كيف يتم إنتاج الأكسجين صناعيًا؟ دليل شامل للعملية

تعد مسألة إنتاج الأكسجين صناعيًّا مسألة مهمة، حيث يُستخدم الأكسجين في العديد من الصناعات، بما في ذلك قطاع الصحة والتصنيع واللحام وتوليد الكهرباء، من بين استخدامات أخرى. وتستند عملية إنتاج الأكسجين صناعيًّا إلى استخلاص الأكسجين وتنقيته من الهواء ليتم بعد ذلك تلبية متطلبات معينة. علاوة على ذلك، فإن ما يتم القيام به في هذه المرحلة لا يقتصر على فصل الأكسجين فحسب، بل يشمل أيضًا ضمان جودته ونقاوته وكفاءته.

في هذا الدليل، سنتناول التقنيات الرئيسية لتوليد الأكسجين الصناعي، والصعوبات التي تنشأ أثناء الإنتاج، والتقنيات التي ستحدد ملامح المستقبل. وفي ختام هذا المقال، ستكون قادرًا على فهم جميع مراحل إنتاج الأكسجين.

ما هو إنتاج الأكسجين الصناعي؟

يُقصد بإنتاج الأكسجين الصناعي عملية استخلاص الأكسجين من الهواء وتنقيته لتلبية احتياجات الصناعات المختلفة. وعلى الرغم من أن الأكسجين موجود في الغلاف الجوي للأرض بنسبة تبلغ حوالي 21%، إلا أنه لا يمكن استخدامه بهذه الصورة في معظم العمليات الصناعية. ويستلزم ذلك عادةً استخدام طريقة لفصل الأكسجين عن العناصر الأخرى المكونة للهواء — حيث يتمثل المكون الرئيسي في النيتروجين والأرجون والغازات المتبقية الأخرى — وللحصول على الأكسجين بالنقاء والكمية المطلوبين.

وبالتالي، فإن الهدف من إنتاج الأكسجين الصناعي هو توفير الأكسجين بالكميات المطلوبة وبمستويات نقاء مناسبة للاستخدام في القطاعات ذات الصلة التي نعتبرها هنا القطاعات الطبية والمعادن والكيماويات والطاقة. فعلى سبيل المثال، يجب أن تكون درجة نقاء الأكسجين الطبي المستخدم في المستشفيات أعلى من 99.5%، في حين أن الأكسجين الصناعي المستخدم في عمليات اللحام أو الاحتراق لا يتطلب هذا المستوى العالي من النقاء.

ولهذا الغرض، تُستخدم العديد من الأنظمة والأجهزة المعقدة في محطات إنتاج الأكسجين. وتشمل أكثر التجهيزات شيوعًا ما يلي:

وحدة فصل الهواء (ASU): وهذا هو الجزء الأساسي في العديد من محطات إنتاج الأكسجين الكبيرة. تستخدم وحدات فصل الهواء (ASU) تقنيات مثل التقطير المبرد لتبريد الهواء ثم عزل الغازات المنفصلة. وفي وحدات فصل الهواء، تُستخدم الصناديق الباردة أيضًا للحفاظ على درجات الحرارة المنخفضة للغاية اللازمة لتسييل الهواء.

الضواغط: يُستخدم هذا الجهاز لضغط الهواء الجوي قبل فصله إلى العناصر المكونة لغاز معين. كما تُستخدم هذه الآلات في ضبط ضغط الهواء ليصل إلى المستويات المحددة من أجل العمليات اللاحقة، مثل الامتصاص أو التقطير المبرد.

أبراج الامتصاص (لأنظمة PSA): في أنظمة الامتصاص بالتأرجح الضغطي (PSA)، يجب أن تكون أبراج الامتصاص مملوءة بمواد مثل الزيوليت، حيث يتم امتصاص جزيئات النيتروجين بشكل انتقائي من خلالها، بينما يظل الأكسجين حراً.

أنظمة الأغشية: في التطبيقات التي تتطلب كميات أصغر من الأكسجين أو أكسجينًا أقل نقاءً، تُستخدم أنظمة الفصل الغشائي. وتستخدم هذه الأنظمة أغشية انتقائية للأكسجين، وبالتالي تسمح بمرور الأكسجين دون غيره من الغازات.

