مخطط تدفق عملية فصل الهواء التبريدية موضح

كيف يعمل التبريد العميق وحدات فصل الهواء عملية تدريجية: تدفق العملية خطوة بخطوة

ضغط الهواء وتنقيته: إزالة ثاني أكسيد الكربون والرطوبة والهيدروكربونات

يتم سحب الهواء من البيئة المحيطة إلى هذه الضواغط متعددة المراحل، حيث يُضغط حتى مستويات ضغط تتراوح بين ٠٫٦ و٠٫٨ ميجا باسكال. وبعد الضغط، يمر الهواء عبر ما يُسمى بأسرّة الغربال الجزيئي. وهذه المواد الخاصة تمتص عناصر مثل ثاني أكسيد الكربون والرطوبة والمختلفات الهيدروكربونية. وإزالة هذه الملوثات أمرٌ بالغ الأهمية، لأن تركها يؤدي إلى تكوّن طبقات جليدية وتآكل في الأجزاء الباردة لاحقًا في النظام. ومعظم الأنظمة الحديثة وحدات فصل الهواء تستخدم فعليًّا تقنية تُعرف باسم «الامتزاز المتغير بدرجة الحرارة». وعادةً ما يتضمّن الترتيب نظامًا مكوّنًا من برجين يعملان معًا. فبينما يكون أحد البرجين مشغولًا بتنقية الهواء، يجري تجديد البرج الثاني إما عن طريق نفخ غاز النيتروجين المهدر خلاله أو تسخين المادة لإطلاق الشوائب المحبوسة فيها.

التبريد العميق والسائلة بواسطة توربينات التمدد وتأثير جول–طومسون

يتم تبريد الهواء النقي والمضغوط أولاً في تلك المبادلات الحرارية الكبيرة عن طريق تمريره عبر تيارات المنتج الباردة العائدة من أجزاء أخرى في النظام. وتنخفض درجات الحرارة إلى حوالي سالب ١٧٥ درجة مئوية بعد هذه الخطوة. أما التسييل الفعلي فيحدث أساسًا داخل التوربينات الموسِّعة (التوربوإكسباندرز)، وهي آلات فعّالة جدًّا، حيث يتمدد الغاز بسرعة، محولًا طاقة الضغط إلى شغل ميكانيكي في الوقت نفسه الذي يبرِّد فيه المواد بفضل ما يُعرف بتأثير جول–تومسون. ويغلي النيتروجين عند حوالي سالب ١٩٦ درجة مئوية، بينما يغلي الأكسجين عند سالب ١٨٣ درجة مئوية، لذا فإن اختلاف نقاط غليانهما يساعد في فصلهما إلى أطوار مختلفة حتى قبل الوصول إلى مرحلة التقطير.

التقطير التبريدّي في عمود ليندي المزدوج: فصل تيارات الأكسجين والنيتروجين والأرجون

عندما يتدفق الهواء المسال إلى ما يُعرف بمجموعة التقطير ذات العمودين، فإنه يمثل أحد المكونات الرئيسية في وحدات فصل الهواء المستخدمة حاليًّا. وفي داخل عمود الضغط العالي الذي يعمل عند مستويات ضغط تتراوح بين ٥ و٦ بار، يميل النيتروجين إلى الصعود على هيئة بخار، بينما يهبط السائل الغني بالأكسجين نحو الأسفل. ثم يُطلق هذا السائل في عمود الضغط المنخفض عند ضغط يبلغ حوالي ١,٢–١,٣ بار، حيث تحدث عملية الفصل الفعلية عبر ظروف إعادة التغذية (Reflux) التي تُضبط بدقة. ويتميَّز الأرجون بأنه يغلي عند درجة حرارة تبلغ حوالي سالب ١٨٦ درجة مئوية، لذا فهو يتراكم طبيعيًّا في قسم خاص يقع بين هذين العمودين. وتؤدي هذه العملية التشغيلية المستمرة إلى إنتاج أكسجين نقاوته تبلغ نحو ٩٩,٥٪، ونيتروجين تصل نقاوته إلى نحو ٩٩,٩٩٩٪. وتتوافق هذه المواصفات مع المتطلبات المحددة في المعيار الدولي ISO 8573-1، وقد أصبحت ممارسةً قياسيةً في مختلف القطاعات الصناعية، ومنها المرافق الصحية ومصانع معالجة المعادن ومرافق تصنيع أشباه الموصلات.

