جداسازی و خالص‌سازی نیتروژن | از هوا تا فرآیندهای بحرانی

از جداسازی نیتروژن از هوا تا خالص‌سازی در فرآیندهای بحرانی، سپهر گاز کاویان تضمین‌کننده نیتروژن با خلوص مهندسی‌شده برای کنترل دقیق‌ترین شرایط صنعتی است. شما میتوانید جهت دریافت مشاوره با کارشناسان ما از طریق شماره های 02146837072 – 09120253891 تماس حاصل فرمایید

نیتروژن، عنصری با نماد $\text{N}$N و عدد اتمی 7، فراوان‌ترین گاز در جو زمین است که تقریباً 78 درصد از حجم هوای خشک را تشکیل می‌دهد. با وجود فراوانی خیره‌کننده آن، استخراج و خالص‌سازی نیتروژن در سطوح خلوص مورد نیاز برای صنایع حساس، یک چالش مهندسی مهم و یک فرآیند حیاتی در بسیاری از حوزه‌های صنعتی، پزشکی و پژوهشی محسوب می‌شود. این مقاله به تشریح جامع روش‌های جداسازی، فرآیندهای خالص‌سازی و کاربردهای بحرانی نیتروژن می‌پردازد.

بخش اول: منابع و ضرورت جداسازی

جو زمین منبع اصلی و در دسترس‌ترین منبع نیتروژن است. هوا مخلوطی از گازهاست که حدود 78 درصد آن نیتروژن، 21 درصد اکسیژن، و مقادیر کمی آرگون، دی‌اکسید کربن و گازهای نجیب دیگر است. برای اکثر کاربردهای صنعتی، درصد خلوص مورد نیاز نیتروژن بسیار بالاتر از سطح موجود در هوا است؛ از 95 درصد برای کاربردهای عمومی تا 99.999 درصد برای کاربردهای نیمه‌هادی‌ها و الکترونیک. این نیاز به خلوص بالا، ضرورت فرآیندهای جداسازی پیشرفته را توجیه می‌کند.

ضرورت خالص‌سازی نیتروژن ناشی از تأثیرات مخرب اکسیژن و رطوبت در فرآیندهای حساس است:

1. اکسیداسیون: حضور اکسیژن می‌تواند منجر به واکنش‌های اکسیداسیون ناخواسته شود که کیفیت محصول نهایی (مانند مواد شیمیایی، مواد غذایی بسته‌بندی شده، یا قطعات الکترونیکی) را به شدت کاهش می‌دهد.
2. آتش و انفجار: در محیط‌های دارای مواد قابل اشتعال، اکسیژن عامل اصلی احتراق است. نیتروژن با جایگزینی اکسیژن (Inerting)، محیطی امن ایجاد می‌کند.
3. تداخل فرآیندی: در علم مواد و صنایع دارویی، حتی مقادیر ناچیز ناخالصی‌ها می‌توانند خواص فیزیکی و شیمیایی نهایی محصول را تغییر دهند.

بخش دوم: روش‌های اصلی جداسازی نیتروژن از هوا

تکنولوژی‌های جداسازی نیتروژن از هوا بر پایه تفاوت‌های فیزیکی بین مولکول‌های نیتروژن (N2​) و اکسیژن (O2​) یا سایر اجزای هوا استوارند. سه روش اصلی در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند: تقطیر برودتی، جذب نوسان‌دار جذبی (PSA/VPSA) و غشاهای جداسازی.

1. تقطیر برودتی (Cryogenic Distillation)

این قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش برای تولید نیتروژن با خلوص بسیار بالا (تا 99.999 درصد و بالاتر) و در مقیاس‌های بسیار بزرگ است.

فرآیند:

هوا ابتدا فشرده می‌شود، سپس ناخالصی‌های سنگین مانند بخار آب و دی‌اکسید کربن حذف می‌شوند. هوای تصفیه‌شده به شدت سرد شده و تا دمای بسیار پایین (حدود $-196^\circ\text{C}$−196∘C) مایع می‌شود. در این دما، اجزای اصلی هوا دارای نقاط جوش متفاوتی هستند:

• نیتروژن: $-196^\circ\text{C}$−196∘C
• آرگون: $-186^\circ\text{C}$−186∘C
• اکسیژن: $-183^\circ\text{C}$−183∘C

با تغذیه هوای مایع به برج تقطیر، گازهایی که نقطه جوش پایین‌تری دارند (نیتروژن) زودتر تبخیر شده و به سمت بالای برج صعود می‌کنند، در حالی که گازهایی با نقطه جوش بالاتر (اکسیژن) در پایین برج باقی می‌مانند. این روش برای تولید همزمان اکسیژن و آرگون با خلوص بالا نیز ایده‌آل است.

مزایا: خلوص بسیار بالا، تولید در مقیاس بزرگ.

معایب: سرمایه‌گذاری اولیه بسیار بالا، مصرف انرژی زیاد، نیاز به عملیات پیچیده و زمان راه‌اندازی طولانی.

