في العمليات المتوسطة إلى الكبيرة الحجم، تُستخدم تقنيات فصل الهواء بالتبريد في كثير من الأحيان لإنتاج النيتروجين والأكسجين والأرجون كغازات و/أو سوائل.
يُعد الفصل المبرد للهواء الطريقة الموصى بها لتصنيع الأكسجين والنيتروجين فائق النقاء. وبالنسبة للمنشآت ذات معدلات الإنتاج العالية، فإنها تُعد التقنية الأكثر اقتصادية. وتُستخدم التكنولوجيا المبردة في جميع العمليات التي تنتج الغازات الصناعية المسالة.
إن كمية المخرجات الغازية والسائلة المقرر توليدها، ومستويات نقاء المنتجات المطلوبة، وضغوط التسليم المطلوبة، كلها عوامل تؤثر على مدى تعقيد فصل الهواء بالتبريد الفائق الإجراءات، فضلاً عن الأبعاد المادية للمعدات والطاقة اللازمة لتشغيلها.
يتناول هذا المقال دليل عملية فصل الهواء بالطريقة المبردة. فلنبدأ!
ما هو الفصل والتقطير المبرد للهواء؟
تُعرف تقنية فصل النيتروجين والأكسجين عن الهواء بالتقطير المبرد. كما يتم عزل الأرجون في بعض الحالات. يشير مصطلح «مبرد» إلى درجات الحرارة المنخفضة، بينما يشير مصطلح «التقطير» إلى فصل العناصر عن مركبها باستخدام درجة غليانها. ونتيجةً لذلك، يتم استخلاص المكونات ذات درجات الغليان المنخفضة جدًّا بشكلٍ تفضيلي عند درجات حرارة منخفضة في عمليات التقطير المبرد. وتنتج عن هذه العملية المواد عالية النقاء، ولكنها أيضًا تستهلك كميات هائلة من الطاقة.
الصندوق البارد هو حاوية عازلة ضخمة تضم أعمدة التقطير والمبادلات الحرارية التي تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية. ويُستخدم تأثير جول-تومسون، المعروف أيضًا باسم تأثير الخانق، في دورة التبريد. ويمر الغاز عبر بوابة عازلة أو سدادة عازلة قابلة للاختراق خلال عملية الخانق، وتتغير درجة حرارة الغاز مع تغير الضغط.
المواد التي تحتاجها
يمكن أن يحتوي الهواء المحيط على نسبة رطوبة تصل إلى 5%، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الغازات الأخرى (عادةً بكميات ضئيلة) التي يجب التخلص منها في موقع واحد أو أكثر خلال عملية فصل الهواء وعند المخرج نظام التنقية.
خطوات وعملية فصل الهواء بالتبريد الفائق
التقطير المبرد للهواء: المراحل
- المعالجة المسبقة للهواء الداخل، والضغط، والتبريد.
- التخلص من ثاني أكسيد الكربون.
- التوصيل الحراري لخفض درجة حرارة الهواء الوارد إلى مستويات التبريد الفائق.
- التقطير الهوائي.
- التبريد
1. المعالجة المسبقة للهواء الوارد، والضغط، والتبريد
استنادًا إلى مزيج المنتجات المخطط له ولتحقيق قوة ضغط مقبولة، يتم ضغط الهواء إلى ما بين 5 و8 بار (حوالي 75 إلى 115 رطل لكل بوصة مربعة) في معظم الحالات. وبعد المرحلة الأخيرة من الضغط، يتم تبريد الهواء المضغوط، ويتم تكثيف وإزالة جزء كبير من البخار الموجود في تدفق الهواء، حيث يمر الهواء عبر سلسلة من المبردات بين المراحل ومبرد لاحق.
نظرًا لأن درجة حرارة قناة التبريد المتاحة (التي تكون مقيدة في الغالب بدرجة حرارة البصلة الرطبة أو الجافة للهواء المحيط) تحدد درجة الحرارة النهائية للهواء الخارج من وحدة الضغط، فإن درجة حرارة الهواء المضغوط غالبًا ما تكون أعلى بكثير من الدرجة المثالية لتحقيق أقصى كفاءة لـ أداء الوحدات النهائية. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يُستخدم نظام التبريد الميكانيكي لتبريد الهواء بدرجة كبيرة.
