يمكن استخدام معدات فصل الهواء المبرد في مجالات مختلفة مثل الهندسة الكيميائية والطاقة الجديدة والمعادن وغيرها، والتي تتطلب كمية كبيرة من النيتروجين عالي النقاء للإنتاج الصناعي. تستخدم وحدة فصل الهواء المبرد التكثيف عند درجات حرارة منخفضة لتحويل الهواء إلى حالة سائلة. نظرًا لاختلاف درجات حرارة تبخر الغازات المختلفة، يمكن فصلها وتنقيتها من الهواء، مما ينتج عنه غازات صناعية عالية النقاء وواسعة النطاق مثل النيتروجين والأكسجين.

تدفق عملية فصل الهواء المبرد

يتم ضغط الهواء الخام إلى 0.7-0.85 ميجا باسكال بواسطة ضاغط هواء ، ثم يتم تبريد الهواء مسبقًا إلى 5-10 درجات مئوية في وحدة التبريد المسبق لفصل معظم الرطوبة. امتصاص وتصفية الماء المتبقي وثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات من خلال منقي مبرد. ثم يتم تمدد الهواء وتبريده في الموسع لتوفير سعة التبريد المطلوبة للجهاز. يتبادل الهواء الحرارة مع الأكسجين المرتجع والنيتروجين والنيتروجين الملوث في المبادل الحراري الرئيسي لبرج التجزئة، ويتم تبريده إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة التسييل، ثم يعيد تسخين الأكسجين المرتجع والنيتروجين والنيتروجين الملوث إلى درجة حرارة الغرفة. النيتروجين هو الهواء السائل والنيتروجين السائل قبل التبريد الفرعي والخنق في المبرد الفرعي. يخضع الهواء لفصل التقطير في برج التقطير، للحصول على نيتروجين المنتج في الجزء العلوي من البرج العلوي وأكسجين المنتج في الجزء السفلي من البرج العلوي.

تدفق عملية مولد النيتروجين المبرد

ضغط الهواء: يتم ضغط الهواء بواسطة ضاغط هواء إلى 0.5 ~ 0.7 ميجا باسكال ؛

التبريد المسبق: يتم تبريد الهواء مسبقًا إلى 5 ℃ ~ 10 ℃ في وحدة التبريد المسبق ويتم فصل الرطوبة ؛

التنقية: يتم تنقية الهواء في منقي غربال جزيئي لإزالة الرطوبة المتبقية وثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات ؛

تمدد الهواء: يتمدد الهواء في موسع لتبريده وتوفير سعة التبريد المطلوبة للجهاز؛

التبادل الحراري: يتبادل الهواء الحرارة مع الأكسجين المرتجع والنيتروجين والنيتروجين الملوث في المبادل الحراري لبرج التجزئة، ويتم تبريده إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة التسييل، ويقوم بتسخين الأكسجين المرتجع والنيتروجين والنيتروجين الملوث بشكل متكرر إلى درجة حرارة الغرفة؛

التبريد الفرعي: الهواء السائل والنيتروجين السائل من غاز النيتروجين قبل التبريد الفرعي والخنق في المبرد الفرعي؛

التقطير: يخضع الهواء لفصل التقطير في برج التقطير، للحصول على نيتروجين المنتج في الجزء العلوي من البرج العلوي وأكسجين المنتج في الجزء السفلي من البرج العلوي.

تعتمد تقنية تشغيل وحدة فصل الهواء عند درجة حرارة منخفضة على مبدأ التقطير عند درجة حرارة منخفضة، الذي يفصل الهواء في المرحلة الغازية-السائلة إلى المكونات الرئيسية: النيتروجين والأكسجين والأرجون. في الوقت الحاضر، يمكن للأجهزة التي تعمل عند درجة حرارة منخفضة الحصول على منتجات فصل بالمعايير التالية:

يمكن أن تنتج أنواع مختلفة من محطات درجات الحرارة المنخفضة منتجات فصل الغاز عن السائل باستهلاك متفاوت للطاقة. لذلك، من أجل الحصول على منتجات سائلة وغازية، تختلف تقنية وحدات فصل الهواء بدرجات حرارة منخفضة وتنقسم إلى الأنواع الرئيسية التالية:

مبدأ العمل لمولد النيتروجين المبرد

يتم سحب الهواء الخام من الغلاف الجوي، ويتم تنظيفه من الشوائب عبر مرشح هواء، ثم يضغط إلى ضغط معين عبر ضاغط توربين الهواء. يتم تبريده إلى حوالي 8 درجات مئوية بواسطة مبرد هواء مسبق ويفصله إلى ماء حر بواسطة فاصل ماء قبل الدخول إلى منخل جزيئي لإزالة ثاني أكسيد الكربون والرطوبة ومعظم الهيدروكربونات من الهواء.

