क्रायोजेनिक वायू पृथक्करण प्रक्रिया प्रवाह आरेख स्पष्टीकरण

क्रायोजेनिक कसे वायू पृथक्करण यंत्रे कार्य करते: चरण-दर-चरण प्रक्रिया प्रवाह

वायू संपीडन आणि शुद्धीकरण: CO₂, आर्द्रता आणि हायड्रोकार्बन्सचे काढून टाकणे

वातावरणातील हवा ही या बहु-स्तरीय कंप्रेसरमध्ये आकर्षित केली जाते, जिथे तिचा दबाव सुमारे ०.६ ते ०.८ MPa पर्यंत वाढवला जातो. दबाव वाढवल्यानंतर, हवा अशा आणि आणखी काही विशिष्ट पदार्थांच्या रूपात असलेल्या ‘अणुभट्टी’ (molecular sieve beds) मधून जाते. हे विशिष्ट साहित्य कार्बन डायऑक्साइड, आर्द्रता आणि विविध हायड्रोकार्बन्स सारख्या गोष्टींना आकर्षित करते. या दूषित पदार्थांचे निर्मूलन करणे खूप महत्त्वाचे आहे, कारण त्यांच्या अनुपस्थितीत सिस्टमच्या थंड भागांमध्ये बर्फाचे निर्माण आणि जंग लागण्याचे समस्या निर्माण होऊ शकतात. बहुतेक आधुनिक वायू पृथक्करण यंत्रे वास्तविकतेत तापमान उतार अधिशोषण तंत्र (temperature swing adsorption technology) वापरतात. या प्रणालीमध्ये सामान्यतः दोन टॉवर्स एकत्र कार्य करतात. एक टॉवर हवा स्वच्छ करत असताना, दुसरा टॉवर वापरलेल्या नायट्रोजनच्या वायुप्रवाहाद्वारे किंवा साठवलेल्या अशुद्धींना मुक्त करण्यासाठी साहित्याला तापवून पुनर्जनित केला जातो.

विस्तार टर्बाईन्स आणि जूल–थॉमसन प्रभावाद्वारे खोल थंड करणे आणि द्रवीकरण

शुद्धीकृत आणि संपीडित हवा प्रथम त्या मोठ्या उष्णता विनिमयकांमध्ये थंड केली जाते, जिथे तिला प्रणालीच्या इतर भागांमधून परत येणाऱ्या थंड उत्पादन प्रवाहांमधून घेऊन जातात. या पाऊलानंतर तापमान सुमारे माइनस १७५ अंश सेल्सिअसपर्यंत कमी होते. वास्तविक द्रवीकरण मुख्यत्वे टर्बोएक्सपॅंडर्समध्ये होते; हे खूप कार्यक्षम यंत्र आहेत, जिथे वायू लवकर विस्तारित होतो आणि दाब ऊर्जा एकाच वेळी यांत्रिक कार्यात रूपांतरित होते, तसेच ज्यूल-थॉमसन प्रभावामुळे गोष्टींचे शीतलन होते. नायट्रोजनचे उत्फुल्लन तापमान सुमारे माइनस १९६ अंश आणि ऑक्सिजनचे उत्फुल्लन तापमान माइनस १८३ अंश असते, म्हणून त्यांच्या वेगवेगळ्या उत्फुल्लन तापमानांमुळे आम्ही विभाजन प्रक्रियेच्या विस्तारापर्यंत पोहोचण्यापूर्वीच त्यांना वेगळ्या अवस्थांमध्ये विभाजित करू शकतो.

लिंडे डबल कॉलममधील क्रायोजेनिक आसवन: ऑक्सिजन, नायट्रोजन आणि आर्गॉन प्रवाहांचे विभाजन

