من المعروف أن CO₂ هو أصعب عوامل النفخ مناولةً في عملية البثق الرغوي الفيزيائي، ولذلك أسباب، منها النقطة فوق الحرجة، وسهولة تحوّله إلى ثلج جاف، وتغيّر كثافته بشكل ملحوظ مع تغيّر درجة حرارة المحيط وغير ذلك. لكن معرفة هذه المعلومات وحدها لن تفيد العميل النهائي كثيرًا، فأنت تحتاج في النهاية إلى تصميم موثوق يضمن إنتاجية خط الإنتاج. لن أحدّثك هنا عن نظريات أو مصطلحات كثيرة، بل أريد أن أشاركك خبرتنا العملية في مناولة CO₂ في إنتاج ألواح XPS.
المخطط الانسيابي لنظام مناولة CO₂
لفهم الحيل العملية في كل وحدة من وحدات النظام بشكل أفضل، لنبدأ بشرح المخطط الانسيابي. المخطط التالي ليس مخطط الأنابيب والأجهزة (PID) الفعلي، بل هو رسم تخطيطي يساعدك على فهم طريقتنا في التحكم في CO₂. أما مخطط PID الفعلي فهو أعقد من ذلك بكثير، إذ يتضمن عشرات الصمامات وبعض الملحقات الأخرى.
| المرحلة | درجة الحرارة | الضغط | حالة CO₂ |
|---|---|---|---|
| خزان CO₂ | نحو −20 °C | 1.6–2.0 MPa | سائل |
| الخزان الوسيط | نحو 25 °C | 6.5-7 MPa | سائل |
| وعاء التبريد | 10 °C | 6.5 MPa | سائل نقي جاهز للتجريع |
| أسطوانة آلة البثق | نحو 200 °C | — | فوق حرج |
خزان CO₂: التخزين في الحالة السائلة
يُورَّد CO₂ المخصص للاستخدام الصناعي عادةً بشاحنات تحمل عشرات الأطنان من CO₂ السائل، ثم يُخزَّن في خزان كبير معزول بالتفريغ تبلغ سعته عادةً نحو 25 طنًا. وتبلغ درجة حرارة CO₂ داخل الخزان نحو 20 درجة مئوية تحت الصفر، ويتراوح ضغطه بين 1.6-2.0 MPa. وعندما يؤدي تغيّر درجة حرارة المحيط إلى ارتفاع الضغط، يطلق الخزان جزءًا من CO₂ ليبرّد نفسه.
كما تعلم، مناولة السائل أسهل بكثير من مناولة الغاز، لذا نحرص على إبقاء CO₂ في الحالة السائلة طوال العملية. ولأن CO₂ سريع التبخر بسبب ضغط بخاره المرتفع، يجب تحقيق التوازن بين الضغط ودرجة الحرارة.
وهذا هو الأساس الذي يقوم عليه عمل نظامنا.
المضخة المعزِّزة: من خزان CO₂ إلى الخزان الوسيط
نستخدم مضخة معزِّزة تنقل CO₂ السائل من خزان CO₂ إلى الخزان الوسيط، وجدار هذا الخزان مزوّد بغلاف (قميص)، مما يتيح التحكم في درجة حرارته بواسطة وحدة تحكم في درجة حرارة الماء.
اجعل المسافة قصيرة
من النصائح التي يجب أن أذكرها هنا أن المسافة بين خزان CO₂ والخزان الوسيط يجب أن تكون أقصر ما يمكن، لأن CO₂ يميل إلى التبخر، فكلما طالت المسافة زاد خطر التبخر.
ولهذا يُنصح بتركيب المضخة المعزِّزة أسفل خزان CO₂. ومع ذلك يظل التبخر يحدث أحيانًا.
عندما تعجز المضخة المعزِّزة عن الضخ
عندما لا تتمكن المضخة المعزِّزة من ضخ CO₂ بشكل سليم، فالأرجح أن تبخرًا قد حدث. وقد صُمّم صمام التصريف لهذه الحالة، فافتحه وأطلق CO₂ المتبخر لخفض درجة حرارة رأس المضخة المعزِّزة.
يجب تنفيذ هذه العملية بحذر شديد، لأنه إذا فُتح صمام التصريف أكثر من اللازم، فقد يتحول CO₂ إلى ثلج جاف يسد الأنبوب، ويستغرق ذوبانه وقتًا طويلًا جدًا.
سعة المضخة والأنابيب
لتجنّب هذا الوضع، يجب أن تكون سعة المضخة المعزِّزة أكبر بعشر مرات من سعة مضخة التجريع، بحيث لا تضطر المضخة المعزِّزة إلى العمل طوال الوقت، بل تعمل على فترات فقط.
كما يُنصح باستخدام أنبوب تصريف أطول، مما يمنع تجمّد أنبوب دخول المضخة المعزِّزة بالثلج الجاف. إضافةً إلى ذلك، يسهم عزل أنابيب النظام بالكامل في انتظام نقل CO₂، ويوفّر الطاقة أيضًا.
الخزان الوسيط: درجة حرارة وضغط ثابتان
الغرض من الخزان الوسيط هو إبقاء CO₂ عند درجة حرارة معيّنة (نحو 25 درجة مئوية) للحفاظ على ضغط النظام بأكمله مستقرًا ومرتفعًا بما يكفي (6.5-7 MPa). ويضمن هذان الشرطان ثبات الخصائص الفيزيائية لـ CO₂، ويهيّئانه للتجريع الدقيق في آلة البثق ثنائية اللولب. وكما ذكرت سابقًا، تتغيّر كثافة CO₂ بتغيّر درجة الحرارة.