ثم يدخل نظام برج التقطير ويتبادل الحرارة مع غاز الارتجاع في المبادل الحراري الرئيسي. يدخل الهواء بعد تبادل الحرارة الجزء السفلي من برج التقطير ويشارك في التقطير؛ احصل على سائل غني بالأكسجين في أسفل البرج والنيتروجين في أعلى البرج.

بعد أن يبرد تحت الماء بواسطة المبرد، يخرج الهواء السائل ويتدفق إلى مبخر المكثف كمصدر بارد، متبادلا الحرارة مع غاز النيتروجين الصاعد في البرج. يتبخر الهواء السائل، ويتكثف غاز النيتروجين، ويستخدم معظم النيتروجين السائل المكثف كسائل ارتجاع في برج التقطير، ويشارك في التقطير. يدخل جزء صغير من المنتج خزان التخزين السائل ثم يدخل خزان تخزين النيتروجين السائل.
بعد استخراج النيتروجين الناتج من أعلى البرج، يدخل المبادل الحراري لإعادة التسخين ويطلق خارج البرج إلى نظام ضغط النيتروجين للمستخدم؛ يتم توفير سعة التبريد المطلوبة للجهاز بواسطة مجموعة من موسعتي توربين.

يتم إعادة تسخين الهواء الغني بالأكسجين المستخرج من المبرد الرئيسي إلى درجة حرارة معينة عبر المبرد والجزء السفلي من المبادل الحراري الرئيسي، ويدخل ضاغط التمدد للتبريد التمديدي. ثم يدخل المبادل الحراري الرئيسي لتبادل الحرارة مع الهواء الموجب التدفق، ويتم تبريد الهواء؛ بعد إعادة تسخين الهواء المغذي بالأكسجين، يتم تصريف الهواء خارج البرج كمصدر لغاز التجديد للمنقية. بعد خروجه، يرسل إلى المستخدم مع الفائض إلى نظام الضغط الغني بالأكسجين.

يتكون منقي المنخل الجزيئي من حاويتين مملوءتين بمنخلات جزيئية، واحدة تعمل والأخرى تتجدد، متغيرة بين الاستخدامات.
عندما تتعطل معدات إنتاج النيتروجين وتتوقف، يمكن بدء ضغطها في مضخة النيتروجين السائل. عند حدوث انقطاع كامل للكهرباء، يمكن إرساله إلى خزان تخزين النيتروجين السائل متوسط الضغط، ثم تبخره وإعادة تسخينه بواسطة جهاز التزوين إلى درجة حرارة الغرفة قبل دخول خزان التخزين متوسط الضغط لاستخدام المستخدم.

إنتاج النيتروجين عن طريق فصل الهواء بالتجميد والتمدد الإيجابي

عملية تمدد تدفق الهواء الإيجابي مناسبة عموما للحالات التي يكون فيها مستوى ضغط نواتج النيتروجين مرتفعا جدا (مثل أقل من 0.2 ميغاباسكال)، كما هو موضح في الرسم التوضيحي. بعد إزالة الغبار، والضغط، والتبريد المسبق، والتنقية، يقسم الهواء الخام إلى تيارين: يدخل أحد التيار إلى المبادل الحراري الرئيسي، حيث يبرد إلى درجة حرارة معينة بواسطة تدفق النيتروجين الملوث، ثم يستخرج من وسط المبادل الحراري الرئيسي للتمدد. بعد التمدد، يدخل أسفل برج النيتروجين للتقطير؛ يتم تبريد تيار آخر من الهواء إلى درجة حرارة التشبع في المبادل الحراري الرئيسي ويتم تثبيته مباشرة إلى برج النيتروجين للتقطير.

بهذه الطريقة، يتم الحصول على غاز النيتروجين الناتج من أعلى برج النيتروجين، ويتم تقليل سرعة السائل الغني بالأكسجين في أسفل برج النيتروجين ويدخل جانب التبخر من المكثف لتكثيف نيتروجين الغاز في أعلى برج النيتروجين. يتم تغذية الهواء الغني بالأكسجين المستخرج من أعلى مبخر المكثف مباشرة إلى الطرف البارد للمبادل الحراري الرئيسي، حيث يتبادل الحرارة مع الهواء الموجب ويعاد تسخينه إلى درجة حرارة الغرفة قبل تفريغه من الصندوق البارد. يستخدم جزء منه لتجديد جهاز الامتصاص الجزيئي، بينما يتم تفريغ الباقي. يتم إعادة تسخين غاز النيتروجين المخرج من أعلى برج النيتروجين بواسطة المبادل الحراري الرئيسي إلى درجة حرارة الغرفة ويطلق من صندوق التبريد لتزويد المستخدمين.

