روش‌های استخراج گازهای موجود در هوا | بررسی کامل جداسازی هوا و فناوری‌های کرایوژنیک و غیرکرایوژنیک

روش‌های استخراج گازهای موجود در هوا | فناوری‌های جداسازی هوا از گذشته تا امروز

هوا یکی از ارزشمندترین منابع طبیعی زمین است؛ منبعی که در نگاه اول ساده به‌نظر می‌رسد، اما در واقع ترکیبی پیچیده و بسیار کاربردی از چندین گاز مهم است. برخلاف تصور قدیمی که هوا را یک ماده خالص می‌دانستند، امروزه می‌دانیم که هوا یک مخلوط گازی است که از چندین گاز کلیدی تشکیل شده:

• نیتروژن (۷۸٪)
• اکسیژن (۲۱٪)
• آرگون (۰.۹٪)
• گازهای کمیاب مانند هلیوم، نئون، کریپتون و زنون
• دی‌اکسیدکربن و بخار آب

این گازها نه‌تنها در حیات طبیعی نقش حیاتی دارند، بلکه در صنایع، پزشکی، جوشکاری، آزمایشگاه‌ها و تولید انرژی جزو مهم‌ترین مواد اولیه محسوب می‌شوند.

به همین دلیل، فناوری «جداسازی هوا» (Air Separation) یکی از ستون‌های اصلی صنایع مدرن است.

در ادامه، کامل‌ترین راهنمای موجود درباره روش‌های استخراج گازهای موجود در هوا را می‌خوانید.

📌 بیشتر بخوانید: کیفیت‌سنجی هوای فشرده (Compressed Air Quality): چرا مهم است؟

جداسازی هوا چیست و چرا اهمیت دارد؟ (Air Separation)

«جداسازی هوا» فرآیندی است که طی آن، اجزای اصلی هوا—یعنی نیتروژن، اکسیژن و آرگون—به‌صورت خالص یا مایع استخراج می‌شوند.

این فرآیند ستون فقرات صنایع زیر است:

• صنعت پزشکی (اکسیژن طبی)
• صنایع فولاد
• جوشکاری صنعتی
• تولید غذا و نوشیدنی
• صنایع نفت و گاز
• صنایع شیمیایی
• الکترونیک
• کاربردهای آزمایشگاهی

به‌طور کلی، روش‌های جداسازی هوا به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. روش‌های کرایوژنیک (Cryogenic Air Separation)

استخراج گازها بر اساس اختلاف نقطه جوش

این فناوری یکی از قدیمی‌ترین و در عین حال پیشرفته‌ترین روش‌های جداسازی هوا است.
در این روش، هوا تا دمای بسیار پایین (حدود ۱۸۰- تا ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) سرد می‌شود تا اجزای آن مایع شوند، سپس با تقطیر جزء به جزء، از هم جدا می‌شوند.

این فناوری اولین‌بار توسط کارل فون لینده (1895) توسعه یافت و بعدها با فناوری‌های جدید تکمیل شد.

مراحل کامل جداسازی هوا به روش کرایوژنیک

مرحله ۱: فشرده‌سازی هوا (Air Compression)

هوا وارد کمپرسورهای چندمرحله‌ای شده و پس از خنک‌سازی اولیه، ذرات گردوغبار جدا می‌شوند.

مرحله ۲: تصفیه و خشک‌سازی هوا (Air Purification)

دو آلاینده اصلی باید حتماً حذف شوند:

• بخار آب (H₂O)
• دی‌اکسیدکربن (CO₂)

زیرا این مواد در دمای پایین یخ زده و سیستم را مسدود می‌کنند.

روش‌های رایج تصفیه:

• جذب سطحی با غربال مولکولی (Molecular Sieve)
• مبدل‌های معکوس (Reverse Heat Exchangers)

مرحله ۳: سرمایش شدید (Cryogenic Cooling)

هوا در مبدل‌های حرارتی جریان مخالف تا دمای نزدیک به نقطه مایع شدن سرد می‌شود.