خزانات التخزين المبردة: يُخزَّن الأكسجين السائل على وجه الخصوص في خزانات مبردة بعد إنتاجه. وتتميز هذه الخزانات بدرجات حرارة منخفضة جدًّا تحافظ على الأكسجين في حالته السائلة إلى أن يحين وقت استخدامه أو يتم ضخه عبر عملية التحويل إلى غاز.

تعمل المعدات المذكورة أعلاه بشكل متكامل لضمان أن يكون إنتاج الأكسجين بالكفاءة المطلوبة في هذا المجال الصناعي. ويعتمد اتخاذ القرار في هذا الشأن واختيار المعدات والطريقة على الاستخدام المقصود، وحجم الإنتاج، فضلاً عن درجة النقاء المطلوبة.

لذلك، يُعد الإنتاج الصناعي للأكسجين مشروعًا معقدًا يشكل جزءًا لا يتجزأ من الاقتصاد الحالي. وبذلك، يمكن للصناعات الحصول على الكمية المطلوبة من الأكسجين، وضمان نقاوته، وتحقيق المستوى الضروري من كفاءة الإنتاج بمساعدة أحدث التقنيات والمعدات.

الطرق الرئيسية لإنتاج الأكسجين الصناعي

يعتمد إنتاج الأكسجين على نطاق صناعي على ثلاث طرق أساسية: الطريقة المبردة لإنتاج الأكسجين، والامتصاص بالتأرجح الضغطي (PSA)، والفصل الغشائي. ولكل منها خصائصه المميزة، ويتم استخدامها بالطريقة المناسبة وفقًا لحجم الإنتاج ونقاء المادة المطلوبة وتكلفتها.

إنتاج الأكسجين بالطريقة المبردة: استخدام عملية تسييل الهواء والتقطير لفصل الأكسجين

يُعد إنتاج الأكسجين بالتبريد الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج الأكسجين على نطاق واسع نظرًا لدرجة نقاوته العالية. تستخدم هذه العملية التقطير بالتبريد، وهي عملية تتمثل في تبريد الهواء إلى درجة حرارة أقل من نقطة تسييله. عند هذه الدرجات، يتحول الهواء إلى الحالة السائلة، ويمكن فصل مكوناته المختلفة بناءً على درجات غليانها. على سبيل المثال، يغلي الأكسجين عند -183 درجة مئوية، بينما يغلي النيتروجين عند -196 درجة مئوية.

ولكن قبل التسييل، يجب تنقية الهواء لإزالة بخار الماء والملوثات الأخرى مثل ثاني أكسيد الكربون. وتُعد هذه الخطوة مهمة لأن في الظروف المبردة، حتى الكمية الضئيلة من الماء أو ثاني أكسيد الكربون تتكثف لتشكل جليدًا أو ثاني أكسيد الكربون الصلب، مما يؤدي إلى انسداد المعدات ويعيق عملية الفصل. في هذه المرحلة، تعتبر المناخل الجزيئية مثل 4A و13X ضرورية للغاية. فهي قادرة على امتصاص الماء وثاني أكسيد الكربون بانتقائية عالية، ويتم خفض تركيزات هذه المكونات إلى أقل من 1 جزء في المليون. كما تتميز المناخل الجزيئية بقدرتها الفريدة على إزالة كل من الرطوبة وثاني أكسيد الكربون في نفس الوقت، وأدائها المتميز خلال دورات التجديد المتعددة. يمكن استخدام مواد تجفيف أخرى مثل هلام السيليكا والألومينا المنشطة قبل المناخل الجزيئية للتعامل مع كميات كبيرة من الرطوبة، لكنها لا تضاهي التجفيف الدقيق والعميق الذي توفره المناخل الجزيئية، خاصةً في التطبيقات المبردة.

