فرآيندهاي جداسازي هوا

فرآيندهاي جداسازي هوا Air Separation Processes

فرآيندهاي جداسازي هوا

فرآيندهاي جداسازي هوا :

گازهاي صنعتي مثل O₂، N₂، H₂ و CO را مي‌توان به روش‌هاي گوناگوني توليد كرد: در اين فرآيندها، هوا به عنوان ماده اوليه‌اي است كه گازهاي تشكيل دهنده آن به شكل خالص جدا مي‌شود. سپس هوا تحت فشار قرار مي‌گيرد و به مايع تبديل مي‌شود. فرآيند مايع سازي در دماهاي بي‌نهايت پايين صورت مي‌گيرد. هوا تا دماي (-185^°C) -300^°F سرد مي‌شود و سپس به عناصر تشكيل دهنده‌اش يعني اكسيژن، آرگون و نيتروژن مايع تجزيه مي‌شود.

فرايند جداسازي هوا را مي‌توان به دو دسته طبقه‌بندي كرد:

• · سيستم برودتي: در اين روش براي توليد محصولات گازي (و مايع) از دماهاي خيلي پايين استفاده مي‌شود و بدين‌ترتيب اجزاء تشكيل دهنده هوا از يكديگر جدا مي‌شود و محصولي با درجه خلوص معين بوجود مي‌آيد.

سيستم غيربرودتي: در اين روش محصولات گازي توسط فرآيندهاي جداسازي و در دماي محيط توليد مي‌شوند و در اين روش براي توليد اكسيژن و نتيروژن از ويژگي‌هاي گوناگون گاز مثل ساختار، اندازه و جرم مولكولي آن‌ها استفاده مي‌شود.

روش‌هاي غير برودتي را مي‌توان به چند دسته تقسيم كرد:

• · جذب سطحي توسط نوسان فشار PSA
• جذب سطحي توسط نوسان خلع USA
• · جداسازي غشايي

جذب سطحي توسط نوسان فشار Pressure Swing Adsorption (Psa) در فرآيندهاي جداسازي هوا

PSA يكي از مقرون‌ به صرفه‌ترين و رايج‌ترين روش‌هاي تجاري براي تصفيه هيدروژن، جداسازي هوا و خشك‌كن‌هاي كوچك است. PSA در دهه 1960 پديدار شد و امروزه اين سيستم داراي كاربردهاي بسيار زياد ديگري است از جمله بازيافت متان از گاز زيرزميني، توليد دي اكسيدكربن و غيره.

سيستم‌هاي PSA در حقيقت بر اين اساس كار مي‌كنند كه گازها تحت فشار تمايل دارند به سطوح جامد جذب شوند. هر چقدر كه فشار بالاتر باشد گاز بيشتري جذب مي‌شود، با كاهش فشار، گاز جذب شده آزاد مي‌شود. از سيستم‌هاي PSA مي‌تواند براي جداسازي چندين گاز استفاده كرد. زيرا گازهاي متفاوت داراي تمايل‌هاي گوناگوني براي جذب شدن به سطوح جامد هستند.

يك سيستم PSA شامل يك فرآيند چرخه‌اي است كه چندين مخزن حاوي مواد جاذب بطور پيوسته تحت مراحل فشار ديمي و فشارزدايي قرار مي‌گيرند و بدين‌ترتيب جريان پيوسته‌اي از گاز خالص توليد مي‌كنند.

مواد جاذب :

از جمله جاذب‌هايي كه به طور رايج استفاده مي‌شوند شامل كربن فعال شده، ژله سيليسي، آلومين و زئوليت است. دستگاه هاي PSA از طريق گذراندن هوا از مخزن‌هاي حاوي يك يا چند نوع از اين مواد گاز نيتروژن و اكسيژن توليد مي‌كنند، رايج‌ترين مواد جاذب شامل:

• · در سيستم PSA اكسيژن چندين غربال مولكولي زئوليت وجود دارد كه بطور انتخابي نيتروژن، رطوبت و گاز دي‌اكسيدكربن را جذب مي‌كنند. بدين‌ترتيب مولكول‌هاي اكسيژن مي‌توانند از طريق مجراي از دستگاه جدا شوند.

