هوای مایع چیست؟ – به زبان ساده
- می‌آموزید که هوای مایع چگونه تهیه و ذخیره می‌شود.
- ساختار شیمیایی هوای مایع و عوامل مؤثر بر ترکیب آن را یاد می‌گیرید.
- روش‌های جداسازی اجزای هوای مایع با تقطیر Fractional را خواهید آموخت.
- با کاربردهای کلیدی هوای مایع و اجزای آن در صنعت و فناوری آشنا می‌شوید.
- تأثیر شرایط فیزیکی بر ویژگی‌ها و نگهداری ایمن هوای مایع را فرا می‌گیرید.
- مراحل عملی تولید، سردسازی و فشرده‌سازی هوای مایع را یاد خواهید گرفت.
هوای مایع چیست؟
با سرد کردن و تحت فشار قرار دادن حدود ۷۰۰ لیتر از هوا به فرم گازی، حدود ۱ لیتر هوای مایع به دست می‌اید. اگر مخلوط هوای مایع دوباره حرارت داده شود، به سرعت آن را جذب کرده و حجم آن ۷۰۰ برابر بیشتر می‌شود. این افزایش حجم می‌تواند برای حرکت دادن پیستون‌های بزرگ یا توربین‌ها استفاده شود.
تولید صنعتی هوای مایع از طریق فشرده کردن و خالص‌سازی هوا برای حذف ناخالصی‌های محلول در آن و عبور آن از بستر کلسیم اکسید انجام می‌گیرد. عبور از بستر کلسیم اکسید برای حذف کربن دی اکسید هوا است. فشاری که باید به هوا وارد شود تا به فرم مایع تبدیل شود، ۲۰۰ اتمسفر است. سرد کردن هوا به وسیله عبور آن از لوله‌هایی که در آب سرد تعبیه شده‌اند، انجام می‌گیرد. این مخلوط را برای حذف آب، با سدیم هیدروکسید واکنش می‌دهند.
یادگیری شیمی دهم با فرادرس
همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه هوا و هوای مایع دسترسی داشته باشید.
- فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی
- فیلم آموزش تجهیزات فرآیندی ۷، برج تقطیر و جداکننده ها
- فیلم آموزش شیمی عمومی جامع و با مفاهیم کلیدی
اجزای تشکیل دهنده هوای مایع
ویژگی های هوای مایع
تولید هوای مایع
هوای مایع همچنین با استفاده از روش فرآیند کلاوس نیز می‌تواند تولید شود. در این روش سرد کردن با استفاده از اثر ژول تامسون، انبساط هم‌آنتالپی و سرد کردن با یکدیگر ترکیب می‌شوند. فرآیند تولید هوای مایع از فرآیند تولید نیتروژن مایع بسیار به صرفه‌تر است زیرا نیازی به جداسازی اجزا ندارد و ردر نتیجه فرآیند تولید نیاز به تجهیزات کمتر و انرژی کمتری دارد.
هوا چیست؟
بخار آب در ترکیبات هوای خشک استاندارد شمرده نمی‌شود زیرا غلظت و مقدار بخار آب موجود در هوا بسته به رطوبت و دمای مناطق مختلف متفاوت است.
اجزای تشکیل دهنده هوا
درصد وجود اجزای تشکیل‌دهنده ذکر شده در پاراگراف قبل، تنها در مورد هوای خالص دقیق است و در باقی موارد مقادیری نزدیک به درصد‌های اعلام شده وجود دارد. ترکیب اجزای تشکیل‌دهنده هوا در تمامی نقاط زمین یکسان نیست. برای مثال در مناطقی که آلودگی هوا زیاد است، درصد کربن دی اکسید هوا بیشتر می‌شود. شکل زیر درصد اجزای تشکیل‌دهنده هوا را نشان می‌دهد.
در ادامه به توضیح مختصری درباره هریک از این اجزا می‌پردازیم.
بخار آب
گاز اکسیژن
گاز نیتروژن
گاز کربن دی اکسید
گاز آرگون
مراحل تولید هوای مایع
تولید هوای مایع از ۴ مرحله کلی فشرده کردن، سرد کردن، انبساط و جداسازی تشکیل شده است. در ادامه هریک از این موارد توضیح داده می‌وشد.
فشرده کردن
هوا به صورت گازی تحت فشار بالایی قرار می‌گیرد.
