طرق ومبادئ فصل الغازات المستخدمة في الصناعة

Thread Content

طرق ومبادئ فصل الغازات المستخدمة في الصناعة
تشمل الغازات الصناعية الشائعة الأكسجين، والنيتروجين، والأرجون، وثاني أكسيد الكربون، والأمونيا السائلة، والكلور السائل، وغاز الأسيتيلين، والهيدروجين، وغيرها. هناك العديد من طرق إنتاج الغازات الصناعية، وسنقدم هنا نبذة موجزة عن بعض الطرق الشائعة. أولاً: الأكسجين
تتمثل الطرق الرئيسية لإنتاج الأكسجين الصناعي في طريقة تكرير الهواء عن طريق التبريد والتقطير (وتُسمى أيضًا طريقة فصل الهواء)، وطريقة التحليل الكهربائي للماء، بالإضافة إلى طريقة الامتصاص تحت ضغط متغير. تتلخص عملية إنتاج الأكسجين بطريقة التقسيم الفراغي فيما يلي: امتصاص الهواء → برج امتصاص ثاني أكسيد الكربون → المضخة → جهاز التبريد → جهاز التجفيف → جهاز التجميد → جهاز الفصل السائلي → جهاز فصل الزيت → خزان تخزين الغازات → مضخة الأكسجين → ملء الغازات. المبدأ الأساسي هو تحويل الهواء إلى حالة سائلة، ثم استخدام اختلاف نقاط الغليان لمكونات الهواء في جهاز الفصل والتقطير لإنتاج الأكسجين. أدى البحث والتطوير في وحدات إنتاج الأكسجين الكبيرة وتطبيقها العملي إلى انخفاض استهلاك الطاقة في عملية إنتاج الأكسجين، كما سهّل ذلك إنتاج أنواع متعددة من المنتجات الناتجة عن تقسيم الهواء (مثل النيتروجين والأرجون وغيرها من الغازات الخاملة). لتسهيل التخزين والنقل، يتم إدخال الأكسجين السائل الناتج عن عملية التفكيك بواسطة جهاز التكثيف إلى خزانات التخزين المبردة، ثم يتم نقله باستخدام شاحنات متخصصة إلى محطات تعبئة الغازات المسالة في درجات حرارة منخفضة. يتم أيضًا تخزين النيتروجين السائل والأرجون السائل باستخدام هذه الطريقة. ثانيًا: النيتروجين
تشمل الطرق الرئيسية لإنتاج النيتروجين الصناعي طريقة التقسيم بالضغط، وطريقة الامتصاص بتغيير الضغط، وطريقة الفصل بالأغشية، بالإضافة إلى طريقة الاحتراق. 　　النيتروجين المُنتج بطريقة فصل الغازات نقي للغاية، واستهلاكه للطاقة منخفض. تقنية إنتاج النيتروجين بطريقة الامتصاص التحويلي تعتمد على استخدام مرشحات جزيئية من نوع 5A لامتصاص المكونات الموجودة في الهواء بشكل انتقائي، وبذلك يتم فصل الأكسجين عن النيتروجين لإنتاج النيتروجين النقي. يتميز النيتروجين الناتج بضغط عالٍ واستهلاك طاقة منخفض، كما يمكن أن تصل نقاوته إلى المستويات المطلوبة وفقًا للمعايير: النيتروجين الصناعي ≥ 98.5%، والنيتروجين النقي ≥ 99.95%. ثالثًا: الأرجون
الأرجون هو أكثر الغازات الخاملة وفرة في الغلاف الجوي، ويتم إنتاجه بشكل رئيسي عن طريق تقنية فصل الغازات. في عملية إنتاج الأكسجين، يتم الحصول على الأرغون السائل عن طريق فصل الفرع ذو نقطة الغليان حوالي -185.9 درجة مئوية من جهاز التكثيف. رابعاً: ثاني أكسيد الكربون
تتمثل طرق إنتاج ثاني أكسيد الكربون فيما يلي: إنتاجه كمنتج ثانوي في صناعة الجير، وكذلك خلال عملية التخمير في صناعة الخمور. كما يتم إنتاجه نتيجة احتراق الزيوت الثقيلة والكوك، بالإضافة إلى كونه منتجًا ثانويًا في صناعة الأمونيا. في الوقت الحالي، تتكون المواد الخام المستخدمة في صناعة الأمونيا المصنعة من الغازات الطبيعية وغازات المصافي وغازات الفحم. وتتكون مكوناتها الرئيسية من هيدروكربونات ذات نسب مختلفة من الهيدروجين والكربون، بالإضافة إلى الكربون العنصري. وعند درجات حرارة عالية، يتفاعل هذا الخليط مع بخار الماء لينتج غازًا تصنيعيًا يتكون أساسًا من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، ويتم تحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون. طرق تنقية ثاني أكسيد الكربون هي: طريقة الامتصاص، وطريقة الامتزاز تحت ضغط متغير، وطريقة التقطير بالامتزاز، وطريقة الفصل بالأغشية. خامساً: غاز الأمونيا يتم إنتاج