پیش‌نویس:جذب نوسان فشار (Pressure swing adsorption)
تکنیک جذب نوسان فشاری (PSA) روشی برای جداسازی بعضی گازها از یک مخلوط گازی (مثل هوا) تحت فشار است. این کار بر اساس ویژگی‌های مولکولی گازها و تمایلشان به مواد جاذب انجام می‌شود.. این فرآیند در دمای معمولی اتاق کار می‌کند و با تقطیر کریوژنیک (برودتی) که معمولاً برای جداسازی گازها استفاده می‌شود، خیلی تفاوت دارد. از موادی مثل زئولیت‌ها یاکربن فعال استفاده می‌شود که به طور انتخابی گاز مورد نظر را در فشار بالا جذب می‌کنند. بعد، فشار را پایین می‌آورند تا گاز جذب شده آزاد شود.
فرآیند
ویرایشفرآیند جذب نوسان فشاری (PSA) بر این اساس است که تحت فشار بالا، گازها به سطح جامد چسبیده می‌شوند، یعنی "جذب" می‌شوند. هر چه فشار بیشتر باشد، گاز بیشتری جذب می‌شود. وقتی فشار کم می‌شود، گاز آزاد می‌شود یا "واجذب" می‌شود. PSA برای جداسازی گازهای یک مخلوط قابل استفاده است، چون گازهای مختلف به سطح جامد معین به میزان مختلفی جذب می‌شوند. مثلاً، اگر مخلوط گازی مثل هوا تحت فشار از داخل یک مخزن که حاوی بستری از زئولیت است عبور کند، زئولیت نیتروژن را قوی‌تر از اکسیژن جذب می‌کند. در نتیجه، بخشی از نیتروژن در بستر باقی می‌ماند و گازی که از مخزن خارج می‌شود، غنی‌تر از اکسیژن نسبت به مخلوط ورودی خواهد بود. وقتی بستر به حداکثر ظرفیت خود برای جذب نیتروژن می‌رسد، می‌توان با کاهش فشار، نیتروژن جذب شده را آزاد کرد. بعد از آن، بستر آماده برای یک چرخه دیگر تولید هوای غنی از اکسیژن می‌شود. استفاده از دو مخزن جاذب به تولید تقریبا پیوسته گاز مورد نظر کمک می‌کند. همچنین، اجازه می‌دهد تا فشار برابر شود، یعنی گازی که از مخزن در حال کاهش فشار خارج می‌شود، برای بخشی از افزایش فشار مخزن دوم استفاده شود. این کار باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی می‌شود و در صنایع به طور معمول انجام می‌شود.
استفاده از دو مخزن جاذب به تولید تقریبا پیوسته گاز مورد نظر کمک می‌کند. همچنین، اجازه می‌دهد تا فشار برابر شود، یعنی گازی که از مخزن در حال کاهش فشار خارج می‌شود، برای بخشی از افزایش فشار مخزن دوم استفاده شود. این کار باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی می‌شود و در صنایع به طور معمول انجام می‌شود.
جاذب‌ها
ویرایشعلاوه بر اینکه می‌تونن بین گازهای مختلف تفاوت قائل بشن، جاذب‌های سیستم‌های PSA معمولاً مواد خیلی متخلخلی هستن که به خاطر سطح ویژه بزرگشان انتخاب می شوند. جاذب‌های معمولی شامل زئولیت، کربن فعال، ژل سیلیکا ، آلومینا یا رزین‌های مصنوعی هستند. با اینکه گازی که روی این سطوح جذب می‌شه ممکنه فقط از یه لایه با ضخامت یک یا چند مولکول تشکیل بشوند، ولی سطح‌هایی با چند صد متر مربع بر گرم می‌توانند بخش زیادی از وزن جاذب رو به شکل گاز جذب کنند. علاوه بر تمایلشان به گازهای مختلف، زئولیت‌ها و بعضی انواع کربن فعال می‌توانند از ویژگی‌های الک مولکولی خودشان برای جدا کردن بعضی مولکول‌های گاز از ساختار آنها بر اساس اندازه و شکل مولکول‌ها استفاده کنند و در نتیجه توانایی جذب مولکول‌های بزرگتر رو محدود کنند.
