تطبيق تقنية إنتاج الأكسجين VPSA و PSA في تبييض اللب

في العديد من البلدان المتقدمة، يُعد صناعة الورق أحد الصناعات العشر الأساسية للاقتصاد الوطني، بينما تُعتبر معالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عنها صعبة المنال. تشمل مخلفات التبييض المحتوية على الكلور من مصانع الورق ليس فقط COD و BOD، بل أيضًا مواد شديدة السمية. استبدال طريقة تبييض اللب التقليدية المكونة من ثلاث مراحل CEH بطريقة التبييض الجديدة الخالية من الكلور تمامًا (TCF) أو الخالية من الكلور الأولي (ECF) هو حل فعال للتلوث البيئي في صناعة اللب والورق. نظرًا لأن الأكسجين بحد ذاته ليس سامًا أو ملوثًا للبيئة، يمكن تقليل كمية عامل التبييض ومياه الصرف في المراحل اللاحقة بنسبة 50% بعد إزالة اللجنين بالأكسجين. لذلك، أصبح تبييض اللب بالأكسجين مرحلة أساسية في تطوير عمليات التبييض النظيفة. في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام متزايد بالتبييض بالأكسجين في صناعة الورق العالمية نظرًا للمتطلبات الأكثر صرامة لحماية البيئة.

تشمل تقنيات توليد الأكسجين الصناعي الشائعة طرق فصل الهواء بالتبريد العميق وطريقة VPSA (امتزاز التأرجح بالضغط الفراغي). تتميز وحدة فصل الهواء بالتبريد العميق بارتفاع الاستثمار واستهلاك الطاقة، بالإضافة إلى مهام التشغيل والصيانة الكبيرة، مما يجعلها خيارًا غير مثالي كمصدر للأكسجين لدعم معدات التبييض لمؤسسات اللب بسبب صعوبة التشغيل والإيقاف وارتفاع التكاليف الإجمالية. يتكون مصنع أكسجين VPSA تتمتع بمزايا التركيب الأبسط، وسهولة التشغيل والصيانة، واستثمار أصغر نسبيًا، وتكلفة تشغيل أقل مع بدء تشغيل في 20 دقيقة فقط ونقاء أكسجين بنسبة 93%، وهو ما يلبي تمامًا متطلبات عملية تبييض اللب نظرًا لأن نطاق استهلاك الأكسجين في مصانع اللب يتراوح عمومًا بين 200-5000 نيوتن متر مكعب³/ساعة، وهو ما يُعد سعة إنتاج أكسجين صغيرة ومتوسطة لتقنية VPSA. علاوة على ذلك، فإن استهلاك الطاقة لأنظمة VPSA للأكسجين يتراوح بين 0.29-0.32 كيلوواط ساعة/نيوتن متر مكعب³، وهو أقل بنسبة 30% من وحدات فصل الهواء بالتبريد العميق. الآن تم تطبيق تقنية توليد الأكسجين VPSA في أكثر من 30 مصنع لب في الصين، وامتدت حتى إلى شركات ورق عالمية مشهورة مثل Double A (تايلاند) بي إل سي وأحد مصانع اللب في بيلاروسيا.

1. العملية التقنية لنظام VPSA-O2

تقوم المبدأ التقني لوحدة الأكسجين VPSA و PSA هو فصل الأكسجين بناءً على قدرات الامتزاز المختلفة للمواد المازة الصلبة لمكونات الغاز. عندما تتلامس المواد المازة الصلبة المسامية مع الغازات، تُسمى ظاهرة استيعاب الغازات داخل أو على سطحها بامتزاز المادة المازة الصلبة للغاز، بينما يُسمى عودة الذرات أو الجزيئات التي تم امتزازها بواسطة المادة المازة إلى الهواء بعملية الامتزاز العكسي.

