واحد جداسازی هوا (ASU) چیست؟ اصول، فرآیندها و کاربردها

مقدمه
در چشم انداز صنایع سنگین مدرن، تولید مواد شیمیایی و مراقبت های پزشکی، گازهای پایه خاصی در مقادیر انبوه مورد نیاز است. عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و آرگون با خلوص بالا برای فولادسازی، ساخت وسایل الکترونیکی، فرآیندهای تبدیل به گاز و سیستم‌های پشتیبانی حیاتی ضروری هستند. با این حال، این گازها به شکل عنصری خالص خود در جو زمین وجود ندارند. در عوض، آنها در مخلوطی همگن متشکل از هفتاد{4}}هشت درصد نیتروژن، بیست-درصد اکسیژن و یک درصد آرگون، در کنار مقادیر کمی از دی اکسید کربن، بخار آب، نئون، هلیوم، کریپتون و زنون قرار می‌گیرند.
استخراج این گازها در مقیاس تجاری نیازمند یک کارخانه صنعتی تخصصی و بسیار پیچیده است که به عنوان واحد جداسازی هوا (ASU) شناخته می شود. یک واحد جداسازی هوا بر اساس اصول تقطیر برودتی عمل می کند، هوای جوی محیط را می گیرد و آن را تا دمای مایع خنک می کند که در آن اجزای جداگانه را می توان بر اساس نقطه جوش متمایزشان جدا کرد. درک اصول ترمودینامیکی، مراحل پردازش چند مرحله‌ای، و کاربردهای صنعتی متنوع یک واحد جداسازی هوا برای مهندسان شیمی، اپراتورهای کارخانه و استراتژیست‌های صنعتی که به تامین بی‌وقفه گاز متکی هستند، ضروری است. این مقاله جامع، شگفتی مهندسی پشت جداسازی هوا را بررسی می‌کند، و توضیح می‌دهد که چگونه هوای محیط به گازهای{4} صنعتی با خلوص بالا تبدیل می‌شود که زنجیره‌های تامین جهانی را حفظ می‌کنند.

 

اصول ترمودینامیکی جداسازی هوا
عملکرد یک واحد جداسازی هوا به شدت بر قوانین اساسی ترمودینامیک، تغییرات فاز، و رفتار پیچیده مخلوط‌های گازهای چند جزئی در دماهای برودتی متکی است. در حالی که جداسازی گاز ساده را می توان از طریق فیلتراسیون غشایی یا جذب نوسان فشار (PSA) برای نیازهای خلوص کمتر به دست آورد، تقطیر برودتی تنها فناوری است که قادر به تولید اکسیژن، نیتروژن و آرگون با خلوص بالا به طور همزمان در مقیاس تجاری گسترده است.
تقطیر کسری در دماهای برودتی
در قلب هر واحد جداسازی هوا، اصل تقطیر جزئی وجود دارد که مخلوط های شیمیایی را بر اساس تفاوت در نقاط جوش آنها تحت فشارهای عملیاتی خاص جدا می کند. تحت فشار اتمسفر استاندارد، اجزای اولیه هوا دارای نقاط جوش بسیار متفاوتی هستند: نیتروژن تقریباً در منفی صد و نود-شش درجه سانتیگراد، آرگون در منفی صد و هشتاد-شش درجه سانتیگراد و اکسیژن در منفی صد و هشتاد{3} درجه سانتیگراد می‌جوشد. از آنجایی که این نقاط جوش بسیار کم هستند، قبل از اینکه تقطیر انجام شود، ابتدا باید هوا را از طریق سردسازی شدید مایع کرد. ستون های تقطیر برودتی در داخل ASU از یک سری بسته بندی ساختاریافته یا سینی های غربال استفاده می کنند که تماس صمیمی و مداوم بین بخارهای صعودی و جریان های برگشتی مایع نزولی را تسهیل می کند. این مکانیسم انتقال جرم به اجزای با نقطه جوش پایین تر مانند نیتروژن اجازه می دهد تا به بالای ستون بالا بروند در حالی که اجزای با نقطه جوش بالاتر مانند اکسیژن در پایین تجمع می یابند.
ژول-اثر تامسون و چرخه های تبرید
برای دستیابی به دماهای برودتی مورد نیاز برای مایع کردن هوا، یک واحد جداسازی هوا از چرخه های تبرید پیشرفته بر اساس ترمودینامیک استفاده می کند، که مهم ترین آنها اثر ژول-تامسون و خنک کننده توربین انبساط است. از آنجایی که گاز فشار بالا می‌تواند به سرعت از طریق یک شیر یا توربین انبساط بدون تبادل گرما با محیط خود منبسط شود، به دلیل تغییرات آنتالپی کاهش قابل توجهی در دما تجربه می‌کند. ASU های مدرن از چرخه های تبرید کلود یا بریتون معکوس استفاده می کنند، جایی که بخشی از هوای فشرده از طریق توربو انبساط کننده های با راندمان بالا منبسط می شود تا ظرفیت خنک کننده لازم برای حفظ شرایط برودتی در ستون های تقطیر ایجاد شود. این تضمین می کند که کارخانه می تواند به طور مداوم در یک حالت ثابت بدون نیاز به منابع سرمایشی مایع خارجی پس از اتمام خنک سازی اولیه راه اندازی کار کند.