2. جذب نوسان‌دار جذبی (Pressure Swing Adsorption – PSA)

روش PSA برای تولید نیتروژن در مقیاس‌های کوچک تا متوسط و با خلوص متوسط تا بالا (تا 99.99 درصد) محبوبیت زیادی دارد، به ویژه زمانی که امکان احداث یک کارخانه بزرگ تقطیر برودتی وجود نداشته باشد.

فرآیند:

این روش بر اساس جذب انتخابی اکسیژن، بخار آب و دی‌اکسید کربن بر روی یک جاذب جامد (معمولاً الک‌های مولکولی کربنی یا CMS) در فشار بالا استوار است.

1. جذب (Adsorption): هوای فشرده وارد یک مخزن (Vessel) حاوی CMS می‌شود. مولکول‌های اکسیژن و سایر ناخالصی‌ها به دلیل برهمکنش قوی‌تر با سطح جاذب، به دام می‌افتند، در حالی که مولکول‌های نیتروژن به دلیل اندازه کوچک‌تر و برهمکنش ضعیف‌تر، از بستر جاذب عبور کرده و به عنوان محصول خالص جمع‌آوری می‌شوند.
2. احیا (Regeneration): هنگامی که جاذب اشباع شد، فشار مخزن به فشار اتمسفر (یا کمی پایین‌تر) کاهش داده می‌شود. این افت فشار باعث آزاد شدن اکسیژن و ناخالصی‌های جذب‌شده از بستر جاذب شده و جاذب برای چرخه بعدی آماده می‌شود.
3. نوسان (Swing): این فرآیند در دو یا چند مخزن به طور متناوب انجام می‌شود تا جریان پیوسته‌ای از نیتروژن حاصل گردد.

مزایا: هزینه‌های سرمایه‌گذاری پایین‌تر نسبت به برودتی، عملیات ساده‌تر، انعطاف‌پذیری در تغییر ظرفیت، قابلیت استقرار در محل (On-site).

معایب: خلوص بالاتر از 99.99 درصد دشوار است، طول عمر جاذب‌ها وابسته به کیفیت پیش‌تصفیه هوا است.

3. سیستم‌های مبتنی بر غشا (Membrane Separation)

این روش ساده‌ترین و سریع‌ترین تکنولوژی برای تولید نیتروژن با خلوص پایین تا متوسط (معمولاً 95 تا 99.5 درصد) است.

فرآیند:

در این روش از الیاف توخالی (Hollow Fibers) با دیواره‌های نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. هوا با فشار بالا وارد این الیاف می‌شود. مولکول‌های کوچک‌تر (مانند اکسیژن و بخار آب) سریع‌تر از دیواره غشا نفوذ کرده و به بیرون (یا به عنوان شارمت – Permeate) هدایت می‌شوند، در حالی که مولکول‌های بزرگ‌تر (نیتروژن) با سرعت کمتری حرکت کرده و به عنوان محصول اصلی (Retentate) جمع‌آوری می‌شوند.

مزایا: سادگی طراحی، عدم وجود قطعات متحرک اصلی، نگهداری بسیار کم، مناسب برای تولید نیتروژن با خلوص کمتر از 99.5 درصد در محل.

معایب: خلوص نهایی محدود است، خلوص مستقیماً تحت تأثیر فشار ورودی قرار دارد.

بخش سوم: خالص‌سازی پس از جداسازی اولیه

در بسیاری از کاربردهای حیاتی، خلوص تولید شده توسط روش‌های اصلی (به ویژه PSA و غشا) کافی نیست و فرآیندهای خالص‌سازی تکمیلی مورد نیاز است.

1. حذف اکسیژن (Deoxo)

برای رسیدن به خلوص‌های بالاتر از 99.99 درصد، اغلب نیاز به حذف باقی‌مانده اکسیژن (که ممکن است در حد چند صد یا چند ده قسمت در میلیون باشد) است. این کار معمولاً با استفاده از کاتالیزورهای حذف اکسیژن انجام می‌شود.

فرآیند کاتالیزوری: نیتروژن حاوی اکسیژن با مقدار کمی هیدروژن (H2​) ترکیب شده و از روی یک کاتالیزور (معمولاً پالادیوم یا پلاتین) عبور داده می‌شود. واکنش اصلی به صورت زیر است:

$$\text{O}_2 + 2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Catalyst}} 2\text{H}_2\text{O}$$O2​+2H2​Catalyst​2H2​O

در این واکنش، اکسیژن با هیدروژن ترکیب شده و آب تولید می‌کند که به راحتی با استفاده از یک تله رطوبتی کوچک حذف می‌شود. این فرآیند خلوص اکسیژن را به سطوح بسیار پایین (زیر 1 ppm) می‌رساند.

2. حذف رطوبت و دی‌اکسید کربن

حتی در روش‌های PSA، ممکن است نیاز به حذف دقیق رطوبت و CO2​ باشد تا از یخ‌زدگی در سیستم‌های برودتی و یا تخریب جاذب‌ها جلوگیری شود. این مرحله معمولاً با استفاده از برج‌های جذبی (Adsorbers) حاوی زئولیت‌ها یا آلومینا فعال پیش از جداسازی اصلی انجام می‌گیرد.