إنتاج نيتروجين التمدد الارتدادي

عملية تمدد الارتجاع بالتبريد مناسبة عموما للحالات التي يكون فيها لدى المستخدمين متطلبات ضغط معينة لمنتجات النيتروجين (مثل أكثر من 0.2 ميغاباسكال)، كما هو موضح في الرسم البياني. بعد إزالة الغبار، والضغط، والتبريد المسبق، والتنقية، يدخل الهواء الخام إلى المبادل الحراري الرئيسي، حيث يبرد إلى درجة حرارة التشبع ويحتوي على نسبة رطوبة معينة بسبب تدفق النيتروجين الملوث. ثم يدخل أسفل برج النيتروجين للتقطير. الحصول على النيتروجين السائل وغاز النيتروجين من أعلى برج النيتروجين بهذه الطريقة؛ يتم تقليل السائل الغني بالأكسجين في أسفل برج النيتروجين ويدخل جانب التبخر من المكثف لتكثيف الغاز النيتروجين في أعلى برج النيتروجين.

يتم تغذية معظم الهواء الغني بالأكسجين المستخرج من أعلى مبخر المكثف مباشرة إلى الطرف البارد للمبادل الحراري الرئيسي، ثم يعاد تسخينه إلى درجة حرارة معينة، ثم يستخرج من المنتصف ليدخل موسع التوربين للتمدد، مما يوفر قدرة تبريد لجميع معدات النيتروجين النقي. يختلط الهواء الموسع الغني بالأكسجين مع تيار آخر من الهواء المغني بالأكسجين المجهول ويدخل الطرف البارد للمبادل الحراري الرئيسي، حيث يتبادل الحرارة مع الهواء العادي. بعد إعادة التسخين إلى درجة حرارة الغرفة، يتم تفريغه من صندوق التبريد، حيث يستخدم جزء منها لتجديد مصل الجزيئات ويتم تهوية الباقي. يتم إعادة تسخين غاز النيتروجين المستخرج من أعلى برج الأمونيا بواسطة المبادل الحراري الرئيسي إلى درجة حرارة الغرفة ويطلق من صندوق التبريد لتزويد المستخدمين.

متطلبات تصميم كاملة لفصل الهواء بالتبريد التجميعي

فصل الهواء بالتبريد التجميعي هو عملية فصل الأكسجين والنيتروجين والغازات الأخرى من الهواء باستخدام تكنولوجيا درجات الحرارة المنخفضة. كطريقة متقدمة لإنتاج الغازات الصناعية، يُستخدم فصل الهواء بالتبريد التجميعي على نطاق واسع في صناعات مثل التعدين والهندسة الكيميائية والإلكترونيات. يتطلب تصميم مجموعة كاملة من معدات فصل الهواء بالتبريد التجميعي ليس فقط الدقة التقنية، بل يحتاج أيضًا إلى الامتثال للمعايير الصناعية واحتياجات العملاء لضمان تشغيل المعدات بثبات وتحقيق الفوائد الاقتصادية. سنتناول متطلبات تصميم مجموعة كاملة من معدات فصل الهواء بالتبريد التجميعي، بما في ذلك الاعتبارات الأساسية للتصميم، والنقاط الهندسية، واعتبارات التطبيق العملي.

متطلبات التصميم الأساسية

عند تصميم مجموعة كاملة من معدات فصل الهواء بالتبريد التجميعي، تشمل المتطلبات الأساسية الأولى التي يجب تحديدها القدرة الإنتاجية، وظروف الهواء الخام، ونقاء وكمية المنتج، وما إلى ذلك. وفقًا لمجالات التطبيق العملي المختلفة، تختلف القدرة الإنتاجية لمجموعات معدات فصل الهواء بالتبريد التجميعي بشكل كبير، حيث تغطي عادةً نطاقات المعالجة من مئات إلى آلاف الأمتار المكعبة في الساعة. بالإضافة إلى ذلك، يجب إزالة الشوائب مثل الرطوبة وثاني أكسيد الكربون في الهواء الخام من خلال مرحلة المعالجة المسبقة لضمان قدرة المعدات على أداء العمليات بالتبريد التجميعي تحت ظروف مستقرة وخالية من التداخل.لذلك، يحتاج تصميم نظام المعالجة المسبقة إلى أخذ مستوى الملوثات في الهواء المحلي وبيئة تشغيل المعدات بعين الاعتبار بشكل كامل.

