آیا میدانستید بزرگترین بخش هوایی که تنفس می کنیم را نیتروژن تشکیل داده است؟ همهی ما به اکسیژن برای بقا نیاز داریم، لیک هوا از ۷۸ درصد نیتروژن و ۲۱ درصد اکسیژن به علاوهی مقادیر ناچیزی از گازهای دیگر تشکیل شده است. و هرچند نیتروژن به کار ما انسانها نمیآید، در کاربردهای متعدد صنعتی حضور قابل توجهی دارد.
نیتروژن چیست؟
نیتروژن از گازهای بی اثر است. بو و رنگ ندارد و به بقای حیات کمکی نمیکند، اما برای رشد گیاهان حائز اهمیت بوده و از افزودنیهای کلیدی کودهاست. مصارف نیتروژن بسیار فراتر از باغبانی است. نیتروژن معمولا به دو شکل گاز یا مایع دیده می شود (البته امکان دستیابی به نیتروژن جامد نیز وجود دارد). نیتروژن مایع امکان فریز فوری مواد غذایی، مواد کاربردی در حوزهی دارویی و نیز تولید مثل را دارد، این موارد استفادهی از آن به عنوان مبرّد را نمایان می سازد.
در اینجا با هدف تمرکز بر سیستمهای هوای فشرده ما بر بحث بر روی گاز نیتروژن تمرکز خواهیم کرد.
مهمترین ویژگی نیتروژن که کاربرد آن را زیاد کرده است، واکنشناپذیری آن با سایر گازهاست، این ویژگی کاملا در تضاد با واکنشپذیری بالای اکسیژن قرار دارد. به موجب ساختار شیمیایی، اتمهای نیتروژن انرژی بسیار زیادی برای شکستن و واکنش با سایر مواد نیاز دارند. این در حالیست که مولکولهای اکسیژن راحتتر شکسته شده و واکنش می دهند. نیتروژن امکان ایجاد فضای غیرواکنشی را فراهم می آورد.
واکنشناپذیری نیتروژن بزرگترین ویژگی آن بوده و به این دلیل است که برای جلوگیری از اکسیداسیون سریع و کند مورد استفاده قرار میگیرد. در صنایع الکترونیک و هنگام تولید بوردهای مدار و سایر قطعات کوچک امکان وقوع اکسیداسیون کند به شکل خوردگی وجود دارد و نیتروژن توانایی جلوگیری از این اتفاق را دارد. اکسیداسیون کند یا آهسته در صنایع نوشیدنی و غذایی نیز رخ میدهد که از همین روی از نیتروژن برای جایگزینی هوا در بستهبندیها استفاده می شود تا محصول نهایی بهتر نگهداری شود. آتش و انفجار از نمونههای اکسیداسیون سریع هستند. پاکسازی اکسیژن از درون یک دستگاه با کمک نیتروژن امکان اشتعال را میکاهد.
برای دستیابی به گاز نیتروژن سه راه وجود دارد: یکی تجهیز واحد به تانک نیتروژن و دریافت دورهای (تزریق به مخزن و نگهداری برای مصارف) است. دیگری دریافت نیتروژن در سیلندرهای تحت فشار است و در نهایت گزینهی سوم تولید نیتروژن خود، در محل، با کمک کمپرسور هواست.
خرید و نگهداری نیتروژن معمولا نامناسب، هزینهبر و غیربهرهور می باشد. از این رو بسیاری از مصرفکنندگان گاز نیتروژن به راه سوم روی آورده اند.
دو نوع ژنراتور یا تولیدکنندهی نیتروژن داریم: ژنراتورهای غشایی نیتروژن و PSA یا جذب نوسان فشار (Pressure Swing Adsorption). گاز نیتروژن در صنایع مختلفی کاربرد دارند که برش لیزری، بستهبندی مواد غذایی، تولید قهوه، صنایع شیمیایی، صنایع الکترونیکی، تولید نوشیدنیها، صنایع نفت و گاز، آزمایشگاهها، جلوگیری از آتشسوزی و آتشنشانی، صنایع دارویی، صنایع دریایی و مصارف عمومی از آن جمله اند.
در جذب سطحی با نوسان فشار که به اختصار PSA نیز نامیده میشود از فیلترهایی با گرانولهای کربن مولکوار سیو یا CMS استفاده میشود. کربن مولکولار سیو جاذبی نفتی کربنی است که با فرآوری کربن فعال تولید میشود و حفرههایی به قطر ۴ آنگستروم دارد. کربن مولکولار سیو دقت بالایی در جذب و تفکیک ذرات دارد.
هوای فشردهی تولیدی کمپرسور هوا با فشار حدود ۱۰ بار به درون فیلترهای گفته شده دمیده میشود مولکولهای اکسیژن به دام افتاده و مولکولهای نیتروژن عبور داده میشود. این دستگاه دارای دو برج پر شده از کربن مولکولار سیو است که به شکل متناوب کار میکند. این فرآیند شباهتی به بسیاری از دیگر عملیات جداسازی بر روی هوا دارد و خشککنهای هوای فشرده نیز مشابه عمل میکنند؛ بدین شکل که یکی از برجها در حال جذب اکسیژن است و دیگری در حال بازسازی و ریکاوری ذرات جاذب که طی آن اکسیژن جذب شده را تخلیه میکند. این فرآیند به صورت چرخشی و مداوم پی گرفته میشود تا نیتروژنی با خلوص بالا تولید شود. گاز نیتروژن در گسترهای بین ۹۵ تا ۹۹/۹۹ درصد خالص سای میشود.
فناوری دیگری که برای جداسازی گازهای دیگر از نیتروژن استفاده میشود فناوری غشایی است. در این نوع ژنراتورها هوای فشرده از میان ماژولهایی از الیاف توخالی عبور داده میشود و گازها بر اساس سرعت نفوذ متفاوت خود جداگانه جذب میشوند. اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن سریعتر عبور میکنند و نیتروژن کُندتر در طرف دیگر گیر میافتد. برخی از صنایع نیاز به خلوص بالای نیتروژن ندارند و خلوص متوسط در حجم بالا برای آنها کفایت میکند که از جملهی آن صنعت نفت و گاز است؛ برای این صنایع ژنراتورهای غشایی مناسبتر است. هوای فشردهی گفته شده با بکارگیری کمپرسورهای اسکرو و در فشار حدود ۱۰ بار در اختیار ژنراتور قرار میگیرد. ظرفیت هوادهی کمپرسور به مصرف ژنراتور نیتروژن بستگی دارد و ۲۰ درصد بیش از مصرف ژنراتور کافیست. در این صورت اگر مصرف ژنراتور نیتروژن ۵ متر مکعب بر دقیقه باشد، هوای فشردهی تزریقی به آن ۶ متر مکعب بر دقیقه هوای ۱۰ بار خواهد بود. کیفیت هوای فشرده مصرفی برای بسیاری از کاربردها اهمیتی ندارد و میتوان از کمپرسورهای اویل اینجکت یا روغنی با فیلتراسیون کافی بهره برد. اما در مصارف دارویی و غذایی هم کمپرسور دمندهی هوای فشرده باید کمپرسوری اویل فری و بدون روغن یا اصطلاحا کلاس صفر باشد و هم تکنولوژی ژنراتور نیتروژن از نوع PSA یا جذب سطحی با نوسان فشار انتخاب شود.
