أعمدة تقطير الغازات النادرة

العناصر النزرة التي تُحقِّق أسعارًا مرتفعة

الكربتون والزينون ليسا اسمين مألوفين في الأوساط المنزلية. لكن في زوايا معينة من الصناعة، يحقِّقان أسعارًا تجعل الذهب يبدو عاديًّا تقريبًا. والسبب بسيط: فهما نادران جدًّا في الغلاف الجوي. فالكربتون موجودٌ بنسبة ١,١ جزء من المليون في الهواء المحيط، أما الزينون فهو أكثر ندرةً، ونسبته ٠,٠٨٦ جزء من المليون. ولوضع ذلك في سياقه، فإن معالجة مليون متر مكعب من الهواء تُنتج فقط نحو متر مكعب واحد من الكربتون، وجزءًا ضئيلًا من ذلك من الزينون.

ومع ذلك، فإن هذين الغازين لا غنى عنهما. فالكربتون يُملأ به نوافذ الموفرة للطاقة، ويوفِّر جوًّا خاملًا لأنواع محددة من الإضاءة المتخصصة، ويُستخدَم في العزل عالي الأداء. أما الزينون فهو الوقود المفضَّل لمحركات الدفع الأيوني المستخدمة في الأقمار الصناعية، والغاز العامل في الليزر الإكسيمر المستخدم في تصنيع أشباه الموصلات، ومادة الكشف في تجارب اكتشاف المادة المظلمة، حيث تقترب متطلبات النقاء فيها من حدٍّ غير معقول.

استرجاع هذه المكونات الأثرية من الهواء ليس خيارًا — بل هو ضرورة اقتصادية، لأن قيمتها تبرر التعقيد المصاحب للعملية. ومع ذلك، فإن عملية الاسترجاع نفسها تُعَدُّ واحدةً من أشد عمليات التقطير التبريدية طلبًا في العالم.

لماذا لا ينجح التقطير العادي

يتمثل التحدي الجوهري في التركيز. فالهواء المحيط يتكون أساسًا من النيتروجين والأكسجين، أما الأرغون فهو المكوِّن الثانوي الأكثر وفرة بعدهما. أما الكربتون والزينون فموجودان بتركيزٍ ضئيلٍ جدًّا لدرجة أنَّهما لا يظهران حتى في أعمدة التقطير الرئيسية لوحدة فصل الهواء التقليدية. بل إنَّهما ينسكبان مع تيار الأكسجين، ويترسبان في قاع سائل الأكسجين.

ولاسترجاعهما، يجب أن تبدأ العملية بتيارٍ من سائل الأكسجين مأخوذٍ من وحدة فصل الهواء الرئيسية. ويحتوي هذا التيار على الكربتون والزينون بتركيزٍ مركَّزٍ — وإن كان ما زال ضئيلًا، فإنه على الأقل قابل للقياس. ثم يقوم صندوق الاستخلاص البارد بإزالة الملوثات الجوية مثل أكسيد النيتروز والهيدروكربونات التي قد تسبب مشكلات لاحقًا في مراحل المعالجة. .

تتم عملية التقطير نفسها على عدة مراحل. وتقوم المجموعة الأولى من الأعمدة بتقني الغازات النادرة من مستويات تبلغ جزءاً من المليون حتى تركيز أولي خام. وعادةً ما يحتوي هذا الخليط غير المكرر على بضعة في المئة من الكريبتون والزينون معاً، إضافةً إلى الأكسجين وبقية المكونات التي تنتقل معه. ومن ثم، يقوم قسم الترقية بأداء عملية التنقية النهائية. .

تكمن الصعوبة في الطبيعة النسبية لتطاير هذه المكونات. فنقاط غليان الكريبتون والزينون قريبة من نقطة غليان الأكسجين، ما يعني أن فصلها يتطلب عدداً كبيراً من المراحل النظرية ونسب تدوير عالية. كما أن الأعمدة طويلة، ويُدار انخفاض الضغط فيها بدقة، ويجب التحكم في درجة الحرارة بدقة بالغة. وهذه العملية ليست متسامحة إطلاقاً.

