مولد N2 لصناعة بطاريات الليثيوم بسعة 100 قدم مكعب في الدقيقة نقاء 99.999٪ 110 رطل لكل بوصة مربعة
يعتبر إنتاج النيتروجين الذي يتم باستخدام تقنية الامتزاز المتأرجح بالضغط (PSA) فوق المنخل الجزيئي للكربون (CMS) طريقة ناضجة وفعالة من حيث التكلفة وعالية الكفاءة لإنتاج النيتروجين لتلبية مجموعة واسعة من متطلبات النقاء والتدفق.يتم دفع الزيادات المستمرة في الكفاءة في مرافق توليد النيتروجين القائمة على PSA من خلال مواد CMS المحسنة (الشكل 1) وتحسينات العملية.تقدم هذه المقالة نظرة عامة على أساسيات توليد النيتروجين القائم على PSA، مع التركيز بشكل خاص على الممارسات المبتكرة ومواد CMS المحسنة.تساهم هذه التطورات معًا في التحسين المستمر في أداء نظام PSA، مما يمنح مشغلي مصانع العمليات الكيميائية (CPI) طريقة مثبتة لإنتاج إمدادات موثوقة ومنخفضة التكلفة من النيتروجين الجاف عالي النقاء في الموقع.
الشكل 1. توفر كريات المنخل الجزيئي الكربوني (CMS)، المصنعة عادةً من قشور جوز الهند، المساحة السطحية وبنية المسام اللازمة لفصل الأكسجين والنيتروجين عن تيار مدخل الهواء المضغوط
نيُستخدم النيتروجين - في حالته الغازية والسائلة - في مجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من القطاعات الصناعية.وتشمل هذه إنتاج الأطعمة والمشروبات والمواد الكيميائية والأدوية؛معالجة البترول؛المعالجة الحرارية للمعادن.صناعة الزجاج المسطح وأشباه الموصلات والإلكترونيات؛و أكثر من ذلك بكثير.تبحث المنشآت الصناعية التي تتطلب كميات كبيرة من النيتروجين دائمًا عن طرق فعالة لإنتاج النيتروجين في الموقع لتلبية جميع المواصفات المتعلقة بالنقاء ومتطلبات التدفق واستهلاك الطاقة والبصمة وقابلية النقل
يتم إنتاج غاز النيتروجين عن طريق فصل الهواء إلى جزيئات مكوناته الأولية (النيتروجين والأكسجين)، وذلك باستخدام إحدى الطريقتين: 1. التجزئة المبردة التقليدية للهواء المسال؛أو 2. فصل الهواء الغازي باستخدام الامتزاز المتأرجح بالضغط (PSA) أو أنظمة الفصل القائمة على الغشاء.إذا كانت هناك حاجة إلى كميات كبيرة من النيتروجين بدرجة نقاء عالية للغاية (99.998%)، فإن تجزئة الهواء المبردة تظل الخيار التكنولوجي الأكثر كفاءة واقتصادية [2].هذه هي أقدم طريقة لإنتاج النيتروجين، ولديها القدرة على إنتاج النيتروجين الغازي والسائل (للاستخدام اليومي وكإمداد احتياطي).عادةً ما يتم إجراء تجزئة الهواء المبردة في مصانع تجارية واسعة النطاق والتي تقوم بعد ذلك بتوصيل النيتروجين المنتج إلى المستخدمين.
ومع ذلك، في العديد من مرافق CPI، يتم إنتاج النيتروجين المخصب في الموقع باستخدام فصل PSA على نطاق أصغر أو أنظمة الفصل القائمة على الغشاء.تعمل أنظمة PSA على مبدأ الامتزاز الفيزيائي للأكسجين الموجود في الهواء بواسطة مواد المنخل الجزيئي الكربوني (مثل تلك الموضحة في الشكل 1)، مما يترك تيارًا من النيتروجين المخصب كمنتج؛تم توضيح العملية في الشكل 2. يمكن لأنظمة PSA الحالية إنتاج النيتروجين اقتصاديًا من الهواء المضغوط بأحجام مختلفة.على سبيل المثال، يمكن لأنظمة اليوم التعامل مع تيار هواء مدخل أقل من 5000 إلى أكثر من 60000 معيار قياسي.ft3/h، إنتاج N2 بشكل موثوق يلبي متطلبات النقاء من 95 إلى 99.9995%
الشكل 2. داخل كريات CMS، يتم امتصاص الأكسجين بشكل تفضيلي، مما يسمح بالتقاط تيار منتج غني بالنيتروجين لاستخدامه في الموقع
ومع ذلك، فإن تكاليف رأس المال والتشغيل لنظام PSA ترتبط ارتباطًا مباشرًا بنقاء النيتروجين المنتج، وترتفع هذه التكاليف بسرعة بمجرد الحاجة إلى نيتروجين بدرجة نقاء أكبر من 99.5%.في بعض الحالات، يمكن أن يكون إنتاج نيتروجين عالي النقاء فعالاً من حيث التكلفة عن طريق إنتاج نيتروجين بدرجة نقاء 99.5% أولاً باستخدام نظام PSA، ثم استخدام وحدة البلاديوم أو النحاس لإزالة المستويات المتبقية من الأكسجين في منتج النيتروجين.يمكن لمثل هذه الأنظمة خفض الأكسجين المتبقي إلى 1-3 جزء في المليون.
