فصل الهواء: الفرق بين النسختين

تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى

مضمن

نسخة 21:56، 30 مارس 2017

مصنع فصل الهواء يفصل الهواء الجوي إلى مكوناته الأولية، عادة النيتروجين و الأكسجينو في بعض الأحيان أيضا الأرجون وغيره من الغازات الخاملة النادرة.

الأسلوب الأكثر شيوعا لفصل الهواء هو التقطير المتقطع. وحدات فصل الهواء المبردة (ASUs) مبنية لتوفر النيتروجين أو الأكسجين وكثيرا ما تشارك في إنتاج الأرجون. الأساليب الأخرى مثل الغشاء، امتزاز تأرجح الضغط (PSA) و امتزاز تأرجح الضغط في الفراغ (VPSA) يتم استخدامهم تجاريا لفصل عنصر واحد من الهواء العادي. الغازات عالية النقاء كالأكسجين، النيتروجين، والأرجون المستخدمة في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات يتطلب التقطير المبرد. وبالمثل، فإن المصدر الوحيد للغازات النادرة كالنيون، الكريبتون و الزينون هو تقطير الهواء باستخدام اثنين على الأقل من أعمدة التقطير.

عملية التقطير المبرد

الغازات النقية يمكن فصلها عن الهواء عن طريق تبريدها أولا حتى الإسالة ثم تقطيرالمكونات انتقائيا في درجات غليانهم المختلفة. هذه العملية يمكن أن تنتج غازات عالية النقاء ولكن كثيفة الاستهلاك للطاقة. هذه العملية كان رائدها الدكتور كارل فون لينده في أوائل القرن العشرين، وما زالت تستخدم حتى اليوم في إنتاج غازات عالية النقاء.^[2]

عملية الفصل المبردة ^[3]^[4]^[5] تتطلب تكاملا عال جدا من المبادلات الحرارية و أعمدة الفصل للحصول على كفاءة جيدة وكل الطاقة للتبريد يتم توفيرها عن طريق ضغط الهواء في مدخل الوحدة.

لتحقيق درجة حرارة التقطير المنخفضة تتطلب وحدة فصل الهواء دورة تبريد تعمل عن طريق تأثير جول–طومسون ويجب أني تبقى معدات التبريد داخل وعاء معزول (يسمى عادة "الصندوق البارد"). تبريد الغازات يتطلب كمية كبيرة من الطاقة لجعل دورة التبريد تعمل ويتم توفير هذه الطاقة عن طريق ضاغط للهواء. وحدات فصل الهواء المبردة (ASUs) الحديثة تستخدم توربينات تمدد للتبريد؛ إخراج الممدد يساعد في حركة ضاغط الهواء، من أجل تحسين الكفاءة. العملية تتكون من الخطوات الرئيسية التالية:

