جداسازی هوا

جداسازی هوا ( به انگلیسی: Air separation ) فرآیندیست که طی آن گازهای سازنده هوا از یکدیگر جدا می شوند. هوای تنفسی به طور عمده از دو عنصر نیتروژن ( ۷۸٪ ) و اکسیژن ( ۲۱٪ ) تشکیل شده است. همچنین عناصری چون نئون، آرگون، زنون، کریپتون و هلیم به مقادیر اندک و ترکیباتی چون کربن دی اکسید، کربن مونوکسید، متان و برخی هیدروکربن ها، و اکسیدهای نیتروژن و گوگرد که عمدتاً نقش آلاینده هوا را دارد، به مقادیر ناچیز در هوا یافت می شوند. همچنین مقادیر متفاوتی از آب به صورت رطوبت در هوا موجود است.
با توجه به این داده ها می توان هوا را منبع مناسبی برای تولید صنعتی نیتروژن و اکسیژن و به مقادیر کمتر از دیگر گازها دانست.
چند روش عمده جهت جداسازی ترکیبات مختلف هوا به صورت تجاری وجود دارد:
در این روش ابتدا مخلوط هوا تا دمای میعان سرد می شود تا هوای مایع ایجاد شود. در مرحله بعد به وسیله یک برج تقطیر و افزایش تدریجی دما، اجزا سازنده هوا بر اساس دمای جوش از یکدیگر جدا می شود ابتدا نیتروژن سپس آرگون و در آخر اکسیژن. این روش یکی از روش های متداول برای تولید نیتروژن و اکسیژن به صورت انبوه است. در برج تقطیر صفحاتی وجود دارد که باعث جداسازی اعضای مخلوط بر اساس نقطه جوش آنها می شود.
غشاءها توانایی جداسازی ذرات بر اساس اندازه تا اندازه مولکول ها را دارا می باشند. از غشاء می توان برای تولید نیتروژن خالص و هوای غنی از اکسیژن تا غنای ۴۰٪ استفاده کرد. این روش به دلیل تیراژ پایین تولید بیشتر جنبه آزمایشگاهی داشته و در تولید انبوه کمتر به کار می رود.
از روش جذب سطحی می توان نیتروژن خالص و هوای غنی از اکسیژن تا غنای بالای ۹۰٪ تولید کرد. ظرفیت اسمی این روش حدود ۱۰ تن در روز است.
واژه کرایوژنیک به طور عمومی به بخشی از علم و تکنولوژی دلالت دارد که به تولید دماهای پایین می پردازد. جداسازی هوا به روش کرایوژنیک یا سرمایشی، فرایندی است که به جهت تولید اکسیژن و نیتروژن خالص به صورت گازی و یا توسط فشرده سازی داخلی به صورت اکسیژن، نیتروژن و آرگون مایع به کار برده می شود. واحدهای جداسازی هوا بسته به نیاز به سه منظور تولید نیتروژن، اکسیژن و آرگون طراحی و ساخته می شوند. هرچه تعداد اجزای تولید شده در واحدهای جداسازی هوا بیشتر باشد، تعداد برج های لازم برای جداسازی اجزا نیز افزایش می یابد. واحدهای تولید نیتروژن دارای یک برج تقطیر می باشند که از نوع Rectifier است. این نوع برج ها فاقد ریبویلر یا جوش آور بوده و در آنها خوراک به صورت گاز از پایین وارد برج شده واز بالای برج نیتروژن خالص به صورت مایع و گاز خارج می شود. واحدهای تولید اکسیژن و تولید آرگون به ترتیب دارای دو و چهار برج تقطیر می باشند. به دلیل محدوده دمایی بسیار سرد واحدهای جداسازی هوا، تمامی ساختار به صورت یکپارچه درون یک محفظه کاملاً عایق شده قرار می گیرد تا از اتلاف حرارتی جلوگیری کند. این محفظه به محفظه سرد و یا Cold Box معروف است. شکل زیر شمایی از واحد جداسازی هوا را نشان می دهد که صرفاً به منظور تولید نیتروژن طراحی شده است. در واحدهای کرایوژنیک عموماً با استفاده از تولید کار و فرآیند اختناق دمای سیال را کاهش می دهند تا سیال به صورت مایع درآید. در فرآیند فوق از یک Turbo - Expander برای کاهش دمای کل فرآیند استفاده می شود.