موضوع مقاله: جذب سطحی با نوسان فشار | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # جذب سطحی با نوسان فشار | مقدمه: این فرایند در دمای معمولی اتاق کار می‌کند و با تقطیر کریوژنیک (برودتی) که معمولاً برای جداسازی گازها استفاده می‌شود، تفاوت بسیاری دارد. | ## بخش 1: جذب سطحی با نوسان فشار | در این فرایندها از موادی مانند زئولیت‌ها یا کربن فعال استفاده می‌شود که به‌طور انتخابی گاز مورد نظر را در فشارهای بالا جذب می‌کنند، سپس فشار را پایین می‌آورند تا گاز جذب شده آزاد شود. فرایندها فرایند جذب نوسان فشاری (PSA) بر این اساس است که تحت فشار بالا، گازها به سطح جامد می‌چسبد، یعنی «جذب» می‌شوند. 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 برسد، می‌توان با کاهش فشار، نیتروژن جذب شده را آزاد کرد. همچنین، اجازه می‌دهد تا فشار مخازن 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 به‌طور معمول انجام می‌شود. جاذب‌ها علاوه بر اینکه می‌توان بین گازهای مختلف تفاوت قائل شد، جاذب‌های سیستم‌های PSA معمولاً مواد بسیار متخلخلی هستند که به خاطر سطح ویژه وسیعشان انتخاب می‌شوند. جاذب‌های متداول شامل زئولیت، کربن فعال، ژل سیلیکا، آلومینا یا رزین‌های مصنوعی هستند. با اینکه گاز جذب شده روی این سطوح ممکن است فقط از یک لایه با ضخامت یک یا چند مولکول تشکیل بشوند، ولی سطح‌هایی با چند صد متر مربع بر گرم می‌توانند بخش زیادی از وزن جاذب را به شکل گاز جذب کنند. این جاذب‌ها علاوه بر تمایلشان به گازهای مختلف، زئولیت‌ها و بعضی انواع کربن فعال می‌توانند از ویژگی‌های الک مولکولی خود، برای جدا کردن بعضی مولکول‌های گاز از ساختار آنها بر اساس اندازه و شکل مولکول‌ها استفاده کنند و در نتیجه توانایی جذب مولکول‌های بزرگتر را محدود سازند. | ## بخش 2: جذب سطحی با نوسان فشار | 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 دی‌اکسید 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 جریان‌های تغذیه و بازیافت واحدهای هیدروتریتنینگ و هیدروکراکینگ استفاده می‌کنند. یکی دیگر از کاربردهای PSA جداسازی دی‌اکسید کربن از بیوگاز است که باعث افزایش نسبت متان (CH4) می‌شود. این شامل یک فرایند در استفاده از گاز فاضلاب جهت ارتقا گاز فاضلاب به گاز متان بالایی با کیفیتی مشابه گاز طبیعی برای فروش است. سیستم‌های PSA همچنین در موارد زیر استفاده می‌شود: سیستم‌های پیشگیری از آتش‌سوزی هوای هیپوکسیک برای تولید هوا با خلوص اکسیژن پایین. این کارخانه‌ها شامل اولویت برای یک ماده انتخابی برای جذب متان و اتان نسبت به هیدروژن هستند. واحدهای تولیدکننده نیتروژن صنعتی مبتنی بر فرایند PSA می‌توانند گاز نیتروژن را با خلوص بالا (تا ۹۹٫۹۹۹۵٪) از هوای فشرده تولید کنند. با این حال، چنین ژنراتورهایی برای تأمین محدوده‌های متوسط در خلوص و جریان مناسب‌تر هستند. ظرفیت این واحدها بر حسب نیوتن متر مکعب معمولی در ساعت، (۱ نیوتن متر مکعب بر ساعت معادل ۱۰۰۰ لیتر بر ساعت در هر یک از شرایط استاندارد دما و فشار و رطوبت است) برای نیتروژن: از ۱۰۰ نیوتن مترمکعب بر ساعت در خلوص ۹۹٫۹٪ تا ۹۰۰۰ نیوتن مترمکعب بر ساعت در خلوص ۹۷٪ برای اکسیژن: تا ۱۵۰۰ نیوتن مترمکعب بر ساعت با حدود خلوص بین ۸۸٪ تا 93% در چارچوب جمع‌آوری و ذخیره کربن (CCS)، تحقیقات نیز در حال حاضر در حال انجام است تا برای جذب کربن دی‌اکسید در مقادیر گسترده از نیروگاه‌های زغال‌سنگ قبل از زمین سازی، به منظور کاهش تولیدات گازهای گلخانه‌ای از این نیروگاه‌ها، اقدامات جدی صورت گیرد. 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. | ## بخش 3: جذب سطحی با نوسان فشار | این فرایند 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. گستره فناوری PSA PSA دو فازی در فرایند 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 ۹۸٪ تولید می‌شود؛ در مرحله دوم، این نیتروژن از یک غربال مولکولی کربنی دیگر عبور می‌کند و خلوص نهایی نیتروژن تا ۹۹٫۹۹۹٪ می‌رسد. گاز پرج از مرحله دوم بازیافت می‌شود و قسمتی از آن به عنوان گاز ورودی مرحله اول استفاده می‌شود. علاوه بر این، فرایند پرج با استفاده از تخلیه فعال برای عملکرد بهتر در چرخه بعدی پشتیبانی می‌شود. در این حالت، یک زئولیت مبتنی بر سیلیکا آلومینیوم نیتروژن را در مرحله اول جذب می‌کند و اکسیژن با خلوص ۹۵٪ در خروجی می‌دهد، و در مرحله دوم یک غربال مولکولی کربنی نیتروژن باقی‌مانده را جذب می‌کند و اکسیژن تا خلوص ۹۹٪ تغلیظ می‌شود. این فرایند 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 انتهایی نزدیک تخلیه می‌شوند. VSA با دیگر تکنیک‌های PSA متفاوت است زیرا در دما و فشار نزدیک به دما و فشار محیط کار می‌کند. در سیستم‌های اکسیژن و نیتروژن VSA، خلأ معمولاً توسط یک سیستم دمنده تولید می‌شود. سیستم‌های VPSA گاز فشرده را به فرایند جداسازی گازها اعمال می‌کنند و همین‌طور گازهای بی اثر را وارد خلأ می‌کنند. سیستم‌های VPSA، مثل یکی از دستگاه‌های قابل حمل تولید اکسیژن، از کارآمدترین سیستم‌ها هستند که با شاخص‌های معمول صنعتی، مثل بازیافت (گاز خارج شده از محصول (تخلیه) /گاز ورودی) و بهره‌وری (گاز تخلیه از محصول-جرم ماده غربال) اندازه‌گیری می‌شوند. | ## جمع‌بندی | مصرف‌کننده به احتمال زیاد به شاخص‌هایی که تفاوت بیشتری در کل سیستم دارند مانند: مقدار گاز محصول تقسیم بر وزن و اندازه سیستم، هزینه اولیه و نگهداری سیستم، مصرف برق سیستم یا سایر هزینه‌های عملیاتی، و قابلیت اطمینان و مواردی از این قبیل توجه بسیاری خواهد کرد.