বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিট কী এবং এটি কীভাবে কাজ করে?

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিট : সংজ্ঞা, মূল কাজ এবং শিল্প ক্ষেত্রে এর ভূমিকা

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিট অথবা এগুলিকে সাধারণত ASU (এয়ার সেপারেশন ইউনিট) বলা হয়, যা মূলত সাধারণ বাতাস থেকে ক্রায়োজেনিক আস্তাপালন নামক একটি প্রক্রিয়ার মাধ্যমে বিশুদ্ধ অক্সিজেন, নাইট্রোজেন এবং আর্গন আলাদা করে। এটি কীভাবে কাজ করে? প্রক্রিয়াটি মূলত বাতাসকে চাপ দেওয়া এবং তারপর এটিকে প্রায় মাইনাস ১৯৬ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত অত্যন্ত শীতল করে শুরু হয়। যখন বাতাস এত শীতল হয়, তখন এটি তরল রূপ ধারণ করে এবং বিভিন্ন গ্যাস পৃথক হয়ে যায়, কারণ এদের স্ফুটনাঙ্ক ভিন্ন ভিন্ন। নাইট্রোজেন প্রথমে প্রায় মাইনাস ১৯৬-এ, তারপর আর্গন মাইনাস ১৮৬-এ এবং অবশেষে অক্সিজেন মাইনাস ১৮৩-এ স্ফুটিত হয়। এই পৃথকীকৃত গ্যাসগুলির বিভিন্ন গুরুত্বপূর্ণ ব্যবহার রয়েছে। চিকিৎসা প্রতিষ্ঠানগুলি শ্বাসকষ্টে ভুগছেন এমন রোগীদের জন্য বিশুদ্ধ অক্সিজেনের উপর নির্ভরশীল। নাইট্রোজেন রাসায়নিক কারখানাগুলিতে নিরাপত্তা নিশ্চিত করে এবং খাদ্য প্যাকেজগুলিকে সংরক্ষণে সাহায্য করে। আর্গন ধাতু ওয়েল্ডিংয়ে অবাঞ্ছিত অক্সাইড তৈরি না করে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। স্টিল মিল, চিপ উৎপাদনকারী কারখানা এবং বর্জ্যজল পরিশোধন কেন্দ্রগুলি এই স্থানীয় গ্যাস সরবরাহ ছাড়া কাজ করতে পারে না। এখন আমরা ASU-গুলিকে নতুন ক্ষেত্রেও জড়িত দেখছি, যেমন—পরিবেশবান্ধব হাইড্রোজেন জ্বালানি উৎপাদন এবং কার্বন নিঃসরণ ধারণ করা। এই বিস্তারটি দেখায় যে, শক্তি ব্যবস্থাকে আরও সবুজ করা এবং জলবায়ু চ্যালেঞ্জগুলির মুখোমুখি হওয়ার আমাদের প্রচেষ্টায় এই ইউনিটগুলি কতটা অপরিহার্য হয়ে উঠেছে।

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলি কীভাবে কাজ করে: ক্রায়োজেনিক আস্তিল প্রক্রিয়া

