திரவ காற்று பிரிப்பு அலகு: செயல்முறை மற்றும் பயன்பாடுகள்

எவ்வாறு திரவ காற்று பிரிப்பு அலகுகள் செயல்படுகிறது: கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் செயல்முறை

திரவமாக்குதல் மற்றும் கொதிநிலை வேறுபாடு: நைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகியவற்றைப் பிரித்தல்

கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் செயல்முறை என்பது, நைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகிய வாயுக்கள் ஒவ்வொன்றும் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளில் கொதிப்பதை அடிப்படையாகக் கொண்டு அவற்றைப் பிரிப்பதாகும். முதலில், சாதாரண காற்று தோராயமாக 6 பார் அழுத்தத்திற்கு செறிவூட்டப்பட்டு, பின்னர் திரவ நிலைக்கு மாறும் வரை தோராயமாக -175 டிகிரி செல்சியஸ் வரை குளிரூட்டப்படுகிறது. மீண்டும் சூடுபடுத்தப்படும்போது, நைட்ரஜன் முதலில் -195.8 டிகிரி செல்சியஸ் அருகில் கொதித்து வெளியேறுகிறது; அடுத்து ஆர்கான் -185.9 டிகிரி செல்சியஸ் அருகில் கொதிக்கிறது; இறுதியாக ஆக்ஸிஜன் -183 டிகிரி செல்சியஸ் அருகில் கொதிக்கிறது. நைட்ரஜன் மற்றும் ஆக்ஸிஜன் பிரிவதற்கிடையே உள்ள 13 டிகிரி வெப்பநிலை வித்தியாசம் என்பது வடிகட்டுதல் கோபுரங்களில் தூய்மையான முடிவுகளைப் பெறுவதில் மிக முக்கியமானதாகும். இந்த கவனமான வெப்பநிலை கட்டுப்பாட்டின் காரணமாக, இன்றைய காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (ASUs) ஆகியவை ஆக்ஸிஜன் மற்றும் நைட்ரஜனை 99.5% க்கும் அதிகமான தூய்மை நிலையில் நம்பகமாக உற்பத்தி செய்யும் அதே நேரத்தில், செயல்முறையில் கிடைக்கும் ஆர்கானின் 95% ஐ விட அதிகமாக மீட்டெடுக்கின்றன.

திரவ காற்று ஏன் அவசியமான உள்ளீடாகும் — வெப்ப இயக்கவியல் மற்றும் ஆற்றல் ஒருங்கிணைப்பு

திரவ காற்று பெரிய ASU செயல்பாடுகளுக்கு அடிப்படையான தொடக்கப் பொருளாகச் செயல்படுகிறது, அது வசதியானது என்பதால் மட்டுமல்ல, அதன் வெப்ப இயக்கவியல் செயல்பாட்டின் காரணமாகவும் ஆகும். நாம் காற்றை திரவமாக்கும்போது, அதன் கனஅளவை ஏறக்குறைய 700 மடங்கு சுருக்குகிறோம்; இதனால் அதை சிறிய இடங்களில் சேமிக்க முடிகிறது, வெப்பத்தை பயனுள்ள முறையில் கடத்த முடிகிறது, மேலும் அந்த வடிகட்டும் தூண்கள் சீராக இயங்குவதை உறுதிப்படுத்த முடிகிறது. நிச்சயமாக, பொருள்களை ஒதுக்குவதற்கு நிறைய ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது, ஆனால் திரவ ஆக்ஸிஜன் மற்றும் திரவ நைட்ரஜன் போன்ற தயாரிப்புகளிலிருந்து அந்த குளிர்ச்சியை மீட்டெடுக்கும் புத்திசாலித்தனமான அமைப்புகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. இது மொத்த ஆற்றல் தேவையை 30% முதல் 40% வரை குறைக்க உதவுகிறது. இந்த சிக்கலற்ற திறன்களின் காரணமாக, திரவீகரிப்பு வழியான வடிகட்டுதல் தொழில்நுட்பம், தினசரி 100 டன்களுக்கு மேற்பட்ட மிகப்பெரிய அளவிலான செயல்பாடுகளுக்கு முதன்மையான முறையாக தொடர்கிறது; ஏனெனில் மெம்பிரேன் அல்லது PSA போன்ற மாற்று முறைகள் தேவையான உற்பத்தி அளவுகளையும், தூய்மைத் தரத்தையும் அடைய முடியாது. இதை இப்படி பாருங்கள்: மணிக்கு 5,000 Nm³ ஆக்ஸிஜனை உற்பத்தி செய்யும் தொழிற்சாலைகள் அரை ஏக்கர் நிலப்பரப்பில் எளிதில் அமைக்கப்பட முடியும்; இது மாற்று தொழில்நுட்பங்களுடன் சாத்தியமாகாது.