بعد تجفيف الهواء وتنقيته، يتم تبريده إلى درجة حرارة التسييل ثم ضخه إلى صندوق تبريد. وهنا، تعمل أعمدة التقطير على فصل الأكسجين عن النيتروجين والأرجون والمكونات الثانوية الأخرى. والمنتج النهائي هو أكسجين سائل عالي النقاء للغاية يمكن استخدامه كما هو أو تبخيره للاستخدام في الأكسجين الطبي وصناعات اللحام وصناعة الصلب. وتعد هذه الطريقة أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تحتاج إلى أكسجين بنقاوة تزيد عن 99% وتوليد الأكسجين على نطاق واسع، مما يجعلها تقنية أساسية للصناعات ذات الطلب المرتفع على الأكسجين.

ومع ذلك، فإن إنتاج الأكسجين بالطريقة المبردة لا يخلو من المشاكل. فمن الصعب الوصول إلى درجات الحرارة المبردة والحفاظ عليها، كما أن أنظمة التبريد اللازمة لهذا الغرض تستهلك كميات كبيرة من الطاقة وتكلفتها باهظة. لكن بالنسبة للصناعات التي تتطلب إمدادات كبيرة ومستمرة من الأكسجين، مثل صناعات الصلب أو اللحام بالغاز أو قطاع الرعاية الصحية، تظل هذه الطريقة مفيدة للغاية بفضل موثوقيتها وقدرتها على إنتاج كميات كبيرة من الأكسجين.

الامتصاص بالتأرجح الضغطي (PSA)

يُعد الامتصاص بالتأرجح الضغطي (PSA) إحدى أكثر الطرق كفاءة واقتصادية لإنتاج الأكسجين. ويستند هذا الأسلوب إلى استخدام مواد مثل الزيوليت لامتصاص النيتروجين بشكل انتقائي مع السماح بمرور الأكسجين في الوقت نفسه. ونظرًا لعمل أنظمة PSA تحت ضغوط منخفضة نسبيًا، فإنها تُعد مناسبة لإنتاج الأكسجين في الموقع، لا سيما في قطاعات مثل الرعاية الصحية، حيث يُعد توفر الأكسجين أمرًا ضروريًا.

في أنظمة PSA، يتدفق الهواء المضغوط في البداية عبر مادة ماصة تعمل على احتجاز النيتروجين والملوثات الأخرى مثل ثاني أكسيد الكربون والرطوبة. وإذا لم تتم معالجة هذه الشوائب، فإنها قد تقلل بشكل كبير من كفاءة النظام وعمره التشغيلي. وتُستخدم المناخل الجزيئية مثل 5A و13X في هذه العملية لأنها المواد الماصة الرئيسية المستخدمة في كل من فصل النيتروجين والتجفيف العميق. تساعد المناخل الجزيئية في الحفاظ على أداء النظام وإنتاج الأكسجين بشكل ثابت من خلال خفض محتوى الرطوبة وثاني أكسيد الكربون إلى أقل من 1 جزء في المليون. تتضمن بعض خطوات المعالجة المسبقة استخدام عوامل تجفيف مثل الألومينا المنشطة وهلام السيليكا، التي تتعامل مع الرطوبة الكبيرة وتحمي المناخل الجزيئية. ومع ذلك، فإن المناخل الجزيئية ضرورية للغاية لتحقيق مستوى الدقة والاختراق اللازمين لعمليات PSA.

وعندما يتم تخفيف الضغط داخل النظام، يتم إزالة النيتروجين من المادة الماصة، وتصبح هذه المادة جاهزة للدورة التشغيلية التالية. ولا يمكن لتقنية PSA تحقيق نفس مستوى النقاء الذي توفره عملية التقطير المبرد، لكنها قادرة على إنتاج أكسجين بنقاوة تتراوح بين 90 و95%، وهو ما يعتبر كافياً لاستخدامات مثل اللحام بالغاز أو الأغراض الطبية.

كما تتميز تقنية PSA بقدرتها على التوسع، وهي إحدى مزاياها الهامة. فيمكن تصميمها لتناسب الإنتاج على نطاق صغير أو متوسط، وبالتالي تكون في متناول الصناعات التي لا تحتاج إلى الكميات الكبيرة التي تنتجها محطات التبريد الفائق. ومع ذلك، تتطلب مادة الامتصاص تجديدًا متكررًا للحفاظ على كفاءتها وفعاليتها العالية على المدى الطويل.

