கிரையோஜெனிக் காற்று பிரிப்பு செயல்முறை பாய்வு வரைபடம் – விளக்கம்

எவ்வாறு கிரையோஜெனிக் காற்று பிரிப்பு அலகுகள் செயல்படுகிறது: படிப்படியாக ஒரு செயல்முறை பாய்வு

காற்று செறிவூட்டல் மற்றும் தூய்மைப்படுத்தல்: CO₂, ஈரப்பதம் மற்றும் ஹைட்ரோகார்பன்களை அகற்றுதல்

சூழ்நிலையில் உள்ள காற்று இந்த பல-கட்ட கம்ப்ரஸர்களுக்குள் உறிஞ்சப்படுகிறது, அங்கு அது தோராயமாக 0.6 முதல் 0.8 MPa வரையிலான அழுத்த நிலைகளுக்கு செறிவூட்டப்படுகிறது. செறிவூட்டலுக்குப் பின், காற்று மூலக்கூறு சலித்து படுக்கைகள் (molecular sieve beds) எனப்படும் பகுதிகள் வழியாகச் செல்கிறது. இந்த சிறப்பு பொருட்கள் கார்பன் டை ஆக்ஸைடு, ஈரப்பதம் மற்றும் பல்வேறு ஹைட்ரோகார்பன்கள் போன்றவற்றை உறிஞ்சிக் கொள்கின்றன. இந்த மாசுக்களை அகற்றுவது மிகவும் முக்கியமானது, ஏனெனில் அவை அகற்றப்படாவிட்டால், அமைப்பின் குளிர்ந்த பகுதிகளில் பின்னாளில் பனிக்கட்டிகள் உருவாதல் மற்றும் துருத்தட்டு பிரச்சனைகள் ஏற்படும். காற்று பிரிப்பு அலகுகள் பெரும்பாலான நவீன அமைப்புகள் உண்மையில் வெப்பநிலை மாற்ற உறிஞ்சுதல் தொழில்நுட்பம் (temperature swing adsorption technology) எனப்படும் ஒன்றைப் பயன்படுத்துகின்றன. இதன் அமைப்பு பொதுவாக இரண்டு கோபுரங்களைக் கொண்டுள்ளது, அவை ஒன்றாகச் செயல்படுகின்றன. ஒரு கோபுரம் காற்றைச் சுத்திகரிக்கும் போது, இரண்டாவது கோபுரம் வெளியேற்றப்படும் நைட்ரஜனை அதன் வழியாகச் செலுத்துவதன் மூலமோ அல்லது சிக்கியுள்ள மாசுக்களை வெளியேற்ற பொருளை வெப்பப்படுத்துவதன் மூலமோ மீட்டெடுக்கப்படுகிறது.

விரிவாக்க டர்பைன்கள் மற்றும் ஜூல்–தாம்சன் விளைவு மூலமான ஆழமான குளிரூட்டல் மற்றும் திரவமாக்கல்

சுத்திகரிக்கப்பட்ட மற்றும் செறிவூட்டப்பட்ட காற்று, அமைப்பின் மற்ற பகுதிகளிலிருந்து திரும்பி வரும் குளிர்ந்த தயாரிப்பு ஓட்டங்கள் வழியாகச் செலுத்தப்படுவதன் மூலம் அந்தப் பெரிய வெப்ப பரிமாற்றிகளில் முதலில் குளிர்விக்கப்படுகிறது. இந்த நடவடிக்கைக்குப் பிறகு வெப்பநிலைகள் தோராயமாக மைனஸ் 175 டிகிரி செல்சியஸ் வரை குறைகின்றன. உண்மையான திரவமாக்கல் முக்கியமாக டர்போ எக்ஸ்பாண்டர்களுக்குள் நிகழ்கிறது; இவை மிகவும் திறமையான இயந்திரங்களாகும், இங்கு வாயு விரைவாக விரிவடைகிறது, அதே நேரத்தில் அழுத்த ஆற்றலை இயந்திர வேலையாக மாற்றுகிறது, மேலும் ஜூல்-தாம்சன் விளைவு எனப்படும் நிகழ்வின் காரணமாக விரிவடைதலுடன் குளிர்விக்கப்படுகிறது. நைட்ரஜன் தோராயமாக மைனஸ் 196 டிகிரி செல்சியஸில் கொதிக்கிறது, அதே நேரத்தில் ஆக்ஸிஜன் மைனஸ் 183 டிகிரி செல்சியஸில் கொதிக்கிறது; எனவே அவற்றின் வேறுபட்ட கொதிநிலைகள், திரவ வேறுபடுத்தல் (டிஸ்டிலேஷன்) நிலைக்கு வருவதற்கு முன்பாகவே அவற்றை வெவ்வேறு கட்டங்களாகப் பிரிக்க உதவுகின்றன.

