[ تعرٌف على ] فصل الهواء # اخر تحديث اليوم 2024-04-27

تم النشر اليوم 2024-04-27 | فصل الهواء

عملية التقطير المبرد

عمود التقطير في مصنع فصل الهواء المبرد
يمكن فصل الغازات النقية عن الهواء عن طريق تبريدها أولا حتى الإسالة ثمتقطيرالمكونات انتقائيا في درجات غليانهم المختلفة، ويمكن أن تنتج هذه العملية غازات عالية النقاء ولكن كثيفة الاستهلاك للطاقة، وكان رائد هذه العملية الدكتور كارل فون لينده في أوائل القرن العشرين، وما زالت تستخدم حتى اليوم في إنتاج غازات عالية النقاء. وتتطلب عملية الفصل المبردة تكاملا عال جدا من المبادلات الحرارية وأعمدة الفصل للحصول على كفاءة جيدة، ويتم توفير كل الطاقة اللازمة للتبريد عن طريق ضغط الهواء في مدخل الوحدة. لتحقيق درجة حرارة التقطير المنخفضة تتطلب وحدة فصل الهواءدورة تبريدتعمل عن طريق تأثيرجول–طومسون،ويجب أن تبقى معدات التبريد داخل وعاءمعزول(يسمى عادة "الصندوق البارد").
ويتطلب تبريد الغازات كمية كبيرة من الطاقة لجعل دورة التبريد تعمل، ويتم توفير هذه الطاقة عن طريقضاغطللهواء. وتستخدم وحدات فصل الهواء المبردة(ASUs) الحديثة توربينات تمددللتبريد؛ ويساعد إخراج الممدد في حركة ضاغط الهواء من أجل تحسين الكفاءة. وتتكون العملية من الخطوات الرئيسية التالية: قبل ضغط الهواء يتم تصفيته من الغبار.
يتم ضغط الهواء حيث ضغط التوصيل النهائي يتم تحديده عن طريق العوائد وحالةالمائع(غاز أو سائل)،وتتراوح الضغوط النموذجية بين 5 و 10 بار، وقد يتم ضغط تيار الهواء إلى ضغوط مختلفة لتعزيز كفاءة وحدات فصل الهواء المبردة، وأثناء الضغط يتم تكثيف الماء في مبردات بين كل مرحلة.
يمر الهواء في العملية عموما من خلال مدخلالمنخل الجزيئيالذي 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 أيهيدروكربوناتغازية من الهواء، حيث يمكن أن تكون هذه مشكلة في عملية تقطير الهواء اللاحقة التي يمكن أن تؤدي إلى انفجارات.[بحاجة لمصدر] ويجب أن يتم تجديد مناخل الهواء الجزيئية، حيث يتم ذلك عن طريق تركيب وحدات متعددة تعمل في الوضع بالتناوب وباستخدام غاز داف معاد تكوينه من النفايات لامتصاص الماء.
يتم تمرير الهواء من خلالمبادل حراريمتكامل (عادة ما تكون لوحة زعنفة المبادل الحراري) وتبريده ضد المنتج (النفايات) والتيارات المبردة. ويسيل جزء من الهواء على شكل سائل غني بالأكسجين، ويكون الغاز المتبقي غنيا بالنيتروجين، ويتم تقطيره إلى نيتروجين نقي تقريبا (عادة < 1 جزء في المليون) في عمود تقطير ذي ضغط مرتفع (HP). ويتطلب مكثف هذا العمود 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 تأثيرجول–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 إنتاج الأرجون يتم سحب البخار الجانبي من همود الضغط المنخفض حيث تركيز الأرجونأعلى. 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 عمودالأرجون 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 ). قد تتطلب أيضا تبريد خارجي إضافي أثناء بدء التشغيل.
ويتم توفير المنتجات المفصولة في بعض الأحيان عن طريق خط أنابيب إلى المستخدمين الصناعيين الكبار بالقرب من مصنع الإنتاج، ويتم نقل المنتجاتلمسافات طويلة عن طريق شحن السائل المنتج بكميات كبيرة أو قوارير ديوارأو اسطوانات الغاز بكميات قليلة.

التطبيقات

كميات كبيرة من الأكسجين مطلوبة في مشاريعتغويز الفحم؛ المصانع المبردة التي تنتج 3000 طن/يوم نجدها في بعض المشاريع. في صناعة الصلب الأكسجين لازملفرن 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.

العمليات غير المبردة

بوفر امتزاز تأرجح الضغط 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. ويقل حجم الضاغط كثيرا من خلال مصنع الإسالة ومكثفات الأكسجين المحمولةتتم في هذه الطريقة لتوفير هواء غني بالأكسجين للأغراض الطبية. امتزاز اهتزاز الفراغهي عملية مماثلة، ولكن الغاز الناتج تطور من الزيوليت في ضغط أقل من الضغط الجوي. يمكن أن توفر التقنيات الغشائية طرق بديلة منخفضة الطاقة لفصل الهواء. على سبيل المثال عدد من الطرق التي يجري استكشافها من أجل توليد الأكسجين. وقد تكون الأغشية البوليمرية التي تعمل في درجة الحرارة المحيطة أو درجات الحرارة الدافئة، على سبيل المثال، قادرة على إنتاج هواء غني بالأكسجين (25-50 ٪ الأكسجين). ويمكن أن توفر الأغشية الخزفية أكسجين عال النقاء (90% أو أكثر) ولكن تتطلب درجات حرارة أعلى (800-900 درجة مئوية) للعمل. وتشمل هذه الأغشية الخزفية أغشية نقل الأيونات (ITM)، وأغشية نقل الأكسجين (OTM). منتجاتالهواء والمنتجات الكيميائية وشركة براكسير تقوم بتطوير وحدة ITM ونظم أنبوبية OTM، على التوالي. يستخدم فصل الغاز بالغشاء 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، يستخدَم فصل غشاء الغاز حاليا لتوفير هواء غني بالأكسجين إلى الطيارين الذين يحلقون على ارتفاعات كبيرة في طائرات بدون كابينة مضغوطة.

شرح مبسط

تعمل محطات فصل الهواءعلى فصلالهواء الجويإلى مكوناته الأولية، عادة النيتروجين والأكسجين وفي بعض الأحيان أيضا الأرجون وغيره منالغازات الخاملةالنادرة.