باستخدام مبدأ أن قدرة المنخل الجزيئي على امتزاز النيتروجين والأكسجين في الهواء تختلف تحت ضغوط مختلفة، تحقق ممتصات مولد الأكسجين VPSA و PSA فصل الأكسجين والنيتروجين من خلال التبديل الدوري لخطوات الامتزاز، وخفض الضغط، والامتزاز العكسي بالفراغ، والتنقية، وإعادة الضغط. عندما يمر الهواء عبر طبقة الامتزاز المجهزة بمادة منخل جزيئي من الزيوليت تحت ضغط معين، يتم امتزاز النيتروجين بواسطة المنخل الجزيئي بينما يتركز الأكسجين في الطور الغازي ويتدفق خارج طبقة الامتزاز نظرًا لامتصاصه الأقل. عندما يقترب المنخل الجزيئي من التشبع، يتوقف إمداد الهواء ويتم خفض ضغط طبقة الامتزاز، ثم يمكن امتزاز النيتروجين الممتص في المنخل الجزيئي، مما يحقق تجديد وإعادة استخدام المنخل الجزيئي. يمكن توليد الأكسجين بشكل مستمر عندما يتم تشغيل أكثر من طبقتين امتزاز بالتناوب. يتم تفريغ الأكسجين المنتج باستمرار من أعلى الممتصات إلى خزانات التخزين المؤقت، ثم يتم إرساله إلى قسم تبييض اللب بالأكسجين بعد ضغطه بواسطة مضخة تعزيز الأكسجين. في العملية المذكورة أعلاه، يكون كل ممتص في خطوات تشغيل مختلفة في نفس الوقت، ويتم تبديل الصمامات على فترات زمنية منتظمة تحت سيطرة نظام PLC لإنتاج الأكسجين المنتج الذي يلبي متطلبات العميل.

2. الممتص (وعاء الامتزاز)

وحدة VPSA-O2 من PKU Pioneer، أكبر مزود لمعدات توليد الأكسجين VPSA في الصين، تعتمد عملية مزدوجة الممتصات المتوازية، مما يتيح تخصيص سعة الأكسجين بمرونة وفقًا لاحتياجات العميل. تستخدم عملية توليد الأكسجين VPSA الأحدث من PKU Pioneer أبراج امتزاز نصف قطرية رأسية، مقارنة بالأبراج المحورية الأولية، تتميز بطبقات امتزاز أرق، ومقاومة أقل، وخفض ضغط تدفق الهواء، مما يساعد على تقليل ضغط العادم لمعدات الطاقة واستهلاك الطاقة بنسبة 10% -15% مع كفاءة ملحوظة في توفير الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تغطي هيكل الطبقة الأسطوانية مساحة أصغر، مما يوفر تكلفة البناء بشكل فعال.

2.1 اختيار وتطبيق المنخل الجزيئي

مواد المنخل الجزيئي الشائعة الاستخدام هي 5A، 10X، 13X، N-2، CaA، NaX، CaX، LiX، CNA-198، Li.X.RE، HX5A-980، إلخ. على سبيل المثال المنخل الجزيئي CaA الشائع، عندما يمر الهواء عبر برج الامتزاز المجهز بمنخل CaA الجزيئي، يتم امتزاز N2 بشكل تفضيلي بحيث يتدفق الأكسجين خارج برج الامتزاز كغاز منتج لأن عزم ثنائي القطب للنيتروجين أكبر بكثير من الأكسجين وأيونات Ca2+ على سطح المسام الدقيقة لمنخل CaA الجزيئي أكثر فعالية في امتزاز N2 من امتزاز O2.

ومع ذلك، فإن قدرة الامتزاز والانتقائية لمادة المنخل الجزيئي CaA للنيتروجين لا تزال غير عالية بما فيه الكفاية، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاج الأكسجين وارتفاع استهلاك الطاقة لوحدات توليد الأكسجين VPSA. مقارنة بمواد المنخل الجزيئي CaA و NaX، يتمتع المنخل الجزيئي LiX بكفاءة أعلى في إنتاج الأكسجين. يمكن استخدام كمية أقل من المنخل الجزيئي LiX لنفس سعة الأكسجين، مما يقلل من استهلاك الطاقة وحجم مولد الأكسجين VPSA و PSA. قدرة المنخل الجزيئي LiLSX على امتزاز النيتروجين أكبر من قدرته على امتزاز مكون الأكسجين في الهواء مع درجة أعلى من تبادل أيونات Li ونصف قطر أصغر لـ Li+. عدد أيونات Li+ في المنخل الجزيئي LiLSX هو ضعف عدد أيونات Ca2+ في مادة المنخل الجزيئي CaA ومعامل فصل النيتروجين والأكسجين هو 2-5 أضعاف المناخل الجزيئية التقليدية للأكسجين، مما يمكن المنخل الجزيئي الليثيوم من امتزاز المزيد من النيتروجين. عند تطبيقه على وحدات الأكسجين VPSA و PSA، فإن استهلاك المنخل الجزيئي LiLSX هو فقط 1/4 - 1/5 من المنخل الجزيئي CaA، مما يساعد على خفض إجمالي الاستثمار، وزيادة إنتاج الأكسجين، وتقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