الأمونيا بشكل أساسي عن طريق التخليق المباشر. تتم عملية تصنيع الأمونيا المركبة كالتالي: يتم ضخ الهواء وبخار الماء فوق الكوك المسخن جدًا في فرن إنتاج الغازات المائية، مما يؤدي أولاً إلى الحصول على خليط من النيتروجين والهيدروجين. بعد ذلك، يتم استخدام عمليات مثل التنقية وتبادل الحرارة وتكثيف ثاني أكسيد الكربون وامتصاصه لإنتاج الغازات الأولية اللازمة للإنتاج. يتم إرسال الغاز المختلط المُنقى عبر مرشحات ومبردات وأجهزة فصل الأمونيا بالإضافة إلى أجهزة التسخين إلى مفاعل التخليق، حيث يتم فصل الأمونيا السائلة باستخدام أجهزة الفصل. السادس: غاز الكلور يتم إنتاج غاز الكلور المستخدم في الصناعة بشكل أساسي عن طريق تحليل محلول ملحي مشبع كهربائيًا. يتم الحصول على غاز الكلور ذو النقاء العالي أثناء تحضير المعادن النشطة عن طريق تفكيك الكلوريدات المنصهرة كهربائيًا. يمكن استخدام الهواء أو الأكسجين لتحفيز ثاني أكسيد الهيدروجين، وهو منتج ثانوي في صناعة التخليق العضوي، ليتأكسد ويتحول إلى غاز الكلور. سابعاً: غاز الأسيتيلين
تتمثل طرق إنتاج غاز الأسيتيلين بشكل أساسي في طريقة هدروليز الكالسيوم كربيد، وطريقة التحلل الحراري للميثان أو المركبات الهيدروكربونية، بالإضافة إلى طريقة التحلل باستخدام البلازما. عملية تحلل الكربيد الكالسيوم بالماء لها مسار إنتاجي قصير ونقاء عالٍ للمنتج، لكن استهلاكها للطاقة كبير. يتم استخدام هذه الطريقة في إنتاج الأسيتيلين المذاب في معظم الحالات. وبناءً على خصائص ذوبان الأسيتيلين، يتم ضغط غاز الأسيتيلين وإدخاله في المذيب، ثم يتم تخزينه في خزانات فولاذية مليئة بمواد مسامية. يُعتبر البنزين مذيبًا ممتازًا، حيث يتم استخدامه داخل الخزانات الفولاذية لامتصاص الأسيتيلين وإذابته، ووظيفته هي زيادة السعة الفعالة للخزان الفولاذي وتقليل قدرة غاز الأسيتيلين على الانفجار. الوظيفة العامة للمواد المسامية المكونة من كربونات السيليكون هي امتصاص البروبين بشكل متساوٍ، ومنع انتشار انفجارات تحلل الأسيتيلين. يساعد استخدام خزانات الأسيتيلين المذاب في تسهيل الاستخدام وزيادة كفاءة العمل، كما يحسّن البيئة ويوفر في استهلاك الكربيد. لكن يجب ضمان عدم تلف أو تلوث المواد المسامية داخل الخزان، ويجب أن يكون حجم المذيب المستخدم كافيًا لتعبئة الأسيتيلين، وذلك لضمان الأمان والموثوقية. عملية إنتاج وتعبئة الأسيتيلين المذابة هي كالتالي: بعد تكوين غاز الأسيتيلين الخام، يتم تنقيته كيميائيًا لإزالة الشوائب مثل الكبريت والفوسفور، ثم يتم ضغطه وتجفيفه، وبعد ذلك يتم تعبئته في خزانات الأسيتيلين المذابة. ثامناً: الهيدروجين
تتمثل الطرق الرئيسية لإنتاج الهيدروجين الصناعي في: تحويل المعادن عن طريق الاحتراق لإنتاج الهيدروجين، وإنتاج الهيدروجين عن طريق تحليل الماء كهربائياً، بالإضافة إلى إنتاج الهيدروجين باستخدام طريقة الغاز النصف مائي. طريقة تحويل الماء إلى هيدروجين عن طريق الكهرباء تتميز بموثوقيتها التقنية وبساطة تشغيلها وسهولة صيانتها، كما أنها لا تسبب تلوثًا وتنتج هيدروجينًا ذا نقاوة عالية. لكن استهلاكها للطاقة الكهربائية مرتفع، مما يرفع التكلفة، ويشكل ذلك قيودًا على تطوير إنتاجها. وهي تُستخدم بشكل أساسي من قبل المستخدمين الذين يحتاجون إلى هيدروجين ذي نقاوة عالية وبكميات ليست كبيرة. لكن مع تطبيق التقنيات الجديدة، تحسنت تقنية تحليل الماء إلى أجزائه، مما أدى إلى انخفاض تكلفة إنتاج الهيدروجين عبر تحليل الماء، كما انخفض استهلاك الطاقة أيضًا. ومن المتوقع أن تصبح هذه الطريقة أهم طريقة لإنتاج “الطاقة النظيفة”. في الوقت الحالي، هناك طرق قيد البحث والتطوير لإنتاج الهيدروجين، مثل تحليل الماء كهربائيًا لإنتاج الهيدروجين، واستخدام التحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين. مأخوذ من: الكيمياء 707