ترتيب الأعمدة الذي يؤدي المهمة

تتكوّن قاطرة استعادة الغازات النادرة النموذجية من عدة أعمدة تقطير مرتبة على التوالي. وتعمل أعمدة ما قبل التركيز عند ضغط متوسط وتتولى الجزء الأكبر من عملية التكثيف. ويُدخل التغذية — وهي أكسجين سائل مستمد من وحدة إنتاج الأكسجين الهوائي — إلى العمود الأول، حيث يُزال الأكسجين والمكونات الأخف في الجزء العلوي، بينما يتراكم الكريبتون والزينون في القاع.

ثم ينتقل تيار القاع من عمود ما قبل التركيز إلى عمود فصل الكريبتون/الزينون، حيث يفصَل هذان الغازان النادران عن بعضهما البعض. وهنا تصبح العملية معقَّدة بشكل خاص، لأن الكريبتون والزينون يختلفان في طبيعة تطايرهما، لكن عامل الفصل بينهما ليس كبيرًا. ولذلك يجب أن يعمل العمود بكفاءة عالية وبتحكم دقيق جدًّا في درجة الحرارة.

المرحلة النهائية هي عمود التنقية، الذي يزيل الأكسجين المتبقي وأي آثار للهيدروكربونات. ويمكن أن تصل نقاوة المنتج الخارج من هذا العمود إلى أكثر من ٩٨٪ بالنسبة لتيار الغازات النادرة المدموج، وعادةً ما يتوزع ذلك تقريبًا إلى ٩١٪ كريبتون و٧٪ زينون والباقي أكسجين . ومن هناك، تُضغط الغازات في أسطواناتٍ للعزل النهائي والتغليف .

ويعمل القطار بأكمله داخل صندوق بارد مملوء بمادة عازلة — كالبيرلايت أو ما يشابهها — لتقليل تسرب الحرارة. ويجب أن تكون جميع الصمامات وأنابيب التوصيل والأجهزة قادرة على العمل في ظروف التبريد الشديد. كما يجب أن يراعي التصميم الميكانيكي الانكماش الحراري والتمدد التفاضلي، وأن أي تسرب حراري ملحوظ سيؤدي إلى تدهور أداء الفصل.

حيث تصبح الجدوى الاقتصادية واقعية فعليًّا

ليست كل وحدة تقطير هواء (ASU) مؤهلة لاستعادة الغازات النادرة. فالمزايا الاقتصادية تتحقق فقط عند الحجم الكبير. وتشير المصادر الصناعية إلى أن وحدة تقطير هواء تُعالِج أكثر من ٣٠٠٠ إلى ٤٠٠٠ طن يوميًّا هي العتبة التي تصبح عندها عملية الاستعادة جذَّابة اقتصاديًّا. أما دون هذه الكمية، فإن تكلفة رأس المال المطلوبة لأنظمة الاستعادة والتكاليف التشغيلية المستمرة لا يمكن تبريرها بالقيمة السوقية للمنتج المستخلص.

والسبب في ذلك بسيطٌ: إذ إن معدات الاستعادة ترفع تكلفة رأس المال الخاصة بوحدة تقطير الهواء بشكلٍ كبير — مثل الأعمدة وصندوق التبريد البارد وأجهزة القياس وأنظمة التحكم المتخصصة. كما أنها تزيد الحمل التخريبي على وحدة تقطير الهواء الرئيسية، لأن استخلاص الغازات النادرة يستهلك أكسجينًا سائلًا كان سيُستخدم كمنتج نهائي، إضافةً إلى أن التبريد اللازم لأعمدة التقطير يرفع استهلاك الطاقة الإجمالي.

مع ذلك، تختلف الحسابات الرياضية بالنسبة لوحدات التبريد الهوائي الكبيرة التي تخدم المجمعات الصناعية الضخمة. إذ يُوزَّع تكلفة رأس المال الإضافية على قاعدة إنتاج أكبر بكثير، كما أن عائدات الغازات النادرة تُحقِّق دفعةً ملحوظةً في الجدوى الاقتصادية العامة للمشروع. ويرى بعض المشغلين أن خط استخلاص الغازات النادرة وحدة أعمال منفصلة ضمن تشغيل وحدة التبريد الهوائي الأكبر — وفي بعض الحالات، يمكن أن تحسِّن عائدات الغازات النادرة العائد الاستثماري العام بشكلٍ كبير.