காற்று பிரிப்பு அலகுகளின் முக்கிய செயல்முறை நிலைகள்

செறிவூட்டல் மற்றும் தூய்மைப்படுத்தல்: உறைவு நிகழ்வைத் தடுக்க CO₂, ஈரப்பதம் மற்றும் ஹைட்ரோகார்பன்களை அகற்றுதல்

ASUs என்பவை சுற்றுச்சூழல் காற்றை ~150 psia (≅10 பார்) அளவிற்கு செறிவூட்டுவதன் மூலம் தொடங்குகின்றன, இதனால் கீழ்நிலை செயல்முறைகளுக்கான அதன் அடர்த்தி அதிகரிக்கிறது. இந்த அழுத்தம் கொண்ட காற்று பின்னர், கிரையோஜெனிக் வெப்பநிலைகளில் உறைந்து அல்லது வினைபுரியும் மாசுக்களை அகற்றுவதற்காக வடிவமைக்கப்பட்ட பல-நிலை தூய்மைப்படுத்தும் தொடரின் வழியாகச் செல்கிறது:

• துகள் வடிகட்டிகள் தூசி மற்றும் இயந்திர துகள்களை அகற்றுகின்றன
• கூடிய வடிகட்டிகள் செறிவூட்டி எண்ணெய் பூச்சுகளை அகற்றுகின்றன
• உறிஞ்சும் படுகைகள் செயல்படுத்தப்பட்ட அலுமினா மற்றும் ஜியோலைட்களைக் கொண்டு ஈரப்பதம் மற்றும் CO₂ ஐ உறிஞ்சுகின்றன

இந்த படிப்படியான அணுகுமுறை வெப்ப மாற்றிகளில் பனிக்கட்டியின் உருவாதலைத் தடுக்கிறது, மேலும் ஆக்ஸிஜன்-செறிவூட்டப்பட்ட சூழல்களில் அறியப்பட்ட வெடிப்பு அபாயத்தை ஏற்படுத்தும் அசிட்டிலீன் சேர்க்கையை நீக்குகிறது. சரியான தூய்மைப்படுத்தல், மூலக்கூறு திரைகளின் சேவை ஆயுளை 30–40% வரை நீட்டிக்கிறது, இது வாழ்நாள் முழுவதுமான பராமரிப்பு செலவுகளை குறிப்பிடத்தக்க அளவிற்குக் குறைக்கிறது.

குளிரூட்டுதல், விரிவாக்கம் மற்றும் பிரித்தல்: வாயு நிலையிலான காற்றிலிருந்து உயர் தூய்மையுடைய திரவப் பொருட்கள் வரை

தூய்மைப்படுத்திய பின், காற்று கிரையோஜெனிக் பிரிவிற்கு நுழைகிறது, அங்கு பிராச்டு செய்யப்பட்ட அலுமினியம் தகடு-விரிப்பு வெப்ப மாற்றிகளில் எதிரோட்ட வெப்ப மாற்றத்தின் மூலம் காற்று ~−185°C வரை குளிரூட்டப்படுகிறது. அதன் ஒரு பகுதி டர்பைன்கள் வழியாக கட்டுப்படுத்தப்பட்ட விரிவாக்கத்திற்கு உட்படுத்தப்படுகிறது; இது ஜூல்-தாம்சன் விளைவைப் பயன்படுத்தி பகுதி திரவமாக்கலை ஏற்படுத்துகிறது. இதன் விளைவாக உருவாகும் இரு-கட்ட கலவை இரட்டை-தண்டு வடிகட்டும் அமைப்பிற்கு உள்ளே செலுத்தப்படுகிறது:

