هواء
نعلم جميعًا أن الهواء يحيط بنا على الأرض. من المستحيل فهم الحياة بدون هواء. الآن السؤال الذي يطرح نفسه ، هل هذه مادة مختلطة أم مادة نقية؟ كان يُفترض أن الهواء مادة نقية ، ولكن اكتشف لاحقًا أن الهواء عبارة عن خليط غازي. يتكون خليط الغاز هذا أساسًا من النيتروجين (78٪) والأكسجين (21٪) والأرجون (0.9٪) ، بينما تشتمل النسبة المتبقية 0.1٪ على ثاني أكسيد الكربون والنيون والهيليوم والكريبتون والزينون.
فصل الهواء
فصل الهواء هو العملية الأكثر شيوعًا المستخدمة لاستخراج المكونات الرئيسية للهواء الجوي.
طرق فصل الهواء (Air Separation Method)
بشكل عام ، يتم تقسيم فصل الهواء إلى فئتين:
- أنظمة التبريد
- أنظمة غير مبردة
أنظمة التبريد
الأنظمة المبردة: تستخدم تقنية فصل الهواء المبردة الاختلاف في نقاط غليان الغازات لفصلها.
تم تقديم العملية المبردة لأول مرة بواسطة Carl von Linde في عام 1895 وطورها George Cloud في القرن العشرين لإنتاج الأكسجين على نطاق صغير لتلبية احتياجات العمليات الصناعية المختلفة مثل اللحام والقطع وكغاز طبي. بدأ فصل الهواء بالتبريد على نطاق صناعي في بداية القرن العشرين ، مما جعل تطوير علم المعادن وفروع الصناعة الأخرى يعتمد بشكل كبير على توافر الأكسجين والنيتروجين والأرجون في النهاية. يُعرف نظام فصل الهواء (ASU) بمنتجاته عالية الجودة وقدراته الكبيرة وموثوقيته. على الرغم من التقنيات الناشئة الأخرى ، تُستخدم تقنية فصل الهواء المبردة باعتبارها أكثر التقنيات شيوعًا وقياسية لإنتاج منتجات غازية سائلة عالية النقاء. في هذه الطريقة ، يتم إنتاج المنتجات في شكل سائل وغاز. تتضمن طريقة الفصل هذه عمليات مختلفة ، والتي تشمل:
- التقطير
- مكيف هواء
- التبادل الحراري
- ضغط الهواء
- ضغط المنتج
المرحلة الأولى:
يتم ضغط الهواء المحيط باستخدام ضاغط تربيني متعدد المراحل مزود بمبردات داخلية. تتم إزالة جزيئات الغبار باستخدام مرشح هواء ميكانيكي أثناء دخول الهواء إلى الضاغط.
المرحلة الثانية:
وتشمل المرحلة الثانية إزالة الشوائب وخاصة بخار الماء المتبقي وثاني أكسيد الكربون (CO2). تتم إزالة هذه المكونات لتلبية مواصفات جودة المنتج وقبل دخول الهواء إلى قسم التقطير بالمصنع. هناك طريقتان أساسيتان لإزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون.
- المحولات العكسية
- وحدات الغربال الجزيئي
تستخدم معظم محطات فصل الهواء الجديدة وحدة المعالجة بالمنخل الجزيئي لإزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون من الهواء الداخل. تعد المحولات العكسية لإزالة البخار وثاني أكسيد الكربون أكثر فعالية من حيث التكلفة للمصانع الصغيرة.
المستوى الثالث:
تعمل المبادلات الحرارية ذات الجريان المعاكس على تبريد هواء العملية إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة السائل.
الخطوة الرابعة:
في عملية التقطير ، تستخدم الصواني لتحويل الهواء إلى مكوناته. تتمثل الوظيفة الرئيسية للصواني في توفير اتصال فعال بين السائل الهابط والغاز الصاعد. ومن ثم ، فإن الدرج يوفر الأساس للتبريد والتكثيف الجزئي للغاز الصاعد والتسخين والتبخير الجزئي للسائل الهابط. يمد. يخرج النيتروجين من الجزء العلوي من العمود حيث يخرج الغاز والأكسجين كسائل في أسفل العمود. يتم استخدام مكثف في الجزء العلوي لتسييل غاز النيتروجين النقي ، ويتم استخدام غلاية في الجزء السفلي لغلي الأكسجين لزيادة نقاء المنتج. يمكن أيضًا فصل الأرجون عن طريق سحب تيار في منتصف العمود عند النقطة التي يكون فيها تركيز الأرجون أعلى ونقله إلى عمود آخر يحتوي على أرجون نقي تقريبًا.
الخطوة الخامسة:
عادة ما تتم إزالة المنتجات تحت ضغوط منخفضة نسبيًا ، غالبًا ما يزيد قليلاً عن جو واحد (مطلق). بشكل عام ، كلما انخفض ضغط النقل ، زادت كفاءة عملية الفصل والتنقية.
إنتاج المنتجات السائلة:
عندما يتم إنتاج منتجات سائلة في محطة فصل الهواء المبردة ، عادةً ما يتم إضافة وحدة تبريد إضافية إلى محطة فصل الهواء الأساسية. هذه الوحدة تسمى المسال.
الأنظمة غير المبردة:
يتم فصل الهواء بطريقة غير مبردة بالقرب من درجة الحرارة المحيطة ، لذلك يكون منتج الأكسجين أو النيتروجين دائمًا في حالة الطور الغازي. إن حجم الإنتاج والنقاء في فصل الهواء غير المبرد يختلف عن المقياس والنقاء الذي يمكن تحقيقه من خلال فصل الهواء المبرد. تم تصميمها من خلال عمليات مختلفة مثل: تقنية امتصاص السطح وتكنولوجيا الأغشية. تستخدم عمليات فصل الهواء غير المبردة اختلافات في الخصائص الفيزيائية مثل الحجم الجزيئي والكتلة لإنتاج الأكسجين والنيتروجين بنقاوة كافية. بينما لا يمكن إنتاج الأرجون إلا عن طريق فصل الهواء بالتبريد.
الامتزاز السطحي: تعتمد تقنية عملية الامتزاز على قدرة بعض المواد الطبيعية والاصطناعية على امتصاص النيتروجين أو الأكسجين. تُستخدم هذه التقنية لإنتاج النيتروجين أو الأكسجين عن طريق تمرير الهواء المضغوط بعدة ضغوط جوية عبر حاوية تحتوي على مواد ماصة. يتم اختيار الممتزات بناءً على خصائص امتصاصها. تُستخدم المواد الماصة الخاصة كمناخل جزيئية تمتص بشكل تفضيلي الغازات المرغوبة.
الغشاء: أغشية فصل الغاز عبارة عن ألياف مجوفة دقيقة جدًا يتم من خلالها تغذية الهواء المضغوط النظيف والجاف. أثناء تحرك الغازات عبر الأنابيب ، تسمح لنا عملية تسمى الانتشار الانتقائي (الانتشار-الامتزاز) بفصل الغازات باستخدام يتحرك الأكسجين (O2) وبخار الماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2) بشكل أسرع عبر جدران أنبوب الغشاء من الأرجون (Ar) والنيتروجين (N2). تبقى غازات النيتروجين والأرجون الأقل انتشارًا في أنابيب الألياف لفترة أطول وبالتالي يمكن تركيزها كمنتجات غاز النيتروجين.