কেন ক্রায়োজেনিক্স? বায়ু তরলীকরণ ও পৃথকীকরণের তাপগতীয় ভিত্তি

ক্রায়োজেনিক আস্তিলন বায়ুর উপাদানগুলি পৃথক করতে এত ভালোভাবে কাজ করে কারণ আমরা যেসব গ্যাস নিয়ে কাজ করছি, সেগুলো মূলত একই আকারের এবং রাসায়নিকভাবে খুব কমই বিক্রিয়া করে। ফলে মেমব্রেন বা চাপ পরিবর্তন অ্যাডসর্পশনের মতো অন্যান্য পদ্ধতি প্রায় অকার্যকর হয়ে ওঠে যখন অত্যন্ত বিশুদ্ধ পণ্যের বড় পরিমাণে প্রয়োজন হয়। যখন প্রকৌশলীরা বায়ুকে প্রায় মাইনাস ১৮০ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত শীতল করেন, তখন তারা অক্সিজেন, নাইট্রোজেন এবং অন্যান্য গ্যাসগুলির স্ফুটনাঙ্কের মধ্যে সেই ক্ষুদ্রতম পার্থক্যগুলি কাজে লাগাতে পারেন। এই সমগ্র প্রক্রিয়ায় একাধিক কম্প্রেসর পর্যায় জড়িত, যেখানে প্রতিটি পর্যায়ের মধ্যে বায়ুকে ক্রমাগত সংকুচিত ও শীতল করা হয়। এই সংকোচন মূল বায়ুর আয়তনকে প্রায় সাতশো গুণ হ্রাস করে, অথচ তাপীয় দক্ষতা এতটাই রক্ষা করা হয় যে এটি ব্যবহারিকভাবে সম্ভব হয়। হ্যাঁ, এটি বেশ কিছুটা শক্তি খরচ করে—মাত্র এক টন অক্সিজেন উৎপাদন করতে ২০০ থেকে ৩০০ কিলোওয়াট-ঘণ্টা শক্তি প্রয়োজন। তবুও এই উচ্চ শক্তি চাহিদা সত্ত্বেও, উচ্চ উৎপাদন চাহিদা থাকলে ৯৯.৫% এর বেশি বিশুদ্ধতার অক্সিজেন এবং ৯৯.৯৯৯% এর বেশি বিশুদ্ধতার প্রায় নিখুঁত নাইট্রোজেন উৎপাদনের জন্য ক্রায়োজেনিক আস্তিলন এখনও প্রধান পদ্ধতি হিসেবে বিবেচিত হয়।

অক্সিজেন, নাইট্রোজেন এবং আর্গন নিষ্কাশন: ডুয়াল-কলাম সিস্টেমে ভগ্নাংশীয় আস্তাপাত

বর্তমানে বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলি তাদের ফিডস্টক থেকে উৎপাদন বিশুদ্ধতা এবং উপাদান পুনরুদ্ধার হার—উভয় ক্ষেত্রেই সর্বোত্তম ফলাফল অর্জনের জন্য দ্বৈত-স্তম্ভ আস্তীকীকরণ ব্যবস্থার উপর নির্ভরশীল। এই প্রক্রিয়াটি শুরু হয় যে স্তম্ভে, যাকে আমরা উচ্চ চাপ স্তম্ভ বলি, যা সাধারণত ৫ থেকে ৬ বার চাপে কাজ করে। এখানে, নাইট্রোজেন-সমৃদ্ধ বাষ্প স্বতঃস্ফূর্তভাবে উপরের দিকে ওঠে, অন্যদিকে ভারীতর অক্সিজেন-সমৃদ্ধ তরল স্তম্ভের তলদেশে জমা হয়। এই তরলটি পরে এক্সপ্যানশন ভাল্ভের মধ্য দিয়ে দ্বিতীয় পর্যায়ের নিম্ন চাপ স্তম্ভে প্রবেশ করে, যা সাধারণত ১.২ থেকে ১.৫ বার চাপে পরিচালিত হয়। চাপের এই পার্থক্যটি সমগ্র ব্যবস্থাজুড়ে প্রয়োজনীয় তাপমাত্রা প্রোফাইল তৈরি করে, যা উপাদানগুলির পরিষ্কার পৃথকীকরণকে সম্ভব করে। আর্গন একটি আকর্ষণীয় ক্ষেত্র, কারণ এটি নাইট্রোজেন ও অক্সিজেনের মধ্যবর্তী তাপমাত্রায় ফুটে। ফলে, এটি সাধারণত প্রধান স্তম্ভ দুটির মধ্যে কৌশলগতভাবে অবস্থিত বিশেষ পার্শ্ব অংশগুলিতে জমা হয়, এবং পরে পৃথক আর্গন পরিশোধন টাওয়ারগুলিতে অতিরিক্ত পরিশোধনের জন্য পাঠানো হয়। এই ব্যবস্থাগুলি নকশা করার সময়, প্রকৌশলীরা কয়েকটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয়ের উপর মনোযোগ দেন—যেমন: প্রতিপ্রবাহের সঠিক ভারসাম্য অর্জন, দক্ষ ট্রে বা গঠিত প্যাকিং উপকরণ স্থাপন, এবং সেই বিশেষায়িত ব্রেজড অ্যালুমিনিয়াম তাপ বিনিময়কারীগুলি অন্তর্ভুক্ত করা, যা প্রক্রিয়াজুড়ে ঘনিষ্ঠ তাপীয় নিয়ন্ত্রণ বজায় রাখতে বিশেষভাবে সহায়তা করে। এই সমস্ত প্রকৌশলী কাজের ফলাফল কী? আমরা এখানে ৯৯.৫% এর ঊর্ধ্বে অক্সিজেন বিশুদ্ধতা, প্রায় পাঁচ নাইন (৯৯.৯৯৯%) বিশুদ্ধতা বিশিষ্ট নাইট্রোজেন, এবং ছয় নাইনের (৯৯.৯৯৯৫%) ঊর্ধ্বে বিশুদ্ধতা বিশিষ্ট আর্গন উৎপাদনের কথা বলছি। সমগ্র পুনরুদ্ধার হার ৯৯% এর ঊর্ধ্বে—এটি ব্যবস্থার নকশায় স্থায়ীভাবে অন্তর্ভুক্ত চতুর অভ্যন্তরীণ পুনর্ব্যবহার কৌশলের জন্যই সম্ভব।

