شرح متعمق لمبدأ تكنولوجيا توليد الأكسجين VPSA و PSA والأنظمة الداعمة

1. تكنولوجيا توليد الأكسجين VPSA

الامتزاز بتأرجح الضغط الفراغي (VPSA) هو تقنية متقدمة لفصل الأكسجين عن الهواء. تستخدم هذه التقنية الفرق في قدرة الامتزاز لمكونات الهواء المختلفة على المواد المازة. تمتص المادة المازة الغازات بشكل انتقائي عند زيادة الضغط، وتتحرر لإعادة التجديد عند خفض الضغط إلى حالة فراغ.

تعمل معدات توليد الأكسجين VPSA باستخدام الكهرباء كمصدر للطاقة والهواء كمادة خام. تستفيد من خاصية المناخل الجزيئية في زيادة قدرة امتزاز النيتروجين تحت الضغط الإيجابي وانخفاضها تحت الضغط السلبي. يتم تحقيق دورة من الامتزاز بالضغط الإيجابي والتحرر بالفراغ من خلال التبديل المتناوب بين وعائي الامتزاز، مما يتيح فصل الأكسجين والنيتروجين من الهواء والإنتاج المستمر للأكسجين الصناعي.

عملية توليد الأكسجين VPSA هي عملية امتزاز فيزيائي، لا تتضمن تفاعلات كيميائية أو تلوث بيئي، مما يجعلها طريقة مثالية لتوفير الأكسجين. مقارنة بإنتاج الأكسجين بالتبريد التقليدي، توفر عملية VPSA مزايا كبيرة، بما في ذلك تركيب وعملية أبسط، تشغيل أسهل، بدء تشغيل أسرع، تشغيل آمن وموثوق في درجة حرارة عادية وضغط منخفض، استهلاك طاقة أقل، وتكاليف إنتاج أكسجين أقل بشكل ملحوظ.

1.1 عملية معدات توليد الأكسجين VPSA ذات الوعاءين

تستخدم معدات توليد الأكسجين VPSA الهواء كمادة خام. يمر الهواء أولاً عبر مرشح هواء ويدخل إلى منفاخ جذري، حيث يتم ضغطه قبل دخول ممتص أكمل التجديد ويكون قيد التشغيل.

داخل الممتص، يتم امتزاز الرطوبة وثاني أكسيد الكربون والغازات الجزيئية الأخرى في الهواء بشكل تفضيلي. ثم يمر الهواء المجفف عبر منخل جزيئي متخصص لإنتاج الأكسجين، حيث يتم امتزاز النيتروجين، مما يسمح بتركيز الأكسجين عند المخرج. يتم بعد ذلك تنظيم ضغط الغاز الغني بالأكسجين من خلال صمام تحكم ويدخل إلى خزان مؤقت. عند مخرج الخزان المؤقت، يتم ضغط الأكسجين بشكل أكبر بواسطة ضاغط أكسجين للوصول إلى الضغط المطلوب. ثم يتم تبريد الأكسجين عالي الضغط وتخزينه في خزان تخزين أكسجين، حيث يتم توفيره للمستخدمين النهائيين.

لضمان إمداد أكسجين مستمر ومستقر، تم تصميم محطة توليد الأكسجين VPSA ببرجي امتزاز يعملان بالتناوب. بينما ينتج أحد البرجين الأكسجين، يخضع الآخر للتجديد بالفراغ. أثناء التجديد، يتم تحرير النيتروجين الغني الممتاز وتفريغه إلى الخارج بعد معالجة تقليل الضوضاء.

1.2 سيناريو التطبيق

معدات الأكسجين VPSA مناسبة لإنتاج الأكسجين الصناعي بمقاييس مختلفة، مما يوفر أكسجين بنقاء يتراوح تقريبًا بين 80٪ و 93٪.

2. المكونات الأساسية لمحطة أكسجين VPSA

تتكون وحدة أكسجين VPSA من 7 مكونات رئيسية، بما في ذلك نظام الممتص الشعاعي، نظام الطاقة (المنافخ والمضخات الفراغية)، نظام الأجهزة والكهرباء، خزانات الأكسجين المؤقتة، نظام ضغط الأكسجين (اختياري)، نظام التحكم الكهربائي، ونظام المياه.

مخطط تدفق عملية توليد الأكسجين VPSA

2.1 نظام الممتص الشعاعي

وحدة فصل الأكسجين والنيتروجين هي المكون الأساسي لمعدات توليد الأكسجين. تتكون بشكل أساسي من برجي امتزاز متناوبين، بالإضافة إلى صمامات فراشة هوائية للتبديل، وصمامات فراشة هوائية للتنظيم، وصمامات فراشة يدوية. يتم تحقيق فصل الأكسجين والنيتروجين بناءً على الفرق في قدرة امتزاز جزيئات النيتروجين والأكسجين على مناخل جزيئية أكسجين عالية الكفاءة ومتخصصة أثناء عمليات الامتزاز بالضغط الإيجابي والتحرر بالضغط السلبي.