در سيستم PSA نيتروژن چندين ماده كربن فعال وجود دارد كه اكسيژن و عناصر ديگر را جذب مي‌كنند.

مواد زيوليت در فرايندهاي جداسازي هوا

نام زيوليت داراي ريشه يوناني است به معني “صخره جوشان”. اين نامگذاري به علت توانايي مواد معدني براي جذب آب است كه هنگام گرما دادن به راحتي آب را از خود خارج مي‌كنند. ارزيابي ويژگي‌هاي گوناگون و منحصر به فرد زيوليت منجر به ساخت موفقيت‌آميز چندين گونه از آن در دهه 1950 شد، و صنعت عمده‌اي در خصوص استفاده از زيوليت‌هاي مصنوعي در چندين كاربرد صنعتي ايجاد شده است.

با استفاده از ويژگي كريستال‌هاي غربال مولكولي كه گازهاي تشكيل دهنده هوا را بطور انتخابي جذب مي‌كنند مي‌توان گاز اكسيژن را در دستگاههاي كوچكي و با مصرف انرژي اندكي جمع‌آوري كرد. بازدهي اين سيستم در فشارهاي خيلي بالا، دماي پايين، و غلظت‌ بالاتر گازهايي كه بايد جذب شوند، افزايش مي‌يابد.

اجزاء تشكيل دهنده سيستم PSA در فرايندهاي جداسازي هوا

اجزاء اصلي شامل در فرايندهاي جداسازي هوا :

• · دو ظرف غربال كربن يا زيوليت
• · ظرف جمع‌آوري نيتروژن يا اكسيژن
• · خشك‌كن تبريدي
• · كمپرسور هوا
• · مخزن هوا
• · صافي‌‌هاي هوا
• · هواي غني شده از اكسيژن

سيستم‌هاي PSA سنتي كه امروزه در صنعت استفاده مي‌شوند از 4 تا 16 مخزن بزرگ تشكيل شده‌اند كه توسط شبكه پيچيده‌اي از لوله‌ها و شيرها به يكديگر مرتبط شده‌اند و بدين‌ترتيب جريان‌هاي گاز بين مخزن‌ها قطع و وصل مي‌شود. اين سيستم‌هاي PSA معمولاً در سرعت‌هاي كندي كار مي‌كنند حدود 0.05- 0.5 چرخه/ دقيقه زيرا اگر سرعت چرخه‌ها سريع باشد دانه‌هاي مواد جاذب در مخزن شناور شده و فرسوده و سرانجام خراب مي‌شوند.

مراحل كار سيستم PSA در فرايندهاي جداسازي هوا

• · گاز به عنوان ماده خام اوليه به داخل استوانه پرفشاري وارد مي‌شود.
• · استوانه داراي گلوله‌هاي جاذب است.
• · ناخالصي‌هاي موجود در گاز از جمله دي اكسيدكربن به سطوح داخلي اين گلوله‌ها جاذب جذب مي‌شوند.

• · هيدروژن در مخزن باقي مي‌ماند، كه بيشتر آن به صورت هيدروژن خالص خارج مي‌شود.
• · فشار داخل استوانه كاهش مي‌يابد، ناخالصي‌ها از مواد جاذب خارج مي‌شوند.

كاربرد سيستم‌هاي PSA در فرايندهاي جداسازي هوا

• · بخارهاي بنزين
• · بخارهاي نفت شيرين
• · مواد شيميايي بخصوص از جمله آلكان‌هاي سبك و سنگين‌‌تر
• · عامل‌هاي تبادل گريوني
• · خشك‌كننده‌ها
• · كاتاليزورها در پالايش بنزين
• · جاذب‌ها براي جداسازي گاز
• · به عنوان حامل در مواد پاك كننده

جذب سطحي توسط نوسان خلع در فرايندهاي جداسازي هوا

vacuum swing adsorption (vsa or vpsa)

