امتزاز تأرجح الضغط

إلى جانب استخدامها لتوفير الأكسجين الطبي، أو كبديل للتخزين المبرد أو المضغوط بكميات كبيرة، والذي يُعد المصدر الرئيسي للأكسجين في أي مستشفى، فإنّ تقنية امتزاز الضغط المتأرجح (PSA) لها استخدامات أخرى عديدة. أحد التطبيقات الرئيسية لهذه التقنية هو إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ كخطوة أخيرة في عملية الإنتاج التجاري واسع النطاق للهيدروجين (H₂ ₎ لاستخدامه في مصافي النفط وإنتاج الأمونيا (NH₃ ₎ . غالبًا ما تستخدم المصافي تقنية PSA لإزالة كبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ من تيارات تغذية الهيدروجين وتيارات إعادة التدوير في وحدات المعالجة الهيدروجينية والتكسير الهيدروجيني . ومن التطبيقات الأخرى لتقنية PSA فصل ثاني أكسيد الكربون من الغاز الحيوي لزيادة نسبة الميثان (CH₄ ₎ .

يمكن تحسين جودة الغاز الحيوي باستخدام تقنية امتزاز الضغط المتأرجح (PSA) ليصبح مماثلاً للغاز الطبيعي . ويشمل ذلك عملية استخدام غاز مدافن النفايات لتحسين جودته إلى غاز الميثان عالي النقاء المستخدم في المرافق العامة، والذي يُباع كغاز طبيعي. ^{[ 1 ]}

يُستخدم PSA أيضًا في:

• أنظمة منع الحرائق بالهواء منخفض الأكسجين لإنتاج هواء ذي محتوى منخفض من الأكسجين.
• تُنتج مصانع البروبيلين عن طريق نزع الهيدروجين من البروبان. وتتكون هذه المصانع من وسط انتقائي لامتصاص الميثان والإيثان بشكل مفضل على الهيدروجين . ^{[ 2 ]}
• تستطيع وحدات توليد النيتروجين الصناعية القائمة على عملية امتزاز الضغط المتأرجح (PSA) إنتاج غاز نيتروجين عالي النقاء (يصل إلى 99.9995%) من الهواء المضغوط. ومع ذلك، فإن هذه المولدات أنسب لتوفير نطاقات متوسطة من النقاء والتدفق.
  • النيتروجين: من 100 متر مكعب عادي في الساعة (Nm ³ /h) بنسبة نقاء 99.9٪، إلى 9000 Nm ³ /h بنسبة نقاء 97٪.
  • الأكسجين: يصل إلى 1500 متر مكعب ^قياسي في الساعة بنقاوة تتراوح بين 88% و93%. ^{[ 3 ]}

فيما يتعلق بتقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS)، تُجرى حاليًا أبحاثٌ لالتقاط كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون من _محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم قبل عملية العزل الجيولوجي ، وذلك بهدف الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من هذه المحطات. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

كما نوقشت تقنية امتصاص الضغط المرن (PSA) كبديل مستقبلي لتقنية الامتصاص غير القابلة للتجديد المستخدمة في أنظمة دعم الحياة الأساسية لبدلات الفضاء ، وذلك لتوفير الوزن وإطالة مدة تشغيل البدلة. ^{[ 6 ]}

يستخدم PSA في أجهزة تركيز الأكسجين الطبية التي يستخدمها مرضى انتفاخ الرئة ومرضى كوفيد-19 وغيرهم ممن يحتاجون إلى هواء غني بالأكسجين للتنفس.

طُوِّرت تقنية امتزاز الضغط المتأرجح ثنائي المرحلة (DS-PSA)، والتي تُعرف أحيانًا باسم امتزاز الضغط المتأرجح ثنائي الخطوة، لاستخدامها في مولدات النيتروجين المختبرية. يُنتَج غاز النيتروجين على مرحلتين: في المرحلة الأولى، يُمرَّر الهواء المضغوط قسرًا عبر منخل جزيئي كربوني لإنتاج النيتروجين بنقاوة تقارب 98%؛ وفي المرحلة الثانية، يُمرَّر هذا النيتروجين قسرًا عبر منخل جزيئي كربوني ثانٍ، ليصل غاز النيتروجين إلى نقاوة نهائية تصل إلى 99.999%. يُعاد تدوير غاز التنقية الناتج من المرحلة الثانية، ويُستخدم جزء منه كغاز تغذية في المرحلة الأولى.

