فصل الهواء

الموسوعة الحرة

تقوم محطة فصل الهواء بفصل الهواء الجوي إلى مكوناته الأساسية، والتي عادة ما تكون النيتروجين والأكسجين ، وأحيانًا أيضًا الأرجون والغازات الخاملة النادرة الأخرى .

الطريقة الأكثر شيوعًا لفصل الهواء هي التقطير التجزيئي . تُصمم وحدات فصل الهواء المبردة (ASUs) لتوفير النيتروجين أو الأكسجين، وغالبًا ما تُنتج الأرجون كمنتج ثانوي. تُستخدم طرق أخرى، مثل الأغشية، وامتزاز تأرجح الضغط (PSA)، وامتزاز تأرجح الضغط الفراغي (VPSA) ، تجاريًا لفصل مكون واحد من الهواء العادي. يتطلب إنتاج الأكسجين والنيتروجين والأرجون عالي النقاء ، المستخدم في تصنيع أشباه الموصلات ، التقطير المبرد. وبالمثل، فإن المصدر الوحيد المتاح للغازات النادرة ، النيون والكريبتون والزينون، هو تقطير الهواء باستخدام عمودين تقطير على الأقل . كما يُستخلص الهيليوم في عمليات فصل الهواء المتقدمة. [ 1 ]

عملية التقطير المبرد

تركيب الهواء الجوي الجاف [ 2 ]

يمكن فصل الغازات النقية عن الهواء بتبريده أولاً حتى يصبح سائلاً، ثم تقطير مكوناته بشكل انتقائي عند درجات غليانها المختلفة. تُنتج هذه العملية غازات عالية النقاء، لكنها تستهلك كميات كبيرة من الطاقة. وقد رائد هذه العملية كارل فون لينده في أوائل القرن العشرين، ولا تزال تُستخدم حتى اليوم لإنتاج غازات عالية النقاء. طوّرها عام ١٨٩٥، وبقيت العملية نظرية بحتة لمدة سبع سنوات قبل أن تُستخدم في التطبيقات الصناعية لأول مرة عام ١٩٠٢. [ ٣ ]

عمود التقطير في محطة فصل الهواء المبردة

تتطلب عملية الفصل المبرد [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] تكاملًا محكمًا للغاية بين المبادلات الحرارية وأعمدة الفصل للحصول على كفاءة جيدة، ويتم توفير كل الطاقة اللازمة للتبريد عن طريق ضغط الهواء عند مدخل الوحدة.

لتحقيق درجات حرارة التقطير المنخفضة، تتطلب وحدة فصل الهواء دورة تبريد تعمل بتأثير جول-طومسون ، ويجب حفظ المعدات الباردة داخل حاوية معزولة (تُعرف عادةً باسم "صندوق التبريد"). يتطلب تبريد الغازات كمية كبيرة من الطاقة لتشغيل دورة التبريد هذه، ويتم توفيرها بواسطة ضاغط هواء . تستخدم وحدات فصل الهواء الحديثة توربينات تمدد للتبريد؛ ويساعد ناتج التوربين على تشغيل ضاغط الهواء، مما يُحسّن الكفاءة. تتكون العملية من الخطوات الرئيسية التالية: [ 7 ]

