الماء والرواسب والغاز في قياس زيت التحلل الحراري: كيف تُختار تقنية القياس؟

تُختار تقنية عدّاد التدفق لزيت التحلل الحراري انطلاقًا من توصيف الزيت المراد قياسه، لا من قائمة العدّادات. فأولًا تُستخدم عينات من عدة دفعات لتحديد ما إذا كان الماء ذائبًا في الزيت أم يشكّل طورًا منفصلًا، وكمية المواد الصلبة وحجم جسيماتها، وما إذا كان يمكن أن يتكوّن غاز حر أو بخار في خط القياس، وكيف تتغير اللزوجة مع درجة الحرارة، وإلى أي حد يمكن تسخين المنتج. ثم تُفحص عدّادات كوريوليس والإزاحة الموجبة والكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية واحدًا تلو الآخر في ضوء هذه البيانات. لا تصلح أي منها لزيت التحلل الحراري دون شروط؛ ويتوقف الاختيار بين الخيارات المتبقية على غرض القياس (مراقبة العملية أو القياس التجاري لنقل الملكية) ووحدة الفوترة (الكتلة أو الحجم) وتقييم الشركة المصنّعة الخاص بالمنتج.

لهذه الإجابة شرط: النطاقات الرقمية الواردة في المقال تخص زيت التحلل الحراري السريع للكتلة الحيوية (الزيت الحيوي)، وهو النوع الذي تتوفر عنه أكثر البيانات المنشورة. ولا تتوفر مجموعة بيانات عامة موثّقة للزيوت المستخلصة من الإطارات أو البلاستيك المستعمل، لذا يعتمد القرار فيها على تحليل المنتج نفسه فقط. أما بنية وحدة القياس والتقييم العام لأنواع العدّادات فموجودة في صفحة الحل ذات الصلة؛ ويركّز هذا المقال على الخطوة السابقة لها: ما البيانات التي يجب جمعها، وما السؤال الذي تطرحه كل منها على كل تقنية.

سوائل مختلفة تحت اسم واحد

وفقًا لبيانات IEA Bioenergy، يحتوي زيت التحلل الحراري السريع للكتلة الحيوية عادةً على 20–30 % ماءً بالكتلة، ويتراوح أسّه الهيدروجيني pH بين 2–3، وكثافته عند 15 °C بين 1.10–1.30 g/ml، ولا يمتزج بالزيوت البترولية. كما أن مواصفتي المنتج ASTM D7544 و EN 16900 لا تشملان إلا سوائل التحلل الحراري المستخلصة من الكتلة الحيوية.

يُظهر زيت الإطارات المستعملة خصائص مختلفة. ففي عينة من زيت التحلل الحراري الخام للإطارات دُرست في بحث محكّم، تجاوز محتوى الكبريت 1 % بالكتلة، ويعزو الباحث ذلك إلى عملية فلكنة المطاط؛ وبلغت كثافة العينة نفسها 921 kg/m³ عند 15 °C. هذه بيانات عينة واحدة ولا يجوز اعتبارها قيمًا نموذجية لزيوت الإطارات؛ وإنما تبيّن فقط أن نطاقات الزيت الحيوي لا تنتقل إلى هذا المنتج. وتذكر مراجعة علمية حول زيوت التحلل الحراري المستخلصة من نفايات البلاستيك بعد الاستهلاك أن هذه الزيوت قد تحتوي على ملوّثات كثيرة، منها الكلور ومعادن مختلفة، تسبب التآكل والترسّبات. سياق المراجعة هو تغذية وحدات التكسير البخاري، لكنها تبيّن أيضًا المعاملات التي ينبغي إدراجها في برنامج التحليل لاختيار الأجزاء الملامسة للسائل. وباختصار، فإن سطرًا في ورقة البيانات نصّه «المائع: زيت التحلل الحراري» ليس تعريفًا كافيًا لاختيار العدّاد.

كيف يؤثر الماء والرواسب والغاز في القياس؟

الماء: ذائب أم طور منفصل؟

وفقًا لتقرير VTT عن الزيت الحيوي، يكون الماء في هذه الزيوت ذائبًا أو على هيئة مستحلب دقيق، ولا يمكن فصله بطرق فيزيائية مثل الطرد المركزي. ومع ذلك لا يبقى المنتج دائمًا أحادي الطور: إذ تنتج تفاعلات التقادم ماءً، وقد ينفصل طور مائي عندما يتجاوز إجمالي الماء نحو 30 % بالكتلة. أما الزيوت المنتجة من مخلفات الغابات فقد يتكوّن فيها، بحسب المادة الخام والعملية، طور علوي بنسبة 5–20 % بالكتلة أقل كثافة وقطبية.

