اکسیژن یکی از گازهای پرکاربرد در صنایع مختلف است و روش تامین آن با توجه به حجم مصرف و میزان خلوص مورد نیاز تغییر میکند. بیمارستانها، صنایع فولاد، پتروشیمی، واحدهای شیمیایی و بسیاری از مراکز صنعتی، هرکدام به اکسیژنی با مشخصات متفاوت نیاز دارند. بر همین اساس، روشهای تولید اکسیژن نیز به یک فناوری محدود نمیشوند و از جداسازی برودتی هوا در واحدهای بزرگ تا فناوریهایی مانند PSA و VPSA را شامل میشوند.
نقطه شروع تمام این روشها، هوای محیط است که حدود ۲۱ درصد آن را اکسیژن تشکیل میدهد. در فرآیند تولید، اکسیژن از سایر اجزای هوا جدا میشود و پس از رسیدن به خلوص مورد نظر، برای کاربرد مشخص آماده مصرف خواهد بود. شناخت این روشها، تفاوت عملکرد آنها و شرایط استفاده از هرکدام، به انتخاب مناسبترین شیوه تولید اکسیژن کمک میکند.
تولید اکسیژن مایع و تولید نیتروژن مایع در صنایع گازی پرستلی
اکسیژن صنعتی چگونه تولید میشود؟
برای تولید اکسیژن روشهای مختلفی وجود دارد، اما اساس بیشتر این روشها بر جداسازی اکسیژن از هوای محیط استوار است.
در فرآیندهای صنعتی، ابتدا هوا وارد سیستم تولید شده و ناخالصیهایی مانند رطوبت، گردوغبار و دیاکسیدکربن از آن حذف میشود. سپس با استفاده از فناوریهای جداسازی، اکسیژن از سایر گازهای موجود در هوا مانند نیتروژن و آرگون جدا میشود. هرکدام از این روشها برای شرایط خاصی طراحی شدهاند و انتخاب روش مناسب اهمیت زیادی در کاهش هزینهها و افزایش راندمان دارد.
۱. تولید اکسیژن به روش کرایوژنیک ASU
یکی از قدیمیترین و در عین حال پیشرفتهترین روشهای تولید اکسیژن صنعتی، روش کرایوژنیک یا جداسازی هوای مایع است.
در این روش، هوا ابتدا توسط کمپرسورها فشرده میشود. سپس از فیلترها و سیستمهای تصفیه عبور میکند تا ناخالصیهایی مانند بخار آب و دیاکسیدکربن از آن حذف شود.
در مرحله بعد، هوا تا دماهای بسیار پایین سرد شده و به حالت مایع درمیآید. از آنجا که اجزای مختلف هوا دارای نقطه جوش متفاوتی هستند، امکان جداسازی آنها وجود دارد. به دلیل تفاوت نقطه جوش اجزای هوا، این گازها در ستونهای تقطیر از یکدیگر جدا میشوند و اکسیژن با خلوص مورد نظر به دست میآید.
این روش بیشتر توسط تولیدکننده اکسیژن مایع و کارخانههای بزرگ گازهای صنعتی استفاده میشود.
مزایای روش ASU
- امکان تولید اکسیژن با خلوص بسیار بالا
- مناسب برای ظرفیتهای تولید زیاد
- قابلیت تولید اکسیژن مایع
- امکان تولید همزمان نیتروژن و آرگون
معایب روش ASU
- نیاز به سرمایهگذاری اولیه بالا
- تجهیزات پیچیدهتر نسبت به روشهای دیگر
- نیاز به دانش فنی برای بهرهبرداری و نگهداری
بیشتر بخوانید: تفاوت اکسیژن صنعتی و پزشکی
۲. تولید اکسیژن به روش PSA
یکی از رایجترین روشهای تولید اکسیژن در محل مصرف، استفاده از فناوری PSA (Pressure Swing Adsorption) است. این روش به دلیل ساختار ساده، هزینه مناسب و امکان تولید مداوم اکسیژن، در بسیاری از صنایع، بیمارستانها و مراکز درمانی کاربرد دارد. در سیستم PSA، هوای محیط ابتدا توسط کمپرسور فشرده میشود و پس از عبور از فیلترهای مخصوص، وارد برجهای جذب خواهد شد. درون این برجها ماده جاذبی مانند زئولیت قرار دارد که نیتروژن موجود در هوا را بهصورت انتخابی جذب میکند. با کاهش میزان نیتروژن، اکسیژن با خلوص بالاتر از برج خارج میشود و برای مصرف مورد نظر در دسترس قرار میگیرد.