আধুনিক বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটের মূল উপাদান এবং কার্যকরী পর্যায়গুলি

গুরুত্বপূর্ণ ASU সাবসিস্টেম: বায়ু সংকোচন, পরিশোধন (আণবিক চালনি), তাপ বিনিময় এবং আস্তীকরণ কলাম

আধুনিক বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলি সাধারণত চারটি প্রধান উপাদানের সমন্বিত কাজের মাধ্যমে পরিচালিত হয়। প্রথম ধাপে বড় কম্প্রেসরগুলি সাধারণ বায়ুকে প্রায় ৫ থেকে ৬ বার চাপে উত্তোলন করে, যা পরবর্তীতে তরলীকরণ প্রক্রিয়াকে আরও দক্ষ করে তোলে। সংকোচনের পরে আণবিক ছাঁকনি বেড ব্যবহার করে বায়ু প্রবাহ থেকে আর্দ্রতা, কার্বন ডাইঅক্সাইড এবং অন্যান্য হাইড্রোকার্বন অপসারণ করা হয়। এটি সিস্টেমের শীতল অংশগুলিতে বরফ জমা হওয়া এবং ক্ষয় রোধ করে। পরিশোধিত হওয়ার পর, বায়ু অ্যালুমিনিয়াম তাপ বিনিময়কারীগুলিতে প্রবেশ করে, যেখানে এটি প্রায় মাইনাস ১৭৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় শীতল করা হয়। এই শীতলীকরণ প্রক্রিয়াটি পণ্যগুলির বিপরীত প্রবাহ পদ্ধতির মাধ্যমে ঘটে, যা প্রক্রিয়াটিতে বেশ কিছুটা শক্তি সাশ্রয় করে। চূড়ান্ত ধাপে আসলে দুটি আস্তরণ কলাম কাজ করছে। উচ্চ চাপের কলামটি কাঁচা অক্সিজেন এবং নাইট্রোজেন-সমৃদ্ধ বাষ্প তৈরি করে, অপর নিম্ন চাপের কলামটি এগুলিকে আরও পরিশোধন করে বিশুদ্ধ অক্সিজেন এবং আর্গনের মতো চূড়ান্ত পণ্যগুলি উৎপাদন করে। শিল্প প্রতিবেদন অনুযায়ী, পুরনো একক কলাম সিস্টেমের তুলনায় এই বহু-ধাপ পদ্ধতিটি শক্তি খরচ প্রায় ১৫ থেকে ২০ শতাংশ পর্যন্ত কমিয়ে দেয়।