தொடர்ச்சியான ஆவியாக்கம் மற்றும் மீண்டும் கொதிக்க வைத்தல் சுழற்சிகள் கூறுகளை துல்லியமாகப் பிரிக்கின்றன. விரிவாக்கத்தின் போது ஆற்றல் மீட்டெடுப்பு, செறிவூட்டுதலுக்கு பயன்படுத்தப்பட்ட ஆற்றலின் 65–75% ஐ மீட்டெடுக்கிறது — இது செயல்முறையை வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியாக திறமையானதாகவும், செயல்பாட்டு ரீதியாக நிலையானதாகவும் ஆக்குகிறது.

காற்று பிரித்தல் அலகுகளின் முக்கிய தொழில்துறை பயன்பாடுகள்

கனமான தொழில் தேவை: எஃகு உற்பத்தி, வேதியியல் சிந்தனை மற்றும் வாயு மற்றும் திரவ ஆக்ஸிஜன்/நைட்ரஜன் கொண்டு தூய்மைப்படுத்துதல்

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (ASUs) தயாரிப்புத் துறையின் பல முக்கிய துறைகளுக்கு ஆக்ஸிஜன் மற்றும் நைட்ரஜனின் வாயு மற்றும் திரவ வடிவங்களை வழங்குகின்றன. உதாரணமாக, எஃகு உற்பத்தியை எடுத்துக்கொள்ளலாம். தயாரிப்பாளர்கள் ஆக்ஸிஜனை நேரடியாக பிளாஸ்ட் ஃபர்னேஸ் அல்லது பேசிக் ஆக்ஸிஜன் ஃபர்னேஸ்களுக்குள் செலுத்தும்போது, அவர்கள் சிறந்த எரிதல் முடிவுகளைப் பெறுகின்றனர். இது பொதுவாக கோக் பயன்பாட்டை 20 முதல் 30 சதவீதம் வரை குறைக்கிறது, மேலும் ஒவ்வொரு டன் எஃகு உற்பத்திக்கும் கார்பன் டை ஆக்ஸைடு வெளியேற்றத்தையும் குறைக்கிறது. ஆக்ஸிஜன் மாசுபாட்டிலிருந்து பாதுகாக்கப்பட வேண்டிய வேதிச் செயல்முறைகளுக்கு திரவ நைட்ரஜன் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. எத்திலீன் ஆக்ஸைடு உற்பத்தி இங்கு நினைவிற்கு வருகிறது, ஏனெனில் ஆக்ஸிஜனின் மிகச் சிறிய அளவுகள் கூட ஆபத்தான சிதைவு வினைகளுக்கு வழிவகுக்கும். தூய்மையான ஆக்ஸிஜனை (தோராயமாக 99.5% அல்லது அதற்கு மேல்) பயன்படுத்தும்போது எண்ணெய் தூய்மைப்படுத்தும் நிலையங்களுக்கும் நன்மைகள் உண்டு. இந்த உயர் தூய்மை நிலைகள் வினைமுறை பிளவு செயல்முறைகளை மேம்படுத்துகின்றன, மேலும் வினைமுறை வினையூக்கிகள் நேரத்துடன் செயலிழக்காமல் இருக்க ஹைட்ரோ டிசல்பரைசேஷனை திறம்பட பராமரிக்க உதவுகின்றன. திரவ வடிவத்தின் நன்மைகள் செயல்திறனை மட்டும் மீறியது அல்ல. ஏனெனில், திரவங்கள் சிறிய கனஅளவுகளில் அதிக ஆற்றலை அடக்கியிருக்கின்றன மற்றும் தருவாய் தொடர்பான விருப்பங்களை அதிகரிக்கின்றன, எனவே ASUs-ஐ தங்கள் செயல்பாடுகளில் ஒருங்கிணைக்கும் நிறுவனங்கள், வாயு விநியோகத்திற்காக குழாய் வழியே மட்டும் சார்ந்திருப்பதை விட தடையில்லா போக்குவரத்து செலவுகளை தோராயமாக 40% வரை குறைக்கின்றன.

