طرح توجیهی تولید اکسیژن ، آرگون ، نیتروژن (سال 1400) + word و pdf

طرح توجیهی تولید اکسیژن ، آرگون ، نیتروژن
اکسیژن و نیتروژن به عنوان مهمترین گازهای تشکیل دهنده هوا که در حیات موجودات زنده نقش عمده ای را ایفا می کنند، شناخته می شوند. هوا متشکل از 21 % اکسیژن، 78 % نیتروژن و یک درصد مابقی گازها از جمله دی اکسید کربن، گازهای بی اثر، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد و … است.

تولید این گاز در دهه های اخیر در مقیاس بزرگ در دماهای پایین به صورت تقطیر هوای مایع یا دوره های معمولی با استفاده از مواد جاذب انجام می شود. این مواد جاذب عمدتاً غربالهای مولکولی هستند. در این روش با حذف نیتروژن از هوا منجر به تولید اکسیژن و آرگون می شود.

این گاز در دهه 80 میلادی تقریباً چهارمین رتبه از نظر حجم تولید در جهان را داشته است. نیتروژن تقریباً پنجمین رتبه را از نظر حجم تولید در دهه 80 میلادی دارا بوده است که فرآوری آن در مقیاس صنعتی به وسیله تقطیر جزئی هوای مایع میسر می باشد.

این گاز از تجزیه آمونیاک نیز به دست می آید. آرگون نیز همانطور که از اسمش پیداست به معنای غیر فعال است. که دارای خاصیت و طبیعت خنثی در شرایط عادی می باشد. بطور کل طبقه بندی این محصولات براساس درجه خلوص و حالت محصول (گاز یا مایع) می باشد.

اکثر واحدهای تولید اکسیژن ، آرگون ، نیتروژن محصولات خود را در یک محدوده مشخص از درجه خلوص و همین طور حالت معین محصول که هر دو از پیش طراحی شده و واحد براساس آن کار می کند عرضه می کنند. برای تغییر این دو پارامتر لازم است برخی از دستگاهها و تجهیزات واحد و یا نوع عملکرد تغییر کند.

برای محصول نیتروژن صنعتی براساس دامنه کاربرد دو نوع محصول متصور است که :

1. نوع اول برای مصارف عمومی صنعتی است
2. و نوع دوم برای مصارف اختصاصی صنعتی است که مقدار اکسیژن محتوی آن کاهش داده شده است.

محصول اکسیژن نیز براساس نوع کاربرد به دو نوع صنعتی و طبی طبقه بندی می شود که در مورد نوع طبی درصد ناخالصی ها باید بسیار پایین باشد. محصول آرگون نیز در دسته بندی جهانی در نوع تکنیکال و درجه خلوص بالا طبقه بندی می شود. شایان ذکر است که محصولات در این طرح بر مبنای کاربردهای صنعتی عمومی پایه گذاری شده است.

مشخصات فنی محصولات
بطور کلی مشخصات فنی چنین محصولاتی براساس خواص ظاهری مانند: رنگ، بو، طعم، برخی خواص شیمی فیزیکی، علامت یا فرمول شیمیایی، عدد اتمی و در نهایت درجه خلوص مطرح می شود. خلاصه ای از موارد فوق در جدول زیر آورده شده است.

جدول برخی از مشخصات فنی محصولات
خواص محصول/نام محصول	آرگون	اکسیژن	نیتروژن
(عدد اتمی) علامت شیمیایی	(18) Ar	(Q2 (16	(N2 (14
خواص ظاهری	بی رنگ،بی بو، بی مزه	بی رنگ،بی بو، بی مزه	بی رنگ،بی بو، بی مزه
نقطه جوش در فشار 1 اتمسفر ºC	185/7-	183-	196-
دانسیته در حالت گاز در فشار اتمسفر kg/m3	1/782 ( در 0ºC )	1/429 ( در 0ºC )	1/185 ( در 15ºC )
درجه خلوص	%99/999	%99/5	%99/999

کد آیسیک محصولات مورد بررسی در گزارش به تفکیک ارائه شده است:

• آرگون 24111112
• اکسیژن 24111111
• نیتروژن 24111118

موارد کاربرد

آرگون
مصرف آرگون بیشتر در ساخت قطعات الکترونیکی، جوشکاری های حساس و نیز به عنوان ماده اولیه لامپ سازی و غیره می باشد.