গ্রহণ থেকে সরবরাহ পর্যন্ত: ভাণ্ডারণ, বাষ্পীভবন এবং পাইপলাইন বিতরণের একীকরণ

প্রক্রিয়াটি শুরু হয় যখন আমরা পরিবেশ থেকে ফিল্টার করা বাতাস আনি, তারপর এটিকে সংকুচিত করি এবং পরিষ্কার করি। একবার আস্তিল হয়ে গেলে, তরল অক্সিজেন এবং নাইট্রোজেনকে বিশেষ স্টোরেজ ট্যাঙ্কে রাখা হয় যা এগুলিকে অত্যন্ত শীতল অবস্থায় রাখে, প্রায় মাইনাস ১৮৩ ডিগ্রি সেলসিয়াসে। এই ট্যাঙ্কগুলি চাহিদা পরিবর্তনের সময় গুরুত্বপূর্ণ বাফার হিসেবে কাজ করে, যা বেসিক অক্সিজেন ফার্নেস ব্যবহার করে ইস্পাত কারখানা সহ ধ্রুব সরবরাহ প্রয়োজনীয় শিল্পগুলির জন্য বিশেষভাবে উপকারী। যখন এই ক্রায়োজেনিক তরলগুলি বিতরণের সময় আসে, তখন প্রথমে এগুলিকে পরিবেশের তাপমাত্রা বা স্টিম দ্বারা উত্তপ্ত ভ্যাপোরাইজারের মধ্য দিয়ে পাঠানো হয়, তারপর চাপযুক্ত পাইপলাইনে প্রেরণ করা হয়। স্মার্ট ফ্লো কন্ট্রোল সিস্টেমগুলি গ্রাহকদের প্রকৃত চাহিদা অনুযায়ী কী সরবরাহ করা হবে তা সামঞ্জস্য করে, যার ফলে সরবরাহের নির্ভরযোগ্যতা ৯৯.৯% এর উপরে বজায় থাকে। ট্যাঙ্কের উন্নত তাপ-অবরোধন এবং বয়েল-অফ গ্যাস ধারণ করার মতো আধুনিক তাপীয় ব্যবস্থাপনা পদ্ধতিগুলি পুরনো পদ্ধতির তুলনায় ক্ষতি প্রায় ৩০% পর্যন্ত কমিয়ে দেয়, যা সামগ্রিকভাবে অপারেশনগুলিকে অনেক বেশি দক্ষ করে তোলে।

কার্যকারিতা বিবেচনা: শক্তি ব্যবহার, বিশুদ্ধতা স্তর এবং অ্যাপ্লিকেশন-নির্দিষ্ট ডিজাইন

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটের সর্বোত্তম কার্যকারিতা অর্জন করতে হলে এর ডিজাইন স্পেসিফিকেশনগুলি চূড়ান্ত পণ্যের প্রকৃত প্রয়োজনীয়তার সাথে মিলিয়ে নেওয়া আবশ্যক, যাতে সর্বত্র সর্বোচ্চ বিশুদ্ধতা অর্জনের চেষ্টা না করা হয়। সত্য হলো, উচ্চতর বিশুদ্ধতা স্তর অর্জন করা শক্তি খরচের দিক থেকে প্রায় সূচকীয়ভাবে ব্যয়বহুল। উদাহরণস্বরূপ, নাইট্রোজেন উৎপাদনের ক্ষেত্রে: ইলেকট্রনিক্স উৎপাদনে প্রয়োজনীয় অত্যন্ত বিশুদ্ধ >৯৯.৯৯% গ্রেড অর্জন করতে খাদ্য সংরক্ষণে সাধারণত ব্যবহৃত ৯৯.৫% অক্সিজেন উৎপাদনের তুলনায় প্রায় ৪০ থেকে ৫০ শতাংশ বেশি বিদ্যুৎ খরচ হয়। প্রয়োজনের চেয়ে বেশি যাওয়া শুধুমাত্র অর্থ ও সম্পদ নষ্ট করে। তবে অন্যদিকে, ন্যূনতম মানগুলি পূরণ না করা ভবিষ্যতে গুরুতর সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে। অক্সিজেনের একটু মাত্র দূষণও অর্ধপরিবাহী ওয়াফারগুলির উৎপাদন প্রক্রিয়ায় ক্ষতি করতে পারে অথবা ফার্মাসিউটিক্যাল পণ্যগুলিকে রোগীদের জন্য অসুরক্ষিত করে তুলতে পারে। গুণগত মান ও দক্ষতার মধ্যে সেই সুবিধাজনক ভারসাম্য খুঁজে পাওয়া শিল্প গ্যাস প্রক্রিয়াকরণের ক্ষেত্রে একটি বৃহত্তম চ্যালেঞ্জ হিসেবে বিবেচিত হয়।

