tạo ra thường chứa một lượng nhỏ oxy, nitơ hoặc hơi nước. Để cải thiện độ tinh khiết của argon, thường cần các bước tinh chế tiếp theo:

Ngưng tụ tạp chất: Làm nguội thêm argon để ngưng tụ và tách một số tạp chất.

Hấp phụ rây phân tử: Sử dụng chất hấp phụ rây phân tử hiệu quả cao để loại bỏ lượng nitơ, oxy hoặc hơi nước. Sàng phân tử có kích thước lỗ cụ thể có thể hấp thụ có chọn lọc các phân tử khí nhất định.

Công nghệ tách màng: Trong một số trường hợp, công nghệ màng tách khí có thể được sử dụng để tách khí dựa trên sự thẩm thấu chọn lọc, nâng cao hơn nữa độ tinh khiết của argon.

Các biện pháp phòng ngừa cho việc sản xuất Argon tại chỗ

Các biện pháp an toàn:

Nguy hiểm đông lạnh: Argon lỏng cực kỳ lạnh và nên tránh tiếp xúc trực tiếp với nó để tránh bị tê cóng. Người vận hành nên mặc quần áo, găng tay và kính bảo hộ chống lạnh chuyên dụng.

Nguy cơ ngạt thở: Argon là một loại khí trơ và có thể thay thế oxy. Trong không gian kín, rò rỉ argon có thể dẫn đến giảm nồng độ oxy, dẫn đến ngạt thở. Do đó, những khu vực sản xuất và lưu trữ argon cần phải được thông gió tốt và phải lắp đặt hệ thống theo dõi oxy.

Bảo trì thiết bị:

Kiểm soát áp suất và nhiệt độ: Thiết bị sản xuất Argon yêu cầu kiểm soát chặt chẽ áp suất và nhiệt độ, đặc biệt là trong cột chưng cất đông lạnh và tháp hấp phụ. Thiết bị cần được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo tất cả các thông số đều nằm trong phạm vi bình thường.

Phòng chống rò rỉ: Vì hệ thống argon hoạt động dưới áp suất cao và nhiệt độ thấp nên tính toàn vẹn của vòng đệm là rất quan trọng. Đường ống dẫn khí, khớp nối và van phải được kiểm tra định kỳ để tránh rò rỉ khí.

Kiểm soát độ tinh khiết của khí:

Giám sát độ chính xác: Độ tinh khiết của argon cần thiết khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Nên sử dụng máy phân tích khí thường xuyên để kiểm tra độ tinh khiết của argon và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn công nghiệp.

Quản lý tạp chất: Đặc biệt, trong quá trình chưng cất đông lạnh, việc tách argon có thể bị ảnh hưởng bởi thiết kế cột chưng cất, điều kiện vận hành và hiệu quả làm mát. Việc tinh chế thêm có thể cần thiết tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng của argon (ví dụ, argon có độ tinh khiết cực cao cho ngành công nghiệp điện tử).

Quản lý hiệu quả năng lượng:

Tiêu thụ năng lượng: Quá trình chưng cất đông lạnh tiêu tốn nhiều năng lượng, do đó cần nỗ lực tối ưu hóa quá trình làm mát và nén để giảm thiểu thất thoát năng lượng.

Thu hồi nhiệt thải: Các cơ sở sản xuất argon hiện đại thường sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt thải để thu hồi năng lượng lạnh được tạo ra trong quá trình chưng cất đông lạnh, cải thiện hiệu quả năng lượng tổng thể.

Trong sản xuất công nghiệp, argon chủ yếu phụ thuộc vào phương pháp chưng cất đông lạnh và hấp phụ dao động áp suất. Chưng cất đông lạnh được sử dụng rộng rãi để sản xuất argon quy mô lớn do khả năng cung cấp argon có độ tinh khiết cao hơn. Cần đặc biệt chú ý trong quá trình sản xuất để đảm bảo an toàn, bảo trì thiết bị, kiểm soát độ tinh khiết của khí và quản lý hiệu quả năng lượng.