แผนผังกระบวนการแยกอากาศแบบคริโอเจนิกส์อธิบายอย่างละเอียด

การแยกอากาศแบบคริโอเจนิกส์ หน่วยแยกอากาศ ทำงานอย่างไร: ลำดับขั้นตอนทีละขั้นตอน

การอัดอากาศและการทำให้บริสุทธิ์: กำจัด CO₂ ความชื้น และไฮโดรคาร์บอน

อากาศจากสิ่งแวดล้อมรอบข้างจะถูกดูดเข้าไปยังคอมเพรสเซอร์แบบหลายขั้นตอนเหล่านี้ ซึ่งจะทำการอัดอากาศให้มีความดันสูงขึ้นจนถึงระดับประมาณ 0.6–0.8 เมกะพาสคาล หลังจากผ่านกระบวนการอัดแล้ว อากาศจะไหลผ่านสิ่งที่เรียกว่า "เตียงกรองโมเลกุล" (molecular sieve beds) วัสดุพิเศษเหล่านี้จะจับสารต่างๆ เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ความชื้น และไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ ไว้ การกำจัดสิ่งปนเปื้อนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะหากไม่กำจัดออก จะทำให้เกิดการสะสมของน้ำแข็งและปัญหาการกัดกร่อนในภายหลังบริเวณส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำของระบบ ส่วนใหญ่ในระบบสมัยใหม่ หน่วยแยกอากาศ ใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า "การดูดซับแบบเปลี่ยนอุณหภูมิ" (temperature swing adsorption) จริงๆ แล้ว โครงสร้างโดยทั่วไปประกอบด้วยหอสองหอที่ทำงานร่วมกัน โดยขณะที่หอหนึ่งกำลังทำหน้าที่กำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากอากาศ อีกหอหนึ่งจะอยู่ในขั้นตอนการฟื้นฟูประสิทธิภาพ (regeneration) ซึ่งทำได้โดยการเป่าไนโตรเจนเสียผ่านหอนั้น หรือโดยการให้ความร้อนกับวัสดุเพื่อปล่อยสิ่งสกปรกที่ถูกดักจับไว้ออกมา

การทำให้อุณหภูมิต่ำอย่างลึกซึ้งและการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวผ่านเทอร์โบอินส์แบบขยาย (Expansion Turbines) และผลของโจล-ธอมสัน (Joule–Thomson Effect)

อากาศที่ผ่านการบริสุทธิ์และอัดความดันจะถูกทำให้เย็นลงก่อนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่เหล่านี้ โดยผ่านกระแสผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิต่ำซึ่งไหลย้อนกลับมาจากส่วนอื่นๆ ของระบบ อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณลบ 175 องศาเซลเซียสหลังขั้นตอนนี้ การกลายเป็นของเหลวที่แท้จริงเกิดขึ้นส่วนใหญ่ภายในเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงมาก โดยก๊าซจะขยายตัวอย่างรวดเร็ว พร้อมแปลงพลังงานจากความดันให้เป็นงานเชิงกล ในขณะเดียวกันก็ทำให้อุณหภูมิลดลงด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์จูล-ธอมสัน (Joule-Thomson effect) ไนโตรเจนมีจุดเดือดประมาณลบ 196 องศาเซลเซียส ในขณะที่ออกซิเจนมีจุดเดือดที่ลบ 183 องศาเซลเซียส ดังนั้นจุดเดือดที่ต่างกันนี้จึงช่วยแยกสารทั้งสองออกจากกันเป็นเฟสต่างๆ ก่อนที่เราจะเข้าสู่ขั้นตอนการกลั่น

การกลั่นแบบคริโอเจนิกในคอลัมน์คู่ลินเดอ: การแยกกระแสออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอน

เมื่ออากาศที่ถูกทำให้เป็นของเหลวไหลเข้าสู่สิ่งที่เรียกว่าระบบกลั่นแบบคอลัมน์คู่ จะถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของหน่วยแยกอากาศในปัจจุบัน ภายในคอลัมน์แรงดันสูงซึ่งทำงานที่ระดับความดันประมาณ 5 ถึง 6 บาร์ ไนโตรเจนจะมีแนวโน้มลอยขึ้นเป็นไอ ในขณะที่ของเหลวที่อุดมด้วยออกซิเจนจะไหลลงสู่ด้านล่าง ของเหลวนี้จะถูกปล่อยเข้าสู่คอลัมน์แรงดันต่ำที่ความดันประมาณ 1.2 ถึง 1.3 บาร์ ซึ่งการแยกสารเกิดขึ้นจริงผ่านสภาวะการไหลย้อน (reflux) ที่ควบคุมอย่างแม่นยำ อาร์กอนมีความโดดเด่นเนื่องจากจุดเดือดอยู่ที่ประมาณลบ 186 องศาเซลเซียส จึงสะสมตัวตามธรรมชาติในส่วนพิเศษที่ตั้งอยู่ระหว่างสองคอลัมน์นี้ กระบวนการทั้งหมดที่ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องนี้ผลิตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์ประมาณร้อยละ 99.5 และไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงถึงเกือบร้อยละ 99.999 ซึ่งมาตรฐานเหล่านี้สอดคล้องกับข้อกำหนดของ ISO 8573-1 และได้กลายเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ รวมถึงสถานพยาบาล โรงงานแปรรูปโลหะ และการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

อุปกรณ์หลักในหน่วยแยกอากาศแบบทันสมัย: ตู้เย็นและระบบผสานความร้อน

การออกแบบตู้เย็น: การรวมคอลัมน์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และท่ออย่างแน่นหนา

ที่ใจกลางของหน่วยแยกอากาศ (Air Separation Unit) ตั้งอยู่สิ่งที่เราเรียกว่า 'กล่องเย็น (Cold Box)' ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือห้องที่มีฉนวนกันความร้อนอย่างหนาแน่น ทำหน้าที่ยึดรวมอุปกรณ์ทั้งหมดไว้ภายในปลอกสุญญากาศขนาดใหญ่ชิ้นเดียว ภายในพื้นที่นี้ หอแยกแบบกลั่น (Distillation Towers) ตั้งเรียงรายเคียงข้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดบราซิงอะลูมิเนียม (Brazed Aluminum Heat Exchangers) ที่ออกแบบเฉพาะ และท่อ cryogenic ต่างๆ ที่วิ่งผ่านไปมาทั่วทั้งระบบ ทั้งโครงสร้างนี้ถือว่าชาญฉลาดมากจริงๆ เพราะเมื่ออุปกรณ์ทั้งหมดถูกจัดวางอย่างแน่นหนาและใกล้ชิดกันเช่นนี้ โอกาสที่ความร้อนจากภายนอกจะแทรกซึมเข้ามาโดยไม่ตั้งใจจึงลดลงอย่างมาก — ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญยิ่งเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงต่ำกว่าลบ 180 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ ทีมบำรุงรักษายังชื่นชอบการออกแบบนี้ด้วย เนื่องจากการซ่อมแซมอุปกรณ์ใช้เวลาน้อยลงประมาณ 30% เมื่อเทียบกับระบบรุ่นเก่าที่อุปกรณ์ต่างๆ ถูกกระจายติดตั้งอยู่ทั่วทุกแห่ง กล่องเหล่านี้ผลิตขึ้นส่วนใหญ่จากสแตนเลสสตีลที่แข็งแรงทนทาน ผสมผสานกับโลหะผสมอลูมิเนียมบางชนิด จึงสามารถรองรับการขยายตัวและหดตัวที่แตกต่างกันได้อย่างเป็นธรรมชาติ ที่สำคัญที่สุดคือ กล่องเหล่านี้รักษาให้กระแสออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนแยกจากกันอย่างสมบูรณ์ตลอดกระบวนการทั้งหมด ทำให้มั่นใจได้ว่าไม่มีส่วนผสมใดปนเปกัน และการดำเนินงานจะมีความน่าเชื่อถืออย่างต่อเนื่องทุกปี

เครือข่ายแลกเปลี่ยนความร้อนหลักและกลยุทธ์การกู้คืนพลังงาน

หน่วยแยกอากาศในปัจจุบันพึ่งพาอาศัยระบบแลกเปลี่ยนความร้อนที่ซับซ้อนอย่างมาก ซึ่งทำหน้าที่ดักจับความเย็นที่มีค่าจากไนโตรเจนเสียและกระแสผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิต่ำ ทั้งนี้ รูปแบบการไหลแบบสวนทาง (counter current flow) ยังทำงานได้อย่างชาญฉลาดอีกด้วย โดยจะลดอุณหภูมิของกระแสอากาศที่ไหลเข้ามาในขณะเดียวกันกับที่ให้ความร้อนกับกระแสที่ไหลออกไป จนทำให้เกิดความต่างของอุณหภูมิเพียงประมาณ 3 องศาเซลเซียส ความสำเร็จที่น่าประทับใจนี้เกิดขึ้นเป็นหลักจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอะลูมิเนียมแบบเชื่อมด้วยโลหะผสม (brazed aluminum exchangers) รุ่นใหม่ที่เพิ่งพัฒนาขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ เมื่อพิจารณาจากประสิทธิภาพในการใช้งานจริง ระบบที่ทันสมัยเหล่านี้มักช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวมลงได้ระหว่าง 40 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรุ่นเก่า สำหรับการดำเนินงานเชิงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่เปิดดำเนินการตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สิ่งนี้ส่งผลให้ประหยัดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานได้ประมาณ 2.8 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อปี โดยข้อมูลนี้อ้างอิงจากโครงการเทคโนโลยีอุตสาหกรรม (Industrial Technologies initiative) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ซึ่งรวบรวมไว้ในปี ค.ศ. 2022

เหตุใดจึงใช้เทคโนโลยีไครโอเจนิกส์? ความแตกต่างของจุดเดือดทำให้สามารถผลิตก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูงได้

การแยกอากาศด้วยวิธีไครโอเจนิกส์ยังคงเป็นวิธีหลักเพียงวิธีเดียวที่อุตสาหกรรมใช้ในการผลิตก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอน ในปริมาณมาก กระบวนการนี้ทำงานได้เพราะก๊าซเหล่านี้มีจุดเดือดที่ต่างกัน ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตสามารถแยกแต่ละชนิดออกจากกันได้อย่างค่อนข้างสะอาด โดยมักได้ความบริสุทธิ์สูงกว่า 99.5% หน่วยงานกำหนดมาตรฐานอย่าง ASTM และ ISO ยืนยันความถูกต้องของกระบวนการนี้ผ่านข้อกำหนด D1946 และ 8573-1 ตามลำดับ เมื่อพิจารณาตัวเลขจริง ไนโตรเจนมีจุดเดือดประมาณ -196 องศาเซลเซียส อาร์กอนมีจุดเดือดประมาณ -186 องศาเซลเซียส และออกซิเจนมีจุดเดือดประมาณ -183 องศาเซลเซียส ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เล็กน้อยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติ เนื่องจากมันกำหนดว่าก๊าซแต่ละชนิดจะแยกตัวออกจากกันอย่างไรในระหว่างกระบวนการกลายเป็นของเหลว ตามด้วยการกลั่นแบบแยกส่วน ต้องการทราบเหตุผลที่แน่ชัดว่าทำไมกระบวนการนี้จึงได้ผลหรือไม่? โปรดดูตารางที่ตามมา ซึ่งแสดงรายละเอียดเชิงเทอร์โมไดนามิกที่สำคัญทั้งหมดที่อยู่เบื้องหลังเทคนิคการแยกแบบเลือกสรรนี้

การลดปริมาตรอย่างมากนี้ ตั้งแต่ 710–875 ยังช่วยให้สามารถจัดเก็บและขนส่งก๊าซที่ถูกทำให้เป็นของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เทคโนโลยีไครโอเจนิกส์มีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการแหล่งจ่ายก๊าซที่สม่ำเสมอและมีคุณภาพสูง เช่น อุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ รวมถึงระบบออกซิเจนในโรงพยาบาล