آیا چیزی درباره تولید اکسیژن به صورت صنعتی شنیده اید؟

تولید اکسیژن

اکسیژن یکی از عناصر اصلی شیمیایی است. اکسیژن در رایج ترین شکل خود، گازی بی رنگ است که در هوا یافت می شود. این گاز یکی از عناصر ماندگار روی زمین است و مورد نیاز همه حیوانات است. اکسیژن همچنین در بسیاری از کاربردهای صنعتی، تجاری، پزشکی و علمی مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده در کوره های بلند برای ساختن فولاد مورد استفاده قرار می گیرد و در تولید بسیاری از مواد شیمیایی مصنوعی از جمله آمونیاک، الکل ها و پلاستیک های مختلف یک عنصر مهم است. اکسیژن و استیلن با هم سوزانده می شوند تا دمای بسیار بالایی را که برای جوشکاری و برش فلزات لازم است فراهم کنند. وقتی اکسیژن پایین تر از ۲۹۷- درجه فارنهایت (۱۸۳- درجه سانتیگراد) خنک می شود، به یک مایع آبی کم رنگ تبدیل می شود که به عنوان سوخت موشک استفاده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه تولید اکسیژن به صورت صنعتی و طبیعی در ادامه مطلب با مجمع فعالان زیست محیطی کشور همراه باشید.

مقدمه

اکسیژن یکی از عناصر شیمیایی فراوان در کره زمین است. تقریباً نیمی از پوسته زمین از ترکیبات شیمیایی حاوی اکسیژن و یک پنجم جو هم از گاز اکسیژن تشکیل شده است. حدود دو سوم از بدن انسان هم اکسیژن می باشد. اگرچه اکسیژن از ابتدای تحقیقات علمی وجود داشته است اما تا سال ۱۷۷۴ که جوزف پریستلی از انگلیس با حرارت دادن اکسید جیوه در یک لوله آزمایش معکوس با اشعه متمرکز خورشید، آن را جدا کرد به عنوان عنصر جداگانه ای شناخته نشده بود. پریستلی کشف خود را برای آنتوان لاووازیه دانشمند فرانسوی توصیف کرد و وی با آزمایش بیشتر تشخیص داد که آن یکی از دو عنصر اصلی تشکیل دهنده هوا می باشد. لاووازیه اکسیژن گازی جدید را با استفاده از کلمات یونانی oxys به معنی ترش یا اسید و genes به معنی تولید یا تشکیل نامگذاری کرد زیرا معتقد بود که این یک قسمت اساسی از همه اسیدها می باشد.

گازهای موجود در جو
اکسیژن موجود در جو

در سال ۱۸۹۵ کارل پل گوتفرید فون لینده از آلمان و ویلیام همپسون از انگلیس به طور مستقل فرایند کاهش دمای هوا را تا زمان مایع شدن ایجاد کردند. با تقطیر دقیق هوای مایع می توان گازهای مختلف را یکی یکی جوشانده و به دست آورد. این فرآیند به سرعت به منبع اصلی تولید اکسیژن، نیتروژن و آرگون با کیفیت بالا تبدیل شد. در سال ۱۹۰۱ در اولین نمایش جوشکاری اُکسی استیلن، گاز اکسیژن فشرده با گاز استیلن سوزانده شد و به روش متداول صنعتی برای جوشکاری و برش فلزات تبدیل شد.

اولین استفاده از پیشرانه های موشکی مایع در سال ۱۹۲۳ هنگامی رخ داد که رابرت گودارد از ایالات متحده یک موتور موشک را با استفاده از بنزین به عنوان سوخت و اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده تولید کرد. در سال ۱۹۲۶ او با موفقیت یک موشک کوچک سوخت مایع را با فاصله ۵۶ متری با سرعت حدود ۹۷ کیلومتر در ساعت به پرواز درآورد. پس از جنگ جهانی دوم فناوری های جدید پیشرفت قابل توجهی در روند جداسازی هوا برای تولید اکسیژن ایجاد کردند. حجم تولید و سطح خلوص افزایش یافت در حالی که هزینه ها کاهش یافت. در سال ۱۹۹۱ بیش از ۱۳٫۴ میلیارد متر مکعب اکسیژن در ایالات متحده تولید شد که به عنوان دومین گاز صنعتی در حجم عظیم استفاده می شود.