3. خالص‌سازی نهایی با تقطیر برودتی ثانویه

برای کاربردهای بسیار حساس مانند صنعت نیمه‌هادی، نیتروژن تولید شده از طریق PSA ممکن است به یک ستون تقطیر برودتی کوچک فرستاده شود تا مقادیر ناچیز آرگون و اکسیژن باقی‌مانده به طور کامل حذف شوند و به خلوص مورد نیاز دست یابند.

بخش چهارم: کاربردهای بحرانی نیتروژن خالص

نیتروژن خالص نقش یک گاز خنثی و محافظ را در طیف گسترده‌ای از صنایع ایفا می‌کند.

1. صنایع شیمیایی و پتروشیمی

در این بخش، نیتروژن به عنوان یک گاز عامل خنثی‌کننده (Inerting Agent) عمل می‌کند. در مخازن ذخیره مواد قابل اشتعال، واحدهای فرآیندی و لوله‌کشی‌ها، تزریق نیتروژن فشار مثبتی ایجاد می‌کند که از نفوذ اکسیژن و تشکیل مخلوط‌های انفجاری جلوگیری می‌نماید. همچنین در انتقال مواد (تراکنش پنوماتیک) و خشک‌سازی تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

2. صنایع الکترونیک و نیمه‌هادی‌ها

صنعت ریزتراشه‌ها به بالاترین سطح خلوص نیتروژن نیاز دارد (معمولاً 99.9999 درصد یا شش نُه). در فرآیندهایی مانند رسوب‌دهی شیمیایی فاز بخار (CVD) و فرآیندهای لایه‌نشانی، نیتروژن به عنوان گاز حامل (Carrier Gas) یا محیط خنثی برای جلوگیری از اکسیداسیون ویفرهای سیلیکونی حساس استفاده می‌شود. هرگونه آلودگی به اکسیژن یا آب می‌تواند مستقیماً نقص‌های مداری را ایجاد کند.

3. صنایع غذایی و نوشیدنی

در بسته‌بندی مواد غذایی (Modified Atmosphere Packaging – MAP)، نیتروژن جایگزین اکسیژن موجود در فضای بالای محصول می‌شود. این کار مانع از رشد باکتری‌های هوازی شده، از تغییر رنگ مواد غذایی جلوگیری کرده و ماندگاری (Shelf Life) محصولاتی مانند چیپس، قهوه و لبنیات را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.

4. صنعت پزشکی و دارویی

نیتروژن پزشکی باید بالاترین استانداردهای خلوص (معمولاً 99.5 درصد به بالا، با کنترل دقیق بر ناخالصی‌های دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن) را داشته باشد. کاربردهای آن شامل موارد زیر است:

• فریز کردن: برای نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی و سلولی در دمای بسیار پایین (نیتروژن مایع).
• تهویه ریوی (تنفس): در غلظت‌های کنترل شده برای کمک به تنفس در برخی موارد پزشکی.
• داروسازی: به عنوان گاز خنثی برای جلوگیری از اکسیداسیون ترکیبات فعال دارویی در طول تولید و بسته‌بندی.

5. جوشکاری و متالورژی

در فرآیندهای

و برش فلزات، نیتروژن به عنوان گاز محافظ (Shielding Gas) برای جلوگیری از واکنش‌های ناخواسته با اتمسفر، مانند تشکیل اکسیدهای فلزی بر روی سطح جوش و کاهش استحکام اتصال، به کار می‌رود.

بخش پنجم: روندهای آینده و چالش‌ها

آینده تولید نیتروژن با تمرکز بر بهره‌وری انرژی و تولید در محل (On-site Generation) شکل می‌گیرد.

چالش‌ها:

یکی از بزرگترین چالش‌ها، افزایش تقاضا برای نیتروژن با خلوص فوق‌العاده بالا (Ultra-High Purity) در فناوری‌های نوظهور مانند باتری‌های لیتیوم-یون و تولید هیدروژن است. در این سناریوها، روش‌های جداسازی مبتنی بر غشا و PSA به تنهایی پاسخگو نیستند و نیاز به توسعه جاذب‌های جدید با انتخاب‌پذیری بالاتر یا بهبود کارایی انرژی در واحدهای برودتی دارند.

پایداری: با توجه به اینکه مصرف انرژی در فرآیندهای برودتی بسیار بالاست، تحقیق و توسعه بر روی بهینه‌سازی سیکل‌های تبرید و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای کاهش ردپای کربن تولید نیتروژن متمرکز شده است.

در نهایت، انتخاب روش جداسازی نیتروژن یک تصمیم مهندسی پیچیده است که باید بر اساس سه عامل اصلی تعیین شود: خلوص مورد نیاز، حجم مصرف روزانه، و بودجه سرمایه‌گذاری و عملیاتی. هر سه تکنولوژی اصلی، با وجود تفاوت‌های بنیادین در اصول عملکردی، نقشی بی‌بدیل در تأمین نیازهای جهانی به این گاز حیاتی ایفا می‌کنند.