الامتصاص بالتأرجح بين الضغط والفراغ (VPSA)

تعد تقنية VPSA نسخة معدلة من تقنية PSA، حيث تعمل على تحسين الكفاءة من خلال استخدام الفراغ لإزالة النيتروجين أثناء عملية الامتصاص العكسي. ويؤدي ذلك إلى خفض استهلاك الطاقة وزيادة الأداء العام للنظام، مما يجعل تقنية VPSA خيارًا فعالاً من حيث التكلفة لإنتاج الأكسجين ذي النقاء المتوسط بمعدلات تدفق أعلى. وتُستخدم هذه التقنية بشكل شائع في صناعة الصلب ومعالجة المياه وأنظمة الاحتراق.

من أجل ضمان التشغيل المستقر لأنظمة VPSA، من الضروري استخدام هواء خالٍ من الرطوبة وثاني أكسيد الكربون، حيث إن هذين المكونين يمكن أن يضرّا بالمواد الماصة أو يقللا من أداء النظام. وتعتبر أنواع المناخل الجزيئية 5A و13X وأنواع LiX المتطورة مهمة في هذه العملية. وتتميز المناخل الجزيئية من نوع LiX بشكل خاص بقدرة أعلى على امتصاص النيتروجين، وأداء أفضل في إزالة الماء وثاني أكسيد الكربون، واستقرار أفضل في ظل الضغط العالي وظروف التجديد المتعددة.

تتكون المعالجة المسبقة عادةً من الألومينا المنشطة وهلام السيليكا للتعامل مع إزالة الرطوبة الكلية وتقليل عبء العمل على المناخل الجزيئية. ومع ذلك، فإن المناخل الجزيئية ضرورية لتحقيق نقاط ندى منخفضة للغاية والحفاظ على أداء أنظمة VPSA على المدى الطويل. ورغم أن تكلفة الطاقة لكل وحدة حجم من الأكسجين المولَّد في نظام VPSA أقل مقارنةً بنظام PSA، إلا أن تكاليفه الرأسمالية أعلى بسبب أنظمة التفريغ. وفي هذا الصدد، يُعد نظام VPSA الأنسب للصناعات التي تتطلب كلاً من الكفاءة العالية والسعة الكبيرة.

الفصل الغشائي: استخلاص الأكسجين من خلال نفاذية أغشية معينة

يُعد الفصل الغشائي تقنيةً جديدة نسبيًا في مجال إنتاج الأكسجين. وهي تعتمد على أغشية بوليمرية انتقائية تسمح بمرور جزيئات الأكسجين دون جزيئات النيتروجين، مما ينتج عنه تيار مركّز من الأكسجين. وتتميز هذه الطريقة بصغر حجمها وانخفاض استهلاكها للطاقة، كما أنها مناسبة للتطبيقات التي لا تتطلب مستويات عالية من نقاء الأكسجين.

تُعد أنظمة الأغشية مفيدة بشكل خاص في المنشآت البعيدة أو المتنقلة نظراً لبساطتها وقلة احتياجها للصيانة. فعلى سبيل المثال، تستخدم صناعة اللحام بالغاز أو صناعات الإنتاج الكيميائي هذه الطريقة نظراً لمرونتها. ومع ذلك، ونظراً لعدم قدرتها على تحقيق نفس مستوى نقاء الأكسجين الذي توفره عمليات PSA أو العمليات المبردة، فإن استخدام هذه التقنية يقتصر إلى حد ما على متطلبات نقاء الأكسجين المعتدلة.

قبل دخول الهواء إلى الأغشية، يجب إزالة الرطوبة منه لتحقيق أفضل النتائج. فقد يؤدي وجود الماء وثاني أكسيد الكربون إلى انخفاض كفاءة الغشاء وتقليل العمر الافتراضي للنظام. ويُستخدم الألومينا المنشط كعامل تجفيف أساسي في هذه الأنظمة لإزالة الرطوبة الكبيرة إلى مستوى كافٍ لمعظم العمليات. أما في التطبيقات الأكثر تطلبًا التي تتطلب تجفيفًا أعمق أو إزالة ثاني أكسيد الكربون، فيتم استخدام المناخل الجزيئية نظرًا لقدرتها العالية على الامتصاص. يمكن للمنخلات الجزيئية من النوع 4A أو 13X إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون إلى مستويات عالية جدًّا. وبالتالي، يتم حماية الأغشية بشكل جيد ويمكن للنظام أن يعمل بثبات في ظل ظروف التشغيل القاسية. يُستخدم هلام السيليكا بشكل أقل تكرارًا، ولكنه يُستخدم أحيانًا في الخطوة الأولى لإزالة معظم الرطوبة وتقليل العبء على الألومينا المنشطة والمنخلات الجزيئية.