 

فرآیند چند مرحله‌ای: چگونه یک واحد جداسازی هوا کار می‌کند
تبدیل هوای اتمسفر محیط به محصولات{0}مایع یا گاز فوق‌العاده خالص، یک فرآیند مهندسی مداوم و چند مرحله‌ای است که کنترل دقیق فشار، دما و نرخ جریان جرم را می‌طلبد. یک واحد جداسازی هوای صنعتی معمولی در چندین مرحله عملیاتی مجزا از ورودی تا توزیع نهایی پیشرفت می کند.
فشرده سازی و تصفیه
این فرآیند با ورود هوای اتمسفر از طریق فیلتر خانه‌های{0}محافظه‌شده با آب و هوا شروع می‌شود که برای حذف ذرات جامد، گرد و غبار، گرده و آلاینده‌های موجود در هوا طراحی شده‌اند که می‌توانند تجهیزات پایین دست را آلوده کنند. پس از فیلتر کردن، یک کمپرسور هوای چند مرحله‌ای گریز از مرکز یا محوری، فشار هوا را افزایش می‌دهد، که معمولاً از پنج تا ده بار برای نیروگاه‌های{3}}فشار پایین استاندارد، یا بیشتر برای چرخه‌های تخصصی فشار بالا{4}} متغیر است. فشرده‌سازی هوا را به‌دلیل کار آدیاباتیک به‌طور قابل‌توجهی گرم می‌کند، بنابراین باید از میان خنک‌کننده‌ها و پس‌کولرها عبور کند تا دما به سطوح نزدیک به-محیط کاهش یابد. پس از خنک شدن، هوای فشرده وارد یک واحد پیش{8} تصفیه (PPU) می شود. PPU از بسترهای متناوب دوگانه آلومینا فعال و غربال های مولکولی برای پاک کردن رطوبت باقیمانده، دی اکسید کربن و هیدروکربن های فرار استفاده می کند. حذف آب و دی اکسید کربن بسیار مهم است زیرا این ترکیبات فوراً در دماهای برودتی منجمد می شوند، مبدل های حرارتی داخلی را مسدود می کنند و خطرات ایمنی شدیدی را به وجود می آورند، به ویژه در مورد تجمع هیدروکربن های انفجاری.
تبادل حرارت و مایع سازی
پس از تصفیه دقیق، هوای تمیز و خشک وارد مبدل حرارتی صفحه‌ای آلومینیومی لحیم‌شده-می‌شود که معمولاً به عنوان مبدل حرارتی اصلی از آن یاد می‌شود. در اینجا، هوا با تبادل حرارتی ضد{2}}جریان با جریان‌های محصول سرد، از جمله جریان‌های نیتروژن خالص و اکسیژن که از ستون‌های تقطیر بالا می‌آیند، تا دمای برودتی خنک می‌شود. این ادغام حرارتی راندمان ترمودینامیکی را به حداکثر می رساند و ورودی انرژی خارجی را به حداقل می رساند. در زمان خروج هوا از مبدل حرارتی اصلی، بخش قابل توجهی از آن تا نقطه مایع سازی خنک شده و آماده ورود به ستون های جداسازی برای تقطیر جزئی است.
تقطیر دو ستونی-(ستون دوتایی لیند)
جداسازی هسته در داخل جعبه سرد انجام می شود، محفظه ای با عایق شدید که ستون های تقطیر، کندانسورها و لوله ها را در خود جای داده است. اکثر واحدهای جداسازی هوا صنعتی از آرایش ستونی دوتایی استفاده می‌کنند که از یک ستون-با فشار بالا و یک ستون فشار پایین{3} که به صورت حرارتی توسط یک کندانسور-اواپراتور به هم متصل شده‌اند، استفاده می‌کنند. در ستون فشار بالا، که حدود پنج تا شش بار کار می کند، هوا تا حدی به گاز نیتروژن در بالا و یک مایع غنی شده با اکسیژن- در پایین جدا می شود. این مایع{9}}اکسیژن غنی شده به ستون فشار کم منتقل می‌شود. از آنجایی که نیتروژن نقطه جوش کمتری نسبت به اکسیژن دارد، نیتروژن با خلوص بالا از بالای ستون فشار پایین{13}} کشیده می‌شود، در حالی که اکسیژن مایع یا گازی با خلوص بالا از پایین جمع‌آوری می‌شود. اگر بازیابی آرگون لازم باشد، یک ستون جانبی{16}} اختصاصی در سیستم ادغام می‌شود تا آرگون را از اکسیژن{17}مخلوط نیتروژن جدا کند و از نقطه جوش میانی آن استفاده کند.