ভালো ডিজাইন অপচয়কৃত শক্তি কমাতে সাহায্য করে। পরিবর্তনশীল গতির কম্প্রেসরগুলি চাহিদার পরিবর্তনের সময় নিজেদের সামঞ্জস্য করে। কলামগুলিকে বিভিন্ন উপায়ে সাজানো যায় যাতে কোম্পানিগুলি ধাপে ধাপে তাদের ক্ষমতা বৃদ্ধি করতে পারে। এবং সঞ্চয়স্থানের মাত্রা বাস্তব সময়ে পর্যবেক্ষণ করলে অপারেটররা তরল পণ্য উৎপাদনের গতি পরিবর্তন করতে পারেন, যা প্রায় ১৫ থেকে ২৫ শতাংশ অপচয়কৃত শক্তি কমায়। এর উপরে, আরও নতুন আণবিক ছাঁকনি গুলি পরিষ্কার করার মধ্যবর্তী সময় দীর্ঘতর হয় এবং তবুও দূষকগুলি কার্যকরভাবে অপসারণ করে। এর ফলে পণ্যের বিশুদ্ধতা সুস্থির থাকে এবং চালানোর সময় বিচ্ছিন্নতা ছাড়াই কারখানাগুলি দীর্ঘ সময় ধরে সুচারুরূপে পরিচালিত হয়।

সাধারণ জিজ্ঞাসা

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলি কী কাজে ব্যবহার করা হয়?
বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলি অক্সিজেন, নাইট্রোজেন এবং আর্গনের মতো বিশুদ্ধ গ্যাস উৎপাদনের জন্য ব্যবহৃত হয়, যা চিকিৎসা সুবিধা, রাসায়নিক কারখানা, ওয়েল্ডিং, ইস্পাত কারখানা এবং আরও অনেক শিল্প প্রয়োগের জন্য অপরিহার্য।

বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিটগুলিতে ক্রায়োজেনিক আস্তীকরণ কীভাবে কাজ করে?
ক্রায়োজেনিক আস্তীকরণ কাজ করে সংকুচিত বায়ুকে অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় ঠাণ্ডা করে, যার ফলে এটি তরলীভূত হয়। তারপর বিভিন্ন গ্যাসগুলিকে তাদের বিভিন্ন স্ফুটনাঙ্কের ভিত্তিতে পৃথক করা হয়।

কেন শক্তি খরচ একটি উদ্বেগের বিষয়? বায়ু পৃথকীকরণ ইউনিট ?
কারণ বায়ু থেকে গ্যাসগুলিকে ক্রায়োজেনিকভাবে পৃথক করার প্রক্রিয়াটি শক্তি-গহন, ফলে খরচ এবং পরিবেশগত প্রভাব কমানোর জন্য নির্দিষ্ট প্রয়োগের জন্য প্রয়োজনীয় বিশুদ্ধতার স্তরের সাথে শক্তি ব্যবহারের ভারসাম্য বজায় রাখা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।