  1. قبل عملية الضغط، يتم ترشيح الهواء مسبقًا من الغبار.
  2. يتم ضغط الهواء، ويُحدد ضغط التسليم النهائي بناءً على معدلات الاستخلاص وحالة المائع (غاز أو سائل) للمنتجات. تتراوح الضغوط النموذجية بين 5 و10 بار. كما يمكن ضغط تيار الهواء إلى ضغوط مختلفة لتعزيز كفاءة وحدة فصل الهواء. أثناء الضغط، يتكثف الماء في مبردات بين المراحل.
  3. يُمرر هواء العملية عادةً عبر طبقة من المناخل الجزيئية ، التي تزيل أي بخار ماء متبقٍ، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون الذي قد يتجمد ويسد معدات التبريد. تُصمم المناخل الجزيئية غالبًا لإزالة أي هيدروكربونات غازية من الهواء، لأنها قد تُسبب مشاكل في عملية تقطير الهواء اللاحقة، ما قد يؤدي إلى انفجارات. [ 8 ] يجب تجديد طبقة المناخل الجزيئية. ويتم ذلك عن طريق تركيب وحدات متعددة تعمل بالتناوب، واستخدام غاز النفايات الجاف الناتج لإزالة الماء.
  4. يُمرر هواء العملية عبر مبادل حراري متكامل (عادةً ما يكون مبادلًا حراريًا ذو زعانف صفائحية ) ويُبرد بتيارات مبردة من المنتج (والنفايات). يتحول جزء من الهواء إلى سائل غني بالأكسجين. أما الغاز المتبقي، فهو أغنى بالنيتروجين، ويُقطر إلى نيتروجين نقي تقريبًا (عادةً أقل من جزء في المليون) في عمود تقطير عالي الضغط. يتطلب مكثف هذا العمود تبريدًا، ويتم الحصول عليه من خلال تمديد التيار الغني بالأكسجين عبر صمام أو من خلال موسع (ضاغط عكسي).
  5. بدلاً من ذلك، يمكن تبريد المكثف عن طريق تبادل الحرارة مع مُسخِّن في عمود تقطير منخفض الضغط (يعمل عند ضغط مطلق يتراوح بين 1.2 و1.3 بار) عندما تُنتج وحدة فصل الهواء الأكسجين النقي. ولتقليل تكلفة الضغط، يجب أن يعمل المكثف/المُسخِّن المُدمج لأعمدة الضغط العالي/المنخفض بفارق درجة حرارة لا يتجاوز 1-2 كلفن، مما يتطلب مبادلات حرارية من الألومنيوم الملحوم ذات زعانف صفائحية. تتراوح نقاوة الأكسجين عادةً بين 97.5% و99.5%، وتؤثر على أقصى استخلاص للأكسجين. يتم الحصول على التبريد اللازم لإنتاج المنتجات السائلة باستخدام تأثير جول-طومسون في مُوسِّع يُغذي عمود الضغط المنخفض بالهواء المضغوط مباشرةً. وبالتالي، لا يُفصل جزء من الهواء، ويجب أن يخرج من عمود الضغط المنخفض كتيار نفايات من قسمه العلوي.
  6. نظرًا لأن درجة غليان الأرجون (87.3 كلفن في الظروف القياسية) تقع بين درجة غليان الأكسجين (90.2 كلفن) والنيتروجين (77.4 كلفن)، يتراكم الأرجون في الجزء السفلي من عمود الضغط المنخفض. عند إنتاج الأرجون، تُسحب عينة من جانب البخار من عمود الضغط المنخفض حيث يكون تركيز الأرجون أعلى ما يمكن. تُرسل هذه العينة إلى عمود آخر لتنقية الأرجون إلى درجة النقاء المطلوبة، ثم يُعاد السائل إلى نفس الموقع في عمود الضغط المنخفض. يُمكّن استخدام الحشوات الهيكلية الحديثة ذات انخفاض الضغط المنخفض جدًا من إنتاج أرجون يحتوي على شوائب أقل من جزء واحد في المليون. على الرغم من أن نسبة الأرجون في الهواء الداخل لا تتجاوز 1%، إلا أن عمود الأرجون الهوائي يتطلب كمية كبيرة من الطاقة نظرًا لنسبة الارتداد العالية المطلوبة (حوالي 30) في عمود الأرجون. يمكن تبريد عمود الأرجون باستخدام سائل غني بارد مُمدد أو باستخدام النيتروجين السائل.
  7. أخيرًا، تُسخّن المنتجات المُنتجة في الحالة الغازية بواسطة الهواء الداخل إلى درجة حرارة الغرفة. يتطلب ذلك نظامًا حراريًا مُحكمًا يضمن مقاومة عالية للاضطرابات (الناتجة عن تغيير طبقات المناخل الجزيئية). [ 9 ] وقد يتطلب الأمر أيضًا تبريدًا خارجيًا إضافيًا أثناء بدء التشغيل.