تكمن المشكلة في القياس في مرور أطوار مختلفة عبر العدّاد على التوالي. فالمنتج المسحوب من قاع الخزان أو من جزئه العلوي قد يختلف كثيرًا عن متوسط التحليل في الكثافة واللزوجة والموصلية. لذلك يجب طلب نسبة الماء لا كقيمة مئوية فحسب، بل مع حالة الأطوار وكيفية تغيّرها أثناء التخزين. ويذكر تقرير VTT معايرة كارل فيشر (ASTM E203) لتحديد الماء في الزيت الحيوي، ويشير إلى أن التقطير مع الزايلين (ASTM D95) لا يصلح لهذه الزيوت بسبب مكوّناتها منخفضة الغليان. أما في زيوت الإطارات والبلاستيك فيُحدَّد بالتعاون مع المختبر ما إذا كان الماء موجودًا كطور حر وبأي طريقة يُقاس.

الرواسب: الحجم والصلابة لا يقلان أهمية عن الكمية

تحتوي أنواع الزيت الحيوي النموذجية التي يُفصل منها الفحم بالأعاصير (السيكلونات) على أقل من 0.5 % بالكتلة من المواد الصلبة بمتوسط حجم جسيمات يقارب 5–10 µm. وقد تتكتل هذه الجسيمات أثناء التخزين مكوّنة طبقة حمأة في قاع الخزان وتُسرّع التقادم. وفي التجارب الميدانية التي ينقلها تقرير VTT، تسبب الرمل والمواد الصلبة القاسية المماثلة بنسبة تزيد على 0.05 % بالكتلة في تآكل المضخات والفوهات. ويمكن تحديد محتوى المواد الصلبة في الزيت الحيوي وفق ASTM D7579، وتوزيع أحجام الجسيمات بعدّاد جسيمات بصري أو بتحليل الصور.

لاختيار العدّاد يجب أن تُعرف، إلى جانب كمية المواد الصلبة، صلابة الجسيمات، والحجم الذي يصل إلى العدّاد بعد المصفاة، وما إذا كانت حمأة القاع تُسحب إلى الخط في نهاية التفريغ. وفي الاستخدام كوقود تحمل المواد الصلبة طاقة، لذا فإن إزالتها كلها ليست الهدف الأول؛ وتُحدَّد دقة الترشيح مع حمل المواد الصلبة الذي سيمر عبر العدّاد.

الغاز: الهواء والمكوّنات الخفيفة والتبخّر

ينشأ الغاز المذكور في العنوان غالبًا من ظروف خط القياس أكثر مما ينشأ من المنتج نفسه. فالزيت الحيوي يحتوي على مكوّنات خفيفة قد تتبخر عند درجات حرارة قريبة من حرارة المحيط (عادةً أقل من 5 % بالكتلة)، ويشير تقرير VTT أيضًا إلى أن التسخين المسبق المفرط قد يسبب تبخرًا مبكرًا للماء والمكوّنات منخفضة الغليان. لذلك قد يرى العدّاد في خط مسخّن منتجًا يحتوي على فقاعات.

بالنسبة لأنظمة القياس الديناميكي للسوائل الخاضعة للرقابة المترولوجية القانونية، تشترط التوصية OIML R 117-1:2019 إزالة الهواء والغاز غير الذائب من السائل قبل دخوله العدّاد؛ ويلزم فاصل غاز إذا كان ضغط مدخل المضخة قد ينخفض، ولو لحظيًا، دون الضغط الجوي أو دون ضغط البخار المشبع للسائل. وتنبّه الوثيقة كذلك إلى أن جيوب الهواء قد تتكوّن عند فراغ خزان التغذية وبفعل الانكماش الحراري أثناء التوقف. هذه المتطلبات تخص الأنظمة الخاضعة للقياس القانوني، لكن منطق السؤال عن مكان تكوّن الغاز يصح أيضًا في قياس العمليات. وعندما يمر غاز أو جيب هواء عبر العدّاد يحدث خطأ بصرف النظر عن مبدأ القياس؛ ولا تختلف التقنيات إلا في طريقة كشف هذه الحالة وتحمّلها.

جدول توصيف المائع

يلخّص الجدول التالي البيانات المطلوبة قبل اختيار العدّاد وأثر كل منها في قرار التقنية. ولم يُذكر اسم طريقة الاختبار إلا حيث يورده المصدر المدروس للزيت الحيوي؛ أما زيوت الإطارات والبلاستيك فتُحدَّد طريقتها بالاتفاق مع المختبر.

توصيف زيت التحلل الحراري: مجموعة البيانات اللازمة لاختيار العدّاد

مصفوفة الاستبعاد: أي البيانات تستبعد أي تقنية؟

المصفوفة ليست ترتيبًا ولا تقدّم حكمًا نهائيًا؛ بل تبيّن لكل تقنية الأسئلة التي قد تؤدي إلى استبعادها والبيانات التي تجيب عنها. فإذا كانت الإجابة سلبية تُستبعد التقنية لذلك التطبيق أو يُعاد تقييمها مع إجراء إضافي (الترشيح، إزالة الغاز، التحكم في الحرارة).

