علوم فيزيائية

كيف تتم عملية فصل الهواء

نبذة عن عملية فصل الهواء

فصل الهواء هو العملية الأكثر شيوعًا المستخدمة لاستخراج واحد أو كل المكونات الرئيسية للهواء الجوي. يتم استخدام فصل الهواء المبرد لإنتاج كميات كبيرة من الغازات الصناعية عالية النقاء. وهي تقنية صناعية كثيفة الاستخدام للطاقة وتستهلك كميات كبيرة من الكهرباء: فصل الهواء بالتبريد (CAS) هو التكنولوجيا الرائدة والأكثر نضجًا لإنتاج O2 و Ar الغازية والسائلة لمختلف الصناعات مثل الصلب والبتروكيماويات والأسمدة والفحم والتسييل ، وتظهر هذه الصناعات مدى أهمية الغازات في حياتنا.

كيف تتم عملية فصل الهواء 

تتم عملية فصل الهواء إلى الغازات الرئيسية التي يتكون منها الهواء من خلال عملية التقطير التجزيئي ، والغرض من معالجة الهواء هو التخلص من الشوائب مثل الغبار والرطوبة ، ثم يتم إدخال الغازات في الجزء الجزئي. عمود التقطير حيث تنخفض درجة الحرارة تدريجيًا حتى تبدأ المكونات بالانفصال إلى شكل سائل. يتم أولاً تسييل الغاز ذي أعلى نقطة غليان وفصله ، وتستمر العملية حتى تصبح جميع الغازات المكونة سائلة وتكون الغازات المسيلة الناتجة بدرجة نقاء عالية. وفي هذه العملية ، يجب إزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء مسبقًا لأنه يمكن أن يؤدي إلى ترسيخ النظام ومنع حدوثه.

هناك طرق أخرى للحصول على مكونات الهواء بشكل منفصل ، على سبيل المثال ، يمكن الحصول على الأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للهواء ، ولكن هذا غالبًا ما يقتصر على فصل غاز واحد فقط من الغازات المكونة ، لذا فإن التقطير التجزيئي هو أسهل عملية للحصول على أكثر من في أنقى صورها وهي الآن العملية الصناعية الأكثر شيوعًا المستخدمة ، على الرغم من تطوير عمليات أخرى.

شاهد أيضاً:   أمثلة على الكهرباء الساكنة في حياتنا

ما هي وحدة فصل الهواء (ASU)

في عملية فصل الهواء ، يتم استخلاص واحد أو كل الغازات المكونة الرئيسية من الهواء ، والمكونات الثلاثة الرئيسية هي النيتروجين (78.1٪) من أهم خصائص غاز النيتروجين أنه أخف من الهواء ، وأهمية النيتروجين للكائنات الحية من النباتات والحيوانات واضحة. الأكسجين (20.9٪) والأرجون (0.9٪) عبارة عن غازات متبقية في الهواء توجد بكميات ضئيلة وعادة لا يتم استعادتها في وحدات فصل الهواء الكبيرة جدًا (ASUs) ، ويتم استرجاع النيون والزينون والكريبتون بكميات صغيرة. يستخدم الهواء نقاط التكثيف أو الغليان مكونات مختلفة للهواء تسمح بالفصل عن طريق التقطير في درجات الحرارة المبردة والضغط الجوي. تحتوي المكونات الرئيسية للهواء على نقاط التكثيف أو الغليان التالية:

  • نيتروجين -196 درجة مئوية
  • الأكسجين -183 درجة مئوية
  • الأرجون -186 درجة مئوية

نظرًا لأن الهواء عبارة عن خليط بسيط ، فإن تسييل الهواء والتقطير يوفران عملية لفصل النيتروجين والأكسجين والأرجون بشكل فعال.

مكونات وحدة فصل الهواء الأساسية (ASU)

  • ضاغط الهواء الرئيسي (MAC)

تقوم MAC بشكل عام بضغط الهواء الجوي إلى 60-90 PSIG وتوصيله إلى النظام ، ويتم تشغيل هذه الضواغط بواسطة محركات كهربائية حيث يتم استخدام المبردات البينية لإزالة حرارة الضغط بين كل مرحلة من مراحل الضاغط وهي 2-3.