کاربردها
ویرایش
علاوه بر استفاده از تکنولوژی PSA برای تأمین اکسیژن پزشکی و به عنوان جایگزینی برای ذخیره‌سازی برودتی حجمی یا فشاری، این تکنولوژی در بسیاری از کاربردهای دیگر نیز استفاده می‌شود. یکی از کاربردهای اصلی PSA در حذف دی اکسید کربن (CO 2 ) به عنوان مرحله نهایی در سنتز تجاری مقیاس بزرگ هیدروژن (H 2 ) برای استفاده در نفت‌کشی‌ها و تولید آمونیاک (NH3) است. کارخانه‌های پالایشگاهی از تکنولوژی PSA در حذف سولفید هیدروژن ( H2S ) از جریان های تغذیه و بازیافت واحدهای هیدروتریتنینگ و هیدروکراکینگ استفاده می کنند. یکی دیگر از کاربردهای PSA جداسازی دی اکسید کربن از بیوگاز است که باعث افزایش نسبت متان ( CH4 ) می‌شود. از طریق PSA می توان بیوگاز را به کیفیتی مشابه گاز طبیعی ارتقا داد. این شامل یک فرایند در استفاده از گاز فاضلاب جهت ارتقا گاز فاضلاب به گاز متان بالايي با كيفيتي مشابه گاز طبيعي براي فروش است. [۱]
سیستم‌های PSA همچنین در موارد زیر استفاده می شود:
- سیستم های پیشگیری از آتش سوزی هوای هیپوکسیک برای تولید هوا با خلوص اکسیژن پایین.
- کارخانه‌های تولید پروپیلن با استفاده از هیدروژن زدایی پروپان . این کارخانه‌ها شامل اولویت برای یک ماده انتخابی برای جذب متان و اتان نسبت به هیدروژن هستند
- واحدهای تولید کننده نیتروژن صنعتی مبتنی بر فرآیند PSA می توانند گاز نیتروژن را با خلوص بالا (تا 99.9995٪) از هوای فشرده تولید کنند. با این حال، چنین ژنراتورهایی برای تامین محدوده‌های متوسط در خلوص و جریان مناسب‌تر هستند. ظرفیت این واحدها بر حسب نیوتن متر مکعب معمولی در ساعت، (یک نیوتن متر مکعب در ساعت معادل 1000 لیتر در ساعت) تحت هر یک از چندین شرایط استاندارد دما، فشار و رطوبت است.
- برای نیتروژن: از 100 نیوتن متر مکعب در ساعت با خلوص 99.9 درصد، تا 9000 نیوتن متر مکعب در ساعت با خلوص 97 درصد؛
- برای اکسیژن: حداکثر 1500 نیوتن متر بر ساعت با خلوص بین 88 تا 93 درصد. [۲]
در چارچوب جمع‌آوری و ذخیره کربن (CCS)، تحقیقات نیز در حال حاضر در حال انجام است تا برای جذب CO2 در مقادیر زیاد از نیروگاه‌های زغال‌سنگ قبل از زمین سازی ، به منظور کاهش تولیدات گازهای گلخانه‌ای از این نیروگاه‌ها اقدامات جدی صورت گیرد. [۳] [۴]
همچنین، استفاده از PSA به عنوان یک جایگزین آینده برای فناوری جذب غیرقابل بازیابی در سامانه‌های پشتیبانی از زندگی فضایی نیز مورد بحث قرار گرفته است، به منظور کاهش وزن و افزایش زمان کارکرد لباس فضانوردی.[۵]
این فرآیند در دستگاه‌های تولید اکسیژن پزشکی استفاده می‌شود که توسط بیماران امفیزما و کووید-۱۹ و دیگرانی که نیاز به هوای غنی از اکسیژن برای تنفس دارند، استفاده می‌شود.[نیازمند منبع]
گستره فناوری PSA
ویرایشPSA دو فازی
ویرایشدر فرآیند DS-PSA (گاهی هم به آن Dual Step PSA میگویند) که برای تولید نیتروژن در آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود، گاز نیتروژن در دو مرحله تولید می‌شود: در مرحله اول، هوای فشرده از یک غربال مولکولی کربنی عبور می‌کند و نیتروژن با خلوص حدود 98% تولید می‌شود؛ در مرحله دوم، این نیتروژن از یک غربال مولکولی کربنی دیگر عبور می‌کند و خلوص نهایی نیتروژن تا 99.999% می‌رسد. گاز پرج از مرحله دوم بازیافت می‌شود و قسمتی از آن به عنوان گاز ورودی مرحله اول استفاده می‌شود.
علاوه بر این، فرآیند پرج با استفاده از تخلیه فعال برای عملکرد بهتر در چرخه بعدی پشتیبانی می‌شود. هدف از این تغییرات، بهبود کارایی نسبت به فرآیند PSA معمولی است.
DS-PSA می‌تواند برای افزایش غلظت اکسیژن هم استفاده شود. در این حالت، یک زئولیت مبتنی بر سیلیکا آلومینیوم نیتروژن را در مرحله اول جذب می‌کند و اکسیژن با خلوص 95% در خروجی می‌دهد، و در مرحله دوم یک غربال مولکولی کربنی نیتروژن باقی‌مانده را جذب می‌کند و اکسیژن تا خلوص 99% تغلیظ می‌شود.