اروپای غربی، روسیه (اتحاد جماهیر شوروی سابق)، ایالات متحده ، اروپای شرقی و ژاپن جزو پنج منطقه بزرگ تولید اکسیژن در سراسر جهان محسوب می شوند.

چه مقدار اکسیژن از اقیانوس می آید؟

حداقل نیمی از اکسیژن زمین از اقیانوس تأمین می شود. دانشمندان تخمین می زنند که ۵۰ تا ۸۰ درصد تولید اکسیژن روی زمین از اقیانوس حاصل شود. بیشتر اکسیژن تولیدی از پلانکتون های اقیانوسی از جمله گیاهان رانشی، جلبک ها و برخی از باکتری هایی حاصل می شود که می توانند فتوسنتز کنند. لایه سطحی اقیانوس مملو از پلانکتون های فتوسنتزی است، اگرچه با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند اما اکسیژن بیشتری نسبت به بزرگترین درخت های ماموت تولید می کنند. یک گونه خاص باکتری به نام پروکلروکوس کوچک ترین ارگانیسم فتوسنتزی روی زمین است اما این باکتری های کوچک تا ۲۰ درصد اکسیژن کل زیست کره را تولید می کنند. بهتر است بدانید این درصد بیشتر از کل جنگل های بارانی گرمسیری در خشکی است.

تولید اکسیژن در اقیانوس
تولید اکسیژن در اقیانوس

محاسبه درصد دقیق اکسیژن تولید شده در اقیانوس کار دشواری است زیرا مقدار آن دائماً در حال تغییر است. دانشمندان می توانند از تصاویر ماهواره ای برای ردیابی فتوسنتز پلانکتون و تخمین میزان فتوسنتز رخ داده در اقیانوس استفاده کنند اما تصاویر ماهواره ای نمی توانند کل ماجرا را به تصویر بکشند. مقدار پلانکتون به صورت فصلی و در پاسخ به تغییر میزان تغذیه آب، دما و سایر عوامل تغییر می کند. مطالعات نشان داده است که میزان اکسیژن در مکان های خاص با توجه به زمان روز و جزر و مد متفاوت است.

لازم به یادآوری است که اگرچه اقیانوس حداقل ۵۰ درصد اکسیژن موجود در زمین را تولید می کند اما تقریباً همان مقدار توسط حیوانات دریایی مصرف می شود. حیوانات دریایی نیز مانند حیوانات خشکی زی از اکسیژن برای تنفس استفاده می کنند و هم گیاهان و هم حیوانات دریایی از اکسیژن برای تنفس سلولی استفاده می کنند. اکسیژن همچنین در هنگام پوسیدگی گیاهان و جانوران مرده در اقیانوس مصرف می شود.

این مسئله به ویژه هنگامی که شکوفه های جلبک از بین می رود و فرآیند تجزیه سریعتر از زمان تجدید از اکسیژن استفاده می کند، مشکل ساز خواهد بود. این امر می تواند مناطقی با غلظت اکسیژن بسیار کم یا هیپوکسی ایجاد کند. این مناطق را اغلب مناطق مرده می نامند زیرا سطح اکسیژن برای تأمین بیشتر زندگی دریایی بسیار کم است. مراکز ملی NOAA برای علوم اقیانوس ساحلی تحقیقات و پیش بینی گسترده ای در مورد شکوفایی جلبک و هیپوکسی برای کاهش آسیب وارد شده به اکوسیستم اقیانوس و محیط زیست انسان انجام می دهد.