تركيبٌ واقعيٌّ يستحق الدراسة

توفر منشأةٌ في شرق آسيا دراسة حالةٍ مفيدة. وتتعامل وحدة التبريد الهوائي المضيفة مع نحو ٤٠٠٠ طن من الهواء يوميًّا، لتزويد مجمَّع صهر الفولاذ وحديقة المواد الكيميائية بالأكسجين والنيتروجين. وقد أُضيف خط استخلاص الغازات النادرة كاستثمارٍ في المرحلة الثانية بعد أن كانت وحدة التبريد الهوائي الرئيسية تعمل بالفعل لعدة سنوات.

واجَهَ التَّثبيتُ عِدَّةَ تَحَدِّيَاتٍ. فَقَدْ تَطلَّبَ سَحبُ تَدفُّقِ الأُكسِجينِ المُغذِّي إِلَى وَحدَةِ الاِستِرجَاعِ مِن نُقطَةٍ مُعَيَّنَةٍ دَاخِلِ صُندُوقِ التَّبريدِ لِوَحدَةِ التَّجَوُّزِ الهَوَائِيِّ (ASU)، مَا اسْتَلْزَمَ تَوقُّفًا مَخطُوطًا وَتَعديلاتٍ عَلَى أَنابِيبِ الوَحدَةِ القَائِمَةِ. وَوُضِعَ الصُّندُوقُ الجَديدُ لِلتَّبريدِ بِجَانِبِ البِنْيَةِ القَائِمَةِ، إِلَّا أَنَّ دَمْجَ نِظَامِ التَّحَكُّمِ وَأَنظِمَةِ الحِمايَةِ التَّلقَائِيَّةِ تَطلَّبَ تَنسِيقًا دَقِيقًا بَينَ مُورِّدِ وَحدَةِ الاِستِرجَاعِ وَفَرِيقِ تشْغِيلِ وَحدَةِ التَّجَوُّزِ الهَوَائِيِّ.

وَتَستَخدِمُ وَحدَةُ الاِستِرجَاعِ نَفسُهَا تَرْكِيبَةً مُكوَّنَةً مِن ثَلاثَةِ أَعمِدَةٍ: عَمُودَ تَركِيزٍ مُبَكِّرٍ، وَعَمُودَ فَصلٍ لِلكْرِبتُون/الزِّينُون، وَعَمُودَ تَنْقِيَةٍ نِهَائِيٍّ. وَيَعمَلُ النِّظَامُ بِشَكْلٍ مُتَوَاصِلٍ، وَيُؤخَذُ عَيِّنَاتٌ دَوْرِيَّةٌ مِن نَقَاءِ المُنتَجِ لِضَمَانِ وُصُولِهِ إِلَى المُتَطلَّبَاتِ الفَنِّيَّةِ. وَيُبلِغُ المُشغِّلُونَ عَنْ كَوْنِ أَهمِّ تَحَدٍّ فِي التشْغِيلِ هُوَ التَّحَكُّمُ فِي مُحتَوَى الهَيدروكَربُونَاتِ فِي التَّغذِيَةِ؛ فَإِذَا لَمْ تَعمَلْ نِظَامَاتُ إِزَالَةِ ثاني أُكسِيدِ الكَربُونِ وَأُكسِيدِ النِّيتروجِينِ فِي الوَحدَةِ العُلْيَا لِوَحدَةِ التَّجَوُّزِ الهَوَائِيِّ بِكَفَاءَةٍ تَامَّةٍ، يُمكِنُ أَنْ تَتَحمَّلَ وَحدَةُ التَّنْقِيَةِ فِي وَحدَةِ الاِستِرجَاعِ حِملًا زَائِدًا.

تُنتج المنشأة الآن الكريبتون والزينون بنقاء تجاري، ويُباع المنتج في سوق الغازات المتخصصة. وأُبلغ عن فترة استرداد الاستثمار في وحدة الاسترجاع بأنها ضمن النطاق الذي يبرر اتخاذ هذا القرار، رغم إقرار المشغل بأن المشروع لم يكن مجدًٍا على نطاق أصغر.