تُنقل المنتجات المفصولة أحيانًا عبر خطوط الأنابيب إلى كبار المستخدمين الصناعيين القريبين من مصنع الإنتاج. أما نقل المنتجات لمسافات طويلة فيتم عن طريق شحن المنتج السائل بكميات كبيرة، أو على شكل قوارير ديوار أو أسطوانات غاز بكميات صغيرة.

العمليات غير المبردة

مولد النيتروجين
زجاجة مناخل جزيئية 4 أنغستروم

تُتيح عملية الامتزاز بتأرجح الضغط فصل الأكسجين أو النيتروجين من الهواء دون الحاجة إلى تسييله. وتعمل هذه العملية عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا؛ حيث يُعرَّض الزيوليت (إسفنجة جزيئية) لهواء مضغوط، ثم يُطلق الهواء، فتُطلق معه طبقة ممتزة من الغاز المطلوب. ويُقلَّل حجم الضاغط بشكل كبير مقارنةً بمحطات التسييل، وتُصنع مُركِّزات الأكسجين المحمولة بهذه الطريقة لتوفير هواء مُخصَّب بالأكسجين للأغراض الطبية. أما عملية الامتزاز بتأرجح الفراغ فهي عملية مشابهة؛ حيث ينطلق الغاز الناتج من الزيوليت عند ضغط أقل من الضغط الجوي.

مولد النيتروجين الغشائي

تُتيح تقنيات الأغشية أساليب بديلة وأقل استهلاكًا للطاقة لفصل الهواء. فعلى سبيل المثال، يجري استكشاف عدد من الأساليب لتوليد الأكسجين. إذ يُمكن للأغشية البوليمرية، التي تعمل في درجات حرارة محيطة أو دافئة، إنتاج هواء مُخصب بالأكسجين (25-50%). بينما تُوفر الأغشية الخزفية أكسجينًا عالي النقاء (90% أو أكثر)، إلا أنها تتطلب درجات حرارة أعلى (800-900 درجة مئوية) للتشغيل. وتشمل هذه الأغشية الخزفية أغشية نقل الأيونات (ITM) وأغشية نقل الأكسجين (OTM). وتعمل شركتا "إير برودكتس آند كيميكالز" و"براكسير" على تطوير أنظمة أغشية نقل الأيونات المسطحة وأنظمة أغشية نقل الأكسجين الأنبوبية.

تُستخدم تقنية فصل الغازات عبر الأغشية لتوفير غازات فقيرة بالأكسجين وغنية بالنيتروجين بدلاً من الهواء لملء خزانات وقود الطائرات النفاثة، مما يقلل بشكل كبير من احتمالية نشوب الحرائق والانفجارات العرضية. في المقابل، تُستخدم هذه التقنية حاليًا لتوفير هواء غني بالأكسجين للطيارين الذين يحلقون على ارتفاعات شاهقة في طائرات لا تحتوي على كبائن مضغوطة.

يمكن الحصول على هواء غني بالأكسجين من خلال استغلال اختلاف ذوبانية الأكسجين والنيتروجين. فالأكسجين أكثر ذوبانية من النيتروجين في الماء، لذا إذا تم إزالة الغازات من الهواء عن طريق الماء، يمكن الحصول على تيار يحتوي على 35% أكسجين. [ 10 ]

التطبيقات

علم الصواريخ

الأكسجين السائل والنيتروجين لشركات مثل سبيس إكس . [ 11 ]

طبي

يتم توصيل الأكسجين النقي إلى المستشفيات الكبيرة لاستخدامه مع المرضى.