اعتبارات تصميم النظام

تشمل عملية تصميم معدات فصل الهواء المبرد عدة أنظمة رئيسية، بما في ذلك نظام الضغط، نظام التبادل الحراري، نظام برج الفصل، ونظام التقطير. يجب أن يضمن تصميم نظام الضغط توفير هواء عالي الضغط بكفاءة وموثوقية مناسب للفصل بالتجميد. المبادل الحراري هو المكون الأساسي الذي يضمن تحقيق العمليات التبريدية، مما يتطلب كفاءة حرارية عالية للغاية. عادة ما تستخدم مبادلات الحرارة ذات الزعانف الصفائحية لضمان انتقال حرارة فعال وتدفق غاز منتظم. وفي الوقت نفسه، يجب أن يلبي تصميم برج الفصل ونظام التقطير متطلبات نقاء غاز المنتج، لذا فإن اختيار التعبئة والصينية داخل البرج وتحسين ظروف عملية التقطير أمر بالغ الأهمية. في برج التقطير، يتم فصل مكونات الغاز المختلفة بفعالية من خلال عمليات التبادل الحراري المتكرر وتبخير التكثف، مكونة غازات الأكسجين والنيتروجين أو الأرجون عالية النقاء.

أنظمة الأتمتة والتحكم

التحكم الآلي هو جزء لا غنى عنه في تصميم أنظمة فصل الهواء بالتجميد. عادة ما تدمج مجموعات حديثة كاملة من معدات فصل الهواء بالتجميد أنظمة تحكم مؤتمتة بالكامل لتحقيق تحكم دقيق في معايير مثل درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق. هذا لا يقلل بشكل كبير من صعوبة التشغيل فحسب، بل يحسن أيضا أمان واستقرار النظام. تتكون أنظمة التحكم في العمليات عادة من PLC (وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة) وDCS (نظام التحكم الموزع)، التي تتحكم في المعدات وتحسينها من خلال الحصول على معلمات رئيسية في الوقت الحقيقي لضمان التشغيل المستقر تحت ظروف تحميل مختلفة. للتعامل مع المواقف غير المتوقعة، يحتاج نظام التحكم أيضا إلى وظيفة تشخيص الأعطال، التي يمكنها اكتشاف المشاكل المحتملة في الوقت المناسب واتخاذ الإجراءات المناسبة.

اعتبارات الحفاظ على الطاقة وحماية البيئة

توفير الطاقة هو اعتبار مهم عند تصميم معدات فصل الهواء بالتبريد العميق، ويلعب التصميم الفعال للضواغط والمبادلات الحرارية دورًا كبيرًا في تقليل استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر استرجاع الحرارة المهدرة من المعدات طريقة شائعة لتوفير الطاقة، حيث يمكن استخدام الحرارة المهدرة في عملية التبريد لتوفير دعم طاقي للعمليات الأخرى، مما يحسن من كفاءة استخدام الطاقة بشكل عام. فيما يتعلق بحماية البيئة، يجب أن يأخذ تصميم فصل الهواء بالتبريد العميق بعين الاعتبار المشكلات المحتملة لتلوث البيئة أثناء عملية الإنتاج، مثل التلوث الضوضائي وانبعاثات العادم أثناء العملية. في مرحلة التصميم، من الضروري إضافة معالجة عازلة للصوت وخطة معالجة مناسبة لانبعاثات الغازات لتلبية اللوائح والمعايير البيئية ذات الصلة.

الفعالية من حيث التكلفة واختيار المعدات

التقييم الاقتصادي الكامل لمجموعة معدات فصل الهواء بالتبريد العميق يؤثر مباشرة على تصميمها واختيارها. على أساس تلبية احتياجات الإنتاج، يجب أن يكون اختيار المعدات وحجمها بحيث يقلل من الاستثمار الأولي وتكاليف التشغيل قدر الإمكان. إن اختيار مواد تصنيع المعدات، وكفاءة تبادل الحرارة، ونوع الضاغط، وتدفق العملية هي جميعها عوامل رئيسية تؤثر على الفعالية من حيث التكلفة. يمكن للاختيار المناسب للمعدات أن يقلل ليس فقط من الاستثمار الأولي، بل أيضًا من تكاليف الصيانة والتشغيل في المراحل اللاحقة، وبالتالي تحقيق عوائد اقتصادية أعلى في عملية الإنتاج.

التركيب والتشغيل التجريبي في الموقع

تصميم مجموعة كاملة من معدات فصل الهواء بالتبريد العميق لا يقتصر على مرحلة الرسم فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى مراعاة متطلبات التركيب والتشغيل التجريبي في الموقع. خلال مرحلة التركيب، من الضروري ضمان التوصيل الدقيق لكل مكون لتجنب مشاكل التسرب عند وصلات الأنابيب. أثناء عملية التشغيل التجريبي، يتطلب الأمر فحصًا شاملاً لحالة تشغيل كل نظام لضمان وصول المعدات إلى ظروف التشغيل المثلى. نظرًا لتعقيد معدات فصل الهواء بالتبريد العميق، يتم عادةً تنفيذ التشغيل التجريبي بواسطة فريق متخصص من المهندسين، بما في ذلك العديد من الاختبارات وتعديل المعايير مثل نقاء الغاز والضغط ومعدل التدفق، وصولًا في النهاية إلى تلبية متطلبات التصميم ومعايير العميل.