ماده جاذب پس از مدتی به ظرفیت جذب خود میرسد و برای ادامه فرآیند باید احیا شود. در این مرحله، فشار داخل برج کاهش پیدا میکند و نیتروژن جذبشده از ماده جاذب جدا میشود. پس از این مرحله، برج دوباره برای جذب نیتروژن آماده خواهد بود. این چرخه بهصورت متناوب میان برجهای مختلف انجام میشود تا یک برج در حال تولید اکسیژن باشد و برج دیگر فرآیند احیا را طی کند. به این ترتیب، سیستم PSA میتواند بدون توقف طولانی، اکسیژن مورد نیاز محل مصرف را تولید کند.
مزایای تولید اکسیژن به روش PSA
- امکان تولید اکسیژن در محل مصرف
- کاهش هزینههای حمل و نگهداری کپسولهای اکسیژن
- راهاندازی سریع سیستم
- نیاز کمتر به تجهیزات پیچیده
- مناسب برای ظرفیتهای کوچک تا متوسط
- قابلیت کنترل میزان تولید بر اساس نیاز مصرفکننده
محدودیتهای روش PSA
با وجود مزایای متعدد، این روش برای همه کاربردها مناسب نیست. مهمترین محدودیتهای آن عبارتاند از:
- خلوص اکسیژن معمولا کمتر از روش کرایوژنیک است.
- برای تولید حجم بسیار بالا و اکسیژن مایع گزینه مناسبی نیست.
- نیاز به تعویض دورهای مواد جاذب وجود دارد.
۳. تولید اکسیژن به روش VPSA
در میان روشهای تولید اکسیژن، VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) بیشتر زمانی مطرح میشود که ظرفیت تولید بالا و مصرف بهینه انرژی اهمیت داشته باشد. اساس کار این فناوری به PSA نزدیک است، اما یک تفاوت مهم در نحوه احیای ماده جاذب دارد. در VPSA، پس از جذب نیتروژن، برای خارج کردن گازهای جذبشده از بستر، خلأ ایجاد میشود. این کار با استفاده از پمپ خلأ انجام میگیرد و باعث میشود جاذب با فشار کمتری نسبت به شرایط معمول بازسازی شود.
استفاده از خلأ، بازسازی را برای ظرفیتهای بالای تولید مناسبتر کرده و میتواند در برخی شرایط به کاهش انرژی مورد نیاز سیستم کمک کند. از همین رو VPSA بیشتر در واحدهای صنعتی با مصرف قابلتوجه اکسیژن مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع، تفاوت PSA و VPSA بیشتر در شیوه بازسازی جاذب و شرایط کاری سیستم است، نه در اصل جداسازی اکسیژن از سایر اجزای هوا. انتخاب بین این دو فناوری نیز به ظرفیت تولید، خلوص مورد نیاز و شرایط عملیاتی پروژه بستگی دارد.