يتحكم جهاز تحكم منطقي قابل للبرمجة (PLC) في الصمامات الملفية اللولبية، والتي بدورها تنظم الصمامات الهوائية وفقًا لتسلسل محدد. وهذا يتيح التشغيل التلقائي لنظام الأكسجين، مما يضمن إنتاج الأكسجين بشكل مستمر. وفي الوقت نفسه، تقوم مضخة التفريغ بإخلاء وتفريغ مكونات النيتروجين والغازات الأخرى.

2.1.1 وعاء الامتزاز

يضمن هيكل الامتزاز المزدوج إمدادًا مستمرًا بالغاز لتلبية متطلبات العملاء. داخل الممتص، يتم ملء مناخل جزيئية لإزالة الماء ومناخل جزيئية LiX لفصل مكونات الهواء بشكل فعال وتلبية متطلبات إنتاج الأكسجين.

2.1.2 صمام فراشة هوائي للتبديل

يتم التحكم في الصمامات الملفية اللولبية بواسطة نظام التحكم لتبديل تدفق الغاز بشكل دوري بين جهازي الامتزاز، مما يضمن التشغيل المستقر لمعدات الأكسجين.

2.1.3 صمام فراشة هوائي للتنظيم

أثناء عملية معادلة الضغط والتطهير، يتم تركيب صمام فراشة هوائي للتحكم لتحسين تأثيرات المعادلة والتطهير. يتميز الصمام بقابلية ضبط بنسبة مئوية متساوية، عدم تسرب، وعمر خدمة طويل، إلخ.

2.2 نظام الطاقة - المنفاخ

باعتباره مكون طاقة سحب الهواء للنظام بأكمله، يوفر المنفاخ مصدر غاز بالضغط الإيجابي المناسب لنظام فصل الأكسجين والنيتروجين، ويلعب دورًا حاسمًا في ضمان التشغيل المستقر والفعال للنظام. يشتمل نظام المنفاخ على مرشح هواء مدخل، المنفاخ ومحركه المطابق، صمام فراشة هوائي للتبديل جانبي، صمام فراشة يدوي، مبادل حراري، وصلات منفاخ (أو وصلات مرنة)، ومعدات مجموعة كاملة داعمة أخرى.

2.2.1 وحدة المنفاخ والمحرك المطابق

المنفاخ الجذري هو منفاخ غاز إزاحي موجب. داخل غلافه، يحافظ دافعان على فجوة تعشيق محددة ويتم تشغيلهما بواسطة تروس متزامنة للدوران بسرعات متساوية في اتجاهين متعاكسين. تدفع هذه الآلية الغاز المسحوب من المدخل إلى المخرج، متغلبة على مقاومة الغاز عالي الضغط على جانب المخرج لتحقيق طرد قسري.

داخل الغلاف، يتم تركيب دافعين على شكل رقم 8 بشكل عمودي على زوج من الأعمدة المتوازية. يتم تشغيل الدوافع بواسطة زوج من التروس بنسبة نقل 1:1 للدوران بشكل متزامن في اتجاهين متعاكسين. يتم الحفاظ على فجوة معينة بين الدوافع وبين الدوافع والجدار الداخلي لغلاف المضخة.

المكون الرئيسي لمنفاخ الجذور هو الدوار، وجوهر الدوار يكمن في شكله. تعتمد الدوافع شكلًا خاصًا مصممًا حديثًا، مما يضمن فجوة تعشيق موحدة بين الدوارين، ويقلل من التسرب الداخلي، ويحسن الكفاءة الحجمية. بالإضافة إلى ذلك، تضمن المكونات عالية الدقة والأداء مثل التروس المتزامنة والمحامل وأختاف PTFE تشغيلًا مستقرًا مع اهتزاز منخفض.

المحرك المطابق هو محرك غير متزامن ثلاثي الطور بدرجة حماية IP23-IP54 وفئة عزل F. يتميز بكفاءة عالية، توفير في الطاقة، ضوضاء منخفضة، اهتزاز ضئيل، تصميم خفيف الوزن، أداء موثوق، وسهولة في التركيب والصيانة.