லிண்டே இரட்டை காலம் (டபிள் காலம்) இல் கிரையோஜெனிக் திரவ வேறுபடுத்தல்: ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஓட்டங்களை வேறுபடுத்துதல்

திரவமாக்கப்பட்ட காற்று இரட்டை-நெடுவரிசை வடிகட்டுதல் அமைப்பு எனப்படும் அமைப்பிற்குள் செல்லும்போது, இது இன்றைய காற்று பிரிப்பு அலகுகளின் (ASU) முக்கிய பாகங்களில் ஒன்றாக விளங்குகிறது. தோராயமாக 5 முதல் 6 பார் அழுத்த நிலைகளில் இயங்கும் உயர் அழுத்த நெடுவரிசையின் உள்ளே, நைட்ரஜன் ஆவியாக மேலே எழும்புகிறது, அதே நேரத்தில் ஆக்ஸிஜன் செறிவூட்டப்பட்ட திரவம் கீழே செல்கிறது. பின்னர் இந்த திரவம் தோராயமாக 1.2 முதல் 1.3 பார் அழுத்தத்தில் கீழ் அழுத்த நெடுவரிசையில் விடுவிக்கப்படுகிறது, அங்கு கட்டுப்படுத்தப்பட்ட மீண்டும் விழும் திரவ (reflux) நிலைகளின் கீழ் உண்மையான பிரிப்பு நிகழ்கிறது. ஆர்கான் தனித்துவமானது, ஏனெனில் அது தோராயமாக -186° செல்சியஸில் கொதிக்கிறது; எனவே இது இந்த இரண்டு நெடுவரிசைகளுக்கு இடையே அமைந்துள்ள சிறப்புப் பகுதியில் இயல்பாகவே சேர்ந்துவிடுகிறது. இந்த முழு செயல்முறையும் தொடர்ச்சியாக இயங்கி, தோராயமாக 99.5% தூய்மையுடைய ஆக்ஸிஜனையும், தோராயமாக 99.999% தூய்மையுடைய நைட்ரஜனையும் உற்பத்தி செய்கிறது. இந்தத் தரங்கள் ISO 8573-1 தரநிலைகளால் வரையறுக்கப்பட்ட தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்கின்றன, மேலும் இவை சுகாதார வசதிகள், உலோக செயலாக்கத் தொழிற்சாலைகள் மற்றும் அரைக்கடத்தி தயாரிப்பு செயல்பாடுகள் போன்ற பல்வேறு துறைகளில் தற்போது சாதாரண நடைமுறையாக மாறியுள்ளன.