اکسیژن
مصرف اکسیژن در صنایع جوشکاری، برشکاری، فولاد سازی، ریخته گری، شیمیایی و همچنین پزشکی می باشد. اکسیژن عمدتاً به عنوان کالای واسطه ای در صنایع سرماسازی، نگهداری مواد غذایی (بصورت نیتروژن مایع) و صنایع الکترونیک، عملیات حرارتی و … کاربرد دارد.

نیتروژن
نیتروژن هم در صنایع سرماسازی، نگهداری مواد غذایی (به صورت نیتروژن مایع) صنایع الکترونیک، عملیات حرارتی و شستشوی خطوط لوله و بعضی دستگاههای شیمیایی و به طور کلی در صنایع شیمیایی به عنوان ماده اولیه بعضی محصولات با استفاده های جانبی کاربرد دارد.

کالای جایگزین
آرگون کالای واسطه ای می باشد که در ساخت قطعات الکترونیکی و جوشکاری های حساس و نیز بعنوان ماده اولیه صنایع لامپ سازی و غیره بکار برده می شود.

با توجه به اینکه آرگون از گازهای بی اثر به شماره می آید می توان از بعضی گازهای بی اثر دیگر به عنوان کالای جانشین این ماده استفاده کرد. البته باید توجه داشت که خصوصیات گازهای بی اثر نیز می تواند در شرایط مختلف متفاوت باشد و یا هزینه های بالایی در بر داشته باشد.

در مورد نیتروژن هم می توان گفت که کالای جانشینی که دارای همین خصوصیات باشد وجود ندارد و باید دقیقاً مشخص شود که هدف استفاده از نیتروژن چیست تا بتوان کالای جانشین آن را در صورت وجود، تعیین کرد.

البته این مساله را نباید از نظر دور داشت که نیتروژن از نظر هزینه نسبت به گازهای دیگر که تقریباً خواص بی اثر دارند خیلی ارزانتر و دسترسی به آن نیز راحت تر است. با توجه به خواص ویژه اکسیژن محصول جایگزینی برای آن وجود ندارد.

اهمیت تولید اکسیژن ، نیتروژن و آرگون
گاز نیتروژن به عنوان ماده اولیه بعضی از صنایع نظامی کاربرد دارد. به همین دلیل در بعضی مقاطع تاریخی یک ماده استراتژیک به شمار می آمده است.همچنین از آنجا که گاز اکسیژن در صنایع پزشکی کاربرد دارد، از جمله کالاهای استراتژیک به حساب می آید.

علاوه بر آن گاز اکسیژن در صنایع ریخته گری و فولاد که از جمله صنایع مادر کشور است، مورد استفاده قرار می گیرد که این امر سبب افزایش اهمیت استراتژیک تولید اکسیژن می گردد.

تکنولوژی تولید اکسیژن ، نیتروژن و آرگون

روش های مختلف تولید این محصولات شامل:

تقطیر هوای مایع

کاربرد علمی کریوژنیک با جداسازی اجزاء متشکله موجود در هوا آغاز شد. امروزه جداسازی هوا به این روش از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است و با استفاده از این روش مجتمع هایی تا حد 75 تن در ساعت به تولید اکسیژن ، نیتروژن و آرگون پرداخته اند.

هوا با فشار ورودی 700 کیلو پاسکال، ضمن تبادل حرارتی در یک خنک کن، سرد شده که بدین ترتیب دی اکسید کربن و رطوبت را از دست می دهد. سپس ضمن انبساط، دمای هوا پایین تر می رود که وارد ستون (برج) تقطیر دوگانه می شود،

که از نظر فشار با یکدیگر متفاوت می باشند که جداسازی اکسیژن، نیتروژن و همچنین تغلیظ آرگون را انجام می دهد. آرگون حاوی اکسیژن (خام) جهت حذف اکسیژن و افزایش خلوص به ستون (برج) آرگون خام هدایت می شود.

الکترولیز آب

اهمیت فرآیند الکترولیز آب عمدتاً به عنوان یکی از روش های مطرح جهت تولید هیدروژن می باشد که اکسیژن بعنوان محصول فرعی چنین واحدهایی محسوب می شود. چنانچه در آینده بحث بکارگیری هیدروژن بعنوان منبع انرژی جدید، جدی شود در آن صورت تهیه اکسیژن به این روش اهمیت خواهد یافت.

جداسازی جذبی (PSA)

اکسیژن و نیتروژن را با استفاده از فرآیند جذب در بسترهایی از غربال ملکولی می توان تهیه کرد. نمونه ای از فرآیند جذبی جهت تولید نیتروژن با بکارگیری دو بستر حاول کک (به عنوان جاذب از نوع غربال ملکولی) انجام می شود.