2.2.2 صمام فراشة هوائي جانبي للتبديل وصمام فراشة يدوي

لتحسين معدل استرداد غاز المنتج أثناء عملية VPSA و PSA، يخضع جهازا الامتزاز لعملية معادلة لفترة معينة. خلال مرحلة المعادلة هذه، يقوم المنفاخ بتجاوز وتفريغ الغاز الزائد. بالإضافة إلى ذلك، لمنع التدفق العكسي عند توقف المنفاخ، يلزم وجود آلية حماية بخفض الضغط الجانبي. لذلك، يتم تركيب نظام جانبي، حيث يتم برمجة صمام الفراشة الهوائي للتبديل للتفريغ الخارجي. علاوة على ذلك، يتم إعداد صمام فراشة يدوي لتنظيم ضغط مخرج المنفاخ بشكل فعال.

الصمام هو صمام فراشة هوائي بختم صلب مزدوج الإزاحة، مصمم للتبديل المتكرر لدورة قصيرة. يتميز بعدم التسرب، وعمر خدمة طويل، ووقت تبديل قصير.

2.2.3 المبادل الحراري

بعد الضغط بواسطة المنفاخ، تصل درجة حرارة الهواء عند المخرج إلى حوالي 65 درجة مئوية، بينما أفضل ظروف عمل للمنخل الجزيئي تتراوح بين 30-40 درجة مئوية. لضمان الاستخدام الفعال للمنخل الجزيئي، يلزم وجود مبادل حراري لتبريد الهواء الساخن.

2.2.4 موصل المنفاخ

أثناء تشغيل منفاخ الجذور، يكون الاهتزاز الكبير أمرًا لا مفر منه. لتقليل تأثير الاهتزاز على المعدات اللاحقة وتقليل الضوضاء الناتجة عن الاهتزاز، يتم تركيب موصلات مرنة مقترنة وموصلات منفاخ عند مدخل ومخرج المنفاخ.

2.3 نظام الطاقة - مضخة التفريغ

بمجرد وصول المنخل الجزيئي إلى التشبع الديناميكي أثناء الامتزاز، يصبح التحرر والتجديد ضروريين. أظهرت الدراسات أن تجديد المنخل الجزيئي يكون أكثر فعالية تحت ظروف الضغط السلبي (الفراغ). نظام مضخة التفريغ هو مكون لا غنى عنه في النظام بأكمله. يتكون من وحدة مضخة التفريغ ومحركها المطابق، صمام فراشة هوائي للتبديل جانبي، صمام فراشة يدوي، موصلات منفاخ (أو موصلات مرنة)، ومعدات مساعدة أخرى.

2.3.1 وحدة مضخة التفريغ والمحرك

مضخة التفريغ الجذرية هي مضخة تفريغ دوارة إزاحية حجمية، مشتقة هيكليًا من منفاخ الجذور. مبدأ عملها مطابق لمبدأ عمل منفاخ الجذور.

2.3.2 صمام فراشة هوائي جانبي للتبديل وصمام فراشة يدوي

لمنع التدفق العكسي عند إيقاف تشغيل مضخة التفريغ، يتم تركيب تجاوز لتحرير الضغط مسبقًا، مما يضمن بدء التشغيل والإيقاف بضغط صفري. يتم تركيب صمام جانبي لهذا الغرض. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام صمام فراشة يدوي لإجراء تعديلات دقيقة لضغط شفط مضخة التفريغ.

الصمام هو صمام فراشة إغلاق ناعم الختم، مصمم لتلبية متطلبات عدم التسرب تحت ظروف التشغيل الطويلة الأمد.

2.3.3 موصل منفاخ

أثناء تشغيل مضخة Roots الفراغية، يكون الاهتزاز كبيرًا لا مفر منه. لتقليل تأثير الاهتزاز على المعدات التالية وخفض الضوضاء الناتجة عن الاهتزاز، يتم تركيب موصلات مرنة أو موصلات منفاخ عند مدخل ومخرج المضخة الفراغية.

2.4 نظام الهواء الآلي

تحتاج كل من صمامات الفراشة الهوائية وصمامات الفراشة الهوائية المنظمة إلى مصدر هواء آلي بضغط حوالي 0.5-0.7 ميجا باسكال كقوة دافعة للمشغل أثناء التحكم الآلي في التبديل. يتكون النظام من مكونات مثل مرشح معالجة مصدر الهواء وخزان تخزين الهواء. لضمان معدل التشغيل، يتم إضافة صمام تجاوز لوحدة الترشيح التي تتطلب صيانة وخدمة متكررة.

2.5 خزان تخزين الأكسجين المؤقت

يتكون نظام خزان تخزين الأكسجين المؤقت بشكل رئيسي من خزان تخزين الأكسجين المؤقت، ومقياس تدفق الفتحة، ومحلل نقاء الأكسجين، وصمام التحكم، ومستشعر الضغط.

