كيف تتم عملية فصل الهواء

نبذة عن عملية فصل الهواء 

عملية فصل الهواء هي الطريقة الأكثر شيوعا المستخدمة لاستخلاص جميع أو بعض المكونات الرئيسية للهواء الجوي، وتستخدم عملية فصل الهواء المبردة لإنتاج كميات كبيرة من الغازات التقنية بنقاوة عالية. إنها تقنية صناعية تستهلك الكثير من الطاقة والكهرباء، وتعتبر عملية فصل الهواء بالتبريد (CAS) هي التقنية الرائدة والأكثر نضجا لإنتاج الأوكسجين والأرغون الغازيين والسائلين لصناعات مختلفة مثل صناعة الصلب والبتروكيماويات والأسمدة والفحم والتكثيف، وتظهر هذه الصناعات أهمية الغازات في حياتنا

كيف تتم عملية فصل الهواء 

يتم فصل الهواء إلى الغازات الرئيسية المكونة للهواء عن طريق عملية التقطير التجزيئي في عام 1966. الهدف من معالجة الهواء هو التخلص من الشوائب مثل الغبار والرطوبة. ثم يتم إدخال الغازات في ع colonم التقطير الجزئي، حيث تنخفض درجة الحرارة تدريجيا حتى تبدأ المكونات في الانفصال على شكل سائل. يتم فصل الغاز ذو أعلى نقطة غليان أولا، وتستمر العملية حتى يتم الحصول على جميع الغازات كسوائل. الغازات المسيلة الناتجة تتميز بدرجة نقاء عالية. يجب إزالة ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء قبل هذه العملية لأنه قد يتجمد ويسد النظام.

وهناك طرق أخرى للحصول على مكونات الهواء بشكل منفصل، على سبيل المثال يمكن الحصول على الأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للهواء، ولكن يقتصر في معظم الأحيان على فصل غاز واحد فقط من الغازات المكونة، ولذلك يكون التقطير التجزيئي هو أسهل عملية حيث يتم الحصول على أكثر من مكون في أنقى صوره وهو أكثر العمليات استخدامًا صناعيًا الآن على الرغم من تطوير عمليات أخرى.

ما هي وحدة فصل الهواء (ASU)

في عملية فصل الهواء، يتم استخراج واحد أو كل الغازات الرئيسية المكونة للهواء، وتتألف من ثلاثة مكونات رئيسية وهي النيتروجين (78.1٪) والأكسجين (20.9٪) والأرجون (0.9٪)، ويتضح أن النيتروجين أخف من الهواء، ويكون النيتروجين مهما للكائنات الحية في النباتات والحيوانات. والغازات المتبقية في الهواء تكون بكميات ضئيلة ولا يتم استردادها عادة، وفي وحدات فصل الهواء الكبيرة جدا (ASU)، يتم استرداد النيون والزينون والكريبتون بكميات صغيرة. في عملية فصل الهواء، يتم استخدام المبرد لتمكين الفصل بواسطة التقطير في درجات الحرارة المنخفضة، وفي الضغط الجوي، تحوي المكونات الرئيسية للهواء على نقاط تكثيف أو غليان مختلفة

• النيتروجين -196° س
• الأكسجين -183° س
• الأرجون -186° س

نظرًا لأن الهواء عبارة عن خليط بسيط، فإن عملية إسالة الهواء وتقطيره تُستخدم لفصل النيتروجين والأكسجين والأرجون بنجاح.

مكونات وحدة فصل الهواء الأساسية (ASU)

• ضاغط الهواء الرئيسي (MAC)

يقوم نظام MAC بضغط الهواء الجوي إلى ما يتراوح بين 60-90 PSIG وتوصيله إلى النظام، وتعمل هذه الضواغط بواسطة محركات كهربائية، كما يتم توفير مبردات بين كل مرحلة من مراحل الضاغط (والتي يوجد منها 2-3) لإزالة حرارة الانضغاط.