انواع روش های تولید طبیعی یا صنعتی اکسیژن 

با استفاده از چندین روش مختلف می توان از تعدادی مواد اکسیژن تولید کرد. متداول ترین روش طبیعی تولید اکسیژن فتوسنتز است که در آن گیاهان از نور خورشید استفاده می کنند و دی اکسید کربن موجود در هوا را به اکسیژن تبدیل می کنند. این عمل باعث جبران و متعادل سازی فرایند تنفس که در آن حیوانات اکسیژن موجود در هوا را به دی اکسید کربن تبدیل می کنند، می شود.

فتوسنتز
فتوسنتز به روایت تصویر

متداول ترین روش تجاری برای تولید اکسیژن، جداسازی هوا با استفاده از یک فرآیند تقطیر برودتی یا یک فرآیند جذب نوسان خلا می باشد که در آن نیتروژن و آرگون نیز با جداسازی آنها از هوا تولید می شوند.

اکسیژن همچنین می تواند در نتیجه یک واکنش شیمیایی تولید شود که در آن اکسیژن از یک ترکیب شیمیایی آزاد شده و تبدیل به گاز می شود. این روش برای تولید مقادیر محدود اکسیژن برای حمایت از زندگی در زیردریایی ها، هواپیماها و فضاپیماها استفاده می شود.

هیدروژن و اکسیژن را می توان با عبور جریان الکتریکی از آب و جمع آوری دو گاز در حین حباب کردن تولید کرد. هیدروژن در ترمینال منفی و اکسیژن در ترمینال مثبت تشکیل می شود. این روش الکترولیز نامیده می شود و هیدروژن و اکسیژن بسیار خالص تولید می کند. گرچه از مقدار زیادی انرژی الکتریکی استفاده می کند و برای تولید با حجم زیاد مقرون به صرفه نیست.

کاربردهای مهم اکسیژن

کاربردهای اصلی اکسیژن به بهترین وجه با تفکیک آنها در سه طبقه به راحتی توضیح داده می شود.

کاربردهای مهم اکسیژن
نمونه ای از کاربردهای اکسیژن

۱- موارد استفاده فیزیولوژیکی

  • در سلول ها اکسیژن برای تنفس هوازی مورد نیاز است و امکان استخراج انرژی از غذاهای خورده شده را فراهم می کند.
  • مخازن اکسیژن فشرده توسط کوهنوردان در ارتفاعات بالا برای مقابله با کاهش فشار O2 استفاده می شود.
  • اکسیژن اضافی برای بیماران جراحی که عمدتاً به خاطر اقدامات پزشکی کاهش می یابد، مورد نیاز است تا قلب و ریه بتوانند به عملکردهای حیاتی خود ادامه دهند.
  • از اکسیژن می توان به عنوان یک ماده ضدعفونی کننده برای از بین بردن برخی از باکتری های بی هوازی استفاده کرد.

۲- مصارف صنعتی 

  • اکسیژن برای واکنشی که کربن را به گاز دی اکسید کربن در کار فولاد تبدیل می کند و در دمای بالا در کوره های بلند انجام می شود ، مورد نیاز است. دی اکسید کربن تولید شده باعث کاهش اکسیدهای آهن به ترکیبات خالص آهن می شود.
  • اکسیژن در سایر کاربردهایی که شامل فلز بوده و نیاز به درجه حرارت بالا دارد مانند مشعل های جوشکاری استفاده می شود.

۳- استفاده از اکسیژن در هوافضا 

  • اکسیژن مایع به عنوان یک ماده اکسید کننده برای استفاده در موشک ها و راکت ها به طور گسترده ای کاربرد دارد. جایی که با هیدروژن مایع واکنش می دهد و رانش فوق العاده ای را که برای پرواز لازم است تولید می کند. لباس فضایی فضایی تقریباً اکسیژن خالص دارد.
  • از اکسیژن برای تخریب ترکیبات هیدروکربن که با گرم شدن شان از هم جدا می شوند، استفاده می شود. این واکنش برای ایجاد احتراق استفاده می شود و معمولاً آب و دی اکسید کربن را آزاد می کند اما همچنین می تواند هیدروکربن ها، استیلن، پروپیلن و اتیلن را نیز تولید کند.
  • از اکسیژن در گیاهانِ تصفیه فاضلاب و تصفیه آب استفاده می شود. در این مورد، تولید باکتری هایی را که مواد زائد موجود در آب را متابولیزه می کنند، افزایش می دهد.
  • گاز اکسیژن (O2) برای تولید انرژی در مواردی که به منبع تغذیه خود متصل نیستند مانند ژنراتورها و وسایل نقلیه (به عنوان مثال کشتی ها، هواپیماها و اتومبیل ها) مورد نیاز است.

