books cryogenic distillation process

يمكن فصل الغازات النقية عن الهواء عن طريق تبريدها أولا حتى الإسالة ثم تقطيرالمكونات انتقائيا في درجات غليانهم المختلفة، ويمكن أن تنتج هذه العملية غازات عالية النقاء ولكن كثيفة الاستهلاك للطاقة، وكان رائد هذه العملية الدكتور كارل فون لينده في أوائل القرن العشرين، وما زالت تستخدم حتى اليوم في إنتاج غازات عالية النقاء.

وتتطلب عملية الفصل المبردة تكاملا عال جدا من المبادلات الحرارية وأعمدة الفصل للحصول على كفاءة جيدة، ويتم توفير كل الطاقة اللازمة للتبريد عن طريق ضغط الهواء في مدخل الوحدة.

لتحقيق درجة حرارة التقطير المنخفضة تتطلب وحدة فصل الهواء دورة تبريد تعمل عن طريق تأثير جول–طومسون، ويجب أن تبقى معدات التبريد داخل وعاء معزول (يسمى عادة "الصندوق البارد"). ويتطلب تبريد الغازات كمية كبيرة من الطاقة لجعل دورة التبريد تعمل، ويتم توفير هذه الطاقة عن طريق ضاغط للهواء. وتستخدم وحدات فصل الهواء المبردة (ASUs) الحديثة توربينات تمدد  للتبريد؛ ويساعد إخراج الممدد في حركة ضاغط الهواء من أجل تحسين الكفاءة. وتتكون العملية من الخطوات الرئيسية التالية:

1. قبل ضغط الهواء يتم تصفيته من الغبار.
2. يتم ضغط الهواء حيث ضغط التوصيل النهائي يتم تحديده عن طريق العوائد وحالة المائع (غاز أو سائل)، وتتراوح الضغوط النموذجية بين 5 و 10 بار، وقد يتم ضغط تيار الهواء إلى ضغوط مختلفة لتعزيز كفاءة وحدات فصل الهواء المبردة، وأثناء الضغط يتم تكثيف الماء في مبردات بين كل مرحلة.
3. يمر الهواء في العملية عموما من خلال مدخل المنخل الجزيئي الذي يزيل ما تبقى من بخار الماء، وكذلك ثاني أكسيد الكربون، التي من شأنها أن تجمد مكونات معدات التبريد. المناخل الجزيئية غالبا ما تكون مصممة لإزالة أي هيدروكربونات غازية من الهواء، حيث يمكن أن تكون هذه مشكلة في عملية تقطير الهواء اللاحقة التي يمكن أن تؤدي إلى انفجارات. ويجب أن يتم تجديد مناخل الهواء الجزيئية، حيث يتم ذلك عن طريق تركيب وحدات متعددة تعمل في الوضع بالتناوب وباستخدام غاز داف معاد تكوينه من النفايات لامتصاص الماء.
4. يتم تمرير الهواء من خلال مبادل حراري متكامل (عادة ما تكون لوحة زعنفة المبادل الحراري) وتبريده ضد المنتج (النفايات) والتيارات المبردة. ويسيل جزء من الهواء على شكل سائل غني بالأكسجين، ويكون الغاز المتبقي غنيا بالنيتروجين، ويتم تقطيره إلى نيتروجين نقي تقريبا (عادة < 1 جزء في المليون) في عمود تقطير ذي ضغط مرتفع (HP). ويتطلب مكثف هذا العمود التبريد التي يتم الحصول عليها من توسيع المزيد من التيارات الأخرى الغنية بالأكسجين عبر صمام أو من خلال الموسع (عكس الضاغط).
5. بالتبادل المكثف قد يتم تبريده بالحرارة المتبادلة عن طريق معيد غليان في عمود تقطير ذي ضغط منخفض (LP) (يعمل تحت ضغط 1.2-1.3 بار.) عندما تنتج وحدات فصل الهواء المبردة (ASU) الأكسجين النقي. للتقليل من تكلف الضغط فإن أعمدة كل من المكثف ومعيد الغليان  يجب أن تعمل تحت فرق في درجة الحرارة فقط 1-2 كلفن، وتتطلب مبادلات حرارية في لوحة الزعنفة من النحاس والألومنيوم. نموذجية درجة نقاء الأكسجين تتراوح من 97.5% إلى 99.5% وتؤثر على استرداد أقصى قدر من الأكسجين. التبريد المطلوب لإنتاج المنتجات السائلة يتم الحصول عليها باستخدام تأثير جول–طومسون في المتوسع الذي يغذي الهواء المضغوط مباشرة إلى انخفاض ضغط عمود. ومن ثم فإن جزءا معينا من الهواء لا يمكن فصله ويجب ترك عمود الضغط المنخفض كتيار نفايات عن القسم العلوي.
6. لأن نقطة غليان الأرجون (87.3 كلفن في الظروف القياسية) تقع بين نقطة الأكسجين (90.2 كلفن) ونقطة النيتروجين (77.4 كلفن) ، فإن الأرجون يتراكم في الجزء السفلي من عمود الضغط المنخفض. عند انتاج الأرجون يتم سحب البخار الجانبي من همود الضغط المنخفض حيث تركيز الأرجون أعلى. يتم إرساله إلى عمود آخر لتصحيح الأرجون إلى درجة النقاء المطلوبة للسائل حيث يتم إعادته إلى نفس الموقع من عمود الضغط المنخفض. استخدام معبئات حديثة التي تمتلك ضغطا منخفضا جدا تسمح بوجود أرجون مع درجة شوائب أقل من 1 في المليون. على الرغم من وجود الأرجون في أقل من 1 ٪ من النواتج، إلا أن عمود الأرجون يتطلب كمية كبيرة من الطاقة بسبب ارتفاع نسبة الارتداد المطلوبة (حوالي 30) في عمود الأرجون. تبريد عمود الأرجون يمكن توفيره من سائل بارد متمدد أو بواسطة النيتروجين السائل.
7. أخيرا المنتجات التي تنتج في شكل غاز يتم تدفئتها ضد الهواء الوارد إلى درجات الحرارة المحيطة. هذا يتطلب تكامل في العناية بدرجة الحرارة حيث يجب أن يتم السماح بالقوة ضد الاضطرابات (بسبب التحول من مدخل المنخل الجزيئي). قد تتطلب أيضا تبريد خارجي إضافي أثناء بدء التشغيل.

ويتم توفير المنتجات المفصولة في بعض الأحيان عن طريق خط أنابيب إلى المستخدمين الصناعيين الكبار بالقرب من مصنع الإنتاج، ويتم نقل المنتجات لمسافات طويلة عن طريق شحن السائل المنتج بكميات كبيرة أو قوارير ديوار أو اسطوانات الغاز بكميات قليلة.