القيود ذات الأهمية

هناك قيودٌ يجب أن تقرّها أي دراسة واقعية. فتركيب التغذية له أهميته—إذا احتوت الهواء المحيط على مستويات غير عادية من الهيدروكربونات أو ملوثات أخرى دقيقة، زاد العبء الملقى على عملية التنقية. كما أن كفاءة الاسترجاع ليست مئة في المئة؛ إذ يفقد جزءٌ من الغازات النادرة حتمًا في قيعان الأعمدة المختلفة وتيارات البخار العلوي.

وتهمّ أيضًا متطلبات نقاء المنتج. فبعض التطبيقات تتطلّب مستويات نقاء فائقة العُلُوِّ—مثل كشف المادة المظلمة، الذي يتطلّب تركيزات الكريبتون في الزينون دون ١٠⁻¹² مول/مول. وبلوغ هذا المستوى من النقاء يتطلّب خطوات معالجة إضافية تتجاوز سلسلة الاسترجاع القياسية، ما يزيد التكلفة والتعقيد.

وهناك أيضًا مسألة الوصول إلى السوق. فالغازات النادرة ليست سلعًا أساسية؛ بل تُباع عبر سلاسل توريد متخصصة تعتمد على عقود طويلة الأجل ومواصفات جودة صارمة. فقد يجد المنشأة التي تنتج الغازات النادرة لكنها تفتقر إلى البنية التحتية التجارية اللازمة لبيعها نفسها تحمل مخزونًا بدلًا من تحقيق عائدٍ مالي.

المسار التكنولوجي

لقد بقيت تكنولوجيا التقطير الأساسية لاسترجاع الغازات النادرة مستقرةً لعقودٍ عديدة. أما الأعمدة ومبادئ الديناميكا الحرارية وفصل المكونات فهي مفهومة جيدًا ولا تتغير تغيُّرًا جذريًّا. أما ما يتطور فعلًا فهو دمج هذه الأنظمة وتحسينها.

تتيح أنظمة التحكم الحديثة تحكُّمًا أدقَّ بكثيرٍ في درجات الحرارة والضغط مقارنةً بما كان ممكنًا حتى قبل عقدٍ من الزمن. كما توفر أجهزة الاستشعار المتقدمة بياناتٍ فوريةً عن التركيب الكيميائي، مما يمكِّن من تطبيق استراتيجيات التحكم التنبُّئي. والنتيجة هي تحسُّن كفاءة الاسترجاع وثباتٌ أكبر في جودة المنتج.

كما يجري حاليًّا الانتقال نحو تصاميم وحدوية مركَّبة على منصات قابلة للنقل، مما يقلل من وقت تركيب المعدات في الموقع ويُبسِّط عملية دمجها مع وحدة الهواء المُساعدة (ASU) الرئيسية. ويمكن لاختبارات المصنع والتشغيل التمهيدي اكتشاف المشكلات قبل وصول المعدات إلى الموقع، ما يقلل من مخاطر عمليات الإيقاف المؤقت ومدتها.

تبقى العوامل الاقتصادية الداعمة قوية. ويتجه الطلب على الغازات المتخصصة نحو النمو في قطاعات متعددة — مثل أشباه الموصلات والفضاء والرعاية الصحية والأبحاث. كما أن إمدادات الغازات النادرة من المصادر التقليدية محدودة، ما يدعم أسعارها. أما بالنسبة لمشغِّلي وحدات التبريد الهوائية الكبيرة (ASUs)، فإن إضافة أنظمة استخلاص الغازات النادرة أصبحت جزءًا متزايد الشُّيوع من نطاق المشاريع.

زودت شركة غرينفير معدات التقطير التبريدية لتطبيقات الغازات النادرة في مشاريع عديدة، مع قدرات تصنيع تتوافق مع معايير ASME وCE، وسجل حافل في التسليم ضمن الجداول الزمنية الصعبة. وتوجد بالفعل البنية التحتية الهندسية والإنتاجية اللازمة لدعم هذه الأعمدة المتخصصة؛ أما السؤال المطروح في أي مشروع فهو ما إذا كانت الحجم المطلوب وظروف السوق تبرر الاستثمار.