जेव्हा द्रवीकृत वायू दुहेरी-स्तंभ आसवन सोडवण्याच्या (dual-column distillation setup) पद्धतीत प्रवेश करतो, तेव्हा ही आजच्या वायू पृथक्करण एककांमधील (air separation units) एक महत्त्वाची घटक प्रक्रिया असते. उच्च दाब स्तंभात (high pressure column), जो साधारणपणे ५ ते ६ बार दाबावर कार्यरत असतो, नायट्रोजन वाफ म्हणून वर जातो, तर ऑक्सिजनयुक्त द्रव खाली जातो. नंतर हा द्रव साधारणपणे १.२ ते १.३ बार दाबावर खालच्या दाब स्तंभात (lower pressure column) सोडला जातो, जिथे काळजीपूर्वक नियंत्रित परतीच्या प्रवाहाच्या (reflux) परिस्थितींत खरोखरचे पृथक्करण घडते. आर्गॉन हा घटक विशेष आहे कारण त्याचे उत्कलन तापमान साधारणपणे माइनस १८६ डिग्री सेल्सिअस इतके असते; म्हणून तो या दोन्ही स्तंभांमध्ये स्थित एका विशिष्ट भागात (special section) स्वाभाविकपणे गोळा होतो. ही संपूर्ण प्रक्रिया निरंतर चालू असताना तयार होणाऱ्या ऑक्सिजनची शुद्धता साधारणपणे ९९.५ टक्के आणि नायट्रोजनची शुद्धता साधारणपणे ९९.९९९ टक्के असते. ही मानके ISO ८५७३-१ या मानकांनुसारच्या आवश्यकता पूर्ण करतात आणि ती आरोग्य सेवा सुविधा, धातू प्रक्रिया करणाऱ्या कारखाने आणि सेमिकंडक्टर उत्पादनाच्या कार्यक्षेत्रांसह विविध उद्योगांमध्ये मानक पद्धती म्हणून स्वीकारली गेली आहेत.

आधुनिक वायू पृथक्करण एककांमधील महत्त्वाचे उपकरण: कोल्ड बॉक्स आणि उष्णता एकीकरण

कोल्ड बॉक्स डिझाइन: स्तंभ, उष्णता विनिमयक आणि पाईपिंगचे संक्षिप्त एकीकरण

हवा विभाजन एककाच्या केंद्रस्थानी आम्ही ज्याला 'कोल्ड बॉक्स' म्हणतो तो एक महत्त्वाचा घटक असतो; हा मूळतः एक प्रबलपणे इन्सुलेट केलेला कक्ष असतो, जो संपूर्ण संरचना एका मोठ्या वॅक्यूम जॅकेटमध्ये एकत्रितपणे ठेवतो. या कक्षात डिस्टिलेशन टॉवर्स तसेच तज्ञपणे ब्रेझ्ड अॅल्युमिनियम हीट एक्सचेंजर्स आणि विविध प्रकारच्या क्रायोजेनिक पाईप्स यांची मांडणी केलेली असते. ही संपूर्ण रचना खरोखरच चतुरपणाची आहे. कारण सर्व काही इतके घनिष्ठपणे एकत्रित केले गेले आहे की, अनिच्छित उष्णता प्रवेश करण्याची शक्यता खूपच कमी राहते— हे तापमान माइनस १८० डिग्री सेल्सियसपेक्षा कमी झाल्यावर विशेषतः महत्त्वाचे ठरते. दुरुस्तीच्या कामासाठी या डिझाइनला देखील रखरखीची टीम आवडते, कारण जुन्या पद्धतींच्या प्रणालींच्या तुलनेत, ज्यांमध्ये घटक विखुरलेले असत, येथे दुरुस्तीचा कालावधी सुमारे ३०% कमी लागतो. हे बॉक्स मुख्यत्वे टिकाऊ स्टेनलेस स्टील आणि काही अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंपासून तयार केले जातात, ज्यामुळे त्यांना विस्तार आणि संकोच यांच्या फरकांशी नैसर्गिकरित्या सामना करता येतो. सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, ते संपूर्ण प्रक्रियेदरम्यान ऑक्सिजन, नायट्रोजन आणि आर्गॉन या वाहिन्या पृथक् ठेवतात, ज्यामुळे कोणतीही मिश्रणे होत नाहीत आणि वर्षानुवर्षे विश्वसनीय कार्यप्रणाली टिकून राहते.