சமகாலீன காற்று பிரிப்பு அலகுகளில் முக்கிய உபகரணங்கள்: குளிர் பெட்டி மற்றும் வெப்ப ஒருங்கிணைப்பு

குளிர் பெட்டி வடிவமைப்பு: காலம்கள், வெப்ப மாற்றிகள் மற்றும் குழாய்களின் சிறிய அளவிலான ஒருங்கிணைப்பு

ஒரு காற்று பிரிப்பு அலகின் மையத்தில், நாம் அதை 'குளிர் பெட்டி' (cold box) என்று அழைக்கிறோம்; இது உண்மையில் ஒரு மிகவும் நன்றாக காப்பிடப்பட்ட அறையாகும், இது ஒரு பெரிய வெற்றிட ஜாக்கெட்டினுள் அனைத்தையும் ஒன்றாக வைத்திருக்கிறது. இந்த இடத்திற்குள், வடிகட்டும் கோபுரங்கள் சிறப்பு வகையான பிரேஸ்டு செய்யப்பட்ட அலுமினியம் வெப்ப பரிமாற்றிகளுடன் ஒன்றாக நிற்கின்றன, மேலும் பல்வேறு வகையான கிரையோஜெனிக் குழாய்கள் இங்கு கடந்து செல்கின்றன. இந்த முழு அமைப்பும் உண்மையில் மிகவும் சத்தியமானது. ஏனெனில், அனைத்தும் மிகவும் இறுக்கமாக ஒன்றாக அடுக்கப்பட்டிருப்பதால், விரும்பாத வெப்பம் உள்ளே புகுவதற்கான வாய்ப்பு மிகவும் குறைவு; இது வெப்பநிலை -180 டிகிரி செல்சியஸுக்கு கீழே விழும்போது மிகவும் முக்கியமானது. பழைய அமைப்புகளில் பாகங்கள் எல்லா இடங்களிலும் பரவியிருந்ததால், அவற்றைச் சரிசெய்வது மிகவும் நேரம் எடுத்தது; ஆனால் இந்த வடிவமைப்பை பராமரிப்பு குழுக்கள் மிகவும் விரும்புகின்றன, ஏனெனில் இதில் பழுதுபார்க்க தேவையான நேரம் முன்னைய அமைப்புகளை விட ஏறக்குறைய 30% குறைவு. இந்த பெட்டிகள் முக்கியமாக வலுவான ஸ்டெயின்லெஸ் ஸ்டீல் மற்றும் சில அலுமினியம் கலவைகளால் தயாரிக்கப்படுகின்றன, இவை விரிவாக்கம் மற்றும் சுருக்கத்தின் வேறுபாடுகளை இயல்பாகவே சமாளிக்கின்றன. மிக முக்கியமாக, இவை முழு செயல்முறை முழுவதும் ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஓட்டங்களை தனித்தனியாக வைத்திருக்கின்றன, இதனால் எதுவும் கலக்கப்படாமல் இருக்கிறது மற்றும் செயல்பாடுகள் ஆண்டுதோறும் நம்பகமாகவே தொடர்கின்றன.

முக்கிய வெப்ப பரிமாற்றி வலையமைப்புகள் மற்றும் ஆற்றல் மீட்டல் உத்திகள்

இன்றைய காற்று பிரிப்பு அலகுகள், வீணாகும் நைட்ரஜன் மற்றும் குளிர்ந்த தயாரிப்பு ஓட்டங்களிலிருந்து மதிப்புமிக்க குளிரூட்டலைப் பிடிக்கும் சிக்கலான வெப்ப பரிமாற்றி அமைப்புகளை மிகவும் சார்ந்துள்ளன. எதிரொளிப்பு ஓட்ட வடிவமைப்பு (Counter current flow design) மிகவும் புத்திசாலித்தனமாக செயல்படுகிறது — இது வரும் காற்று ஓட்டத்தை குளிரூட்டுவதுடன், வெளியேறும் ஓட்டத்தை சூடுபடுத்துகிறது, இதனால் வெப்பநிலை வேறுபாடுகள் தோராயமாக 3 செல்சியஸ் டிகிரி வரை குறைக்கப்படுகின்றன. இந்த அற்புதமான சாதனைக்கு முக்கிய காரணம், சமீபத்தில் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட புதிய தலைமுறை பிரேஸ்ட் அலுமினியம் வெப்ப பரிமாற்றிகளே ஆகும். உண்மையான உலக செயல்திறனை ஆய்வு செய்யும்போது, இந்த நவீன அமைப்புகள் பழைய மாதிரிகளுடன் ஒப்பிடும்போது மொத்த ஆற்றல் பயன்பாட்டை 40 முதல் 50 சதவீதம் வரை குறைக்கின்றன. தினமும் பல ஷிப்டுகளில் இயங்கும் பெரிய தொழில்துறை செயல்பாடுகளுக்கு, இது ஒரு வருடத்திற்கு சுமார் 2.8 மில்லியன் டாலர் அளவிலான இயக்கச் செலவுகளில் மட்டுமே சேமிப்பை ஏற்படுத்துகிறது; இந்த எண்கள் 2022-இல் அமெரிக்க ஆற்றல் துறையின் தொழில்துறை தொழில்நுட்பங்கள் முயற்சியின் மூலம் சேகரிக்கப்பட்டவை.