روند تولید اکسیژن به صورت صنعتی چگونه است؟

بیشتر اکسیژن تجاری با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی (cryogenic distillation) که در سال ۱۸۹۵ توسعه یافته، تولید می شود. این فرآیند، اکسیژنی تولید می کند که ۹۹+ درصد خالص می باشد. اخیراً  فرآیند بسیار کارآمد جذب نوسان خلاء با صرفه جویی در مصرف انرژی برای تعداد محدودی از برنامه ها که به اکسیژن با خلوص بیش از ۹۰ تا ۹۳ درصد نیاز ندارند، استفاده شده است. در اینجا مراحل استفاده شده برای تولید اکسیژن از هوا با درجه تجاری با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی ذکر می شود.

  • پیش عمل آوری (Pretreating)

از آنجا که در این فرآیند از یک بخش برودتی بسیار سرد برای جداسازی هوا استفاده می شود، ابتدا باید تمام ناخالصی هایی که ممکن است متبلور شوند مانند بخار آب، دی اکسید کربن و برخی هیدروکربن های سنگین برای جلوگیری از یخ زدگی و متصل شدن لوله های برودتی حذف شوند. ابتدا

۱- هوا در یک کمپرسور چند مرحله ای تا حدود ۹۴ psi فشرده می شود. سپس از یک پسا_خنک کننده ی خنک کننده آب عبور می کند تا هر نوع بخار آب و آب متراکم شده در یک جداساز آب از آنها خارج شود.

۲- هوا از یک جاذب الک مولکولی عبور می کند. این جاذب حاوی جاذب های زئولیت و ژل سیلیس است که دی اکسید کربن، هیدروکربن های سنگین تر و هرگونه آثار باقی مانده بخار آب را به دام می اندازد. به طور دوره ای جاذب تمیز می شود تا ناخالصی های به دام افتاده حذف شوند. این امر معمولاً به دو جاذب موازی نیاز دارد که یکی بتواند به پردازش جریان هوا ادامه دهد و دیگری با جریان سریع ناخالصی ها را شستشو می دهد.

  • جدا کردن (Separating)

هوا از طریق فرآیند تقطیر معروف به تقطیر جزء به جزء (fractional distillation) به اجزای اصلی خود یعنی نیتروژن، اکسیژن و آرگون تجزیه می شود. به ساختارهای عمودی که برای انجام این تفکیک استفاده می شود، ستون های شکل دهنده گفته می شود. در فرآیند تقطیر جزء به جزء، اجزا به تدریج در چندین مرحله از هم جدا می شوند. در هر مرحله سطح غلظت یا کسر هر یک از اجزا تا کامل شدن جداسازی افزایش می یابد. از آنجا که تمام فرآیندهای تقطیر بر اساس اصل جوشاندن مایع برای جداسازی یک یا چند جرء انجام می شود، برای تأمین دمای بسیار پایین مورد نیاز برای مایع سازی اجزای گاز به یک بخش برودتی نیاز است.

۳- جریان هوا پیش تصفیه شده، تقسیم می شود. قسمت کوچکی از هوا از طریق کمپرسور، جایی که فشار آن افزایش می یابد، هدایت می شود. سپس خنک شده و اجازه می یابد تا تقریباً نزدیک فشار اتمسفر انبساط یابد. این انبساط به سرعت هوا را خنک می کند تا به قسمت برودتی تزریق شود و دمای سرد لازم برای کار را فراهم کند.