سرد کردن
هوای فشرده شده و گرم، به وسیله یک مبدل حرارتی سرد می‌شود.
انبساط
هوای مایع شده منبسط می‌شود. این انبساط به از دست دادن دمای بیشتر و کاهش فشار اضافی آن کمک می‌کند.
جداسازی
هوای مایع تولید شده از سایر گازهای موجود جدا شده و در ظروف فشار پایین نگهداری می‌شود. مراحل دقیق‌تر تولید هوای مایع در ادامه نام برده شده است.
- سرد کردن هوا تا ۲۰۰- درجه سانتی‌گراد
- جداسازی کربن دی اکسید جامد شده
- سرد کردن بیشتر هوا
- فشرده شدن ذرات هوا
- انبساط هوا
- تشکیل اولین قطرات هوای مایع
فرآیند مایع سازی
مایع‌سازی به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن فرم گاز یا جامد یک ماده به فرم مایع آن تبدیل می‌شود. از آنجا که انرژی ذرات ماده در حالت‌های مختلف متفاوت است برای فرآیند مایع ساری انرژی گرمایی باید به ماده داده شود یا از آن گرفته شود. تبدیل جامد به مایع یا مایع به گاز نیازمند افزودن انرژی حرارتی به سیستم آن‌ها است. همچنین، تبدیل فرم گاز به مایع یا مایع به جامد نیاز مند سرد کردن سیستم یا گرفتن انرژی حرارتی از سیستم ماده است. در بیشتر فرآیندهای مایع‌سازی گاز‌ها معمولا سرد کردن تا دماهای بسیار پایین نیازی نیست زیرا با تحت فشار قرار دادن مولکول‌های گاز در یک حجم مشخص، دمای آن‌ها پایین می‌آید.
جداسازی اجزای هوای مایع
جداسازی اجزای هوای مایع به فرآیندی گفته می‌شود که هوای اتمسفری را به اجزای سازنده اش تقسیم می‌کند. این اجزا عموما نیتروژن و اکسیژن هستند و باقی گازهای موجود در هوا معمولا در هوای مایع یافت نمی‌شوند. فرآیند جداسازی اجزا به روش تقطیر جزءبه‌جزء هوای مایع انجام می‌شود. روش‌های دیگری نیز برای جداسازی اجزای مایع استفاده می‌شود اما روش‌های دیگر معمولا برای جداسازی تنها یک جزء از این ترکیب استفاده می‌شوند. گاز هلیوم نیز می‌تواند با روش تقطیر طی شرایط خاص از هوای مایع جدا شود.
فرآیند جداسازی اجزای مایع
گازهای خالص می‌توانند طی فرآیندی از هوا جدا شوند. این فرآیند ابتدا با تبدیل هوای گاز به هوای مایع و سپس جداسازی اجزا با استفاده از نقطه جوش آن‌ها با روش تقطیر جزءبه‌جزء انجام می‌شود. این فرآیند می‌تواند گازهای تشکیل‌دهنده هوا را با خلوص بالایی به دست آورد اما این فرآیند بسیار انرژی‌بر است. فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن به کار می‌رود. کربن دی اکسید و بخار آب قبل از مایع شدن هوا از آن جدا می‌شوند. کربن دی اکسید در دمای ۷۹- درجه سانتی‌گراد یخ می‌زند و به فرم جامد در آمده و از مخلوط جدا می‌شود.
این فرآیند با استفاده از تفاوت نقطه جوش نیتروژن و اکسیژن انجام می‌شود. نقطه جوش اکسیژن ۱۸۳- درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش نیتروژن ۱۹۵٫۸- درجه سانتی‌گراد است. با استفاده از برج‌های تقطیر، ماده‌ای که نقطه جوش کمتری دارد یعنی اکسیژن ابتدا به جوش آمده و بخار شده و جداسازی می‌شود. جداسازی اکسیژن می‌تواند با استفاده از سرد کننده انجام شود و آن را به فرم مایع تبدیل کند. سپس مایع باقی مانده نیتروژن مایع خواهد بود.
همچنین با ادامه دادن فرآیند تقطیر نیز می‌توان مقادیر ناچیزی از اتم‌های نایاب مانند نئون، آرگون و هلیوم را جداسازی کرد. در فرآیند جداسازی اجزای مایع ممکن است از فیلتر‌هایی مناسب برای جداسازی گازهای ناخواسته یا الودگی‌های احتمالی استفاده کرد.
