Способы получения аргона

Версия для печатиВерсия для печати

Как уже говорилось в статье «Аргон – самый ленивый газ», содержание аргона в воздухе довольно значительно, поэтому его добывают как побочный продукт, при получении кислорода и азота из воздуха методом низкотемпературной ректификации в специальных аппаратах.

Схема аппарата двойной ректификации воздуха

1 - колонна высокого давления;
2 - колонна низкого давления
3 - промежуточный койденсатор-испаритель

Схема аппарата двойной ректификации воздуха

Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом - основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом - газообразный или жидкий кислород.

В верхней части колонны низкого давления аргон выступает в роли тяжелолетучего (по сравнению с азотом) компонента, а в нижней части - легколетучего (по сравнению с кислородом). Этим объясняется существование в колонне низкого давления зон повышенной концентрации аргона в обеих секциях колонны - концентрационной (выше ввода жидкости из куба колонны высокого давления) и отгонной (ниже ввода). На распределение аргона по тарелкам ректификационной колонны низкого давления сильно влияет сопутствующий ему третий компонент - кислород. Содержание аргона в зоне повышенной концентрации верхней секции колонны возрастает по мере уменьшения содержания кислорода в дистилляте при неизменном составе продукционного кислорода (этого можно достичь увеличением числа тарелок в колонне).

Схематично процесс добычи аргона описывается следующим образом. Вначале воздух очищается от пыли и сжимается до сжижения. Жидкий воздух подвергается ректификации с целью разделения его на составные части. Получающаяся аргоно-азотно-кислородная смесь (сырой аргон) затем очищается от кислорода и азота. Разделение воздуха и попутное извлечение из него аргона в промышленном масштабе осуществляется путем сжижения и ректификации при низкой температуре. Жидкий кислород под давлением 101 кПа кипит при температуре -182,9°С, а жидкий азот - при температуре -195,8°С. Поэтому пары жидкого воздуха при кипении обогащаются легкокипящим азотом, температура кипения которого почти на 13°С ниже, чем у кислорода. Одновременно происходит обогащение кипящей жидкости кислородом. Благодаря этому, в ректификационной разделительной колонке, где непрерывно кипит жидкий воздух и конденсируются его пары, удается получить одновременно кислород (в нижней части) и азот - (в верхней части). Большая часть жидкого аргона, температура кипения которого -185,3°С, скапливается в средней части колонки, откуда в смеси с кислородом и азотом отводится (так называемая аргонная фракция) в специальную аргонную колонну, смонтированную вместе с воздухораспределительным аппаратом. Здесь аргонная фракция (содержащая 8-12% аргона, 0,2-0,3% азота, остальное - кислород) подвергается дополнительной ректификации и обогащается аргоном до 85-95% (остальные 15-5% составляет смесь азота и кислорода). Этот продукт называют сырым аргоном, из него на последующих этапах очистки получают чистый аргон.

Присоединение аргонной колонны к аппарату двойной ректификации воздуха

1 - воздухоразделительный аппарат
2 – аргонная колонка
3 – переохладитель

Присоединение аргонной колонны к аппарату двойной ректификации воздуха

Сырой аргон от кислорода можно очищать несколькими способами. Один из них основан на каталитическом окислении водорода, содержащегося в сыром аргоне, при температуре 400-500° С. Вследствие тоге, что при этом способе продукты реакции смешиваются с очищенным аргоном, необходимо, чтобы они легко отделялись от него. Для этой цели применяется только электролитический водород, не содержащий примесей, загрязняющих аргон. Так как при этом способе очистки содержание кислорода не должно быть более 2-2,5%, в схеме предусмотрена циркуляция газа для разбавления сырого аргона очищенным газом, не содержащим кислорода. Циркуляция газа осуществляется с помощью газодувки.

Водяной пар, полученный в результате соединения водорода с кислородом в контактном аппарате, конденсируют в холодильнике и удаляют через влагоотделитель, после чего газ осушают. Полученная смесь аргона с азотом подвергается ректификации по схеме, которая аналогична применяемой при ректификации воздуха. При этом используется насос для жидкого аргона, что позволяет избежать загрязнения чистого аргона при его сжатии и заполнении баллонов. При помощи компрессора смесь аргона и азота сжимается и через ресивер подается в блок адсорбционной осушки, где из нее удаляются остатки влаги. После этою через теплообменник смесь поступает в ректификационную колонку, где охлаждается до температуры сжижения выходящими из колонки продуктами разделения - азотом и аргоном.

Для обеспечения условий ректификации и восполнения потерь холода в ректификационную колонку подают жидкий азот и парообразную кислородно-азотную смесь из основного воздухоразделительного аппарата. Чистый аргон собирается в нижней части колонки, а «отбросный» азот отводится в атмосферу из верхней части колонки через теплообменник.

Существуют и другие способы получения аргона, например при производстве синтетического аммиака. Его получают при синтезе азотно-водородной смеси в колонках. В продувочном газе содержится 10-19% аргона, и именно из этого газа его и извлекают. Считается, что аргон, выделенный при производстве аммиака, имеет более низкую себестоимость.

В любом случае качество газа зависит от совершенства систем очистки и от точности определения малых примесей азота, кислорода, водорода и паров воды в аргоне.