Rapid PSA
ویرایشفرآیند Rapid PSA یا همون RPSA بیشتر تو دستگاه‌های قابل حمل تولید اکسیژن استفاده می‌شود. این فرآیند اجازه می‌دهد اندازه بستر جاذب خیلی کوچیک شود. هنگامی که خلوص بالا ضروری نباشد و گاز ورودی (هوا) بتواند دور ریخته شود،[۶] این فرآیند با سریع کردن سیکل فشار و تخلیه متناوب دو انتهای ستون با همان سرعت کار می‌کند. این یعنی گازهای غیرجذب شده خیلی سریع‌تر از طول ستون عبور می‌کنند و در انتهای دور تخلیه می‌شوند، در حالی که گازهای جذب شده فرصتی برای عبور پیدا نخواهند کرد و در انتهای نزدیک تخلیه می‌شوند.[۷]
Vacuum Swing Pressure
ویرایشفرآیند VSA یا همون Vacuum Swing Adsorption گازهای خاصی را از یک مخلوط گازی در فشار نزدیک به محیط جدا می‌کند؛ سپس فرآیند به سمت یک خلأ می‌رود تا ماده جاذب را بازسازی کند. VSA با تکنیک‌های دیگر PSA متفاوت است زیرا در دما و فشار نزدیک به محیط کار می‌کند. VSA معمولاً گاز را با استفاده از یک خلأ از طریق فرآیند جداسازی عبور می‌دهد. در سیستم‌های اکسیژن و نیتروژن VSA، خلأ معمولاً توسط یک دمنده تولید می‌شود. سیستم‌های هیبریدی VPSA نیز وجود دارند. سیستم‌های VPSA هم گاز فشرده را به فرآیند جداسازی اعمال می‌کنند و هم به گاز پرج خلأ می‌زنند. سیستم‌های VPSA، مثل یکی از دستگاه‌های قابل حمل تولید اکسیژن، از کارآمدترین سیستم‌ها هستند که با شاخص‌های معمول صنعتی، مثل بازیافت (گاز محصول بیرون/گاز ورودی) و بهره‌وری (گاز محصول بیرون/جرم ماده غربال) اندازه‌گیری می‌شوند. به طور کلی، بازیافت بالاتر منجر به کمپرسور، دمنده یا منابع گاز فشرده یا خلأ کوچکتر و مصرف برق کمتر می‌شود. بهره‌وری بالاتر به بسترهای غربال کوچکتر می‌انجامد. مصرف‌کننده به احتمال زیاد به شاخص‌هایی که تفاوت بیشتری در کل سیستم دارند توجه خواهدکرد، مثل مقدار گاز محصول تقسیم بر وزن و اندازه سیستم، هزینه اولیه و نگهداری سیستم، مصرف برق سیستم یا سایر هزینه‌های عملیاتی، و قابلیت اطمینان.
همچنین ببینید
ویرایش- Adsorption
- Compressed air dryer
- Gas separation
- Hydrogen pinch
- Hydrogen purifier
- Hypoxicator – Device for providing breathing air with reduced oxygen content
- Industrial gas
- Oxygen concentrator
- Hydrogen purifierPervaporation
منابع
ویرایش- ↑ "SWANA 2012 Excellence Award Application "Landfill Gas Control" Seneca Landfill, Inc" (PDF): 8. Retrieved 13 October 2016.
{{cite journal}}: Cite journal requires|journal=(help) - ↑ Air Products and Chemicals, Inc (2009). "Systèmes de production de gaz PRISM®" (PDF) (به فرانسوی).
- ↑ http://www.co2crc.com.au بایگانی‌شده در اوت ۱۹, ۲۰۰۶ توسط Wayback Machine
- ↑ Grande, Carlos A.; Cavenati, Simone, eds. (2005), "Pressure Swing Adsorption for Carbon Dioxide Sequesteration", 2nd Mercosur Congress on Chemical Engineering
- ↑ Alptekin, Gokhan (2005-01-08). "An Advanced Rapid Cycling CO2 and H2O Control System for PLSS". NASA. Retrieved 2007-02-24.
- ↑ Chai, S. W.; Kothare, M. V.; Sircar, S. (2011). "Rapid Pressure Swing Adsorption for Reduction of Bed Size Factor of a Medical Oxygen Concentrator". Industrial & Engineering Chemistry Research. 50 (14): 8703. doi:10.1021/ie2005093.
- ↑ Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Pressure Swing Adsorption. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.
مطالعه بیشتر
ویرایش- هاتسون، نیک دی. ریج، سالیل یو. و یانگ، رالف تی (2001). "جداسازی هوا با جذب نوسان فشار با استفاده از جاذب برتر"، آزمایشگاه ملی فناوری انرژی، وزارت انرژی، مارس 2001.
- روثون، داگلاس ام (2004). اصول فرآیند جذب و جذب، Wiley-InterScience، Hoboken، NJ، ص. 1
- یانگ، رالف تی (1997). "جداسازی گاز توسط فرآیندهای جذب"، سری در مهندسی شیمی، جلد. من، شرکت انتشارات علمی جهانی، سنگاپور.
- سانتوس، ژائو سی. ماگالهاس، فرنائو دی. و مندز، آدلیو، "جذب نوسان فشار و زئولیت برای تولید اکسیژن"، در Processos de Separação، Universidado do Porto، پورتو، پرتغال