مادة المنخل الجزيئي للأكسجين القائمة على الليثيوم عالية الكفاءة من PKU Pioneer PU-8 للاستخدامات الصناعية والطبية

2.2 الهيكل الداخلي للممتصات

قد يؤدي التصميم غير العقلاني للهيكل الداخلي لممتصات الأكسجين VPSA إلى إزاحة مفرطة أو حتى تفتيت المنخل الجزيئي المحمّل في الممتصات بسبب تأثير تدفق الهواء. خاصة، بعد أن يكون المنخل الجزيئي في الخدمة لفترة طويلة، ستقل الفجوة بين المناخل الجزيئية تدريجيًا وستهبط طبقة الامتزاز. قامت PKU Pioneer بالكثير من التحسين والتطوير في التصميم الهيكلي للممتص من خلال أكثر من 20 عامًا من الخبرة الهندسية، وابتكرت نظام توزيع تدفق هواء أكثر منطقية، مما يمكن من تقليل المنطقة غير العاملة في طبقة الامتزاز، وتجنب التأثير المباشر لتيار الهواء على المنخل الجزيئي، وإطالة عمر خدمة المناخل الجزيئية.

يتم تحميل الممتص بمنخل جزيئي يتأثر امتزازه وامتزازه العكسي مباشرة بسرعة تدفق الهواء. كلما كان تدفق الهواء أبطأ، كلما كان أكثر ملاءمة لامتزاز وامتزاز عكسي للمنخل الجزيئي. مقارنة بالتدفق المحوري من الأسفل إلى الأعلى في وعاء الامتزاز المحوري، فإن المادة المازة في الممتص الشعاعي تكون على اتصال كامل بتدفق الهواء الذي يكون اتجاهه أكثر ملاءمة للامتزاز والامتزاز العكسي. في مرحلة الامتزاز، يتم امتصاص N2 تدريجيًا وينخفض حجم الغاز مع تدفق تيار الهواء من الخارج إلى الداخل. المقطع العرضي لتدفق برج الامتزاز الشعاعي يضيق أيضًا تدريجيًا من الخارج إلى الداخل. هذا الهيكل يزيد من كفاءة الاستخدام الشاملة للمادة المازة ويحسن استقرار طبقة الامتزاز. اتجاه الهواء عمودي على اتجاه الجاذبية، مما يقلل بشكل فعال من غسل المنخل الجزيئي ويزيد من عمر خدمته.

يمكن لمعدات الضغط المعقولة منع تفتيت المنخل الجزيئي بسبب التصادم المتبادل. تقنية براءة الاختراع من PKU Pioneer، أي نظام الضغط الميكانيكي المتجانس للدوران والضغط التلقائي بالغشاء للمنخل الجزيئي، تضمن قوة موحدة على المادة المازة بحيث يتم ضغط المنخل الجزيئي بشكل متساوٍ وتسويته، ولا يتعرض الطرف العلوي لطبقة الامتزاز للتفتيت بسهولة، مما يمكن من تجنب انخفاض نقاء الأكسجين أو التأثير على سعة إنتاج مولد الأكسجين الناتج عن مسحوق المادة المازة الذي يتم ضخه بواسطة مضخة التفريغ لضمان التشغيل المستقر لمعدات الأكسجين VPSA وزيادة كفاءة استخدام مادة المنخل الجزيئي. في الوقت الحالي، تمتلك PKU Pioneer أكبر عدد من مشاريع إنتاج الأكسجين التي كانت قيد التشغيل لأكثر من 10 سنوات في الصين بمؤشرات ممتازة، مما يوفر ضمانًا قويًا لتوريد الأكسجين المستقر للعملاء.

3. المعدات والمكونات الأخرى في العملية

3.1 المنفاخ

يتسبب المنفاخ النابذي ذو الضغط الثابت في تغير معدل تدفق الأكسجين باستمرار مع الضغط. على الرغم من إمكانية ضبط السعة، إلا أن الكفاءة ستتدهور بسرعة بمجرد انحرافها عن قيمة التصميم المثلى. في محطة VPSA-O2، ولتوفير الهواء المضغوط للممتص، يتم عادةً استخدام منفاخ الجذور ذو التدفق الهوائي الثابت لضغط الهواء، ونتيجة لذلك، تكون سعة الأكسجين مستقرة أساسًا عند تغير الضغط، مما يقلل من التأثير على طبقة الامتصاص ويفيد في امتصاص المنخل الجزيئي. في نظام الأكسجين VPSA، تكون كفاءة منفاخ الجذور أعلى من كفاءة المنفاخ النابذي، وقد أثبت التشغيل العملي أن مؤشر استهلاك الطاقة لديه هو الأدنى أيضًا.