ورغم أن الفصل الغشائي لا يمكنه تحقيق نفس مستوى النقاء الذي توفره تقنيات PSA أو التقنيات المبردة، فإن انخفاض استهلاك الطاقة وصغر الحجم وبساطة هذه الطريقة تجعلها مناسبة للاستخدام في الحالات التي تكفي فيها مستويات معتدلة من نقاء الأكسجين.

الخلاصة

يعتمد إنتاج الأكسجين الصناعي على طرق متنوعة مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات محددة: التقطير المبرد للحصول على أكسجين عالي النقاء، والامتصاص بالتأرجح الضغطي (PSA) والامتصاص بالتأرجح الضغطي الفراغي (VPSA) للحصول على أكسجين متوسط النقاء، والفصل الغشائي لتوفير حلول مدمجة ذات نقاء معتدل. في جميع هذه الطرق، يُعد تجفيف الهواء أمرًا ضروريًا، ولذلك تكتسب المناخل الجزيئية أهمية كبيرة. ويرجع ذلك إلى امتلاكها قدرة أعلى على امتصاص الرطوبة وثاني أكسيد الكربون، مما يعزز موثوقية النظام وكفاءته. وبفضل دقتها ومتانتها وتعدد استخداماتها، لا تزال المناخل الجزيئية جزءًا حيويًا من عمليات إنتاج الأكسجين الحديثة، وتساعد مختلف الصناعات على تحقيق نتائج موثوقة.

كيف تدعم المناخل الجزيئية من «جالون» إنتاج الأكسجين بكفاءة وموثوقية

تعمل شركة «جالون» في مجال تصنيع المناخل الجزيئية منذ أكثر من 20 عامًا، وتمتلك 112 براءة اختراع مسجلة، وتصدر منتجاتها إلى 86 دولة. ونحن حائزون على شهادتي ISO 9001 وISO 14001، مما يضمن لعملائنا الجودة والموثوقية والاستدامة في منتجاتنا لتلبية احتياجاتهم.

إلى جانب المناخل الجزيئية التقليدية، طورت شركة «جالون» منتجات محسّنة لتعزيز عملية توليد الأكسجين الصناعي. ويُحسّن الجيل الجديد من المناخل الجزيئية الخاصة بنا، JLOX-500 وJLOX-103، من امتصاص النيتروجين وانتقائية النيتروجين على حساب الأكسجين. ويضمن ذلك كفاءة إنتاج أعلى للأكسجين، وهو ما يُعد مثاليًّا لأنظمة إنتاج الأكسجين الصناعية التي تعمل بتقنيتي PSA وVPSA.

بفضل مختبر البحث والتطوير المتطور الذي تم استثمار 14.5 مليون يوان صيني فيه، تضمن شركة «جالون» التحسين المستمر لأداء منتجاتها. وسواء كان ذلك للاستخدام الطبي أو لفصل الغازات الصناعية، فإن المناخل الجزيئية من «جالون» توفر حلولاً موثوقة وفعالة لتلبية متطلبات إنتاج الأكسجين في العصر الحديث.

المشكلات المحتملة وحلولها في مجال إنتاج الأكسجين الصناعي

هناك عدة قضايا مرتبطة بإنتاج الأكسجين الصناعي، وهي كما يلي؛ ويمكن تصنيف هذه التحديات إلى أربعة مجالات رئيسية: استهلاك الطاقة، والنقاء، والتشغيل، والتخزين والنقل.