அதிக தூய்மையுள்ள சிறப்புப் பயன்பாடுகள்: மருத்துவ ஆக்ஸிஜன், மாற்றப்பட்ட வளிமண்டல பேக்கேஜிங் மற்றும் செமிகண்டக்டர் தயாரிப்பு

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (Air separation units) பெரும் அளவிலான வாயுக்களை உற்பத்தி செய்வதை மட்டுமே செய்வதில்லை. அவை உண்மையில், சில மிகவும் முக்கியமான பயன்பாடுகளுக்கு அவசியமான அதிக தூய்மையுள்ள வாயுக்களை உருவாக்குகின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, மருத்துவத் தரத்திலான ஆக்ஸிஜன் (medical grade oxygen). இது USP/EP தரத்தின்படி குறைந்தபட்சம் 99.5% தூய்மையுடையதாக இருக்க வேண்டும்; மூச்சுத் துணைத் தேவையுள்ள நோயாளிகளுக்கும், தீவிர கவனிப்பு அலகுகளில் (intensive care units) இருக்கும் நோயாளிகளுக்கும் இது மிகவும் முக்கியமானது. கடந்த முக்கியமான சுகாதார நெருக்கடியின் போது இதன் தேவை ஏறத்தாழ 25% அதிகரித்தது. உணவுத் துறையும் நைட்ரஜனின் பண்புகளை மிகவும் நம்பியுள்ளது. உணவுப் பொருட்கள் மாற்றப்பட்ட வளிமண்டல பேக்கேஜிங் (modified atmosphere packaging - MAP) இல் சேமிக்கப்படும்போது, நைட்ரஜன் ஆக்ஸிஜனேஷன் மற்றும் நுண்ணுயிரிகளின் வளர்ச்சியைத் தடுப்பதன் மூலம் சீரழிவைத் தடுக்கிறது. இது சேமிப்புக் காலத்தை மிகவும் நீட்டிக்கிறது, மேலும் இத்துறையில் ஏறத்தாழ 30% உணவு வீணாகும் பிரச்சனையைக் குறைக்கிறது. அடுத்து, அரைக்கடத்திகள் (semiconductors) தயாரிப்பு துறை வரும்போது, தேவைகள் இன்னும் கண்டிப்பானவையாகின்றன. இந்தச் செயல்பாடுகளுக்கு, நைட்ரஜன் 99.999% தூய்மை (5N தூய்மை என அழைக்கப்படும்) வரை அடைய வேண்டும்; ஆக்ஸிஜன் கலப்பு 1 பகுதி மில்லியனுக்கு (1 part per million) குறைவாக இருக்க வேண்டும். இத்தகைய துல்லியத்தை அடைய கிரையோஜெனிக் வடிகட்டல் (cryogenic distillation) முறை மட்டுமே தகுதியுடையது; இது குறைப்பற்ற சிலிக்கான் வேஃபர்களை (flawless silicon wafers) உற்பத்தி செய்வதில் முக்கிய வேறுபாட்டை ஏற்படுத்துகிறது.