2. إزالة ثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى
لتحقيق معايير جودة المنتج، يجب التخلص من عناصر معينة في تدفق الهواء الوارد. يجب إزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون من الهواء قبل دخوله إلى قسم التقطير المبرد في المصنع، حيث إنهما يتصلبان ويتراكمان على السطح الخارجي لمعدات المعالجة عند درجات حرارة منخفضة للغاية.
المنخل الجزيئي تعد الوحدات والمبادلات العكسية الطريقتين الأكثر استخدامًا لإزالة البخار وثاني أكسيد الكربون.
- تُستخدم وحدة التنقية المسبقة بالمنخل الجزيئي في جميع منشآت فصل الهواء الجديدة تقريبًا لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون والماء من تدفق الهواء عن طريق امتصاص هذه الجسيمات على السطح الخارجي للمواد المكونة للمنخل الجزيئي عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. أما الملوثات الأخرى، مثل الهيدروكربونات، التي قد توجد في البيئة الصناعية، فيمكن إزالتها بسهولة عن طريق تعديل تركيبة المواد الماصة في هذه الأنظمة. وعادةً ما تُحفظ المواد الماصة في حاويتين متطابقتين، تُستخدم إحداهما لتنقية الهواء الداخل، بينما تُعاد تجديد الأخرى باستخدام غاز عادم نظيف. وفي فترات منتظمة، تتبادل الحاويتان أدوارهما. وعندما يكون المطلوب هو تحقيق نسبة عالية لاستخلاص النيتروجين، فإن التنقية المسبقة باستخدام المنخل الجزيئي هي الخيار الأمثل.
- الخيار الآخر هو التخلص من الماء وثاني أكسيد الكربون باستخدام المبادلات الحرارية «العكسية». ورغم أن المبادلات العكسية غالبًا ما تُعتبر تقنية «قديمة»، إلا أنها قد تكون أكثر كفاءة من حيث التكلفة لمحطات إنتاج النيتروجين أو الأكسجين ذات معدلات الإنتاج المنخفضة. وفي المحطات التي تستخدم المبادلات الحرارية العكسية، يتم تبريد إمدادات الهواء المضغوط في زوجين من المبادلات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم الملحوم.
يتم تبريد الهواء الوارد في عملية نقل الحرارة في «الطرف الدافئ» إلى درجة حرارة منخفضة بما يكفي لتصلب بخار الماء وثاني أكسيد الكربون على أسطح المبادل الحراري. ويقوم نظام من الصمامات بالتبديل بين مسارات مرور الهواء والغازات العادمة على فترات منتظمة. بعد هذه المرحلة الانتقالية، يعمل الغاز العادم شديد الجفاف والمُسخَّن بشكل متفاوت على تبخير الماء وتبخير الصقيع الناتج عن ثاني أكسيد الكربون الذي تشكل خلال فترة تبريد الهواء. يتم إطلاق هذه الغازات مرة أخرى في الغلاف الجوي، ويتم تجهيز المبادل الحراري القابل للعكس لعملية عكس أخرى لمهمة النقل بعد التخلص منها تمامًا.
تُستخدم أنظمة الامتصاص البارد عند استخدام المبادلات الحرارية العكسية لإزالة أي هيدروكربونات تتسرب إلى وحدات التقطير. (في وحدات التنقية المسبقة، تتم إزالة الملوثات الهيدروكربونية جنبًا إلى جنب مع بخار الماء وثاني أكسيد الكربون عند استخدام «الجزء الأمامي» من المنخل الجزيئي).
3. التوصيل الحراري لخفض درجة حرارة الهواء المدفوع إلى مستويات التبريد الفائق
يتم تبادل الحرارة بين تدفق الهواء الوارد والمخرجات الباردة وتدفق الغازات العادمة الخارجة من عملية التقطير المبرد في مبادلات حرارية مصنوعة من الألومنيوم الملحوم. ويتم إعادة تسخين قنوات الغاز الخارجة إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الهواء المحيط. ويتم تقليل كمية التبريد التي يتعين على المنشأة توليدها من خلال استرداد التبريد من قنوات المنتج الغازي وتدفقات النفايات.