تصویر فرایند جداسازی اجزای هوای مایع با استفاده از ستون تقطیر در ادامه نمایش داده شده است.
تقطیر جزءبه‌جزء
در فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء، ابتدا ماده‌ای که کمتیرن نقطه جوش را دارد تبخیر شده و از محلول جدا می‌شود. با تکرار این فرآیند اجزای محلول از یکدیگر جدا می‌شوند. اگر فرآیند تقطیر چندین مرحله تکرار شود، محصولات نهایی جدا شده از خلوص بالاتری برخوردارند.
پس از تنظیم این سیستم، مخلوط مایع به بالن تقطیر اضافه می‌شود. سپس حرارت وارد شده به بالن باعث بالا رفتن دمای محلول و به جوش آمدن ماده‌ی فرارتر می‌شود. این ماده به بخار تبدیل شده و به سمت مبرد حرکت می‌کند. مبرد لوله ای شیشه‌ای است که از یک سمت آن آب سرد وارد شده و از سمت دیگر آب گرم خارج می‌شود. بخار تولید شده پس از ورود به لوله مبرد سرد شده و به مایع تبدیل می‌شود. این مایع به بیرون هدایت شده و جمع آوری می‌شود. با ادامه فرآیند تقطیر، سایر مایعات نیز از محلول جدا می‌شوند.
تقطیر صنعتی
تقطر جزءبه‌جزء یکی از پرکاربر‌دترین و پر استفاده‌ترین روش‌های جداسازی در مقیاس صنعتی است. در این روش اصول تقطیر جزءبه‌جزء همان جداسازی بر حسب نقطه جوش مواد است. در مقیاس صنعتی، ستون‌های عمودی بزرگ تقطیر «برج تقطیر» استفاده شده و این ستون ها از شیوه رفلاکس استفاده می‌کنند تا از جداسازی کامل اطمینان حاصل شود.
تصویر زیر فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء صنعتی هوای مایع را نشان می‌دهد.
در این روش محلول مورد نظر به ستون تقطیر وارد شده و با بخار آب فشار بالا حرارت داده می‌شود. محلول می‌جوشد و بخار آن تشکیل می‌شود. بخار ایجاد شده از برج تقطیر که از بشقابک‌های متعددی تشکیل شده بالا می‌رود و دما معمولا در بالای برج پایین نگه داشته می‌شود. در این مرحله، موادی که بالاترین نقطه جوش را دارند در پایین برج تقطیر سرد شده و موادی که نقطه جوش پایین‌تری دارند در بالای برج سرد می‌شوند. در نهایت بخار‌های سرد شده از کناره های برج خارج شده و جداسازی می‌شوند.
نگهداری هوای مایع
هوای مایع باید در محفظه طراحی شده به خصوصی به نام «بطری دِوار» قرار بگیرد. ظرف دوار محفظه‌ای است که از دو ظرف درون هم قرار گرفته تشکیل شده است و فضای بین آن‌ها را خلأ پر کرده است. طراحی این ظرف به گونه‌ای است که مانع از جذب یا دفع انرژی حرارتی شود. این شیوه نگهداری به این دلیل است که هوای مایع در دمای اتاق به سرعت انرژی حرارتی را جذب کرده و به حالت گازی خود باز می‌گردد.
یادگیری دروس مهندسی شیمی با فرادرس
همانطور که قبلا اشاره کردیم، تقطیر جزءبه‌جزء مهم‌ترین روش جداسازی اجزای هوای مایع است. تقطیر و فرآیندهای مربوط به آن یکی از مهم‌ترین مباحث مربوط به شیمی و مهندسی شیمی است که در پایه‌های بالاتر دانشگاهی به آن پرداخته می‌شود. برای یادگیری اصول تقطیر باید با فرآیندهایی مانند تقطیر ناگهانی، تقطیر ساده و تقطیر مداوم اشنا شوید. در مراحل پیشرفته‌تر این مباحث در آموزش طراحی برج‌های تقطیر استفاده می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مباحث به مجموعه فیلم آموزش مهندسی شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.
همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن ها در ادامه اورده شده است، می توانید به آموزش های بیشتری در زمینه تقطیر دسترسی داشته باشید.