قبل ضغط الهواء يتم تصفيته من الغبار.
يتم ضغط الهواء حيث ضغط التوصيل النهائي يتم تحديده عن طريق العوائد وحالة المائع (غاز أو سائل). الضغوط النموذجية تتراوح بين 5 و 10 بار. تيار الهواء قد يتم ضغطه إلى ضغوط مختلفة لتعزيز كفاءة وحدات فصل الهواء المبردة. أثناء الضغط يتم تكثيف الماء في مبردات بين كل مرحلة.
الهواء في العملية يمر عموما من خلال مدخل المنخل الجزيئي الذي يزيل ما تبقى من بخار الماء، وكذلك ثاني أكسيد الكربون، التي من شأنها أن تجمد مكونات معدات التبريد. المناخل الجزيئية غالبا ما تكون مصممة لإزالة أي هيدروكربونات غازية من الهواء، حيث يمكن أن تكون هذه مشكلة في عملية تقطير الهواء اللاحقة التي يمكن أن تؤدي إلى انفجارات.^[6] يجب أن يتم إن يتم تجديد مناخل الهواء الجزيئية. يتم ذلك عن طريق تركيب وحدات متعددة تعمل في الوضع بالتناوب و باستخدام غاز داف معاد تكوينه من النفايات لامتصاص الماء.
يتم تمرير الهواء من خلال مبادل حراري متكامل (عادة ما تكون لوحة زعنفة المبادل الحراري) و تبريده ضد المنتج (النفايات) والتيارات المبردة. جزء من الهواء يسيل على شكل سائل غني بالأكسجين. الغاز المتبقي يكون غنيا بالنيتروجين ويتم تقطيره إلى نيتروجين نقي تقريبا (عادة < 1 جزء في المليون) في عمود تقطير ذي ضغط مرتفع (HP). مكثف هذا العمود يتطلب التبريد التي يتم الحصول عليها من توسيع المزيد من التيارات الأخرى الغنية بالأكسجين عبر صمام أو من خلال الموسع (عكس الضاغط).
بالتبادل المكثف قد يتم تبريده بالحرارة المتبادلة عن طريق معيد غليان في عمود تقطير ذي ضغط منخفض (LP) (يعمل تحت ضغط 1.2-1.3 بار.) عندما تنتج وحدات فصل الهواء المبردة (ASU) الأكسجين النقي. للتقليل من تكلف الضغط فإن أعمدة كل من المكثف ومعيد الغليان يجب أن تعمل تحت فرق في درجة الحرارة فقط 1-2 كلفن، وتتطلب مبادلات حرارية في لوحة الزعنفة من النحاس والألومنيوم. نموذجية درجة نقاء الأكسجين تتراوح من 97.5% إلى 99.5% وتؤثر على استرداد أقصى قدر من الأكسجين. التبريد المطلوب لإنتاج المنتجات السائلة يتم الحصول عليها باستخدام تأثير جول–طومسون في المتوسع الذي يغذي الهواء المضغوط مباشرة إلى انخفاض ضغط عمود. ومن ثم فإن جزءا معينا من الهواء لا يمكن فصله ويجب ترك عمود الضغط المنخفض كتيار نفايات عن القسم العلوي.
لأن نقطة غليان الأرجون (87.3 كلفن في الظروف القياسية) تقع بين نقطة الأكسجين (90.2 كلفن) ونقطة النيتروجين (77.4 كلفن) ، فإن الأرجون يتراكم في الجزء السفلي من عمود الضغط المنخفض. عند انتاج الأرجون يتم سحب البخار الجانبي من همود الضغط المنخفض حيث تركيز الأرجون أعلى. يتم إرساله إلى عمود آخر لتصحيح الأرجون إلى درجة النقاء المطلوبة للسائل حيث يتم إعادته إلى نفس الموقع من عمود الضغط المنخفض. استخدام معبئات حديثة التي تمتلك ضغطا منخفضا جدا تسمح بوجود أرجون مع درجة شوائب أقل من 1 في المليون. على الرغم من وجود الأرجون في أقل من 1 ٪ من النواتج، إلا أن عمود الأرجون يتطلب كمية كبيرة من الطاقة بسبب ارتفاع نسبة الارتداد المطلوبة (حوالي 30) في عمود الأرجون. تبريد عمود الأرجون يمكن توفيره من سائل بارد متمدد أو بواسطة النيتروجين السائل.
أخيرا المنتجات التي تنتج في شكل غاز يتم تدفئتها ضد الهواء الوارد إلى درجات الحرارة المحيطة. هذا يتطلب تكامل في العناية بدرجة الحرارة حيث يجب أن يتم السماح بالقوة ضد الاضطرابات (بسبب التحول من مدخل المنخل الجزيئي^[7]). قد تتطلب أيضا تبريد خارجي إضافي أثناء بدء التشغيل.

المنتجات المفصولة يتم توفيرها في بعض الأحيان عن طريق خط أنابيب إلى المستخدمين الصناعيين الكبار بالقرب من مصنع الإنتاج. نقل المنتجات لمسافات طويلة يتم عن طريق شحن السائل المنتج بكميات كبيرة أو قوارير ديوار أو اسطوانات الغاز بكميات قليلة.

العمليات غير المبردة

امتزاز تأرجح الضغط يوفر فصل الأكسجين أو النيتروجين من الهواء دون الحاجة إلى الإسالة. تعمل هذه العملية في درجة الحرارة المحيطة؛ الزيوليت (إسفنج جزيئي) يتعرض إلى هواء ذي ضغط مرتفع، ثم يتم ترك الهواء وترك طبقة من الغاز الممتص. حجم الضاغط يقل كثيرا من خلال مصنع الإسالة و مكثفات الأكسجين المحمولة تتم في هذه الطريقة لتوفير هواء غني بالأكسجين للأغراض الطبية. امتزاز اهتزاز الفراغ هي عملية مماثلة، ولكن الغاز الناتج تطور من الزيوليت في ضغط أقل من الضغط الجوي.