إنذار المستوى عند 70% من الحجم
يجب ألا يتجاوز أعلى مستوى لإنذار CO₂ في الخزان الوسيط 70% من حجمه الكلي تحسبًا لأي طارئ، كانقطاع الكهرباء صيفًا في بعض المناطق الحارة، مما قد يرفع درجة حرارة المحيط حول الخزان الوسيط، فيتحول CO₂ إلى الحالة فوق الحرجة التي يصعب التحكم في سلوكها والتنبؤ به، ويتمدد حجمه نتيجة لذلك تمددًا كبيرًا. فإذا لم تكن المساحة الحرة كافية، فقد يتعرض الخزان الوسيط للخطر.
لماذا 25 درجة مئوية؟
قبل دخول CO₂ إلى الخزان الوسيط، يُسخَّن لضمان بقاء درجة حرارته في الخزان عند القيمة المطلوبة، وهي عادةً 25 درجة مئوية. وعند هذه الدرجة يبلغ ضغط الخزان الوسيط نحو 6.5 MPa.
لماذا تُضبط درجة الحرارة على هذه القيمة؟ في الصين، يمثّل الضغط 10 MPa الحد الفاصل بين أوعية الضغط المتوسط وأوعية الضغط العالي. وتتطلب أوعية الضغط العالي شهادات أعقد وتكلفتها أعلى، لذا فإن ضغط التصميم 7 MPa يُبقي الخزان الوسيط ضمن فئة الضغط المتوسط.
وعاء التبريد والتجريع
بعد الخزان الوسيط، يدخل CO₂ إلى وعاء تبريد آخر يخفض درجة حرارته إلى 10 درجات مئوية. وفي ظروف 6.5 MPa و10 درجات مئوية يكون CO₂ سائلًا نقيًا، وكلما كان أقرب إلى الحالة السائلة سهُل تجريعه. ويمكن عندئذٍ تجريع CO₂ بسهولة في آلة البثق الأولى (آلة البثق ثنائية اللولب).
ومن الأمور التي يجب التنبيه إليها أن رأس المضخة يجب تبريده بمبرّد مياه (تشيلر)، لأن رؤوس المضخة تولّد في أثناء عملها بعض الحرارة التي قد تؤدي إلى تبخر CO₂ السائل، مما يعرقل العملية.
تصريف بخار CO₂ المحتبس
حتى بعد مراعاة جميع النقاط المذكورة أعلاه، لا يوجد ضمان لمناولة CO₂ بشكل صحيح. فإذا احتبس CO₂ المتبخر في أي جزء من الأنابيب، فلن يعمل النظام كما ينبغي.
ما عليك فعله هو فتح صمام التصريف بحذر شديد لتجنّب تكوّن كتل كبيرة من الثلج الجاف. ونوصي بشدة بتركيب صمام التصريف قبل صمام الحقن. وعندما ترى دخانًا أبيض (جزيئات صغيرة من الثلج الجاف) يخرج، فقد تحقق المطلوب، فأغلق الصمام فورًا. عندها يعمل CO₂ كما ينبغي.
المضخات وأنظمة CO₂ الأخرى
هذه هي طريقتنا في التحكم في نظام CO₂، وهي تجمع بين اعتبارات الصنع في الصين والاقتصاد والموثوقية والجانب العملي. وهناك طرق أخرى تتحكم في CO₂ جيدًا أيضًا، فعلى سبيل المثال تستطيع حزمتا LINDE PRESUS وDSD مناولة CO₂ بدقة كذلك. والفرق أن نظامنا مبني على معدات مصنوعة في الصين.
مضخة مكبسية أم مضخة غشائية
بناءً على خبرتنا الطويلة، لا تواجه المضخات المكبسية الصينية الصنع أي مشكلة في مناولة CO₂. وعيب المضخة المكبسية الصينية الصنع أن خطر التسرّب فيها يصبح مع مرور الوقت أكبر منه في المضخة الغشائية، لكن CO₂ غير سام وغير قابل للاشتعال، فلا داعي للقلق من هذا الخطر. كما أن مواد الإحكام رخيصة جدًا ومتوفرة، ويمكن إدراج تغييرها ضمن أعمال الصيانة الدورية.
أما عوامل النفخ القابلة للاشتعال مثل HFC152a والإيثانول وDME والأيزوبيوتان وغيرها، فالأفضل مناولتها بمضخة غشائية.
نظام CO₂ في مختبر البثق الرغوي لدينا
يستخدم مختبر البثق الرغوي لدينا نظامًا آخر يتعامل جيدًا مع الكميات الصغيرة من CO₂، لكنه مخصص حاليًا للاستخدام المخبري فقط. يبرّد هذا النظام CO₂ إلى 20 درجة مئوية تحت الصفر ليبقى في الحالة السائلة النقية تحت ضغط منخفض. ويعمل عادةً مع أسطوانة CO₂ لا تحتوي إلا على عشرات الكيلوغرامات منه، وهو منخفض التكلفة نسبيًا وسهل التشغيل.
حافظ على CO₂ سائلًا طوال العملية
خلاصة القول، الأفضل أن يبقى CO₂ في الحالة السائلة النقية طوال عملية المناولة.
أما ما يُسمّى خط إنتاج ألواح XPS بإرغاء CO₂ فوق الحرج، فسبب التسمية أن CO₂ يتحول إلى الحالة فوق الحرجة عند حقنه في الأسطوانة التي تبلغ درجة حرارتها نحو 200 درجة مئوية، ولا علاقة للاسم بعملية المناولة.