تُنتج تقنية التبريد التي تتضمن توليد تيار واحد أو أكثر من التيارات ذات الضغط المعزز درجة الحرارة شديدة البرودة المطلوبة للتقطير المبرد.
4. التقطير الهوائي
يُستخدم عمودان للتقطير على التوالي لإنتاج الأكسجين كمنتج ثانوي في نظام التقطير. ويُعد مصطلحا «العمود عالي الضغط» و«العمود منخفض الضغط» (أو، بديلاً عن ذلك، «العمود السفلي» و«العمود العلوي») أكثر المصطلحات شيوعًا. وقد تحتوي منشآت إنتاج النيتروجين على عمود واحد أو عمودين، حسب درجة نقاوته. ويُخرج كل عمود تقطير النيتروجين من الجزء العلوي، بينما يُخرج الأكسجين من الجزء السفلي. وعندما يكون الأكسجين الملوث الناتج في العمود الأول (ذو الضغط الأعلى) هو المنتج المطلوب، يتم تنقيته بشكل أكبر في العمود الثاني ذي الضغط الأقل. أما إذا كان الهدف هو الحصول على نيتروجين فائق النقاء، فيُستخدم العمود العلوي أو ذو الضغط المنخفض لإزالة معظم الأكسجين الذي لم يتم التخلص منه خلال المرحلة الأولى من التقطير.
تتميز مادة الأرجون بدرجة غليان مماثلة لدرجة غليان الأكسجين؛ ولذلك، إذا كانت هناك حاجة إلى الأكسجين والنيتروجين فقط كنواتج ثانوية، فمن المفضل أن يبقى الأرجون مع إنتاج الأكسجين. في النظام التقليدي ذي العمودين، يؤدي ذلك إلى تقييد درجة نقاء الأكسجين عند حوالي 97 في المائة. وإذا كان استخدام الأكسجين منخفض النقاء مسموحًا به (على سبيل المثال، لتحسين الاحتراق)، فيمكن خفض درجة نقاء الأكسجين إلى 95%. ومع ذلك، يجب إزالة الأرجون من وحدة التقطير إذا كان المطلوب هو الحصول على أكسجين عالي النقاء.
عند الحاجة إلى الأرجون، يتم استخراجه من نقطة في تيار الضغط المنخفض حيث يصل تركيز الأرجون إلى أقصى مستوى له. ويخضع الأرجون المستخرج للمعالجة في برج تقطير الأرجون الخام من نوع «السحب الجانبي» المدمج مع عمود الضغط المنخفض. يمكن تفريغ تيار الأرجون الملوث، أو معالجته في الموقع لإزالة كل من الأكسجين والنيتروجين لإنتاج أرجون «نقي»، أو تخزينه في صورة سائلة وتسليمه إلى «مصنع تقطير الأرجون» البعيد. ويتم تحديد الخيار في الغالب بناءً على كمية الأرجون المتاحة وتحليل التكلفة والعائد للخيارات المختلفة. وكقاعدة عامة، يكون تنقية الأرجون أكثر فعالية من حيث التكلفة عندما يتم توليد ما لا يقل عن 100 طن من الأكسجين يوميًا.
تُستخدم تقنية متعددة الخطوات لتصنيع الأرجون النقي من الأرجون الخام. تتضمن الطريقة التقليدية استخدام مكون «إزالة الأكسجين» لإزالة 2 – 3 % من الأكسجين الموجود في الأرجون الخام. ويُعد هذا إجراءً صغيرًا متعدد الخطوات يدمج الأكسجين كيميائيًا مع الهيدروجين في وعاء يحتوي على محفز، ثم يزيل الماء الناتج (بعد التبريد) في مجفف بالمنخل الجزيئي. بعد ذلك، يتم تقطير تيار الأرجون الخالي من الأكسجين لإزالة النيتروجين المتبقي والهيدروجين غير القابل للذوبان في وحدة تقطير «الأرجون النقي».