بالإضافة إلى ذلك، تُدعم عملية التنظيف بتفريغ نشط لتحسين الأداء في الدورة التالية. والهدف من هذين التغييرين هو تحسين الكفاءة مقارنةً بعملية امتزاز الضغط المتأرجح التقليدية.

يمكن أيضاً استخدام تقنية امتزاز الضغط المتغير (DS-PSA) لزيادة تركيز الأكسجين. في هذه الحالة، يمتص الزيوليت المصنوع من سيليكا الألومنيوم النيتروجين في المرحلة الأولى ليصل تركيز الأكسجين في المخرج إلى 95%، وفي المرحلة الثانية يمتص منخل جزيئي مصنوع من الكربون النيتروجين المتبقي في دورة عكسية، مما يؤدي إلى تركيز الأكسجين بنسبة تصل إلى 99%.

تُستخدم تقنية الامتزاز السريع بتغيير الضغط، أو RPSA، بشكل متكرر في أجهزة تركيز الأكسجين المحمولة . فهي تسمح بتقليل حجم طبقة المادة المازة بشكل كبير عندما لا تكون النقاوة العالية ضرورية، وعندما يمكن التخلص من غاز التغذية (الهواء). ^{[ 7 ]} وتعمل هذه التقنية عن طريق تغيير الضغط بشكل سريع مع تهوية طرفي العمود بالتناوب وبنفس المعدل. وهذا يعني أن الغازات غير الممتزة تتحرك على طول العمود بسرعة أكبر بكثير وتُهوى من الطرف البعيد ، بينما لا تُتاح للغازات الممتزة فرصة التحرك وتُهوى من الطرف القريب . ^{[ 8 ]}

تفصل تقنية امتزاز التأرجح الفراغي (VSA) غازات معينة من خليط غازي عند ضغط قريب من الضغط الجوي المحيط؛ ثم تنتقل العملية إلى حالة فراغ لتجديد مادة الامتزاز. تختلف تقنية VSA عن تقنيات امتزاز التأرجح الضغطي (PSA) الأخرى لأنها تعمل عند درجات حرارة وضغوط قريبة من الضغط الجوي المحيط. عادةً ما تسحب تقنية VSA الغاز خلال عملية الفصل باستخدام الفراغ. بالنسبة لأنظمة VSA للأكسجين والنيتروجين، يتم توليد الفراغ عادةً بواسطة منفاخ. توجد أيضًا أنظمة امتزاز التأرجح الضغطي الفراغي الهجينة (VPSA). تطبق أنظمة VPSA غازًا مضغوطًا على عملية الفصل، كما تطبق فراغًا على غاز التنقية. تُعد أنظمة VPSA، مثل أحد أجهزة تركيز الأكسجين المحمولة، من بين أكثر الأنظمة كفاءةً وفقًا لمؤشرات الصناعة المعتادة، مثل الاستخلاص (كمية الغاز الناتج / كمية الغاز الداخل) والإنتاجية (كمية الغاز الناتج / كتلة مادة المنخل). بشكل عام، يؤدي ارتفاع الاستخلاص إلى استخدام ضاغط أو منفاخ أو مصدر آخر للغاز المضغوط أو الفراغ أصغر حجمًا، وبالتالي انخفاض استهلاك الطاقة. بينما تؤدي زيادة الإنتاجية إلى استخدام طبقات منخل أصغر حجمًا. من المرجح أن ينظر المستهلك في المؤشرات التي لها فرق قابل للقياس بشكل مباشر في النظام ككل، مثل كمية غاز المنتج مقسومة على وزن النظام وحجمه، وتكاليف النظام الأولية وتكاليف الصيانة، واستهلاك الطاقة للنظام أو تكاليف التشغيل الأخرى، والموثوقية.