هوای فشرده در تماس با بستر اول، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن خود را به علت جذب مولکولی در غربال، از دست می دهد. اما نیتروژن از غربال مولکولی عبور می کند. در همان زمان در بستر دوم با حذب فشار، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن از غربال مولکولی آزاد می شود.

بطور متناوب عمل اعمال فشار و حذب فشار تکراری می شود که بر حسب خلوص نیتروژن مورد نیاز، اپتیمم شرایط تغذیه هوای فشرده و حذب فشار، انتخاب می شود. با استفاده از این روش نیتروژن با خلوص 99/9 – 95 درصد وزنی تهیه می شود.

انرژی مورد نیاز 0/6 کیلووات ساعت به ازای متر مکعب نیتروژن می باشد که نیتروژن حاصل حاوی 1000PPm اکسیژن می باشد. با این روش تهیه اکسیژن نیز با خلوص 95 – 90 درصد با محدود ظرفیت 60 – 1 تن در روز صورت می گیرد.

در این فرآیند ساده نیازی به تجهیزات تبریدی، خشک کن و گرمکن نمی باشد. هر یک از مخازن در سیکل دو مرحله ای جذب و احیا فعالیت می کند. چنانچه یک مخزن در حال فرآیند جذب باشد، دیگر مخازن مرحله احیا را طی می کنند

با اشباع شدن مخزن جذب از نظر ناخالصی ها، هوای فشرد بطور اتوماتیک به مخازن دیگر سوئیچ می شود و مخزن اولی در سیکل احیاء قرار می گیرد. ناخالصی های حاصل از احیاء به اتمسفر هدایت می شود و نهایتاً عمل احیاء در فشار محیط تکمیل می شود.

احتراق هیدروکربن با هوا

با این روش تولید نیتروژن در محدود 300 – 30 متر مکعب در ساعت امکان پذیر است. گاز طبیعی با پروپان با هوا سوزانده می شود. بعد از جداسازی محصولات حاصل از احتراق، نیتروژن خالص باقی می ماند. قبل از ورود به مشعل، نسبت هوا و گاز طبیعی مورد نیاز تنظیم می شود.

در محفظه احتراق، گاز طی یک فرآیند گرمازا و به طور کامل سوزانده می شود. گازهای حاصل از احتراق حاوی H2O, Co2, N2 و مقادیر کمی H2, Co می باشد. گازها در یک کندانسور صفحه ای خنک می شوند و از یک جدا کننده بخار، آب کندانس شده، جدا می شود.

پس از آن گازهای حاصل از یک خشک کن تبریدی که طی آن نقطه شبنم تا حدود 4 درجه سانتی گراد تقلیل می یابد، عبور داده می شود. دی اکسید کربن و بخار آب مازاد در بستر غربال ملکولی (که به طور متناوب از دو بستر استفاده می شود) جذب و حذف می شوند.

در یک بستر گازها تخلیص و در بستر دیگر عمل فعال سازی صورت می گیرد (توسط پمپ خلاء)، محصول نیتروژن حاوی 500PPm دی اکسید کربن و 1000PPm مونواکسید کربن هیدروژن با نقطه شبنم 60 درجه سانتی گراد، با فشار اندکی بالاتر از فشار اتمسفریک می باشد.

یک ژنراتور تولید نیتروژن به ظرفیت 115 متر مکعب در ساعت، حدود 0/15 متر مکعب گاز طبیعی، 0/14 کیلو وات ساعت برق و 0/05 متر مکعب آب به ازای هر مترمکعب نیتروژن مصرف می نمایند.

انتخاب روش بهینه تولید اکسیژن ، نیتروژن و آرگون

از جمع بندی روش های مختلف می توان دریافت که تولید توام هر سه گاز صرفاً از طریق تقطیر هوای مایع میسر است. این روش اصطلاحاً به کریوژنیک موسوم است. تکنولوژی کریوژنیک شاخه ای از فیزیک است که در دماهای بسیار پایین کاربرد دارد.

مزایای اقتصادی تولید محصولات طرح مشتمل است بر :

1. قابلیت در ذخیره سازی و حمل و نقل گاز به صورت مایع فشرده
2. توانایی در تولید اکسیژن ، نیتروژن و آرگون ارزانتر و با خلوص بالای گازها

ایجاد سرما (تبرید) در فرآیند کریوژنیک به صورت جذب یا استخراج حرارت در دمای پایین و بازگشت آن در دماهای بالاتر به محیط صورت می گیرد.