۴- جریان اصلی هوا از یک طرف یک جفت مبدل حرارتی باله صفحه ای (plate fin heat exchangers) که به صورت سِری فعالیت می کنند، عبور کرده در حالی که اکسیژن و نیتروژن بسیار سرد قسمت برودتی از طرف دیگر عبور می کنند. جریان هوای ورودی خنک می شود در حالی که اکسیژن و نیتروژن گرم می شود. در بعضی از عملیات ها هوا ممکن است به جای مبدل حرارتی دوم با عبور از یک دریچه انبساط سرد شود. در هر صورت دمای هوا تا جایی کاهش می یابد که اکسیژن که بالاترین نقطه جوش را دارد شروع به مایع شدن می کند.

۵- جریان هوا که اکنون بخشی از آن مایع و بخشی از آن گاز است به پایه ستون تقسیم فشار بالا وارد می شود. وقتی هوا به سمت ستون حرکت می کند، گرمای اضافی را از دست می دهد. اکسیژن همچنان به مایع شدن ادامه می دهد و در پایین ستون، مخلوط غنی از اکسیژن تشکیل می شود در حالی که بیشتر نیتروژن و آرگون به صورت بخار به سمت بالا جریان می یابند.

۶- مخلوط اکسیژن مایع که اکسیژن مایع خام (crude liquid oxygen) نامیده می شود از پایین ستون تقسیم کننده پایینی خارج می شود و بیشتر در کولر فرعی خنک می شود. بخشی از این جریان مجاز است تا تقریباً به فشار جو برسد و به ستون تقسیم کم فشار وارد می شود. همانطور که اکسیژن مایع خام به سمت پایین ستون حرکت می کند، بیشتر نیتروژن و آرگون باقیمانده جدا می شود و  اکسیژن خالص ۹۹٫۵ درصدی در پایین ستون باقی می ماند.

۷- در همین حال بخار نیتروژن و آرگون از بالای ستون فشار بالا در کولر فرعی سردتر می شود. بخار مخلوط اجازه می یابد تا تقریباً به اندازه فشار جوی منبسط شود و به بالای ستون تقسیم کم فشار وارد شود. نیتروژن که کمترین نقطه جوش را دارد ابتدا به گاز تبدیل می شود و از بالای ستون به عنوان نیتروژن خالص ۹۹٫۹۹۵ درصدی خارج می شود.

۸- آرگون که دارای نقطه جوش بین اکسیژن و نیتروژن است به صورت بخار باقی مانده و با از بین رفتن نیتروژن شروع به پایین رفتن می کند. با رسیدن بخار آرگون به نقطه ای در حدود دو سوم از پایین ستون، غلظت آرگون به حداکثر خود در حدود ۷ تا ۱۲ درصد می رسد و به یک ستون کسری سوم کشیده می شود و در آنجا دوباره گردش می یابد و تصفیه می شود. محصول نهایی جریانی از آرگون خام است که حاوی ۹۳ تا ۹۶ درصد آرگون ، ۲ تا ۵ درصد اکسیژن و نیتروژن متعادل با ردپایی از سایر گازها می باشد.

  • تصفیه

خلوص اکسیژن در پایین ستون کم فشار حدوداً  ۹۹٫۵ درصد می باشد. واحدهای تقطیر برودتی جدیدتر برای بازیابی بیشتر آرگون از ستون کم فشار طراحی شده اند و این باعث بهبود خلوص اکسیژن تا حدود ۹۹٫۸ درصد می شود.

۹- در صورت نیاز به خلوص بالاتر ممکن است یک یا چند ستون تقسیم کننده اضافی همراه با ستون کم فشار برای تصفیه بیشتر محصول اکسیژن اضافه شود. در بعضی موارد اکسیژن ممکن است به یک کاتالیزور منتقل شود تا هیدروکربن ها اکسید شود. این فرآیند دی اکسیدکربن و بخار آب تولید می کند که بعداً جذب و حذف می شوند.