 

کاربردهای صنعتی عمده محصولات ASU
گازهای تولید شده توسط یک واحد جداسازی هوا به عنوان مواد خام اساسی و تاسیسات در طیف وسیعی از صنایع جهانی، تولید اقتصادی، تولید تکنولوژیک و زیرساخت های مراقبت های بهداشتی را هدایت می کنند.
فولادسازی و ساخت فلز
صنعت متالورژی از نظر تاریخی بزرگترین مصرف کننده خروجی از هر واحد جداسازی هوا است. اکسیژن با خلوص بالا به کوره‌های بلند و کوره‌های اکسیژن پایه (BOFs) تزریق می‌شود تا به سرعت آهن مذاب را دفع کند و آن را به فولاد با کیفیت بالا تبدیل کند، دمای احتراق را به میزان قابل‌توجهی افزایش داده و راندمان تولید را بدون ایجاد ناخالصی‌های نیتروژنی که باعث ایجاد ناخالصی‌های نیتروژنی می‌شود، افزایش می‌دهد. نیتروژن به طور گسترده ای به عنوان یک گاز محافظ بی اثر در طی فرآیندهای بازپخت، عملیات حرارتی و برش فلز برای جلوگیری از اکسیداسیون و تشکیل رسوب استفاده می شود. علاوه بر این، آرگون به عنوان یک گاز محافظ ضروری در جوشکاری قوسی تنگستن گاز (GTAW) و جوشکاری قوس فلزی گازی (GMAW) برای محافظت از حوضچه های جوش مذاب در برابر آلودگی نیتروژن و اکسیژن اتمسفر عمل می کند و از اتصالات جوشی یکپارچگی{{5} بالا اطمینان می دهد.
فرآوری شیمیایی و پتروشیمی
سنتز شیمیایی و پالایش پتروشیمی به شدت به واحدهای جداسازی هوا در مقیاس بزرگ برای ارائه واکنش‌دهنده‌های هسته و اتمسفر محافظ وابسته است. اکسیژن یک واکنش دهنده اولیه در فرآیندهای اکسیداسیون جزئی است که برای تولید گاز سنتز (سنگ سنتز)، مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن است که متعاقباً به آمونیاک، متانول و سوخت های مایع مصنوعی تبدیل می شود. همچنین از اکسیژن در تولید واسطه های شیمیایی ارزشمند مانند اکسید اتیلن و پروپیلن اکسید استفاده می شود. نیتروژن به همان اندازه در کارخانه های شیمیایی نقش حیاتی ایفا می کند، جایی که برای پوشاندن مخازن ذخیره سازی، پاکسازی خطوط لوله، جابجایی بخارات قابل اشتعال برای جلوگیری از آتش سوزی ها و انفجارهای فاجعه بار و عمل به عنوان گاز حامل در واکنش های شیمیایی حساس استفاده می شود.