मुख्य उष्णता विनिमयकारी नेटवर्क आणि ऊर्जा पुनर्प्राप्ती रणनीती

आजच्या वायू पृथक्करण एककांचा अवलंबन वास्तविक उष्णता विनिमय प्रणालींवर मोठ्या प्रमाणात असतो, ज्या वायू पृथक्करणात उत्पन्न होणाऱ्या व्यर्थ नायट्रोजन आणि थंड उत्पादन प्रवाहांमधून मौल्यवान शीतन ऊर्जा साठवतात. विरुद्ध-प्रवाह (काउंटर करंट) प्रवाह डिझाइनही खूप चतुरपणे काम करतो— तो येणाऱ्या वायू प्रवाहाला थंड करतो तसेच बाहेर जाणाऱ्या प्रवाहाला उबवतो, ज्यामुळे तापमानातील फरक सुमारे ३ डिग्री सेल्सिअस पर्यंत कमी करता येतो. हे अत्यंत प्रभावी कार्य मुख्यत्वे या नवीन पिढीच्या ब्रेझ्ड अॅल्युमिनियम विनिमयकारींमुळे साध्य होते, जे अलीकडेच विकसित करण्यात आले आहेत. वास्तविक जगातील कामगिरीचा विचार केला, तर ह्या आधुनिक सेटअप्समुळे सामान्यतः जुन्या मॉडेल्सच्या तुलनेत एकूण ऊर्जा वापरात ४० ते ५० टक्के कपात होते. मोठ्या औद्योगिक कार्यक्रमांसाठी, ज्यांमध्ये दिवसभर अनेक शिफ्ट्स असतात, हे केवळ ऑपरेटिंग खर्चावर वार्षिक सुमारे २.८ मिलियन अमेरिकन डॉलर्सची बचत करते, ही माहिती २०२२ मध्ये अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या औद्योगिक तंत्रज्ञान पहाटी (इंडस्ट्रियल टेक्नॉलॉजीज इनिशिएटिव्ह) द्वारे गोळा करण्यात आली.

क्रायोजेनिक्स का? उत्कलन बिंदूंच्या फरकामुळे उच्च-शुद्धतेच्या वायूंचे उत्पादन संभव होते

क्रायोजेनिक वायू पृथक्करण ही अजूनही उद्योगाला ऑक्सिजन, नायट्रोजन आणि आर्गॉन सारख्या अत्यंत शुद्ध वायूंची मोठ्या प्रमाणात निर्मिती करण्याची मूलतः एकमेव पद्धत आहे. ही प्रक्रिया कार्यान्वित होते कारण या वायूंचे उत्कलन बिंदू वेगळे असतात, ज्यामुळे उत्पादकांना त्यांना अत्यंत स्वच्छ पद्धतीने पृथक करता येते, ज्याची शुद्धता सामान्यतः ९९.५% पेक्षा जास्त असते. ASTM आणि ISO सारख्या मानक संस्था याला D1946 आणि 8573-1 या त्यांच्या तांत्रिक विशिष्टतांद्वारे मान्यता देतात. जेव्हा आपण खर्‍या संख्यांकडे पाहतो, तेव्हा नायट्रोजनचा उत्कलन बिंदू सुमारे -१९६ डिग्री सेल्सिअस, आर्गॉनचा सुमारे -१८६ डिग्री सेल्सिअस आणि ऑक्सिजनचा उत्कलन बिंदू सुमारे -१८३ डिग्री सेल्सिअस असतो. हे लहान तापमानातील फरक व्यवहारात खूप महत्त्वाचे असतात, कारण ते द्रवीकरण प्रक्रियेनंतर भागात्मक आसवनादरम्यान प्रत्येक वायूच्या पृथक्करणाचा निर्धारित करतात. हे कसे कार्य करते हे अचूकपणे पाहायचे आहे का? या निवडक पृथक्करण पद्धतीमागील सर्व महत्त्वाच्या थर्मोडायनॅमिक तपशीलांसाठी खालील कोष्टक पहा.

ही विस्मयकारक काटेकोर मात्रा कमी (710–875) द्रवीकृत वायूंच्या कार्यक्षम साठवणूक आणि वाहतूकीला सक्षम करते, ज्यामुळे सेमीकंडक्टर उत्पादन, एअरोस्पेस आणि रुग्णालयांमधील ऑक्सिजन प्रणाली यासारख्या स्थिर, उच्च-विशिष्टता असलेल्या पुरवठ्याची आवश्यकता असलेल्या क्षेत्रांसाठी क्रायोजेनिक्स अपरिहार्य बनते.