المعدات الرئيسية في وحدات فصل الهواء الحديثة: الصندوق البارد ودمج الحرارة

تصميم الصندوق البارد: التكامل المضغوط للأعمدة، ومبادلات الحرارة، والأنابيب

في قلب وحدة فصل الهواء يقع ما نسمّيه «الصندوق البارد»، وهو في الأساس غرفة معزَّلة جيدًا تحتوي جميع المكونات معًا داخل غلاف فراغي كبير واحد. وبداخل هذه المساحة، توجد أبراج التقطير إلى جانب مبادلات الحرارة الخاصة المصنوعة من الألومنيوم الملحوم، إضافةً إلى مختلف أنواع الأنابيب الكريوجينية التي تمتد عبرها. والحقيقة أن هذا الترتيب كله ذكيٌّ جدًّا. فبما أن كل المكونات مُركَّبة بإحكام شديد معًا، فإن احتمال دخول الحرارة غير المرغوب فيها يقلُّ كثيرًا، وهذا أمرٌ بالغ الأهمية عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون ١٨٠ درجة مئوية سالبة. كما أن فرق الصيانة تحبُّ هذا التصميم أيضًا، إذ يستغرق إصلاح الأعطال وقتًا أقل بنسبة ٣٠٪ تقريبًا مقارنةً بالنظم القديمة التي كانت مكوناتها موزَّعة في أماكن مختلفة. وتُصنع هذه الصناديق أساسًا من الفولاذ المقاوم للصدأ القوي، مع إضافات من سبائك الألومنيوم، مما يمكِّنها من التعامل مع اختلافات التمدد والانكماش بشكل طبيعي. والأهم من ذلك أنها تحافظ على فصل تدفقات الأكسجين والنيتروجين والأرجون طوال العملية بأكملها، مما يضمن عدم حدوث أي اختلاط بينها ويحافظ على موثوقية التشغيل عامًا بعد عام.

شبكات مبادلات الحرارة الرئيسية واستراتيجيات استرداد الطاقة

تعتمد وحدات فصل الهواء الحديثة اعتمادًا كبيرًا على أنظمة تبادل حراري متطورة تلتقط التبريد القيّم من تدفقات النيتروجين المهدر والتدفقات الباردة للمنتجات. كما أن تصميم التدفق المعاكس يعمل بكفاءةٍ بالغةٍ أيضًا؛ إذ يبرّد تدفق الهواء الداخل في الوقت نفسه الذي يسخّن فيه التدفق الخارج، مما يقلّل الفروق في درجات الحرارة إلى نحو ٣ درجات مئوية. وتُعزى هذه الإنجازات المذهلة في المقام الأول إلى مبادلات الحرارة الألومنيومية الملحومة من الجيل الجديد التي ظهرت مؤخرًا. ومن حيث الأداء في العالم الحقيقي، فإن هذه الأنظمة الحديثة تخفض عادةً الاستهلاك الكلي للطاقة بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٥٠٪ مقارنةً بالطرز القديمة. أما بالنسبة للعمليات الصناعية الكبرى التي تعمل بنظام نوبات متعددة يوميًّا، فإن هذا يُرتب وفورات تبلغ نحو ٢,٨ مليون دولار أمريكي سنويًّا في تكاليف التشغيل وحدها، وذلك وفقًا للأرقام التي جمعتها مبادرة تقنيات القطاع الصناعي التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية عام ٢٠٢٢.

لماذا التبريد الكريوجيني؟ تُمكِّن الفروق في نقاط الغليان من إنتاج الغازات عالية النقاء

لا يزال فصل الهواء بالطرق الكريوجينية هو الأساس الوحيد عمليًّا الذي تعتمده الصناعة للحصول على غازات نقيّة جدًّا مثل الأكسجين والنيتروجين والأرجون بكميات كبيرة. ويعمل هذه العملية لأن هذه الغازات تمتلك نقاط غليان مختلفة، ما يسمح للمصنِّعين بفصلها بدرجة عالية من النظافة، حيث تصل درجة نقاوتها غالبًا إلى أكثر من ٩٩,٥٪. وتؤكِّد هيئات المعايير مثل ASTM وISO هذه الحقيقة من خلال مواصفاتها D1946 و8573-1. وعند النظر في الأرقام الفعلية، فإن النيتروجين يغلي عند حوالي -١٩٦ درجة مئوية، بينما يغلي الأرجون عند نحو -١٨٦ درجة مئوية، ويصل الأكسجين إلى نقطة غليانه عند حوالي -١٨٣ درجة مئوية. وهذه الفروق الضئيلة في درجات الحرارة لها أهمية كبيرة في التطبيق العملي، لأنها تحدد طريقة فصل كل غاز أثناء عملية التسييل تليها التقطير التجزيئي. هل ترغب في معرفة السبب الدقيق وراء فعالية هذه الطريقة؟ راجع الجدول التالي الذي يحتوي على جميع التفاصيل الحرارية الديناميكية المهمة الكامنة وراء هذه التقنية الانتقائية للفصل.

ويُمكِّن هذا التخفيض الدراماتيكي في الحجم (من 710 إلى 875) من تخزين الغازات المُسالَة ونقلها بكفاءة، ما يجعل التبريد الكريوجيني ضروريًّا للقطاعات التي تتطلب إمدادًا ثابتًا عالي المواصفات، مثل تصنيع أشباه الموصلات، والصناعات الجوية والفضائية، وأنظمة الأكسجين المستخدمة في المستشفيات.