جداسازي هوا براي توليد اكسيژن به عنوان عمليات مهمي در صنعت تصفيه شيميايي و نيز فرايندهاي تبديل انرژي محسوب مي‌شود. اين جداسازي عمدتاً توسط تقطير سرمازي انجام شده است علي‌رغم اينكه سيستم‌هاي برآشامي داراي كارايي بيشتر و جديد هستند. سيستم‌هاي VSA بطور پيوسته در حال رقابت مي‌باشند و هم‌اكنون براي عمليات‌هايي در مقياس كوچك تا متوسط مناسب مي‌باشند. در حال حاضر تقريباً 20% جداسازي هوا با استفاده از اين روش انجام مي‌گيرد.

اين سيستم قادر است از طريق عمليات جذب و واجذبي و فقط تحت شرايط فشار خلع اكسيژن را با درجه خلوص بالايي توليد كند. در هر تن اكسيژن توليد شده چندين كيلو وات ساعت از مصرف انرژي كاهش مي‌يابد.

رايج‌ترين مواد جاذب شامل در فرايندهاي جداسازي هوا :

• · براي دستگاه اكسيژن انواع گوناگوني از غربال‌هاي مولكولي زيوليت وجود دارد، اين غربال‌ها بطور انتخابي نيتروژن، رطوبت و دي‌اكسيدكربن را جذب مي‌كنند. بدين‌ترتيب مولكولهاي اكسيژن در دستگاه باقي مي‌مانند و اكسيژني با كيفيت پايين توليد مي‌شود، معمولاً درجه خلوص 95% تا 90.
• · براي دستگاه نيتروژن، به جاي زيوليت از غربال مولكولي كربن استفاده مي‌شود كه اين غربال‌ها اكسيژن را جذب مي‌كنند و بدين‌ترتيب نيتروژن با درجه خلوص 99.99% بوجود مي‌آيد.

اجزاء تشكيل دهنده سيستم VSA

اجزاء اصلي آن شامل در فرايندهاي جداسازي هوا :

• · دو ظرف حاوي غربال زيوليت يا كربن
• · مخزن دريافت نيتروژن يا اكسيژن
• · خشك‌كن تبريدي
• · كمپرسور
• · مخزن دريافت هوا
• · صافي‌هاي هوا
• · هواي مملو از اكسيژن
• · دستگاه مكش

سيستم VSA در فرايندهاي جداسازي هوا

اين سيستم مشابه سيستم PSA است. تنها تفاوت اين است كه اين فرايند در فشار پايين‌تري يعني تقريباً در خلع صورت مي‌گيرد. مراحل اصلي شامل:

• · ابتدا هواي كم‌فشار وارد مخزن مي‌شو‌د، و فرايند جذب سطحي N₂ آغاز مي‌شود.
• · قبل از اينكه زيوليت به حد تعادل برسد، يا وقتي كه O₂ در حال جذب شدن است، گاز تحت فشار در اولين مخزن به دومين مخزن در فشار پايين‌تر (خلع) تخليه مي‌شود.
• · سپس N₂ باقي مانده در اولين مخزن از زيوليت رها مي‌شود و در فشار اتمسفري تهويه مي‌گردد.
• · تمام عمليات‌ مربوط به باز شدن و بسته شدن شيرها بطور خودكار و توسط سيستم PLC انجام مي‌شود.

مزيت‌هاي VSA در فرايندهاي جداسازي هوا

• · وقتيكه ميزان توليد از 30 تا 20 تن در هر روز تجاوز كند استفاده از سيستم VSA مقرون به صرفه خواهد بود.
• · VSA قادر است در فشار اتمسفري گازهاي محصول را توليد كند.
• · انرژي جداسازي پايين‌تر است.
• · انرژي كلي پايين است از جمله انرژي مورد نياز براي فشرده سازي محصول

كاربردهاي VSA در فرايندهاي جداسازي هوا

• · كاربردهاي پيل شيميايي
• · فرايند صنعتي جذب گاز
• · استراتژي‌هاي جداسازي
• · در صنعت شيمي

جداسازي غشايي Separation Membranes در فرايندهاي جداسازي هوا

غشاء به عنوان مانعي است كه مواد گوناگون شيميايي به روش انتخابي از آن عبور مي‌كنند. يك غشاء مي‌تواند همگن يا ناهمگن باشد، داراي ساختاري متقارن يا غيرمتقارن باشد، جامد يا مايع باشد، بتواند بار مثبت يا منفي را حمل كند و يا خنثي يا دو قطبي باشد.