• تنظيف الواجهة الأمامية

تستخدم وحدة التنقية المسبقة (PPU) في ASUs الحديثة لإزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون ومعظم الهيدروكربونات من الهواء. وبالتالي، يجب إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون لمنع تكوين الجليد والثلج الجاف في وقت لاحق من العملية. تتألف وحدة PPU عادة من مبرد يبرد الهواء إلى 40-55 درجة فهرنهايت وفاصل للمكثفات لإزالة الماء الحر، ووعائين مملوءة بمواد مجففة ومنخل الخلد الذي يمتص الملوثات عندما يسمح للهواء بالمرور. يتم الاتصال بإحدى الأسطح بشكل دائم بالعملية، بينما يتم تجديد الطبقة الأخرى باستخدام نفايات ساخنة من النيتروجين لإزالة الملوثات المتراكمة. يتم تبديلها تلقائيا كل 5-8 ساعات. الهواء في وحدة PPU يكون قريبا جدا من الرطوبة وخاليا من ثاني أكسيد الكربون

يستخدم بعض وحدات ASU القديمة بدائل حرارية عكسية لتنظيف الواجهة الأمامية، كما تحتوي هذه الأنظمة على مبادلات حرارية خاصة، وهي عبارة عن مبردات تعمل على تجميد الرطوبة وثاني أكسيد الكربون، مما يسمح بتدفق الهواء النظيف إلى عملية التقطير، وتتم عملية تبديل الممرات في المبادل الحراري كل 3-10 دقائق باستخدام سلسلة من صمامات الفراشة، حيث يتم إزالة الممر الذي يحتوي على الملوثات بينما يتم تجديد الممر الآخر باستخدام الغازات العادمة. ويعد إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون عن طريق عكس المبادلات الحرارية طريقة اقتصادية من حيث تكلفة رأس المال وتكلفة التشغيل

• المربع البارد

يتم وضع المبادلات الحرارية المبردة وأعمدة التقطير والصمامات والأنابيب المرتبطة بها داخل صندوق التبريد، ويتم تثبيت جميع المكونات بسبب شدة البرودة في هذا النظام، ثم يغلف الصندوق بالعزل. يمكن أن تكون صناديق التبريد مستطيلة أو أسطوانية، وتكون عادة طويلة، ويمكن أن يزيد طول بعضها عن 200 بحسب سعتها ونوع نظام الأرجون. يتم ملء صناديق التبريد الحديثة بعزل البيرلايت الذي يتميز بأنه خفيف وسهل التركيب والإزالة، في حين يتم تعبئة صناديق التبريد القديمة بإحكام بالصوف الصخري المبرد الذي يتم تعبئته يدويا، ولذلك قد يستغرق وقتا طويلا للتثبيت والإزالة.

• المتوسع

تحتوي جميع وحدات ASU، باستثناء بعض الوحدات الصغيرة جدا، على موسعات. توفر الموسعات التبريد اللازم لإنتاج السوائل في نظام عمود التقطير، ويتم إمداد الموسع بالهواء أو النيتروجين أو نفايات النيتروجين، مما يتسبب في دوران العجلة ونقل الطاقة إلى ضاغط أو مولد أو مكابح الزيت. يؤدي نقل الطاقة هذا إلى تبريد الغاز، ومع استمرار العملية، يصل درجة حرارة مخرج الموسع في النهاية إلى درجة الحرارة المصممة لتبريد نظام العمود.

• نظام الأرجون السائل

غالبا ما لا يتوفر معدات فصل الأرجون في العديد من المصانع، وهناك نوعان شائعان من أنظمة فصل الأرجون السائلة؛ حيث يتم في النوعين خروج معظم الأرجون بسهولة من ASU مع غاز العادم. ويتم استخدام النوع الأول من عمود الأرجون الخام، الذي يركز على الأرجون بنسبة 2-3٪ من O2، من خلال تغذية عمود الضغط المنخفض بنسبة 88-92٪ O2، ويتم تسخين هذا الأرجون الخام وخلطه مع الهيدروجين قبل دخول مفاعل التحفيز، حيث يتحد الهيدروجين والأكسجين لتشكيل الماء، ويتم بعد ذلك تجفيف الأرجون الرطب وتبريده مرة أخرى إلى درجات حرارة مبردة، ثم يتم إزالة الهيدروجين والنيتروجين بالترتيب في فاصل وعمود التقطير

تعتمد أنظمة التبريد بالأرجون فقط على التقطير لتنقيته، نظرا لاحتياجها لعدد كبير من الأوعية أو اللوحات لفصل الأرجون عن الأكسجين. قد يصل ارتفاع هذه الأعمدة إلى أكثر من 200 قدم، حيث تستخدم العديد من المصانع الجديدة أنظمة التبريد بالأرجون لتجنب استخدام ضاغط الأرجون والهيدروجين في هذه العملية. ومن أبرز عيوبها الاستفادة المطولة لتحقيق النقاء بعد بدء العملية أو الانهيار المتكرر على مدار 48 ساعة.