ஏன் கிரையோஜெனிக்ஸ்? கொதிநிலை வேறுபாடுகள் அதிக தூய்மை கொண்ட வாயு உற்பத்தியை சாத்தியமாக்குகின்றன

கிரையோஜெனிக் காற்று பிரிப்பு என்பது தற்போதும் தொழில்துறையில் ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் போன்ற மிக அதிக தூய்மை கொண்ட வாயுக்களை பெரிய அளவில் பெறுவதற்கான முக்கியமான முறையாகவே உள்ளது. இந்த வாயுக்கள் வெவ்வேறு கொதிநிலைகளைக் கொண்டிருப்பதால் இந்த செயல்முறை செயல்படுகிறது; இதன் மூலம் தயாரிப்பாளர்கள் இவற்றை மிக அதிக துல்லியத்துடன் (பெரும்பாலும் 99.5% ஐ விட அதிகமாக) பிரித்தெடுக்க முடிகிறது. ASTM மற்றும் ISO போன்ற தர நிறுவனங்கள் இதை D1946 மற்றும் 8573-1 தர வரையறைகள் மூலம் உறுதிப்படுத்துகின்றன. உண்மையான எண்களைப் பார்த்தால், நைட்ரஜன் தோராயமாக -196 டிகிரி செல்சியஸில் கொதிக்கிறது, ஆர்கான் தோராயமாக -186 டிகிரி செல்சியஸில் கொதிக்கிறது, மேலும் ஆக்ஸிஜன் தோராயமாக -183 டிகிரி செல்சியஸில் கொதிக்கிறது. இந்தச் சிறிய வெப்பநிலை வேறுபாடுகள் நடைமுறையில் மிகவும் முக்கியமானவை, ஏனெனில் இவை திரவமாக்குதலுக்குப் பின் பிராக்ஷனல் டிஸ்டிலேஷன் (பிரிப்பு வடித்தல்) செயல்முறையின் போது ஒவ்வொரு வாயுவும் எவ்வாறு பிரிக்கப்படுகிறது என்பதை நிர்ணயிக்கின்றன. இது ஏன் செயல்படுகிறது என்பதை நீங்கள் துல்லியமாக அறிய விரும்புகிறீர்களா? இந்த தெரிவு பிரிப்பு முறைக்கு அடிப்படையான முக்கியமான வெப்ப இயக்கவியல் விவரங்களை அடங்கிய அடுத்தடுத்த அட்டவணையைப் பாருங்கள்.

இந்த கணிசமான கனஅளவு குறைப்பு (710–875) திரவமாக்கப்பட்ட வாயுக்களை திறம்பட சேமித்தல் மற்றும் போக்குவரத்து செய்தலை சாத்தியமாக்குகிறது, இது அரைக்கடத்தி உற்பத்தி, விண்வெளி தொழில் மற்றும் மருத்துவமனைகளில் ஆக்ஸிஜன் வழங்கல் போன்ற தொடர்ச்சியான, உயர் தரத்தின் வாயு வழங்கலை தேவைப்படும் துறைகளுக்கு கிரையோஜெனிக்ஸை அவசியமாக்குகிறது.