در سيستم جداساز غشايي يك جريان ورودي؛ به دو جريان خروجي، تجزيه مي‌شود. اين دو جريان به استتار (Concentrate) و نفوذ (Permeate) مشهور هستند. جريان Permeat بخشي از سيال است كه از غشاء عبور مي‌كند. در حاليكه جريان Concentrate داراي عناصري است كه نمي‌توانند از غشاء عبور كنند. اين سيستم براساس نفوذ انتخابي گاز كار مي‌كند.

غشاءهاي فيبري با حفره پوليمري داراي ديواره‌هاي نازك و قابل نفوذي هستند كه گازها براساس ميزان قابليت نفوذپذيري‌شان از آنها عبور مي‌كنند. اكسيژن و بخار آب سريعاً به داخل غشاء نفوذ

مي‌كنند و بدين‌ترتيب نيتروژن باقي مانده به عنوان جريان محصول از مجراهاي فيبري جاري مي‌شود.

نيتروژن با فشار نزديك به فشار هواي فشرده ورودي از دستگاههاي شيميايي خارج مي‌شود. در بسياري از كاربردها اين به اين معني است كه ديگر نيازي به فشرده سازي اضافي محصول نيست. به اين علت كه هيچ قطعه متحركي در اين سيستم وجود ندارد بنابراين دستگاههاي غشايي را مي‌توان سريعاً و هر وقت كه لازم است روشن و خاموش كرد.

گازهاي گوناگوني و با سرعت‌هاي گوناگوني از غشاءهاي معين مي‌گذرند و بدين‌ترتيب امكان جداسازي جزئي فراهم مي‌شود. ميزان نفوذ رابطه مستقيمي با اختلاف فشار در غشاء و رابطه معكوسي با ضخامت غشاء دارد. همچنين ميزان نفوذ رابطه مستقيمي با قابليت انحلال گاز در غشاء و همچنين نفوذپذيري گاز دارد.

جداسازي گاز تحت تأثير سه ويژگي كليدي غشاءها قرار دارد:

• · گزينش‌پذيري نسبت به گازهاي جدا شده
• · نفوذپذيري سطح غشاء
• · طول عمر غشاء، مراقبت و نگهداري و هزينه‌هاي تعويض

مزيت سيستم غشايي

• · دستگاههاي غشايي براي كاربردهاي نسبتاً پايين مقرون به صرفه‌تر است.
• · ساختار مدوله‌اي (بخش بخشي) كه براي دستگاههايي كه ظرفيت بزرگتري دارند استفاده مي‌شود باعث ايجاد دستگاههايي با ظرفيت بالا شده است كه هزينه جداسازي و ظرفيت توليد در هر يك از اين دستگاهها نسبتاً ثابت است.
• · متراكم بودن و سبك بودن
• · هزينه نيروي كار پايين‌تر
• · طرح مدوله‌اي كه امكان توسعه يا عمليات در ظرفيت پايين‌تر را فراهم مي‌آورد.
• · نياز كم به انرژي

كاربردهاي جداسازي غشايي

• · قابل كاربرد در صرفه‌جويي انرژي
• · بي‌خطر براي محيط زيست
• · تكنولوژي پاكيزه و عملكرد راحت
• · جايگزيني براي روش‌هاي سنتي مثل تصفيه (filtration)، تقطير، مبدل يوني و سيستم‌هاي  تصفيه شيميايي
• · توليد محصول با كيفيت
• · انعطاف‌پذيري بيشتر در طراحي سيستم‌ها