وقد ظهر خيار ثانٍ لتصنيع الأرجون نتيجة للتطورات التي طرأت على تقنية التقطير باستخدام الأعمدة المعبأة: وهو استخلاص الأرجون بطريقة مبردة تمامًا، حيث يتم استخدام عمود تقطير شديد الارتفاع (ولكن بقطر صغير جدًّا) لتحقيق عملية الفصل الصعبة بين الأرجون والأكسجين. ويستلزم الاختلاف الطفيف نسبيًّا في درجات الغليان بين الأكسجين والأرجون إجراء مراحل متعددة من التقطير لاستخلاص الأرجون.
تحدد كمية الأكسجين المعالجة في نظام التقطير، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من المتغيرات الأخرى التي تؤثر على معدل الاسترداد، حجم الأرجون الذي يمكن للمنشأة إنتاجه. وتشمل هذه العوامل حجم الأكسجين السائل المنتج واتساق معايير تشغيل المنشأة. ولا يمكن أن يتجاوز إنتاج الأرجون 4.4 في المائة من معدل تغذية الأكسجين (حجمياً) أو 5.5 في المائة وزناً، وذلك بسبب النسبة الطبيعية للغاز الموجود في الهواء.
تُستخدم المبادلات الحرارية الأمامية لإعادة توجيه المنتجات الغازية الباردة وتدفقات النفايات الناتجة عن أبراج فصل الهواء. وهي تعمل على تبريد الهواء الوارد بينما ترتفع درجة حرارته إلى ما يقارب درجة حرارة البيئة المحيطة. وكما سبق ذكره، فإن انتقال الحرارة بين تدفقات المدخلات وتدفقات المنتجات يقلل من الحمل التبريدي الصافي للمنشأة، ونتيجة لذلك، استخدام الطاقة.
5. التبريد
وللتغلب على تسرب الحرارة إلى الأجهزة الباردة وضعف التبادل الحراري بين تيارات الغاز الداخلة والخارجة، تتم عملية التبريد عند درجات حرارة شديدة الانخفاض.
دورة التبريد المستخدمة في منشآت فصل الهواء بالتبريد الفائق مطابقة نظريًّا لتلك المطبقة في أنظمة تكييف الهواء المنزلية وفي السيارات. وبناءً على نوع المنشأة، يتم خفض ضغط تيار واحد أو أكثر من التيارات عالية الضغط (النيتروجين، أو الغاز المتبقي، أو غاز التغذية، أو غاز المخرجات)، مما يؤدي إلى تبريد التيار. ويحدث انخفاض الضغط (أو التمدد) داخل جهاز التمدد لتعزيز التبريد وكفاءة الطاقة الصناعية.
تنخفض درجة حرارة تيار الغاز بدرجة أكبر عندما تُستخرج منه الطاقة أثناء التمدد مقارنةً بما يحدث عند تمدده ببساطة عبر صمام. ويمكن استخدام الطاقة الناتجة عن جهاز التمدد لتشغيل مكثف عملية ما، أو مولد كهربائي، أو أي جهاز آخر يستهلك طاقة كبيرة مثل مضخة الزيت أو منفاخ الهواء.
عادةً ما تخرج الغازات الناتجة عن مصنع الأكسجين المبرد أو نظام فصل الهواء من «الصندوق البارد» (وهو الحاوية المعزولة التي تحتوي على أقسام التقطير والآلات الأخرى التي تعمل في درجات حرارة منخفضة جدًّا) بدرجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغلاف الجوي، ولكن تحت ضغط منخفض؛ وغالبًا ما يكون الضغط أعلى بقليل من واحد (مطلق). الـ عملية الفصل والتنقية يكون أكثر كفاءة بشكل عام عندما ينخفض ضغط التسليم.
على الرغم من أن انخفاض الضغط يقلل من متطلبات طاقة الفصل، فإنه في حالة ضرورة توفير المخرجات بضغط أعلى، سيكون من الضروري استخدام ضواغط المنتج أو أحد البدائل العديدة للدورة لتغذية النيتروجين أو الأكسجين بضغط توزيع أعلى مباشرةً من الصندوق البارد. ويمكن أن تكون تقنيات التوزيع ذات الضغط الأعلى هذه أكثر كفاءة من حيث التكلفة مقارنةً بعملية الفصل المصحوبة بالضغط، لأنها لا تتطلب ضاغط المنتج أو استهلاكه للكهرباء.
