En el sector de los gases industriales, el argón, un gas raro muy utilizado, se obtiene principalmente mediante separación criogénica del aire. El hecho de que una unidad criogénica de separación de aire a gran-escala esté o no equipada con un sistema de argón no solo afecta directamente la inversión inicial de la unidad y el consumo de energía a largo plazo-, sino que también tiene un impacto crucial en la optimización de la combinación de productos de la planta y la mejora de la rentabilidad general. Especialmente durante la fase de planificación de una nueva planta, es necesario un análisis exhaustivo de la oferta y la demanda del mercado de argón en la región, los costos de inversión y los datos de consumo de energía para seleccionar la configuración óptima para el proyecto y liberar completamente el potencial de la unidad de separación de aire.
Según sus propiedades y escenarios de aplicación, el argón está presente en la atmósfera en aproximadamente un 0,932 %, lo que lo convierte en el gas raro más abundante. Sus propiedades químicas son estables, no-inflamable y no favorece la combustión. Desempeña un papel importante en la fabricación, la electrónica, la fundición de metales y otros campos. Por ejemplo, el argón se utiliza a menudo como gas protector en la soldadura de aluminio, magnesio, cobre, sus aleaciones y acero inoxidable, evitando eficazmente la oxidación o nitruración de las piezas soldadas debido al contacto con el aire, garantizando así la calidad de la soldadura. Por ejemplo, una unidad de separación de aire para producción de oxígeno de 50.000 Nm³/h planificada para un proyecto químico de carbón a gran escala en una determinada región utilizará un proceso que implica purificación por adsorción de tamiz molecular a temperatura ambiente, presurización del aire y compresión interna de productos de oxígeno y nitrógeno. Este proceso se combinará con una torre superior de empaque estructurado y un proceso completo de producción de argón de destilación, con el compresor de aire accionado por un motor eléctrico. El proceso de producción de argón por destilación completa, actualmente el método principal de producción de argón, ofrece ventajas significativas como simplicidad, facilidad de operación, operación segura y estable y alta eficiencia de extracción de argón. Específicamente, se extrae una fracción rica en argón- de las partes media e inferior de la torre superior y se alimenta a un sistema de destilación de argón. La columna de argón bruto inicialmente separa oxígeno y argón, produciendo argón bruto con un contenido de oxígeno inferior a 1,5 x 10⁻⁶. Luego, este argón crudo se alimenta a una columna de argón refinado para una mayor separación de argón y nitrógeno, lo que finalmente produce un producto de argón de alta-pureza con un contenido de argón del 99,999 %. La investigación sobre el mercado del argón en la región revela un total de nueve unidades de separación de aire (ASU) con una capacidad de 6.000 Nm³/h o más, en funcionamiento, en construcción o planificadas. Seis de estas unidades están operativas y son capaces de producir argón, con una capacidad total diseñada de 5,860 Nm³/h (equivalente a 84.000 t/a). Sin embargo, debido a factores como la inactividad de los sistemas de argón de algunos proyectos o una producción deficiente, la producción real de argón es de aproximadamente 63.000 t/a, lo que hace que la capacidad de producción regional general sea relativamente limitada.
En términos de costo y precio de mercado, el costo unitario de transporte del argón líquido es de 0,8-1,0 yuanes por tonelada/km. Según este cálculo, la diferencia de precio teórica para los mercados en un radio de 200 kilómetros es de aproximadamente 160 yuanes por tonelada. Para distancias de hasta 500 kilómetros, la diferencia de precio supera los 400 yuanes por tonelada, lo que reduce las barreras de suministro entre diferentes mercados y permite la conexión cruzada. El precio del mercado regional del argón fluctúa entre 800 y 1.900 yuanes por tonelada durante todo el año. Calculado sobre la base de un precio medio anual de 1.000 yuanes por tonelada, esto deja margen para la rentabilidad.
Al analizar la estructura de costos de producción del argón, para una unidad de separación de aire de clase 50,000, el argón, como subproducto, consume principalmente trabajo de separación y trabajo de licuefacción, con el trabajo de compresión totalmente amortizado en los costos de los productos de oxígeno y nitrógeno. El trabajo de licuación mínimo teórico del argón es 0,2391 kW·h/Nm³ (en realidad se calcula como 0,3 kW·h/Nm³). El trabajo de licuefacción calculado es 560 × 0.3=168 kW·h/ton. El trabajo de separación se calcula mediante una fórmula específica, donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura ambiente, n_O₂, n_N₂ y n_Ar representan las cantidades de oxígeno, nitrógeno y argón, respectivamente, p_O₂, p_N₂ y p_Ar son las presiones de cada componente y p es la presión total. Los cálculos muestran que el trabajo de separación mínimo teórico para una separación completa de 1 Nm³ de aire es de aproximadamente 0,01744 kW·h/Nm³ (calculado en 0,02 kW·h/Nm³). Dado que el 8% del trabajo de separación se concentra en argón, se calcula que el trabajo de separación es 248.000 × 0,02 × 8% × (560 ÷ 1500)=148 kW·h/t. En total, el coste de producción del argón es de aproximadamente 316 kW·h/t, equivalente a 139 yuanes/t. Si se cubre a clientes dentro de un radio de 200 km y 500 km, después de agregar los costos de transporte correspondientes, el costo total del argón es de aproximadamente 299 yuanes/tonelada y 539 yuanes/tonelada, respectivamente, lo que mantiene una importante ventaja de costos en comparación con el precio del mercado local del argón. Además, la región está a sólo 100 kilómetros de la zona industrial de la capital provincial. Con el avance de la estrategia de desarrollo local "Fortalecimiento de la capital provincial", la industria manufacturera, especialmente las industrias electrónica y fotovoltaica, marcará el comienzo de oportunidades de desarrollo, y la demanda de argón seguirá creciendo en consecuencia, brindando una amplia perspectiva de mercado para las ventas de argón.
