نبذة عن عملية فصل الهواء

فصل الهواء هو العملية الأكثر شيوعًا المستخدمة لاستخراج واحد أو كل المكونات الرئيسية للهواء الجوي، وتُستخدم عملية فصل الهواء المبردة لإنتاج كميات كبيرة من الغازات التقنية بمستويات نقاوة عالية، فهي تقنية صناعية كثيفة الاستهلاك للطاقة وتستهلك كميات كبيرة من الكهرباء، وتعتبر عملية فصل الهواء بالتبريد (CAS) هو التقنية الرائدة والأكثر نضجًا لإنتاج O2 و Ar الغازية والسائلة لمختلف الصناعات مثل الصلب والبتروكيماويات والأسمدة والفحم والتسييل وهذه الصناعات تمثل مدى

أهمية الغازات في حياتنا

.[1]

كيف تتم عملية فصل الهواء

تتم عملية فصل الهواء إلى الغازات الرئيسية المكونة للهواء من خلال عملية التقطير التجزيئي، ويكون الهدف من معالجة الهواء هو التخلص من الشوائب مثل الغبار والرطوبة، ثم يتم إدخال الغازات في عمود التقطير الجزئي، حيث تنخفض درجة الحرارة تدريجيًا حتى تبدأ المكونات في الانفصال على شكل سائل، ويسيل الغاز ذو أعلى نقطة غليان ويفصل أولاً وتستمر العملية حتى يتم الحصول على جميع الغازات المكونة كسوائل، وتكون الغازات المسيلة الناتجة تتميز بدرجة نقاء عالية، ولابد في هذه العملية إزالة ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء بشكل مسبق لأنه يمكن أن يصلب 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.[2]

ما هي وحدة فصل الهواء (ASU)

في عملية فصل الهواء يتم استخراج واحد أو كل الغازات الرئيسية المكونة للهواء، وتكون المكونات الثلاثة الرئيسية هي النيتروجين (78.1٪) ومن أهم

خصائص غاز النيتروجين

أنه أخف من الهواء وتتضح

أهمية النيتروجين للكائنات الحية

في النباتات والحيوانات، كما يكون الأكسجين (20.9٪) والأرجون (0.9٪)، والغازات المتبقية في الهواء تكون بكميات ضئيلة وعادة لا يتم استردادها، وفي وحدات فصل الهواء الكبيرة جدًا (ASU) يتم استرداد النيون والزينون والكريبتون بكميات صغيرة، يستخدم فصل الهواء المبرد نقاط التكثيف أو الغليان المختلفة لمكونات الهواء لتمكين الفصل عن طريق التقطير في درجات الحرارة المبردة، وفي الضغط الجوي تحتوي المكونات الرئيسية للهواء على نقاط التكثيف أو الغليان التالية:

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

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

مكونات وحدة فصل الهواء الأساسية (ASU)

ضاغط الهواء الرئيسي (MAC)

يقوم MAC بضغط الهواء الجوي بشكل عام إلى 60-90 PSIG ويسلمه إلى النظام، ويتم تشغيل هذه الضواغط بواسطة محركات كهربائية حيث يتم توفير مبردات بين المراحل لإزالة حرارة الانضغاط بين كل مرحلة من مراحل الضاغط والتي يوجد منها 2-3.

تنظيف الواجهة الأمامية

تستخدم ASUs الحديثة وحدة التنقية المسبقة (PPU) والتي تزيل الرطوبة وثاني أكسيد الكربون ومعظم الهيدروكربونات من الهواء، ولذلك يجب إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون لمنع تكوين الجليد والثلج الجاف في وقت آخر من العملية، وتتكون وحدة PPU عادةً من مبرد لتبريد الهواء إلى 40-55°F وفاصل للمكثفات لإزالة

الماء

الحر ووعائين مملوءة بمواد مجففة ومنخل الخلد التي تمتص الملوثات عندما تسمح للهواء بالمرور، ويكون أحد الأسطح على اتصال بالعملية بشكل دائم، بينما يتم تجديد الطبقة الأخرى باستخدام نفايات ساخنة من النيتروجين لإزالة الملوثات المتراكمة، كما يتم تبديلها تلقائيًا كل 5-8 ساعات، الهواء في PPU يكون قريب جدًا من الرطوبة وخالي من ثاني أكسيد الكربون.