نصائح حول الفعالية والسلامة
قبل البدء في أعمال البناء والتصميم لأي نظام أو عملية مبردة، يجب إجراء تحليل رسمي للمخاطر. حدد المخاطر وكيفية التعامل معها. طرح سيناريوهات افتراضية من نوع «ماذا لو». يرجى تذكر أن الآلات قد تتعطل، وأن السوائل المبردة قد تتحول إلى غاز بسرعة، وأن الصمامات قد تتسرب أو يتم التعامل معها بشكل غير صحيح، وأن أجهزة التفريغ قد تتعطل. وبغض النظر عن حجم النظام المبرد أو مدى تعقيده، يجب إجراء هذا التقييم.
منذ البداية، احرص على تضمين معايير السلامة في معداتك وإجراءاتك. فقد يكون دمج عناصر السلامة في نهاية مرحلة التصميم مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً، كما أنه من المحتمل أن يتم تجاهل بعض المخاطر. وتجدر الإشارة إلى أنه من الأفضل دائمًا القضاء على الخطر من خلال التصميم الهندسي بدلاً من التخفيف من حدته.
حتى المتخصصون قد يغفلون عن شيء ما أو يرتكبون خطأً. ومن الأهمية بمكان أن يتم تقييم سلامة نظامك المبرد من قبل آخرين، سواء كانوا زملاء عمل آخرين أو خبراء خارجيين أو هيئات مراجعة رسمية، من أجل تعزيز فرص ضمان سلامة النظام.
يجب دائمًا تقييم احتمالية مخاطر نقص الأكسجين عند التعامل مع السوائل المبردة أو الغازات الخاملة، مهما كانت الكمية ضئيلة. إما أن تتأكد من عدم وجود مثل هذا الخطر من خلال التقييم، أو أن تنفذ تحسينات تصميمية أو إجراءات تخفيفية ذات صلة للقضاء على الخطر أو التخفيف من حدته. ونظرًا للكمية الهائلة من الغاز التي تنتجها حتى الكميات الصغيرة من السوائل المبردة، واحتمال أن يكون أول عرض فسيولوجي، عند انخفاض مستويات الأكسجين بدرجة كافية، هو فقدان الوعي السريع المصحوب بالغيبوبة والوفاة، فإن الصعوبات المتعلقة بمخاطر نقص الأكسجين (ODH) تكون خطيرة بشكل خاص.
في درجات الحرارة شديدة البرودة، لا تستخدم سوى المواد التي ثبت فعاليتها في تلك الدرجات. ضع في اعتبارك أن المواد التي من المفترض أن تعمل في درجات الحرارة المحيطة (مثل الجدران الخارجية للحاويات المفرغة من الهواء) قد تصل إلى درجات حرارة شديدة البرودة في بعض حالات الفشل المحتملة أثناء تقييم المخاطر.
تأكد من أن جميع الأشخاص الذين يعملون مع المعدات المبردة أو في محيطها، حتى المستخدمين العرضيين أو المتفرغين، قد تلقوا الدرجة المطلوبة من التدريب على السلامة فيما يتعلق بمخاطر التبريد ونقص الأكسجين.
احرص دائمًا على ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة والالتزام بإجراءات التشغيل المعمول بها. فاتخاذ الطرق المختصرة غالبًا ما يؤدي إلى وقوع حوادث.
خلاصة القول
في عملية فصل الهواء بالتبريد الفائق، تُعد عوامل التجفيف أمرًا ضروريًّا. عليك العمل باستخدام مصنع التي يمكنها أن توفر لك منتجات عالية الجودة. اتصل بنا وسنكون أكثر من سعداء بتقديم خدماتنا لكم.
EN 
DE 
ES 
JA 
RU 
PT 
FR 
AR 
KO 
TH 
ID 