مرحله ۴: تقطیر جزء به جزء (Distillation Column)

هوا وارد ستون تقطیر دوگانه می‌شود:

• نیتروژن از بالای ستون خارج می‌شود (دما و چگالی کمتر)
• اکسیژن از پایین ستون استخراج می‌شود (نقطه جوش بالاتر)
• آرگون از بخش میانی ستون جدا می‌شود

برای افزایش خلوص:

• در بالا کندانسور
• در پایین ریبویلر (Reboiler)

قرار دارد.

مرحله ۵: فشرده‌سازی محصول (Product Compression)

گازهای نیتروژن، اکسیژن و آرگون یا:

• به‌صورت گاز با فشار مشخص
• یا به‌صورت مایع (LIN / LOX / LAr)

ذخیره می‌شوند.

تولید محصولات مایع؛ چرا مهم است؟

برای بسیاری از صنایع لازم است گازها به شکل مایع کرایوژنیک ذخیره شوند:

• نیتروژن مایع LIN
• اکسیژن مایع LOX
• آرگون مایع LAr

این حالت مزایا دارد:

• حجم کمتر
• انتقال آسان‌تر
• تحویل در مقیاس صنعتی
• قابلیت تبدیل سریع به گاز با تبخیرگرها (Vaporizer)

۲. روش‌های غیرکرایوژنیک (Non-Cryogenic Air Separation)

این روش‌ها در دمای محیط انجام می‌شود و برای تولید نیتروژن و اکسیژن گازی در مقیاس متوسط به‌صرفه هستند.

این روش‌ها شامل سه فناوری اصلی است:

۲-۱. فناوری جذب سطحی PSA و VPSA

در این روش از مخازنی حاوی غربال مولکولی استفاده می‌شود.

• در PSA نیتروژن تولید می‌شود (جذب اکسیژن)
• در VPSA اکسیژن استخراج می‌شود (جذب نیتروژن)

مزایا:

• تولید در محل (On-Site)
• هزینه عملیاتی کمتر
• خلوص کنترل‌شده (۹۰ تا ۹۹.۹٪)

۲-۲. فناوری غشایی (Membrane Separation)

در این روش هوا از میان الیاف توخالی عبور می‌کند.

گازهای سریع‌تر (O₂ / CO₂ / H₂O)
→ سریع خارج می‌شوند

گازهای کندتر (N₂ / Ar)
→ در خروجی باقی می‌مانند و جدا می‌شوند.

مزایا:

• بدون قطعات متحرک
• مناسب صنایع کوچک و متوسط
• مناسب تولید نیتروژن ۹۵٪ – ۹۹٪

📌 بیشتر بخوانید: واحدهای غشایی نیتروژن؛ فناوری نوین برای تولید نیتروژن پایدار و مقرون‌به‌صرفه

مقایسه دقیق روش‌های جداسازی هوا

کدام گاز فقط با روش کرایوژنیک قابل استخراج است؟

❗ آرگون
❗ هلیوم
❗ گازهای نادر (نئون، کریپتون، زنون)

هیچ روش غیرکرایوژنیکی توانایی استخراج این گازها را ندارد.

چرا جداسازی هوا برای صنایع حیاتی است؟

زیرا سه گاز کلیدی هوای محیط:

• اکسیژن: برای پزشکی، فولادسازی، احتراق و صنایع شیمیایی
• نیتروژن: گاز خنثی برای مواد غذایی، الکترونیک، جوشکاری، نفت و گاز
• آرگون: گاز محافظ در جوشکاری و لیزر

از طریق همین فناوری‌ها تولید می‌شوند.

📌 بیشتر بخوانید: چگونه گاز اکسیژن تولید می‌شود؟

یادداشتی از پارسیاگاز

پارسیاگاز با سال‌ها تجربه در تأمین گازهای صنعتی، آزمایشگاهی و طبی، امکان تأمین مستقیم:

• نیتروژن (گازی و مایع)
• اکسیژن (گازی و مایع)
• آرگون (گازی و مایع)
• گازهای نادر

را برای صنایع مختلف فراهم می‌کند.

برای مشاوره رایگان و انتخاب بهترین روش تأمین گاز، با کارشناسان پارسیاگاز تماس بگیرید.

📞 مشاوره تخصصی تأمین گاز: همین حالا تماس بگیرید.