يعمل خزان تخزين الأكسجين المؤقت كإجراء رئيسي للتخفيف من تقلبات الضغط المفرطة في الممتزات وتثبيت ضغط ونقاء الأكسجين المنتج.

2.6 نظام ضغط الأكسجين (اختياري)

يتكون نظام ضغط الأكسجين من صمام فراشة خاص بالأكسجين وضاغط أكسجين ومكونات أخرى. وظيفته الرئيسية هي زيادة ضغط الأكسجين المنتج لتلبية ضغط المستخدم المطلوب وتوصيله إلى خزان تخزين الأكسجين.

يشمل نظام خزان تخزين الأكسجين خزانات تخزين الأكسجين والصمامات ومقاييس الضغط وصمامات الأمان ومكونات أخرى. وظيفته الرئيسية هي تخزين جزء من الأكسجين المنتج، مما يضمن إخراج أكسجين مستقر. بالإضافة إلى ذلك، يوفر إمدادًا مؤقتًا بالأكسجين في حالة التوقف غير المتوقع، لمنع فشل نظام الإمداد بالأكسجين.

2.7 نظام التحكم الكهربائي والأجهزة

يشمل نظام التحكم الكهربائي والأجهزة حاسوبًا صناعيًا، وخزانة تحكم كهربائية، وخزانة أجهزة، وجهاز تحكم منطقي قابل للبرمجة (PLC)، وصمامات ملف لولبي، ومصابيح مؤشرة، وأزرار تحكم، ومكونات أخرى.

يعمل النظام تلقائيًا وفقًا للبرنامج المحرر في PLC، ويتحكم في تشغيل وإيقاف صمامات الملف اللولبي، والتي بدورها تفتح وتغلق الصمامات الهوائية عبر نظام التحكم الهوائي. يجمع ويعالج الإشارات المختلفة، ويعرض حالات تشغيل معدات الأكسجين. يمكن للمستخدمين ضبط أو تعديل معلمات التحكم على الحاسوب الصناعي لتكوين أو فحص حالة تشغيل المعدات.

2.8 نظام المياه

يتكون نظام المياه عادة من جزأين: نظام المياه المتداولة ونظام المياه الختم. يشمل نظام المياه المتداولة بشكل رئيسي برج تبريد، ومضخات مياه، ومرشحات، وخطوط أنابيب المياه الداخلة والعائدة، والصمامات المرتبطة بها. يوفر مياه تبريد متداولة لنظام الأكسجين بأكمله. يستخدم نظام المياه الختم بشكل أساسي لتزويد مروحة المضخة الفراغية بالمياه لتعزيز الختم، وبالتالي تحقيق مستوى فراغ أعلى أثناء عملية الامتصاص. يتم استخدام المياه الناعمة أو المياه منزوعة الأيونات، التي يتم توفير نظام إنتاجها من قبل الشركات المصنعة المتخصصة، عادة لهذا الغرض.

شركة PKU Pioneer لنظام VPSA و تقنية توليد الأكسجين PSA تبرز كحل فعال من حيث التكلفة ومرن وموثوق لتزويد الأكسجين الصناعي. مع نطاق تدفق أكسجين يتراوح بين 50~100,000 نانومتر مكعب³/ساعة ومستويات نقاء عامة تتراوح بين 80~94%، تقدم أنظمة الأكسجين لدينا مزايا تكلفة أقل بشكل كبير مقارنة بطرق ASU (وحدات فصل الهواء) التقليدية أو LOX (الأكسجين السائل). يضمن الممتز الليثيومي المنتج ذاتيًا والتصميم الابتكاري للبرج الشعاعي سعة أكسجين أكبر وأداء أمثل وكفاءة طاقية. على مدى السنوات الـ 25 الماضية، نجحنا في تنفيذ أكثر من 400 مشروع لمصانع أكسجين في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك أكبر نظام VPSA-O2 في العالم (146,000 نانومتر مكعب³/ساعة) وأكبر مصنع VPSA-O2 في الصين (87,500 نانومتر مكعب³/ساعة).

قامت PKU Pioneer بتصدير أنظمة VPSA/PSA إلى أكثر من 20 دولة ومنطقة، لخدمة أكثر من 30 صناعة بخبرة مثبتة. تم تصدير مولد SPOX VPSA-O2 المعتمد من CE والمُحمل في حاويات إلى إيطاليا و محطة PSA-CO سيتم بناؤه في الولايات المتحدة. مع أكبر عدد من مراجع VPSA و PSA في جميع أنحاء العالم، ستستمر PKU Pioneer في قيادة الصناعة في تقديم حلول أكسجين فعالة ومستدامة ومخصصة لتلبية الاحتياجات الفريدة لمزيد من العملاء.