اختيار النظام المناسب
عند اختيار عملية إنتاج النيتروجين الأكثر ملاءمة، ينبغي النظر في العديد من المعالم.تعتبر النقاء والقدرة من أهم العوامل التي يمكن أن تؤثر على اختيار منهجية الإنتاج، وبالتالي يكون لها تأثير مباشر على تكلفة وحدة النيتروجين المنتج.إن استخدام نظام توليد النيتروجين PSA، والذي يمكن تصميمه لتلبية جميع أنواع وأنماط تدفق النيتروجين - الثابت والدوري وغير المنتظم - قد ازدادت شعبيته خلال العقود العديدة الماضية، وذلك بفضل البساطة والأداء والمرونة والموثوقية. وتكاليف رأس المال والتشغيل المنخفضة نسبيًا لطريق الإنتاج هذا.
ومع ذلك، فإن معدل إنتاج النيتروجين الأمثل باستخدام نظام PSA المعتمد على كريات CMS يبلغ حوالي 3000 نيوتن متر مكعب/ساعة من النيتروجين المنتج (> نقاء 95٪).ضمن هذا النطاق، يعد PSA خيارًا أكثر اقتصاداً من فصل O2/N2 عن طريق تسييل الهواء والفصل المبرد، أو عن طريق الفصل القائم على الغشاء.تتم مناقشة مبادئ تكنولوجيا توليد النيتروجين القائمة على PSA باستخدام CMS والعديد من الجوانب المهمة للمعرفة الهندسية للعملية أدناه.
المناخل الجزيئية للكربون
يعد CMS جزءًا من فئة خاصة من الكربون المنشط الذي له بنية غير بلورية (غير متبلورة) مع توزيع ضيق نسبيًا لحجم المسام.توفر هذه المادة عمليات فصل جزيئية بناءً على معدل امتصاص النيتروجين، بدلاً من الاختلافات في قدرة الامتصاص بين الأكسجين والنيتروجين.يوضح الشكل 2 البنية الداخلية لمادة CMS المناسبة لفصل (إزالة) جزيئات O2 من جزيئات N2 في مدخل الهواء المضغوط، لإنتاج تيار نيتروجين مخصب (ملاحظة: المناخل الجزيئية للكربون انتقائية للأكسجين، بينما المناخل الجزيئية الزيوليت انتقائية للنيتروجين).
الميزات والفوائد
| غرض | نقاء النيتروجين (Nm3/hr) |
أبعاد |
وزن | ||||||
| 95% | 99% | 99.5% | 99.9% | 99.99% | 99.995% | 99.999% | (الطول * العرض * الارتفاع) ملم | كلغ | |
| OSP5 | 21 | 13 | 11 | 8 | 5 | 4.2 | 3 | 1100*600*1700 | 300 |
| OSP10 | 38 | 29 | 25 | 15 | 10 | 7.5 | 6.1 | 1200*650*1800 | 350 |
| OSP20 | 80 | 56 | 52 | 32 | 20 | 16 | 14 | 1600*1000*2200 | 450 |
| OSP40 | 160 | 116 | 105.2 | 67.2 | 40 | 34 | 28 | 1800*1000*2200 | 600 |
| OSP60 | 252 | 174 | 157.8 | 100.8 | 60 | 51 | 45 | 1900*1200*2200 | 750 |
| OSP80 | 339.2 | 232 | 211 | 132 | 80 | 70 | 62 | 2000*1200*2400 | 980 |
| OSP100 | 420 | 290 | 263 | 168 | 100 | 90 | 78 | 2100*1600*2500 | 1300 |
| OSP150 | 630 | 435 | 394.5 | 252 | 150 | 135 | 120 | 2500*1800*2600 | 1600 |
| OSP200 | 848 | 580 | 526 | 336 | 200 | 180 | 160 | 2800*1900*2850 | 2200 |
| OSP250 | 1060 | 725 | 657.5 | 420 | 250 | 225 | 200 | 3100*2000*3200 | 2600 |
| OSP300 | 1270 | 870 | 780 | 500 | 300 | 260 | 240 | 3900*2600*3400 | 3850 |
| OSP400 | 1696 | 1160 | 1052 | 672 | 400 | 360 | 320 | 4500*3250*3600 | 5000 |
| OSP500 | 2120 | 1450 | 1300 | 840 | 500 | 450 | 400 | 4900*3600*3800 | 6500 |
| OSP600 | 2540 | 1740 | 1578 | 1000 | 600 | 540 | 480 | 5300*3600*3900 | 7800 |
| OSP800 | 3390 | 2320 | 2100 | 1340 | 800 | 720 | 640 | 5600*3900*4100 | 10200 |
| OSP1000 | 4240 | 2900 | 2630 | 1680 | 1000 | 900 | 800 | 5800*4000*4500 | 11800 |
مرجع التصميم :
ضغط مدخل الهواء المضغوط 7.5 بار (جم)/108 رطل لكل بوصة مربعة (جم)
جودة الهواء 1.4.1 طبقاً للمواصفة ISO 8573-1:2010
ضغط مخرج النيتروجين 6 بار (جم)/87 رطل لكل بوصة مربعة (جم)
جودة النيتروجين 1.2.1 طبقاً للمواصفة ISO 8573-1:2010.
درجة حرارة العمل المصممة بحد أقصى 50 درجة مئوية
نقطة الندى عند مخرج النيتروجين - 40 درجة مئوية
ملحوظات:
مولد النيتروجين OSP أقصى ضغط عمل 10 بار (جم)/145 رطل لكل بوصة مربعة (جم)
سيتم تخصيص الطلب التالي لمولد النيتروجين الموجود في الموقع PSA:
ضغط العمل > 10 بار (جم)/145 رطل لكل بوصة مربعة (جم)
نقطة الندى ＜ - 50 درجة مئوية
التوصيل والتشغيل
المنقولة / في حاويات
متطلبات خاصة أخرى حسب ظروف الموقع