التقنيات الغشائية يمكن أن توفر طرق بديلة منخفضة الطاقة لفصل الهواء. على سبيل المثال عدد من الطرق التي يجري استكشافها من أجل توليد الأكسجين. الأغشية البوليمرية التي تعمل في درجة الحرارة المحيطة أو درجات الحرارة الدافئة، على سبيل المثال، قد تكون قادرة على إنتاج هواء غني بالأكسجين (25-50 ٪ الأكسجين). الأغشية الخزفية يمكن أن توفر أكسجين عال النقاء (90% أو أكثر) ولكن تتطلب درجات حرارة أعلى (800-900 درجة مئوية) للعمل. هذه الأغشية الخزفية تشمل أغشية نقل الأيونات (ITM)، أغشية نقل الأكسجين (OTM). منتجات الهواء والمنتجات الكيميائية وشركة براكسير تقوم بتطوير وحدة ITM و نظم أنبوبية OTM، على التوالي.

فصل غشاء الغاز يستخدم لتوفير غازات فقيرة بالأكسجين وغنية بالنيتروجين بدلا من الهواء لملء خزانات الوقود الخاصة بالطائرات التجارية، وبالتالي الحد بشكل كبير من فرص الحرائق العرضية. على العكس من ذلك، فصل غشاء الغاز حاليا تستخدم لتوفير هواء غني بالأكسجين إلى الطيارين الذين يحلقون على ارتفاعات كبيرة في طائرات بدون كابينة مضغوطة.

التطبيقات

كميات كبيرة من الأكسجين مطلوبة في مشاريع تغويز الفحم؛ المصانع المبردة التي تنتج 3000 طن/يوم نجدها في بعض المشاريع.^[8] في صناعة الصلب الأكسجين لازم لفرن الأكسجين القاعدي. كميات كبيرة من النيتروجين مع شوائب أكسجين منخفضة تستخدم لجعل خزانات السفن وخزانات المنتجات البترولية خاملة، أو لحماية المنتجات النفطية الصالحة من الأكسدة.

انظر أيضا

المراجع

^ NASA Earth Fact Sheet, (updated November 2007)
^ "Cool Inventions" (PDF). Institution of Chemical Engineers. سبتمبر 2010.
^ Latimer، R. E. (1967). "Distillation of Air". Chemical Engineering Progress. ج. 63 ع. 2: 35–59.
^ Agrawal، R. (1996). "Synthesis of Distillation Column Configurations for a Multicomponent Separation". Industrial & Engineering Chemistry Research. ج. 35 ع. 4: 1059. DOI:10.1021/ie950323h.
^ Castle، W. F. (2002). "Air separation and liquefaction: Recent developments and prospects for the beginning of the new millennium". International Journal of Refrigeration. ج. 25: 158–172. DOI:10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
^ Particulate matter from forest fires caused an explosion in the air separation unit of a Gas to Liquid plant, see Fainshtein، V. I. (2007). "Provision of explosion proof air separation units under contemporary conditions". Chemical and Petroleum Engineering. ج. 43: 96–101. DOI:10.1007/s10556-007-0018-8.
^ Vinson، D. R. (2006). "Air separation control technology". Computers & Chemical Engineering. ج. 30 ع. 10–12: 1436–1446. DOI:10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.
^ Higman، Christopher؛ van der Burgt, Maarten (2008). Gasification (2nd Edition). Elsevier. ص. 324.

روابط خارجية

Simulation of air separation plants

[1] NASA Earth Fact Sheet, (updated November 2007)

[Cool-2] "Cool Inventions" (PDF). Institution of Chemical Engineers. سبتمبر 2010.

[3] Latimer، R. E. (1967). "Distillation of Air". Chemical Engineering Progress. ج. 63 ع. 2: 35–59.

[4] Agrawal، R. (1996). "Synthesis of Distillation Column Configurations for a Multicomponent Separation". Industrial & Engineering Chemistry Research. ج. 35 ع. 4: 1059. DOI:10.1021/ie950323h.

[5] Castle، W. F. (2002). "Air separation and liquefaction: Recent developments and prospects for the beginning of the new millennium". International Journal of Refrigeration. ج. 25: 158–172. DOI:10.1016/S0140-7007(01)00003-2.

[6] Particulate matter from forest fires caused an explosion in the air separation unit of a Gas to Liquid plant, see Fainshtein، V. I. (2007). "Provision of explosion proof air separation units under contemporary conditions". Chemical and Petroleum Engineering. ج. 43: 96–101. DOI:10.1007/s10556-007-0018-8.

[7] Vinson، D. R. (2006). "Air separation control technology". Computers & Chemical Engineering. ج. 30 ع. 10–12: 1436–1446. DOI:10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.

[8] Higman، Christopher؛ van der Burgt, Maarten (2008). Gasification (2nd Edition). Elsevier. ص. 324.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]