فُولاَذ

في صناعة الصلب ، يُعد الأكسجين ضرورياً لعملية إنتاج الصلب بالأكسجين الأساسي . وتستخدم عملية إنتاج الصلب الحديثة بالأكسجين الأساسي ما يقارب طنين من الأكسجين لكل طن من الصلب. [ 12 ]

الأمونيا

النيتروجين المستخدم في عملية هابر لإنتاج الأمونيا . [ 13 ]

غاز الفحم

تتطلب مشاريع تغويز الفحم كميات كبيرة من الأكسجين ؛ وتوجد في بعض المشاريع محطات تبريد تنتج 3000 طن/يوم. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ Chrz, Vaclav. "استعادة الهيليوم" (ملف PDF) . CERN . CERN . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 نوفمبر 2022 .
  2. ↑ صحيفة حقائق الأرض التابعة لناسا ، (تم تحديثها في نوفمبر 2007)
  3. ↑ "اختراعات رائعة" (ملف PDF) . معهد المهندسين الكيميائيين. سبتمبر 2010. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 13 يناير 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يناير 2014 .
  4. ↑ لاتيمر، ر. إي. (1967). "تقطير الهواء". التقدم في الهندسة الكيميائية . 63 (2): 35-59 .
  5. ↑ أغراوال، ر. (1996). "توليف تكوينات أعمدة التقطير لفصل المكونات المتعددة". مجلة البحوث الكيميائية والهندسية الصناعية . 35 (4): 1059-1071 . doi : 10.1021/ie950323h .
  6. ↑ كاسل، دبليو إف (2002). "فصل الهواء وتسييله: التطورات الحديثة وآفاق بداية الألفية الجديدة". المجلة الدولية للتبريد . 25 : 158-172 . doi : 10.1016/S0140-7007(01)00003-2 .
  7. ↑ "كيف تعمل عملية فصل الهواء" . ميسر . مؤرشف من الأصل في 9 نوفمبر 2022. تم الاطلاع عليه في 9 نوفمبر 2022 .
  8. تسببت الجسيمات الناتجة عن حرائق الغابات في انفجار بوحدة فصل الهواء فيمحطة تحويل الغاز إلى سائل ، انظر: فاينشتاين، في. آي. (2007). "توفير وحدات فصل هواء مقاومة للانفجار في ظل الظروف المعاصرة". الهندسة الكيميائية والبترولية . 43 ( 1-2 ): 96-101 . doi : 10.1007/s10556-007-0018-8 . S2CID 110001679 . 
  9. ↑ فينسون، د. ر. (2006). "تقنية التحكم في فصل الهواء". الحوسبة والهندسة الكيميائية . 30 ( 10-12 ): 1436-1446 . doi : 10.1016/j.compchemeng.2006.05.038 .
  10. ↑ غالي، ف؛ كومازي، أ؛ بريفيتالي، د؛ مانينتي، ف؛ بوزانو، ج؛ بيانكي، س ل؛ بيرولا، س (2017). "إنتاج هواء مُخصب بالأكسجين عن طريق الامتزاز من الماء: بيانات تجريبية، ومحاكاة، وتقييم اقتصادي". الحوسبة والهندسة الكيميائية . 102 : 11-16 . doi : 10.1016/j.compchemeng.2016.07.031 .
  11. ↑ كوبلاند، مايك. "شركة ميسر تبني محطة غاز بقيمة 50 مليون دولار في ماكجريجور" . صحيفة واكو تريبيون هيرالد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 نوفمبر 2022 .
  12. ↑ فلانك، ويليام هـ.؛ أبراهام، مارتن أ.؛ ماثيوز، مايكل أ. (2009). الابتكارات في الكيمياء الصناعية والهندسية: قرن من الإنجازات وآفاق الألفية الجديدة . الجمعية الكيميائية الأمريكية. ISBN 9780841269637.
  13. ↑ وينجيت، فيليبا؛ جيفورد، كلايف؛ تريز، ريبيكا (1992). العلوم الأساسية . أوزبورن. ISBN 9780746010112. النيتروجين السائل المستخدم في عملية هابر لإنتاج الأمونيا.
  14. ^ هيجمان، كريستوفر. فان دير بورجت، مارتن (2008). التغويز ( الطبعة الثانية). إلسفير. ص. 324.