En cuanto a los riesgos y la eficiencia energética de la producción de argón, el actual proceso de producción de argón por destilación total es maduro y confiable, sin aumentar los riesgos de seguridad de la planta. Además, la adición de un sistema de argón puede aumentar la eficiencia de extracción de oxígeno y lograr importantes ahorros de energía. Por ejemplo, una unidad de separación de aire (ASU) de clase 50.000 puede extraer aproximadamente 1.500 Nm³/h de argón (suponiendo una tasa de extracción del 70%). Comparando las diferentes opciones de configuración, la tasa de extracción de oxígeno sin el sistema de argón es del 90,4%, sin ahorro energético, sin inversión asociada y sin retorno. La opción con refuerzo de eficiencia aumenta la tasa de extracción de oxígeno al 97 %, con aproximadamente un 5 % de ahorro de energía. La inversión cuesta entre 8 y 10 millones de yuanes, con un ahorro anual de energía de 8 millones de yuanes y un período de recuperación de un año, pero no hay producción de argón ni ingresos asociados. La opción con el sistema de argón logra una tasa de extracción de oxígeno del 96,4%, con aproximadamente un 2,5% de ahorro de energía, una inversión de aproximadamente 15 millones de yuanes, un ahorro de energía anual de 4 millones de yuanes, una producción anual de argón de 21.000 toneladas, un beneficio anual del producto de 15 millones de yuanes y un período de recuperación de un año. Además, puede generar ingresos anuales de 15 millones de yuanes durante su funcionamiento.
Un análisis más detallado de los datos de consumo de energía revela que más del 90% de la energía consumida por una unidad de separación de aire proviene del compresor de aire y del refuerzo. Tomando como ejemplo la configuración de un sistema de argón, con una potencia total de compresor y refuerzo de 40.000 kW, suponiendo un tiempo de funcionamiento anual de 8.000 h y un precio de electricidad presupuestado de 0,44 yuanes, se calcula que el ahorro de energía será de 40.000 × 8.000 × 0,44 × 2,5% ÷ 90%=3.91 millones de yuanes. En cuanto a los beneficios de la producción de argón líquido, una sola unidad de separación de aire produce 21.000 toneladas de argón líquido al año. Basado en el precio local promedio anual del argón de 1.000 yuanes por tonelada, esto genera más de 15 millones de yuanes en beneficios anuales adicionales. En términos del período de recuperación, si se configura el sistema de argón pero no se realizan ventas del producto de argón líquido, el costo de la inversión se puede recuperar en aproximadamente cuatro años; Si las ventas de productos de argón líquido se realizan con normalidad, la inversión se puede recuperar en tan solo un año. Vale la pena señalar que si la unidad de separación de aire carece de un sistema de argón y una torre de refuerzo, la tasa de extracción de oxígeno se reducirá, el volumen de aire que debe manejar el compresor de aire aumentará significativamente y aumentará el consumo de energía de la unidad del compresor de separación de aire. Por lo tanto, incluso sin un sistema de argón, los diseños de unidades de separación de aire convencionales normalmente requieren una torre de refuerzo para reducir el consumo de energía del compresor.
En resumen, implementar un sistema de argón en grandes unidades criogénicas de separación de aire es técnicamente maduro y confiable, no plantea riesgos de seguridad adicionales y puede mejorar la eficiencia de la extracción de oxígeno y reducir el consumo de energía. Económicamente, vender productos de argón de acuerdo con la demanda del mercado puede recuperar rápidamente la inversión y mejorar significativamente la rentabilidad de la planta. Además, el sistema de argón ofrece capacidades de ajuste flexibles, lo que permite activar y desactivar el sistema de argón refinado en función de las fluctuaciones del mercado. La torre de argón crudo puede funcionar entonces como torre de refuerzo, ahorrando energía y permitiendo ajustes dinámicos en la producción del producto. Para regiones con un mercado de argón sólido, se recomienda el equipo de extracción de argón para la planificación de grandes unidades criogénicas de separación de aire para optimizar tanto los beneficios económicos como la eficiencia energética.