3.2 مضخة التفريغ

تتميز مضخات التفريغ من نوع الجذور ببدء تشغيل سريع وفراغ عالٍ. تحتوي مكونات نقل المضخة على تكوين قوي مضاد للخلوص العكسي، مما يسمح بتحقيق مستويات فراغ مثلى في وقت قصير. لا توجد أجزاء منزلقة في حجرة المضخة ولا حاجة للتزييت بالزيت، مما يمنع تلوث النظام ببخار الزيت. كما أن لها مزايا كبيرة مثل انخفاض استهلاك الطاقة، وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة، وزيادة سرعة الضخ والكفاءة، وتشغيل أكثر استقرارًا، وغير ذلك.

3.3 معزز الأكسجين

في نظام توليد الأكسجين VPSA، يتم تطبيق معززات الأكسجين ذات المكبس والجذور والنابذة، ومن بينها يُستخدم معزز الأكسجين ذو المكبس بشكل عام. الأكسجين حساس لدرجة الحرارة والزيت والشرر، لذا فإن فشل معزز الأكسجين سيؤثر على تشغيل الممتصات. إذا تم استخدام معزز أكسجين من نوع المكبس، فمن الضروري منع الارتفاع المفاجئ لدرجة حرارة عادم الأسطوانة بالإضافة إلى الإغلاق المتداخل الناتج عن خلط زيت التشحيم مع الأكسجين. إذا تم استخدام معزز أكسجين من نوع الجذور، يمكن تحقيق الختم الميكانيكي المزدوج غير المتوازن من كلا الاتجاهين الشعاعي والمحوري.

4. نظام التحكم

4.1 صمامات التبديل

تسمى صمامات التبديل أيضًا بصمامات التحكم PLC. إن صمامات مخرج المنفاخ، وصمامات مدخل منفاخ التفريغ، وصمامات مخرج الأكسجين المنتج، وصمامات التطهير، وصمامات التوازن (صمامات معادلة الضغط)، إلخ تمكن الممتصات من المرور بشكل طبيعي بأقسام الامتصاص، وخفض الضغط، والامتصاص العكسي الأمامي والعكسي، والتطهير. وهي بشكل عام تعمل بالهواء المضغوط ويمكن التحكم فيها بواسطة برامج الكمبيوتر عند توصيلها بـ DCS أو PLC ليس فقط بدورة تبديل قصيرة، ولكن أيضًا بعمر خدمة طويل يصل إلى 15 عامًا، ويمكن تبديلها ملايين المرات بعد التشغيل المستمر لمدة عام.

4.2 الأجهزة

يتم التحكم في نظام أجهزة التحكم لمعدات الأكسجين VPSA بواسطة نظام PLC. تعتبر الأجهزة الآمنة والموثوقة والمتقدمة أمرًا بالغ الأهمية لتلبية متطلبات المراقبة والتحكم للتشغيل السلس.

5. الخاتمة

مع تقدم وتطور تكنولوجيا إنتاج الأكسجين VPSA، بدأت وحدة VPSA-O2 بالاعتراف بها تدريجياً من قبل العديد من مصانع الورق نظرًا لانخفاض استثماراتها، وانخفاض استهلاك الطاقة، وتشغيلها الأكثر موثوقية واستقرارًا، وفوائدها الفعالة وكفاءتها الاقتصادية الأعلى. بصفتها أكبر مورد عالمي لـ معدات إنتاج الأكسجين VPSA وPSA ، قدمت شركة PKU Pioneer حلولاً اقتصادية وموثوقة لتوليد الأكسجين لمؤسسات ورقية رائدة عالميًا مثل مجموعة Sun Paper وشركة Double A PLC لمساعدة العملاء على توفير الطاقة وتقليل التكاليف بشكل كبير لتحسين كفاءة عملية تصنيع الورق بشكل عام، وهو ذو أهمية عملية كبيرة لتعزيز إعادة تدوير الموارد والتنمية المستدامة لـ صناعة الورق الصناعة.