روشهای استخراج گازهای موجود در هوا

اکسیژن و نیتروژن به عنوان مهمترین گازهای تشکیل دهنده هوا که در حیات موجودات زنده نقش عمده ای را ایفا میکنند، شناخته می شوند. هوا متشکل از 21% اکسیژن، 78% نیتروژن و یک در صد مابقی گازها از جمله دی اکسید کربن، گازهای بی اثر، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد و ….. است.

نام اکسیژن از کلمه یونانی OXY ( اسیدی-تیز) و لاتین gen ( تولید) تشکیل شده است که معنای تحت الفظی غلط تولید اسید را می دهد. این اعتقاد اشتباه برای اولین بار توسط لاوازیه مطرح شده بود. این گاز که از سال 1790 به بعد اکسیژن نامیده شد، برای نخستین بار در سال 1774 با نام Dephlogisticated کشف شد.

جداسازی هوا (Air separation)

جداسازی هوا فرآیندیست که طی آن گازهای سازنده هوا از یکدیگر جدا می‌شوند. هوای تنفسی به طور عمده از دو عنصر نیتروژن (۷۸٪) و اکسیژن (۲۱٪) تشکیل شده است. همچنین عناصری چون نئون، آرگون، زنون، کریپتون و هلیم به مقادیر اندک و ترکیباتی چون کربن دی اکسید، کربن مونوکسید، متان و برخی هیدروکربن‌ها، و اکسیدهای نیتروژن و گوگرد که عمدتا نقش آلاینده هوا را دارد، به مقادیر ناچیز در هوا یافت می‌شوند. همچنین مقادیر متفاوتی از آب به صورت رطوبت در هوا موجود است.

روشهای بسیاری جهت جداسازی اجزای موجود در هوای اطراف وجود دارد که براساس خلوص مورد نظر می توان از آنها استفاده نمود. بعضی از این روش ها به صورت مختصر در ذیل آورده شده اند:

تقطیر سرمایشی: دراین روش مخلوط هوای موردنظر در یک برج تقطیر تا دمای میعان سرد شده، سپس با افزایش تدریجی دما، اجزای سازنده هوا براساس دمای جوش آنها جداسازی میگردند

روش غشایی: در این روش با استفاده از غشاهای موکولی ، نیتروژن و اکسیژن با خلوص 40 % تولید میگردد ولی به دلیل خلوص پایین معمولا از این روش در آزمایشگاه ها بهره میگیرند.

روش جذب سطحی: این روش جهت تولید اکسیژن و نیتروژن خالص با خلوص 90% استفاده می شود.

مطلب پیشنهادی به شما: اکسیژن ساز .

تولید گاز به روش Cryogenic

پروسه جداسازی گازهای تشکیل دهنده هوا به روش Cryogenic یکی از متداولترین شیوه های تولید گازهای صنعتی می باشد این پروسه یکی از تکنولوژیهای برتر در زمینه تولید نیتروژن، اکسیژن و آرگون ( به حالت گازی یا مایع ) بوده و از نظر هزینه با صرفه ترین روش برای تولیدات با ظرفیت بالا ( بیش از Nm3/h 5000 ) و خلوص بالای 99% ( نیتروژن تا 999/99 و اکسیژن 9/99 ) می باشد.

مکانیزم جداسازی گازهای تشکیل دهنده هوا به روش Cryogenic:

ابتدا حجمی از هوای اتمسفر گرفته می شود پس از فشرده شدن، سرد شده ومایع سازی انجام می گیرد در ادامه به وسیله تقطیر گازهای تشکیل دهنده هوا از یکدیگر جدا می گردند.

چرخه تولید با توجه به نیازمصرف کننده به موارد ذیل بستگی دارد:

  • انواع محصولات مورد نیاز ( اکسیژن، نیتروژن و آرگون )
  • درصد خلوص گاز درخواستی
  • فشار گاز درخواستی
  • مدت زمانی که لازم است محصولات در حالت مایع باقی بمانند.

دیاگرام روش Cryogenic

تولید گاز به روش الکترولیز آب

دراین فرآیند آب به عناصر سازنده اش یعنی اکسیژن و هیدروژن تجزیه می شود.مولکول آب که از دو عنصر فوق به صورت دو یون مثبت هیدروژن و یک یون منفی جذب الکترومغناطیسی ازهم جدا می شوند.

وقتی الکتریسیته از طریق دو الکترود به آب وارد می شود، یک کاتد ( منفی) و یک آند ( مثبت)،این یون ها، به الکترود با بار غیر همنام جذب می شوند.یعنی یونهای هیدروژن اکسیژن با بار منفی روی آند جمع می شوند. این روش از نظر اقتصادی جهت تولید گازاکسیژن مقرون به صرفه نمی باشد.