استهلاك الطاقة

يتطلب التقطير المبرد، الذي يُستخدم على نطاق واسع، قدرًا كبيرًا من الطاقة لتبريد الهواء إلى درجة حرارة تقل عن -183 درجة مئوية من أجل التسييل. واستجابةً لذلك، يبحث المصنعون عن سبل لاستخدام تقنيات تبريد موفرة للطاقة ودمج الطاقة المتجددة في عمليات الإنتاج.

الحفاظ على النقاء

يمكن أن يتسبب ثاني أكسيد الكربون أو الماء أو الأرجون في تلوث الأكسجين، وهذا أمر غير مرغوب فيه في التطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من نقاء الأكسجين، مثل المنشآت الصحية. وتضمن أنظمة التجفيف عالية الكفاءة، مثل المناخل الجزيئية، بالإضافة إلى المراقبة والترشيح المستمرين، أن يكون الأكسجين المزوَّد بالجودة المطلوبة.

استمرارية العمليات

تتطلب أنظمة PSA تجديد المادة الماصة بشكل دوري، مما يؤدي إلى توقفات في الإنتاج. وتساهم الأنظمة المزدوجة والمواد الماصة المتطورة — بما في ذلك المناخل الجزيئية عالية السعة — في تقليل مدة تعطل المعدات وزيادة الإنتاجية.

التخزين والنقل

كما يتطلب تخزين الأكسجين ونقله استخدام أوعية محددة، مثل الأسطوانات عالية الضغط أو الخزانات المبردة، التي تحتاج إلى فحص متكرر. وتُقضي التطورات التي طرأت على وسائل التخزين خفيفة الوزن والمتينة، بالإضافة إلى توليد الأكسجين في الموقع، على المشكلات المتعلقة بإدارة سلسلة التوريد.

على الرغم من هذه التحديات، لا يزال إنتاج الأكسجين الصناعي قادراً على تلبية احتياجات مختلف الصناعات بفضل التقنيات الحديثة والممارسات الفعالة.

التقنيات الناشئة والابتكارات في مجال إنتاج الأكسجين الصناعي

يكمن مستقبل إنتاج الأكسجين الصناعي في الابتكار، حيث تُبذل الجهود لجعل العمليات أكثر كفاءة واستدامة وأقل تكلفة. وتستهدف التطورات الجديدة في مجال التقطير المبرد التركيز على استهلاك الطاقة، الذي يُعد أحد أكبر عوامل التكلفة. ويجري تطوير تقنيات تبريد جديدة لخفض الطاقة المطلوبة للوصول إلى درجات حرارة دون الصفر تقل عن -183 درجة مئوية، بهدف تحسين كفاءة إنتاج الأكسجين على نطاق واسع.

في تقنية PSA، يجري تصميم مواد امتصاص جديدة وأفضل، مثل المناخل الجزيئية، بهدف تعزيز امتصاص النيتروجين وانتقائية الأكسجين. وتسهم هذه المواد في زيادة إنتاج الأكسجين، وإطالة العمر التشغيلي للأنظمة، وخفض تكاليف الصيانة. كما تُبذل محاولات لاستخدام مزيج من تقنية PSA والتقنيات المبردة للحصول على درجة نقاء عالية وتكاليف تشغيل منخفضة نسبيًا.

تُحدث حلول المراقبة الجديدة القائمة على الذكاء الاصطناعي تغييرات بالفعل في صناعة إنتاج الأكسجين من خلال توفير تحليل البيانات في الوقت الفعلي والصيانة التنبؤية. وتُقلل هذه الأنظمة من الهدر، وتضمن المستوى المطلوب من الأداء، وتساهم في تحقيق الأهداف البيئية.

وأخيرًا، فإن تطور تكنولوجيا الفصل الغشائي يوسع آفاق فرص توليد الأكسجين. وتتميز هذه الأنظمة بصغر حجمها وكفاءتها في استهلاك الطاقة، مما يجعلها مناسبة للصناعات التي تحتاج إلى أنظمة صغيرة بأسعار معقولة.

بدءًا من تحسين التقنيات الحالية وصولاً إلى تطوير أساليب جديدة لإنتاج الأكسجين الصناعي، يتم تزويد العالم بهذا الغاز بطريقة أكثر كفاءة واستدامة.