تستخدم بعض وحدات ASU القديمة المبادلات الحرارية العكسية لإنجاز تنظيف الواجهة الأمامية، كما تحتوي هذه الأنظمة على مبادلات حرارية خاصة، مبردة تعمل على تجميد الرطوبة وثاني أكسيد الكربون مما تسمح بتدفق الهواء النظيف إلى عملية التقطير، ويتم تبديل الممرات في المبادل الحراري كل 3-10 دقائق بسلسلة من صمامات الفراشة، يزيل أحد الممرات الملوثات بينما يتم تجديد الآخر عن طريق

غازات

العادم الصادرة، ويعتبر إزالة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون عن طريق عكس المبادلات الحرارية طريقة اقتصادية من حيث تكلفة رأس المال وتكلفة التشغيل.

المربع البارد

يحتوي صندوق التبريد على المبادلات الحرارية المبردة وأعمدة التقطير والصمامات والأنابيب المرتبطة بها، نظرًا لأن أجزاء هذا النظام شديدة البرودة يتم تثبيت جميع المكونات داخل صندوق التبريد ثم تغليفها بالعزل، يمكن أن تكون الصناديق الباردة مستطيلة أو أسطوانية وعادة ما تكون طويلة وبعضها يزيد عن 200 على حسب السعة ونوع نظام الأرجون، تمتلئ صناديق التبريد الحديثة بعزل البيرلايت ويتميز بأنه خفيف وسهل التركيب والإزالة، وقد تكون صناديق التبريد القديمة معبأة بإحكام مع الصوف الصخري المبرد، والذي يتم تعبئته يدويًا ولذلك قد يستغرق التثبيت والإزالة وقتًا طويلاً.

المتوسع

تحتوي جميع وحدات ASU باستثناء بعض الوحدات الصغيرة جدًا على موسعات، حيث توفر الموسعات التبريد المطلوب لإنتاج السوائل في نظام عمود التقطير، ويتم تغذية الهواء أو النيتروجين أو نفايات النيتروجين إلى الموسع، مما يتسبب في دوران العجلة ونقل الطاقة إلى ضاغط أو مولد أو مكابح الزيت، يؤدي نقل الطاقة هذا إلى تبريد الغاز، وباستمرار العملية تصل درجة حرارة مخرج الموسع في النهاية إلى درجة حرارة التصميم أثناء تبريد نظام العمود.

نظام الأرجون السائل

لا توفر العديد من المصانع معدات فصل الأرجون على الإطلاق، ويوجد نوعان شائعان من أنظمة الأرجون السائلة يتم فيهما خروج معظم الأرجون بسهولة من ASU مع غاز العادم، ويكون النوع الأول يستخدم 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 تحفيزي حيث يتحد H2 و O2 لتكوين الماء، ويتم بعد ذلك تجفيف الأرجون الرطب وتبريده مرة أخرى إلى درجات حرارة مبردة وبعد ذلك يتم إزالة H2 و N2 في فاصل وعمود التقطير على التوالي.

تعتمد أنظمة الأرجون المبردة فقط على التقطير من أجل التنقية، نظرًا لأن الأمر يتطلب عددًا كبيرًا من الصواني أو التعبئة لفصل الأرجون عن الأكسجين، يمكن أن يزيد ارتفاع هذه الأعمدة عن 200 قدم، حيث تستخدم العديد من المصانع الجديدة أنظمة الأرجون المبردة لتجنب استخدام ضاغط الأرجون والهيدروجين في هذه العملية، ومن أبرز عيوبها هو وقت الاسترداد الطويل لتحقيق النقاء بعد بدء العملية أو الانهيار عدة مرات على مدار 48 ساعة.[3]