کاربرد هوای مایع
با استفاده از ویژگی افزایش حجم هوای مایع می‌توان پیستون‌های بزرگ یا توربین‌ها را به حرکت درآورد. از مهم‌ترین کاربردهای هوای مایع می‌توان به ذخیره انرژی الکتریسیته، حمل و نقل و بازیافت انرژی حرارتی اشاره کرد.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای هوای مایع استفاده از آن به عنوان سوخت ماشین‌ها است. ویژگی تولید انرژی از هوای مایع در سال ۲۰۱۲ اثبات شد و از آن زمان استفاده‌های مفیدی از این کاربرد هوای مایع می‌شود.
از نیتروژن مایع یا هوای مایع می‌توان در بسیار از تکنولوژی‌های جدید مانند موارد زیر استفاده کرد.
- ذخیره انرژی هوای مایع (LAES) سیستمی است که در آن یک واحد صنعتی، هوای مایع را با استفاده از الکتریسیته ارزان و در دسترس تولید می‌کند. این سیستم هوای مایع را برای چندین ساعت یا روز نگهداری کرده و سپس آن را منبسط می‌کند و به سمت توربین هدایت می‌کند تا انرژی دوباره به سیستم باز گردد.
- موتور دیرمن که یک پیستون جدید است که هوای مایع یا نیتروژن را به عنوان سوخت اصلی موتور یا به عنوان بازیابی کننده‌ی حرارت از دست رفته استفاده می‌کند.
- موتور چرخه‌ی انشعابی ریکاردو که یک موتور دیزلی جدید است که از مخلوط کردن نیتروژن مایع برای افزایش کارایی خود با استفاده از به دام انداختن انرژی حرارتی واکنش خود استفاده می‌کند.
کاربرد اجزای هوای مایع
هیدروژن و نیتروژن مایع جداسازی شده از هوای مایع کاربردهای مهم و متعددی دارند. در ادامه به برخی از این کاربردها اشاره می‌کنیم.
کاربرد اکسیژن مایع
اکسیژن مایع در فرآیندهای صنعتی مانند برش فلزات، سوخت موشک، جوشکاری و ... کاربرد دارد. همچنین اکسیژن مایع در مصارف پزشکی مانند کپسول‌های اکسیژن مورد نیاز بیمارستان ها یا مناطقی که غلظت اکسیژن در آن‌ها کم است نیز استفاده می‌شود.
کاربرد نیتروژن مایع
نیتروژن مایع نیز مصارف صنعتی بسیار مهمی دارد. از جمله این مصارف می‌توان به سیستم‌های سرد کننده، ترمومتر‌های فشار بالا، مواد خوراکی کنسروی، لامپ‌های حرارتی و ... اشاره کرد.
تاریخچه هوای مایع
ایده‌ی استفاده از هوای مایع به عنوان حامل انرژی ایده‌ی جدیدی نیست. دانشمندان اولین بار هوا را در سال ۱۸۸۳ میلادی به شکل مایع تبدیل کردند و در عرض ۲۰ سال اولین ماشینی که با استفاده از نیروی تولید شده توسط هوای مایع حرکت می‌کرد اختراع شد. با اینکه نمونه‌های اولیه متنوعی طی سالیان زیادی پس از اختراع این روش تولید شد، تمامی موتور‌های هوای مایع بسیار کم بازده و ناکارآمد بودند. اولین نمونه‌ی موتور بدون نشر و حامل انرژی توسط یک مخترع بریتانیایی در دهه اول قرن ۲۱ ارائه شد.
جمع‌بندی
در این مطلب از مجله فرادرس، هوای مایع را بررسی کردیم. هوای مایع هوایی است که در اثر تحت فشار بودن و سرد کردن هوا به صورت گاز به دست می‌آید. در این فرآیند، موادی مانند کربن دی اکسید و آب از ترکیب اجزای هوا خارج می‌شوند. هوای مایع بیشتر ترکیبی از نیتروژن، اکسیژن و آرگون است. این اجزا طی فراید تقطیر جزءبه‌جزء می‌توانند از یکدیگر جدا شده و هریک در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار بگیرند. این ماده تولید شده در موارد بسیاری کاربرد دارد. برای مثال از نیتروژن و اکسیژن جداشده در صنایع مختلف پزشکی و غذاایی استفاده می‌شود. همچنین خود هوای مایع قابلیت حجیم شدن تا حجم ۷۰۰ برابر بزرگ‌تر و تولید انرژی با استفاده از این تغییر حجم را دارد.
مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریع‌تر ببینید