சமகால வாயு பிரிப்பு அலகுகளில் வடிவமைப்பு மற்றும் நம்பகத்தன்மை

இன்றைய ASUகள் தொழில்துறை சூழல்களில் கடினமான நிலைமைகள் ஏற்பட்டாலும் தொடர்ந்து இயங்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளன. இந்த அமைப்புகளில் மீண்டும் இயங்கும் கம்ப்ரஸர்கள் மற்றும் சிறப்பு கட்டுப்பாட்டு ஏற்பாடுகள் உள்ளன, அவை மிகவும் குளிர்ந்த காலம்களை ±0.5°C வரை துல்லியமாக பராமரிக்கின்றன. இந்த வெப்பநிலை நிலைத்தன்மை மிகவும் முக்கியமானது, ஏனெனில் இது பிரிப்புச் செயல்முறை சரியாக இயங்குவதையும், இறுதி தயாரிப்புகள் சுத்தமாகவும் தூய்மையாகவும் இருப்பதையும் உறுதிப்படுத்துகிறது. கட்டமைப்பு வலிமைக்காக, தயாரிப்பாளர்கள் வெற்றிட காப்புடன் கூடிய இரட்டை அடுக்கு டேங்க்குகளைப் பயன்படுத்துகின்றனர்; இவை குறிப்பிட்ட எஃகு கலவைகளில் தயாரிக்கப்பட்டவை, இவை −196°C வரையிலான குளிர்ச்சியில் பிளவுபடவோ அல்லது தேய்ந்து போகவோ மாட்டா. ஆற்றலை சேமிப்பதில், நவீன ASUகள் கம்ப்ரஷன் பாகங்களிலிருந்து வெப்பத்தை மீண்டும் பயன்படுத்துகின்றன, இதனால் பழைய மாதிரிகளுடன் ஒப்பிடும்போது மின்சக்தி தேவை 15 முதல் 20 சதவீதம் வரை குறைகிறது. இதை 'ஜர்னல் ஆஃப் கிளீனர் ப்ரொடக்ஷன்' போன்ற ஆய்விதழ்களில் வெளியிடப்பட்ட ஆய்வுகள் உறுதிப்படுத்துகின்றன. மற்றொரு சிறந்த அம்சம் மாடுலார் வடிவமைப்பு ஆகும், இது தொழிற்சாலைகள் தங்கள் திறனை படிப்படியாக விரிவாக்கவும், இயங்கும் நிலையிலேயே பாகங்களை மாற்றவும் அனுமதிக்கிறது. இந்த அனைத்து நுணுக்கமான பொறியியல் தேர்வுகளும் திறன் பயன்பாட்டில் தோராயமாக 99.6% நிலைத்தன்மையை வழங்குகின்றன, அதாவது மருத்துவமனைகள், செமிகண்டக்டர் தொழிற்சாலைகள் மற்றும் பிற முக்கிய வசதிகள் தங்களுக்குத் தேவையான நேரத்தில் திரவ நைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகியவற்றின் தொடர்ச்சியான விநியோகத்தை நம்பிக்கொள்ள முடியும்.

தேவையான கேள்விகள்

• கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் எவ்வாறு செயல்படுகிறது?
  கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் செயல்முறையில், செறிவூட்டப்பட்ட காற்று திரவ நிலைக்கு குளிர்விக்கப்பட்டு, பின்னர் அது வெப்பப்படுத்தப்பட்டு, அவற்றின் கொதிநிலைகளின் அடிப்படையில் வாயுக்கள் பிரிக்கப்படுகின்றன.
• ASU-களிலிருந்து தூய்மைப்படுத்தப்பட்ட வாயுக்களின் சில தொழில்துறை பயன்பாடுகள் யாவை?
  தூய்மைப்படுத்தப்பட்ட வாயுக்கள் எஃகு உற்பத்தி, வேதியியல் தயாரிப்பு, எண்ணெய் தூய்மைப்படுத்தல், மருத்துவத் துறை, மாற்றப்பட்ட வளிமண்டல பேக்கேஜிங் மற்றும் செமிகண்டக்டர் உற்பத்தி ஆகியவற்றில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
• சமகால ASU-களில் மாடுலார் வடிவமைப்பின் முக்கியத்துவம் என்ன?
  மாடுலார் வடிவமைப்பு செயல்பாடுகளை நிறுத்தாமலேயே திறனை விரிவாக்கவும், கூறுகளை மாற்றவும் அனுமதிக்கிறது, இது திறனையும் நம்பகத்தன்மையையும் மேம்படுத்துகிறது.
• தொழில்துறை பயன்பாடுகளில் ஆக்ஸிஜன் தூய்மை ஏன் முக்கியம்?
  ஆக்ஸிஜனின் அதிக தூய்மை எண்ணெய் தூய்மைப்படுத்தலில் வினைமுறை பிரித்தல் (catalytic cracking) போன்ற செயல்முறைகளுக்கும், வினைமுறை வினைமுனைகள் (catalyst) செயலிழப்பதைத் தடுக்கவும் மிகவும் முக்கியமானது.
• எந்தெந்த முக்கிய வாயுக்கள் காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (ASU-களில்) பிரிக்கப்படுகின்றன?
  நைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகியவை ASU-களில் பிரிக்கப்படும் முதன்மை வாயுக்களாகும்.