مزایای تولید اکسیژن به روش VPSA
- مصرف انرژی کمتر نسبت به برخی روشهای سنتی
- تولید اکسیژن در محل مصرف
- عدم نیاز به حملونقل مداوم کپسول یا مخزن
- مناسب برای صنایع با مصرف متوسط و بالا
۴. تولید اکسیژن از طریق الکترولیز آب
در تولید اکسیژن از طریق الکترولیز آب، آب با استفاده از جریان الکتریکی به اجزای تشکیلدهنده خود، یعنی هیدروژن و اکسیژن، تجزیه میشود. این فرآیند در دستگاهی به نام الکترولایزر انجام میگیرد و در دو الکترود آن واکنشهای جداگانهای رخ میدهد. در نتیجه، اکسیژن در یک سمت و هیدروژن در سمت دیگر تولید و از یکدیگر جدا میشوند. این روش برخلاف PSA و VPSA به جداسازی اجزای هوای محیط متکی نیست و ماده اولیه آن آب است. با وجود امکان تولید اکسیژن با خلوص بالا، مصرف انرژی و هزینه تجهیزات باعث شده است الکترولیز آب بیشتر در کاربردهای خاص و سامانههایی که تولید همزمان هیدروژن و اکسیژن اهمیت دارد، مورد توجه قرار بگیرد.
مزایای تولید اکسیژن از طریق الکترولیز آب
- عدم نیاز به هوای فشرده
- امکان راهاندازی و کنترل انعطافپذیر
- مناسب برای تولید در محل مصرف
اکسیژن مایع چگونه تولید و ذخیره میشود؟
شرکتهایی که در زمینه تولید و عرضه اکسیژن مایع فعالیت میکنند، معمولا از واحدهای جداسازی هوای مایع یا ASU استفاده میکنند. در این فرآیند، اکسیژن پس از جداسازی و خالصسازی، در دمای بسیار پایین به مایع تبدیل میشود. اکسیژن مایع به دلیل حجم کمتر نسبت به حالت گازی، برای ذخیرهسازی و انتقال در حجمهای بالا گزینه مناسبی است. پس از انتقال به محل مصرف، این مایع توسط تجهیزاتی به نام تبخیر کننده (Vaporizer) دوباره به گاز تبدیل شده و برای مصرف صنعتی یا پزشکی استفاده میشود.
بیشتر بخوانید: کود مایع اکسیژن چیست؟
جمعبندی
روشهای تولید اکسیژن بر اساس ظرفیت مورد نیاز، میزان خلوص و نوع مصرف انتخاب میشوند و نمیتوان یک فناوری را برای همه کاربردها مناسب دانست. روش کرایوژنیک یا ASU بیشتر در واحدهای بزرگ صنعتی کاربرد دارد و امکان تولید اکسیژن با خلوص بالا و همچنین اکسیژن مایع را فراهم میکند. در مقابل، PSA و VPSA برای تولید اکسیژن در محل مصرف گزینههای کاربردیتری هستند و تفاوت اصلی آنها در نحوه بازسازی ماده جاذب و شرایط عملیاتی سیستم است. الکترولیز آب نیز مسیر متفاوتی دارد و بهجای جداسازی اکسیژن از هوا، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکند. در نهایت، انتخاب روش مناسب به نیاز واقعی مجموعه، ظرفیت تولید، خلوص مورد انتظار و نحوه مصرف اکسیژن بستگی دارد.
سوالات متداول درباره روشهای تولید اکسیژن
بهترین روش تولید اکسیژن در صنعت چیست؟
انتخاب بهترین روش به میزان مصرف و خلوص مورد نیاز بستگی دارد. برای تولید حجم بالا و اکسیژن مایع، روش کرایوژنیک مناسبتر است و برای تولید اکسیژن در محل مصرف، سیستمهای PSA و VPSA کاربرد بیشتری دارند.
سادهترین راه تولید اکسیژن چیست؟
برای تولید اکسیژن در محل مصرف، سیستمهای PSA و VPSA از گزینههای نسبتاً ساده و کاربردی هستند. در مقیاس آزمایشگاهی نیز الکترولیز آب یکی از روشهای شناختهشده برای تولید اکسیژن است.
تجهیزات تولید اکسیژن شامل چه مواردی است؟
تجهیزات بسته به روش تولید متفاوت است، اما معمولا شامل کمپرسور هوا، فیلترها، سیستم خشککن، برجهای جذب، مخازن ذخیره، سیستم کنترل و تجهیزات تصفیه گاز میشود.
بدون دیدگاه