مراقبت های بهداشتی، الکترونیک و انرژی پاک
فراتر از صنایع سنگین، خروجی‌های یک واحد جداسازی هوا بخش‌های{0}فناوری پیشرفته و اجتماعی حیاتی را لمس می‌کنند. در مراقبت‌های بهداشتی، اکسیژن درجه پزشکی-از طریق شبکه‌های خط لوله یا مخازن ذخیره‌سازی برودتی برای پشتیبانی از تنفس بیمار، روش‌های جراحی و مراقبت‌های اورژانسی به بیمارستان‌ها عرضه می‌شود. در بخش تولید نیمه‌رسانا و الکترونیک، نیتروژن با خلوص فوق‌العاده{4} در مقادیر انبوه برای ایجاد محیط‌های بکر و خنثی در حین تمیز کردن ویفر، فتولیتوگرافی و بسته‌بندی تراشه‌های سیلیکونی مورد نیاز است، جایی که یک آلاینده میکروسکوپی می‌تواند کل دسته تولید را خراب کند. علاوه بر این، فناوری‌های نوظهور انرژی سبز از اکسیژن تولید شده ASU برای گازی‌سازی زغال‌سنگ پاک، سیستم‌های جذب کربن و تأسیسات پیشرفته تولید هیدروژن استفاده می‌کنند و نیروگاه‌های گاز صنعتی را در خط مقدم انتقال جهانی به سمت راه‌حل‌های انرژی پایدار قرار می‌دهند.

 

نتیجه گیری
واحد جداسازی هوا یکی از برجسته ترین دستاوردهای ترمودینامیک کاربردی و مهندسی شیمی است. با استفاده از خواص فیزیکی گازهای اتمسفر در دماهای برودتی، یک واحد جداسازی هوا به طور مداوم هوای معمولی محیط را به کالاهای صنعتی حیاتی با سطوح خلوص استثنایی تبدیل می‌کند. از مراحل اولیه فشرده‌سازی چند مرحله‌ای و مراحل خالص‌سازی دقیق گرفته تا تقطیر کسری پیچیده که در جعبه‌های سرد عایق‌شده اتفاق می‌افتد، هر زیرسیستم برای کارایی عملیاتی، قابلیت اطمینان و ایمنی بهینه طراحی شده است. همانطور که تقاضاهای صنعتی جهانی به سمت تولید پیشرفته، ابتکارات انرژی پاک و زیرساخت های بهداشتی گسترش یافته گسترش می یابد، اهمیت استراتژیک واحد جداسازی هوا همچنان به رشد خود ادامه می دهد و تضمین می کند که تامین قابل اعتماد بلوک های ساختمانی اساسی که تمدن مدرن را تقویت می کند.