تولید گاز به روش جداسازی جذبی ( PSA )

اکسیژن و نیتروژن را با استفاده از فرآیند جذب در بسترهایی از غربال مولکولی می توان تولید کرد. نمونه ای از فرآیند جذبی جهت تولید نیتروژن با به کار گیری دو بستر حاوی کک ( به عنوان جاذب از نوع غربال مولکولی) انجام می شود. هوای فشرده در تماس با بستر اول، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن خود را به علت جذب مولکولی در غربال، از دست می دهد اما نیتروژن از غربال مولکولی عبور می کند. در همان زمان در بستر دوم با جذب فشار، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن از غربال مولکولی آزاد میشود. به طور متناوب عمل اعمال فشار و جذب فشار تکراری می شود که برحسب خلوص نیتروژن مورد نیاز، اپتیمم شرایط تغذیه هوای فشرده و جذب فشار، انتخاب میشود.

با استفاده از این روش نیتروژن با خلوص 9/99-95 درصد وزنی تولید می شود. انرژی موردنیاز 0.6 کیلووات ساعت به ازای مترمکعب نیتروژن می باشد که نیتروژن حاصل حاوی ppm1000 اکسیژن می باشد. با این روش اکسیژن نیز با خلوص 95-90 درصد با محدود ظرفیت 60-1 تن در روز تولید می شود، در این فرآیند ساده نیازی به تجهیزات تبریدی، خشک کن و گرمکن نمی باشد. هر یک از مخازن در سیکل دو مرحله ای جذب و احیا فعالیت می کند. چنانچه یک مخزن در حال فرآیند جذب باشد، دیگر مخازن مرحله احیا را طی می کنند با اشباع شدن مخزن جذب از نظر ناخالصی ها، هوای فشرده به طوراتوماتیک به مخازن دیگر سوئیچ می شود و مخزن اولی در سیکل احیاء قرار می گیرد. ناخالصی های حاصل از احیاء به انمسفر هدایت می شود و نهایتا عمل احیاء در فشار محیط تکمیل می شود.

مزایای روش PSA

  1. بهره گیری از پیشرفته ترین ژنراتورهای مولد اکسیژن و نیتروژن بر اساس آخرین تکنولوژی روز دنیا
  2. بهره گیری ازCMS و زئولیت ( با حداقل 10 سال عمر مفید) متعلق به ZEOCHEM سوئیس، بزرگترین کارخانه سازنده مواد Molecular Sieve در اروپا
  3. عملکرد 100% اتوماتیک بدون نیاز به اپراتور
  4. نیاز به حداقل انرژی به دلیل بهره گیری از پایین ترین Air.factor

تولید گاز به روش احتراق هیدروکربن با هوا

با این روش تولید نیتروژن در محدوده 300-30 مترمکعب در ساعت امکان پذیر است. گاز طبیعی با پروپان با هوا سوزانده می شود. بعد از جداسازی محصولات حاصل از احتراق، نیتروژن خالص باقی می ماند.

قبل از ورود به مشعل، نسبت هوا و گاز طبیعی مورد نیاز تنظیم می شود.در محفظه احتراق، گاز طی یک فرآیند گرمازا و به طور کامل سوزانده می شود. گازهای حاصل از احتراق حاوی N2 ، Co2، H2O و مقادیر کمی Co، H2 می باشد. گازها در یک کندانسور صفحه ای خنک می شوند و از یک جداکننده بخار، آب کندانس شده، جدا می شود. پس ازآن گازهای حاصل از یک خشک کن تبریدی که طی آن نقطه شبنم تا حدود 4 درجه سانتی گراد تقلیل می یابد، عبور داده می شود.

دی اکسید کربن و بخار آب مازاد در بستر غربال مولکولی ( که به طور متناوب از دو بستر استفاده می شود) جذب وحذف می شوند. در یک بستر گازها تخلیص و در بستر دیگر عمل فعال سازی صورت می گیرد ( توسط پمپ خلاء)، محصول نیتروژن حاوی ppm 500 دی اکسید کربن و ppm 1000 مونواکسیدکربن هیدروژن با نقطه شبنم 60 درجه سانتیگراد، با فشار اندکی بالاتر از فشار اتمسفر یک می باشد.

یک ژنراتور تولید نیتروژن به ظرفیت 115 مترمکعب در ساعت، حدود 0.15 مترمکعب گاز طبیعی، 0.14 کیلووات ساعت برق و 0.05 مترمکعب آب به ازای هر مترمکعب نیتروژن مصرف می نمایند.