مصفوفة استبعاد التقنيات لزيت التحلل الحراري

قياس الكتلة مباشرةً ميزة فعلية لعدّاد كوريوليس مع منتج متغير الكثافة، لكنه لا يُلغي أسئلة المصفوفة: فبما أن التآكل الموضعي قد يُطلق شقوق إجهاد في الأنابيب الرقيقة الجدار المهتزة، فإن المادة المناسبة لخط الأنابيب ليست دليلًا على صلاحيتها للعدّاد. أما في الخيارين الكهرومغناطيسي وفوق الصوتي فيعتمد القرار عادةً على تقييم الشركة المصنّعة لعينة من المنتج.

ربط البيانات بتصميم نقطة القياس

·         نقطة أخذ العينة: يجب أن يمثّل التحليل المنتج الذي سيمر عبر العدّاد. تتناول EN 16900 أخذ العينات وتوافق المواد في ملحق مستقل؛ وتُقيَّم عينات قاع الخزان وأعلاه وخط النقل كلٌّ على حدة.

·         المصفاة والعدّاد معًا: تُختار دقة المصفاة وفق حجم الجسيمات الذي يتحمله العدّاد. وإذا لم يُراقَب فرق الضغط عبر المصفاة فقد تؤدي المصفاة الممتلئة إلى خفض ضغط السحب وزيادة تكوّن الغاز.

·         إزالة الغاز والضغط الخلفي: لا يمكن تصميم موضع مزيل الغاز وترتيب الحفاظ على الضغط بعد العدّاد قبل معرفة مكان تكوّن الغاز (فراغ الخزان، مخرج السخّان، سحب المضخة).

·         نافذة الحرارة: يجب الحفاظ عند موضع العدّاد أيضًا على النافذة بين الحد الأدنى اللازم للزوجة والحد الأعلى الذي يسمح به الثبات الحراري. يتفاعل الزيت الحيوي سريعًا عند تسخينه إلى 100 °C أو أكثر؛ وتتناول صفحة أنظمة النقل المسخّنة بنية التسخين.

الظروف غير المناسبة والحدود

·         الاختيار بناءً على عينة واحدة أو دفعة واحدة: لا يغطي التقادم وانفصال الأطوار والتفاوت بين الدفعات.

·         تطبيق نطاقات الزيت الحيوي أو حدود ASTM D7544 و EN 16900 على زيوت الإطارات والبلاستيك.

·         نقل العدّاد والمواد وترتيب التسخين المختارة لزيت الوقود مباشرةً إلى زيت التحلل الحراري.

·         تعميم قيم ورقة بيانات طراز واحد على تقنية كاملة؛ فدقة العدّاد ليست هي عدم اليقين الكلي لنظام القياس.

·         لا يحدد هذا المقال نطاق المترولوجيا القانونية ولا تصنيف المناطق الخطرة ولا تصميم السلامة؛ إذ تُحسم هذه بالتشريعات الوطنية ومواصفات المشروع ومراجعة الخبراء.

البيانات المطلوبة للتقييم الفني

·         نوع المادة الخام (كتلة حيوية، إطارات، بلاستيك أو خليط) وعملية الإنتاج وظروف التخزين

·         محتوى الماء (مع طريقة القياس) وحالة الأطوار لعينات من عدة دفعات، وإن أمكن بعد فترة تخزين

·         محتوى المواد الصلبة وتوزيع أحجام الجسيمات ودقة الترشيح المخططة

·         اللزوجة عند درجات حرارة مختلفة أو منحنى اللزوجة–الحرارة؛ ونتيجة اختبار الثبات الحراري أو الاحتفاظ إن وُجدت

·         الكثافة وتغيّرها مع الحرارة؛ وpH والرقم الحمضي الكلي؛ والكبريت والكلور والمعادن بحسب المادة الخام؛ والموصلية الكهربائية إن أمكن

·         التدفق الأدنى والعادي والأقصى؛ وضغط التشغيل وحرارته؛ ونوع المضخة وظروف السحب وترتيب تفريغ الخزان

·         غرض القياس (مراقبة العملية أو الاستهلاك أو البيع) ووحدة الفوترة (الكتلة أو الحجم)

صفحات ومقالات ذات صلة

صفحات ذات صلة

·         وحدات قياس زيت التحلل الحراري: بنية الوحدة، والتقييم العام لتقنيات القياس، واستخدام بيانات الكثافة.

·         منشآت زيت التحلل الحراري: خصائص المنتج المتغيرة بحسب المادة الخام ومدخلات التصميم على مستوى المنشأة.

·         أنظمة النقل المسخّنة لزيت التحلل الحراري: تحديد نافذة التسخين وفق حد الثبات الحراري.

·         مقاييس التدفق الكتلي والكثافة بتأثير كوريوليس: مبدأ القياس وأثر الغاز المحتبس في قياس كوريوليس.

·         كوريوليس أم عدّاد الإزاحة الموجبة لتعبئة الصهاريج؟: تفاصيل المفاضلة بين التقنيتين في تطبيق التعبئة.