  • تنظيف الواجهة الأمامية

تستخدم ASUs الحديثة وحدة التنقية المسبقة (PPU) التي تزيل الرطوبة وثاني أكسيد الكربون ومعظم الهيدروكربونات من الهواء ، لذلك يجب إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون لمنع تكوين الجليد والجليد الجاف في العملية اللاحقة ، وعادة ما تتكون PPU من مبرد لتبريد الهواء إلى 40-55 درجة فهرنهايت ، وفاصل للمكثفات لإزالة الماء الحر ، وأحواض مملوءة بالمجفف ، وشاشة مول لامتصاص الملوثات لأنها تسمح بمرور الهواء أثناء العملية ، يكون أحد الأسطح على اتصال دائم بالعملية ، بينما يتم تجديد الطبقة الأخرى باستخدام نيتروجين النفايات الساخنة لإزالة الشوائب المتراكمة ويتم استبدالها تلقائيًا كل 5-8 ساعات.الهواء في PPU قريب جدًا من الرطوبة والكربون بدون ثاني أكسيد الكربون.

شاهد أيضاً:   ما هي حالة المادة التي لها خاصية الانتشار

تستخدم بعض وحدات ASU الأقدم مبادلات حرارية مقلوبة لتنظيف الواجهة ، وتحتوي هذه الأنظمة أيضًا على مبادلات حرارية خاصة مبردة تعمل على تجميد الرطوبة وثاني أكسيد الكربون ، مما يسمح بتدفق الهواء النظيف إلى عملية التقطير ، ويتم استبدال المسارات الموجودة في المبادل الحراري كل 3-10 دقائق. مع صمامات الفراشة ، يزيل أحد الممرات القاذورات بينما يتم تجديد الآخر بواسطة غازات المداخن الخارجة.تعد إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون عن طريق عكس المبادلات الحرارية طريقة اقتصادية من حيث رأس المال وتكاليف التشغيل.

  • المربع البارد

يحتوي صندوق المبرد على المبادلات الحرارية المبردة وأعمدة التقطير والصمامات والأنابيب المرتبطة بها نظرًا لأن أجزاء هذا النظام شديدة البرودة ، يتم تثبيت جميع المكونات داخل المبرد ثم إحاطتها بالعزل. يمكن أن تكون صناديق التبريد مستطيلة أو أسطوانية وعادة ما تكون أعلى من 200 واط اعتمادًا على قدرة ونوع نظام الأرجون. صناديق التبريد الحديثة مليئة بعزل البيرلايت ، وهو خفيف الوزن وسهل التجميع والتفكيك ، ربما تكون صناديق التبريد القديمة معبأة بإحكام بالصوف المعدني المبرد ، والمعبأ يدويًا ، لذلك قد يستغرق التثبيت والإزالة وقتًا طويلاً.

  • المتوسع

تشتمل جميع وحدات ASU باستثناء الصغيرة جدًا على موسعات. توفر الموسعات التبريد المطلوب لإنتاج السوائل في نظام عمود التقطير. يتم تغذية الهواء أو النيتروجين أو نفايات النيتروجين إلى الموسع ، مما يتسبب في دوران العجلة ونقل الطاقة إلى الضاغط أو المولد أو مكابح الزيت. ويعمل نقل الطاقة هذا على تبريد الغاز ، ومع استمرار العملية ، تصل درجة حرارة مخرج الموسع في النهاية إلى درجة حرارة التصميم أثناء تبريد نظام العمود.

  • نظام الأرجون السائل

لا توفر العديد من المصانع مرافق فصل الأرجون على الإطلاق. هناك نوعان شائعان من أنظمة الأرجون السائل حيث يتم إزالة معظم الأرجون بسهولة من ASU مع غاز المداخن. يستخدم النوع الأول عمود أرجون خام حيث يتركز الأرجون مع 2-3٪ O2 عن طريق تغذية عمود ضغط منخفض من 88-92٪ O2 ، يتم تسخين هذا الأرجون الخام وخلطه مع الهيدروجين قبل دخول مفاعل تحفيزي حيث يتحد H2 و O2 لتكوين الماء ، ثم يجفف الأرجون الرطب ويبرد مرة أخرى لدرجات حرارة التبريد ، متبوعة بـ H2 و N2 على التوالي في الفاصل وعمود التقطير.

شاهد أيضاً:   كيف تتفاعل الموجات الكهرومغناطيسية مع الأجهزة

تعتمد أنظمة الأرجون المبردة فقط على التقطير للتنقية ، حيث يلزم وجود عدد كبير من الصواني أو العبوات لفصل الأرجون عن الأكسجين ، ويمكن أن يزيد ارتفاع هذه الأعمدة عن 200 قدم ، لذلك تستخدم العديد من النباتات الجديدة أنظمة الأرجون المبردة لتجنب استخدام ضاغط الأرجون الهيدروجين أحد أبرز عيوب هذه العملية هو وقت الاسترداد الطويل بعد بدء العملية أو التفكك عدة مرات في غضون 48 ساعة.