  • توزیع

حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد از اکسیژن تولید شده در ایالات متحده به کاربران نهایی در خطوط لوله انتقال گاز از نیروگاه های مجاور جداسازی هوا توزیع می شود. در بعضی از مناطق کشور، شبکه گسترده ای از خطوط لوله به بسیاری از کاربران نهایی در مساحت صد کیلومتری خدمات ارائه می دهد. این گاز تا حدود psi 500  فشرده شده و از لوله هایی عبور می کند که قطر آنها ۱۰ تا۳۰ سانتی متر است. بسیاری از اکسیژن باقیمانده در تریلرهای مخزنِ عایق بندی شده یا اتومبیل های مخزن ریلی به عنوان اکسیژن مایع توزیع می شود.

اکسیژن مایع
اکسیژن مایع

۱۰- اگر قرار است اکسیژن به مایع تبدیل شود، این فرآیند معمولاً در داخل ستون تقسیم کم فشار کارخانجات جداسازی هوا انجام می شود. نیتروژن از بالای ستون فشار کم فشرده شده، سرد و منبسط می شود تا به مایع تبدیل شود. سپس این جریان نیتروژن مایع مجدداً به داخل ستون کم فشار وارد می شود تا خنک کنندگی اضافی مورد نیاز برای مایع شدن اکسیژن هنگام فرو رفتن در پایین ستون تأمین شود.

۱۱- از آنجا که اکسیژن مایع دارای نقطه جوش بالایی است، به سرعت می جوشد و به ندرت دورتر از ۸۰۰ کیلومتر ارسال می شود. بهتر است بدانید که حمل آن در مخازن بزرگ و عایق بندی شده انجام می شود. بدنه مخزن از دو پوسته ساخته شده و هوا بین پوسته داخلی و خارجی تخلیه می شود تا تلفات گرما را به تاخیر بیندازد. فضای خلأ با یک ماده عایق نیمه جامد پر می شود تا جریان یافتن گرما را از خارج بیشتر متوقف کند.

  • کنترل کیفیت

انجمن گاز فشرده (The Compressed Gas Association) براساس مقدار و نوع ناخالصی های موجود، استانداردهای درجه بندی را برای اکسیژن گازی و اکسیژن مایع تعیین می کند. گریدهای گازی، نوع I نامیده می شوند و از رتبه A که ۹۹٫۰ درصد خالص است تا F که ۹۹٫۹۹۵ درصد خالص است، متغیر می باشند. گریدهای مایع، نوع II نامیده می شوند و از A تا F متغیر هستند اگرچه انواع و مقادیر ناخالصی های مجاز در گریدهای مایع با گریدهای گاز متفاوت است. نوع I درجه B و درجه C و نوع II درجه C، خلوص ۹۹٫۵ درصدی دارند و رایج ترین درجه تولید اکسیژن هستند. از آنها در ساخت فولاد و در ساخت مواد شیمیایی مصنوعی استفاده می شود.

عملکرد واحدهای جداسازی هوای تقطیر برودتی توسط ابزارهای اتوماتیک کنترل می شود و اغلب از کنترل های رایانه ای استفاده می شود. در نتیجه کیفیت خروجی آنها بالا می باشد. نمونه گیری و تجزیه و تحلیل دوره ای محصول نهایی تضمین می کند که استانداردهای خلوص رعایت شده اند.

تولید اکسیژن از غبار ماه
تولید اکسیژن از غبار ماه

آینده پیش رو

در ژانویه ۱۹۹۸  ایالات متحده ماهواره Lunar Prospector را به مدار اطراف ماه پرتاب کرد. این ماهواره علاوه بر مسئولیت های متعددش، سطح ماه را برای یافتن نشانه های آب اسکن می کند. دانشمندان امیدوارند که در صورت یافتن مقدار کافی آب، می توانند با استفاده از انرژی خورشیدی از آن برای تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن از طریق الکترولیز برای تولید برق استفاده کنند. از هیدروژن می توان به عنوان سوخت استفاده کرد و از اکسیژن می توان برای تأمین زندگی کلونی های ماه استفاده کرد. طرح دیگر شامل استخراج اکسیژن از ترکیبات شیمیایی در خاک ماه با استفاده از کوره خورشیدی برای تأمین گرما می باشد که در حال تحقیق و بررسی می باشد.

منابع: madehow.com

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *