காற்று பிரிப்பு அலகு (ASU) என்றால் என்ன? அது எவ்வாறு செயல்படுகிறது?

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் : வரையறை, முக்கிய செயல்பாடு மற்றும் தொழில்துறை பங்கு

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் அல்லது பொதுவாக ASUs என அழைக்கப்படும் வளிம பிரிப்பு நிலையங்கள், சாதாரண காற்றிலிருந்து கிரையோஜெனிக் வடிகட்டல் (cryogenic distillation) எனப்படும் ஒரு செயல்முறையின் மூலம் தூய ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகியவற்றை பெரிய அளவிலான தொழிற்சாலைகளில் பிரித்தெடுக்கின்றன. இது எவ்வாறு செயல்படுகிறது? இந்த செயல்முறை காற்றை முதலில் செறிவூட்டி, பின்னர் சுமார் -196°C எனும் மிக குளிர்ந்த வெப்பநிலைக்கு குளிர்விப்பதிலிருந்து தொடங்குகிறது. காற்று இந்த அளவுக்கு குளிர்ந்தால், அது திரவ நிலைக்கு மாறுகிறது; மேலும் வெவ்வேறு வளிமங்கள் தனித்தனியாக பிரிகின்றன, ஏனெனில் அவை வெவ்வேறு கொதிநிலைகளில் கொதிக்கின்றன. நைட்ரஜன் முதலில் -196°C இல் கொதித்து வெளியேறுகிறது; அதனைத் தொடர்ந்து ஆர்கான் -186°C இலும், இறுதியாக ஆக்ஸிஜன் -183°C இலும் கொதிக்கின்றன. இவ்வாறு பிரிக்கப்பட்ட வளிமங்களுக்கு பல்வேறு முக்கியமான பயன்பாடுகள் உள்ளன. மருத்துவ நிறுவனங்கள் மூச்சுத் திணறலால் பாதிக்கப்பட்ட நோயாளிகளுக்கு தூய ஆக்ஸிஜனை நம்பியுள்ளன. நைட்ரஜன் வேதித் தொழிற்சாலைகளில் பாதுகாப்பை உறுதி செய்கிறது, மேலும் உணவுப் பொருட்களை சேமிக்க உதவுகிறது. ஆர்கான் உலோகங்களை வெல்டிங் செய்யும்போது விரும்பத்தகாத ஆக்ஸைடுகள் உருவாவதைத் தடுக்க முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. எஃகு ஆலைகள், சிப் தயாரிப்பு நிறுவனங்கள் மற்றும் கழிவுநீர் சுத்திகரிப்பு நிலையங்கள் போன்றவை இவ்வகை தளத்தில் உள்ள வளிம வழங்கல்கள் இன்றி இயங்க முடியாது. இப்போது ASUs புதிய துறைகளிலும் ஈடுபடத் தொடங்கியுள்ளன — எ.கா., சுத்தமான ஹைட்ரஜன் எரிபொருளை உற்பத்தி செய்தல் மற்றும் கார்பன் உமிழ்வுகளை பிடித்தல் போன்றவை. இந்த விரிவாக்கம், ஆற்றல் அமைப்புகளை பசுமையாக்குவதிலும், காலநிலை மாற்ற சவால்களை நேரடியாக எதிர்கொள்வதிலும் இவ்வகை அலகுகள் எவ்வளவு முக்கியமானவை என்பதை வெளிப்படுத்துகிறது.

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் எவ்வாறு செயல்படுகின்றன: கிரையோஜெனிக் வடிகட்டும் செயல்முறை

ஏன் கிரையோஜெனிக்ஸ்? காற்று திரவமாதல் மற்றும் பிரித்தலுக்கான வெப்ப இயக்கவியல் அடிப்படை

கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் காற்றுப் பொருள்களைப் பிரிப்பதில் மிகவும் திறமையாகச் செயல்படுகிறது, ஏனெனில் நாம் கையாளும் வாயுக்கள் அடிப்படையில் ஒரே அளவில் இருக்கின்றன மற்றும் வேதியியல் ரீதியாக மிகக் குறைவாகவே வினைபுரிகின்றன. இதனால், மெம்பிரேன்கள் அல்லது அழுத்த மாற்ற உறிஞ்சுதல் (PSA) போன்ற மற்ற அணுகுமுறைகள், மிக உயர் தூய்மையுடன் பெரிய அளவில் தயாரிக்கப்பட வேண்டிய பொருட்களுக்கு மிகவும் திறமையற்றவையாக அமைகின்றன. பொறியாளர்கள் காற்றை தோராயமாக -180°C வரை குளிர்விக்கும்போது, ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் பிற வாயுக்களுக்கு இடையே உள்ள கொதிநிலையில் மிகச் சிறிய வேறுபாடுகளைப் பயன்படுத்த முடிகிறது. இந்த முழு செயல்முறையும் பல கம்பிரஸர் நிலைகளைக் கொண்டுள்ளது, இங்கு காற்று ஒவ்வொரு நிலையிலும் படிப்படியாக அழுத்தப்பட்டு, அதன் பின்னர் குளிர்விக்கப்படுகிறது. இந்த அழுத்தம் அசல் காற்று கனஅளவை தோராயமாக 700 மடங்கு குறைக்கிறது, மேலும் வெப்ப திறனை பயனுள்ள அளவிற்கு பராமரிக்கிறது. ஆம், இது மிக அதிக அளவில் மின்சக்தியை நுகர்கிறது – ஒரு டன் ஆக்ஸிஜனை உற்பத்தி செய்வதற்கு மட்டுமே 200 முதல் 300 கிலோவாட்-மணி நேரம் வரை தேவைப்படுகிறது. இருப்பினும், இந்த அதிக ஆற்றல் தேவை இருந்தாலும், 99.5% க்கு மேற்பட்ட தூய்மையுடன் ஆக்ஸிஜனையும், உற்பத்தி தேவைகள் மிக அதிகமாக இருக்கும்போது 99.999% க்கு மேற்பட்ட கிட்டத்தட்ட குறைப்பற்ற தூய்மையுடன் நைட்ரஜனையும் தயாரிக்க கிரையோஜெனிக் வடிகட்டுதல் தான் முதன்மையான முறையாக தொடர்கிறது.

ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் பிரித்தெடுத்தல்: இரட்டை-தூண் அமைப்புகளில் பின்ன வடிகட்டுதல்

இன்றைய காற்றுப் பிரிப்பு அலகுகள், தயாரிப்பு தூய்மை மற்றும் பொருள் மீட்டல் வீதங்கள் ஆகிய இரண்டிலும் தங்கள் உள்ளீட்டு பொருளின் முழு சக்தியையும் பயன்படுத்துவதற்காக இரட்டை-தண்டு வடிகட்டும் அமைப்புகளைச் சார்ந்துள்ளன. இச்செயல்முறை நாம் 'அதிக அழுத்தத் தண்டு' எனக் குறிப்பிடும் தண்டில் தொடங்குகிறது; இது சுமார் 5 முதல் 6 பார் அழுத்த நிலைகளில் இயங்குகிறது. இங்கு, நைட்ரஜன் செறிவுள்ள ஆவிகள் இயல்பாகவே மேல்நோக்கி எழும்புகின்றன, அதே நேரத்தில் கனமான ஆக்ஸிஜன் செறிவுள்ள திரவம் அடிப்பகுதியில் சேகரிக்கிறது. பின்னர் இந்த திரவம் விரிவாக்க வால்வுகள் வழியாகச் சென்று, பொதுவாக 1.2 முதல் 1.5 பார் அழுத்தத்தில் இயங்கும் இரண்டாம் கட்டத்தின் குறைந்த அழுத்தத் தண்டுக்குச் செல்கிறது. அழுத்தங்களில் ஏற்படும் வேறுபாடு கூறுகளை தெளிவாகப் பிரிப்பதற்குத் தேவையான வெப்பநிலை வடிவமைப்பை முழு அமைப்பிலும் உருவாக்குகிறது. ஆர்கான் ஒரு சுவாரஸ்யமான சந்தர்ப்பத்தை வழங்குகிறது, ஏனெனில் அதன் கொதிநிலை நைட்ரஜன் மற்றும் ஆக்ஸிஜன் ஆகிய இரண்டின் கொதிநிலைகளுக்கு இடையில் அமைந்துள்ளது. எனவே, அது முக்கிய தண்டுகளுக்கு இடையில் முறையாக வைக்கப்பட்டுள்ள சிறப்பு பக்க வெளியீடுகளில் (side draws) சேகரிக்கப்படுகிறது; பின்னர் அது தனித்தனியாக அமைக்கப்பட்ட ஆர்கான் தூய்மைப்படுத்தும் கோபுரங்களுக்கு கூடுதல் தூய்மைப்படுத்தலுக்காக அனுப்பப்படுகிறது. இவ்வகை அமைப்புகளை வடிவமைக்கும்போது, பொறியாளர்கள் பல முக்கிய காரணிகளில் கவனம் செலுத்துகின்றனர்: சரியான மறுசுழற்சி (reflux) விகிதத்தைப் பெறுதல், திறமையான தட்டுகள் (trays) அல்லது அமைப்பு முறையில் அமைக்கப்பட்ட நிரப்புப் பொருள்களை (structured packing materials) பொருத்துதல், மேலும் செயல்முறை முழுவதும் நெருக்கடியான வெப்பக் கட்டுப்பாட்டை பராமரிக்க உதவும் சிறப்பு பிரேஸ்டு செய்யப்பட்ட அலுமினியம் வெப்ப பரிமாற்றிகளை (brazed aluminum heat exchangers) சேர்த்தல் ஆகியவை அவற்றுள் முக்கியமானவை. இந்த அனைத்து பொறியியல் முயற்சிகளும் என்ன விளைவை ஏற்படுத்துகின்றன? இது 99.5% ஐ விட அதிகமான ஆக்ஸிஜன் தூய்மை, தோராயமாக ஐந்து '9'கள் (99.999%) வரையிலான நைட்ரஜன் தூய்மை, மேலும் ஆறு '9'களை மீறும் (99.9995%) ஆர்கான் தயாரிப்புகளைக் குறிக்கிறது. மொத்த மீட்டல் வீதங்கள், அமைப்பு வடிவமைப்பில் நேரடியாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட புத்திசாலித்தனமான உள் மறுசுழற்சி முறைகளுக்கு நன்றி செலுத்தி 99% ஐ மிகைப்படுத்துகின்றன.

சமகால வானிலை பிரிப்பு அலகுகளின் முக்கிய கூறுகள் மற்றும் இயக்க நிலைகள்

முக்கிய ASU உப-அமைப்புகள்: காற்று செறிவூட்டல், தூய்மைப்படுத்தல் (மூலக்கூறு திரைகள்), வெப்ப பரிமாற்றம் மற்றும் வடிகட்டும் தூண்கள்

நவீன காற்று பிரிப்பு அலகுகள் பொதுவாக நான்கு முக்கிய பாகங்களைக் கொண்டு ஒருங்கிணைந்து இயங்குகின்றன. முதல் படியில், சாதாரண காற்றை தோராயமாக 5 முதல் 6 பார் அழுத்தத்திற்கு உயர்த்தும் பெரிய கம்ப்ரஸர்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன; இது பின்னர் திரவமாக்கும் செயல்முறையை மிகச் சிறப்பாக இயக்குகிறது. கம்ப்ரஷனுக்குப் பிறகு, காற்று ஓட்டத்திலிருந்து ஈரப்பதம், கார்பன் டை ஆக்ஸைடு மற்றும் பிற ஹைட்ரோகார்பன்களை அகற்றுவதற்காக மூலக்கூறு திரைகள் (மாலிக்யூலர் சீவ்) பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இது அமைப்பின் குளிர்ந்த பகுதிகளில் பனிக்கட்டிகள் உருவாதல் மற்றும் செரிவு போன்ற பிரச்சனைகளைத் தடுக்கிறது. தூய்மையாக்கப்பட்ட பின்னர், காற்று அலுமினியம் வெப்ப மாற்றிகளுக்குள் செல்கிறது, அங்கு அது தோராயமாக மைனஸ் 175 டிகிரி செல்சியஸ் வரை குளிர்விக்கப்படுகிறது. இந்த குளிர்விப்பு வெளியே வரும் தயாரிப்புகளுடன் முறையான எதிரோட்ட (கவுண்டர்ஃப்ளோ) முறையில் நிகழ்கிறது, இது செயல்முறையில் மிகவும் ஆற்றலை சேமிக்கிறது. இறுதி கட்டத்தில், இரண்டு வேறுபட்ட வடிகட்டும் தூண்கள் (டிஸ்டிலேஷன் காலம்ஸ்) செயல்படுகின்றன. அதிக அழுத்தத்தில் இயங்கும் முதல் தூண் முதன்மை ஆக்ஸிஜன் மற்றும் நைட்ரஜன் செறிவூட்டப்பட்ட ஆவியை உருவாக்குகிறது; இரண்டாவது, குறைந்த அழுத்தத்தில் இயங்கும் தூண் இவற்றை மேலும் தூய்மையாக்கி, தூய ஆக்ஸிஜன் மற்றும் ஆர்கான் போன்ற இறுதி தயாரிப்புகளை உருவாக்குகிறது. பழைய ஒற்றை-தூண் அமைப்புகளுடன் ஒப்பிடும்போது, இந்த பல-படிநிலை அணுகுமுறை தொழில் அறிக்கைகளின்படி, ஆற்றல் தேவையை 15 முதல் 20 சதவீதம் வரை குறைக்கிறது.

உள்ளீட்டிலிருந்து விநியோகம் வரை: சேமிப்பு, ஆவியாக்கம் மற்றும் குழாய் வழியான விநியோகம் ஆகியவற்றின் ஒருங்கிணைப்பு

இந்த செயல்முறை நமது சுற்றுப்புறங்களிலிருந்து வடிகட்டப்பட்ட காற்றை உள்ளே கொண்டுவருவதுடன் தொடங்குகிறது, பின்னர் அதை ஒதுக்கி (compress) தூய்மைப்படுத்துகிறோம். இவை வடிகட்டப்பட்ட பின், திரவ ஆக்ஸிஜன் மற்றும் நைட்ரஜன் குறைந்தபட்சம் -183 டிகிரி செல்சியஸ் எனும் மிகக் குளிர்ந்த வெப்பநிலையில் வைக்கப்படும் சிறப்பு சேமிப்புத் தொட்டிகளில் சேமிக்கப்படுகின்றன. இந்தத் தொட்டிகள் தேவை மாறுபடும் போது முக்கிய இடைநிலை சேமிப்பு அமைப்புகளாகச் செயல்படுகின்றன; இது அடிப்படை ஆக்ஸிஜன் உருக்கும் முறையைப் பயன்படுத்தும் எஃகு ஆலைகள் போன்ற தொழில்துறைகளுக்கு மிகவும் பயனுள்ளதாக இருக்கிறது. இந்த கிரையோஜெனிக் திரவங்களை விநியோகிக்கும் போது, அவை முதலில் சூழல் வெப்பநிலையால் அல்லது நீராவியால் சூடுபடுத்தப்படும் ஆவியாக்கிகள் (vaporizers) வழியாகச் செலுத்தப்படுகின்றன, பின்னர் அழுத்தமேற்றப்பட்ட குழாய்களில் செலுத்தப்படுகின்றன. வாடிக்கையாளர்களின் உண்மையான தேவைகளை அடிப்படையாகக் கொண்டு என்ன விநியோகிக்கப்பட வேண்டும் என்பதை தெளிவாகக் கட்டுப்படுத்தும் புத்திசாலி ஓட்டக் கட்டுப்பாட்டு அமைப்புகள், விநியோக நம்பகத்தன்மையை 99.9% க்கு மேல் பராமரிக்கின்றன. தொட்டிகளின் மேம்பட்ட வெப்ப காப்பு மற்றும் ஆவியாகும் வாயுக்களைச் சேகரித்தல் போன்ற நவீன வெப்ப மேலாண்மை முறைகள் பழைய முறைகளுடன் ஒப்பிடும்போது இழப்புகளை தோராயமாக 30% வரை குறைக்கின்றன, இதனால் மொத்த இயக்கங்கள் மிகவும் திறமையாக மாறுகின்றன.

செயல்திறன் கருத்தில் கொள்ள வேண்டியவை: ஆற்றல் பயன்பாடு, தூய்மை அளவுகள் மற்றும் பயன்பாட்டு-குறிப்பிட்ட வடிவமைப்பு

வாயு பிரிப்பு அலகை (ASU) இன் சிறந்த செயல்திறனைப் பெறுவதற்கு, அதன் வடிவமைப்பு சிறப்பியல்புகளை இறுதி தயாரிப்புக்கு உண்மையில் தேவையானவற்றுடன் பொருத்தமாக அமைத்தல் அவசியம்; எல்லா வகையிலும் அதிகபட்ச தூய்மையை அடைவதற்காக முயற்சிப்பது தவறான அணுகுமுறையாகும். உண்மையில், உயர் தூய்மை அளவுகளை அடைவது ஆற்றல் செலவை அடுக்கு வளர்ச்சியில் (exponentially) அதிகரிக்கிறது. எடுத்துக்காட்டாக, நைட்ரஜன் உற்பத்தியை எடுத்துக்கொள்வோம்: எலக்ட்ரானிக்ஸ் தயாரிப்புத் துறையில் பயன்படுத்தப்படும் >99.99% தூய்மை கொண்ட மிக அதிக தரத்தின் நைட்ரஜனை உற்பத்தி செய்வது, உணவு பாதுகாப்பிற்காகப் பயன்படுத்தப்படும் 99.5% ஆக்ஸிஜனை உற்பத்தி செய்வதை விட 40 முதல் 50 சதவீதம் வரை அதிக மின்சக்தியை பயன்படுத்துகிறது. தேவையிலும் அதிகமாகச் செய்வது பணத்தையும் வளங்களையும் வீணாக்குகிறது. ஆனால், மறுபுறம், குறைந்தபட்சத் தரத் தரங்களை நிறைவேற்றாமல் இருத்தல் பின்னாளில் கடுமையான பிரச்சனைகளை ஏற்படுத்தக்கூடும். ஓரளவு ஆக்ஸிஜன் கலப்பு செமிகண்டக்டர் வேஃபர்களை உற்பத்தியின் போது சேதப்படுத்தலாம் அல்லது மருந்து தயாரிப்புகளை நோயாளிகளுக்கு பாதுகாப்பற்றதாக ஆக்கலாம். தரம் மற்றும் செயல்திறன் ஆகியவற்றிற்கு இடையே சரியான சமநிலையைக் கண்டறிவது தொழில்துறை வாயு செயலாக்கத்தின் மிகப்பெரிய சவால்களில் ஒன்றாகவே தொடர்கிறது.

நல்ல வடிவமைப்பு வீணாகும் ஆற்றலைக் குறைக்க உதவுகிறது. மாறும் வேக கம்ப்ரஸர்கள் தேவையில் ஏற்படும் மாற்றங்களுக்கு ஏற்றவாறு தாமாக சரிசெய்து கொள்கின்றன. தொழிற்சாலைகள் தங்கள் திறனை படிப்படியாக விரிவாக்க இந்தத் தூண்களை வெவ்வேறு வழிகளில் அமைக்க முடியும். மேலும், சேமிப்பு மட்டங்களை மெய்நேரத்தில் கண்காணிப்பதன் மூலம் ஆபரேட்டர்கள் திரவப் பொருட்களை எவ்வளவு வேகமாக உற்பத்தி செய்ய வேண்டும் என்பதை மாற்றிக் கொள்ள முடியும், இதனால் வீணாகும் மின்சாரத்தை 15 முதல் 25 சதவீதம் வரை குறைக்க முடியும். மேலும், சமீபத்திய மூலக்கூறு திரைகள் (molecular sieves) தூய்மைப்படுத்தும் இடைவெளிகளை நீட்டித்து, மாசுகளை திறம்பட அகற்றுகின்றன. இதனால் தயாரிக்கப்படும் பொருட்களின் தரம் தொடர்ந்து நிலையாக இருக்கிறது, மேலும் தொழிற்சாலைகள் நிறுத்தமின்றி நீண்ட காலம் சிக்கனமாக இயங்குகின்றன.

கேள்விகளுக்கு பதில்கள்

காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (Air Separation Units) எதற்காகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன?
காற்று பிரிப்பு அலகுகள் (Air Separation Units) என்பவை மருத்துவ வசதிகள், வேதியியல் தொழிற்சாலைகள், கண்ணி வெல்டிங், எஃகு ஆலைகள் மற்றும் பலவற்றில் பயன்படுத்தப்படும் பல்வேறு தொழில்முறை பயன்பாடுகளுக்கு அவசியமான ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் போன்ற தூய வாயுக்களை உற்பத்தி செய்யப் பயன்படுகின்றன.

காற்று பிரிப்பு அலகுகளில் கிரையோஜெனிக் வடிகட்டல் (cryogenic distillation) எவ்வாறு செயல்படுகிறது?
கிரையோஜெனிக் வடிகட்டல் என்பது செறிவூட்டப்பட்ட காற்றை மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைக்கு குளிர்வித்து அதனை திரவமாக்குவதன் மூலம் செயல்படுகிறது. பின்னர் வெவ்வேறு வாயுக்கள் அவற்றின் தனித்தன்மை வாய்ந்த கொதிநிலைகளின் அடிப்படையில் பிரிக்கப்படுகின்றன.

ஏன் ஆற்றல் நுகர்வு ஒரு கவலையாக உள்ளது காற்று பிரிப்பு அலகுகள் ?
காற்றிலிருந்து வாயுக்களை கிரையோஜெனிக் முறையில் பிரிப்பது ஆற்றல்-தீவிரமான செயல்முறை ஆகும்; எனவே செலவுகளையும் சுற்றுச்சூழல் தாக்கத்தையும் குறைப்பதற்காக குறிப்பிட்ட பயன்பாடுகளுக்கு தேவையான தூய்மை நிலைக்கு ஏற்ப ஆற்றல் பயன்பாட்டை சமன் செய்வது மிகவும் முக்கியமாகும்.