अस्थिर दवाब अवशोषण

पीएसए प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण (एरिया = वायु इनपुट)। बाएँ और दाएँ रेखाचित्रों के बीच ऊर्ध्वाधर तल में समरूपता पर ध्यान दें।

पीएसए का उपयोग कर नाइट्रोजन उत्पादक

अस्थिर दवाब अवशोषण (पीएसए) एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग वर्णों की आणविक विशेषताओं और एक अवशोषक वाली सामग्री के लिए संबंध के अनुसार दबाव वाली गैसों के मिश्रण (सामान्यतौर पर हवा) से कुछ गैस वर्णों को अलग करने के लिए किया जाता है। यह सामान्य वातावरण के तापमान पर संचालित होता है और सामान्यतौर पर गैसों को अलग करने के लिए उपयोग किए जाने वाले औद्योगिक आसवन से काफी भिन्न होता है। चयनात्मक अवशोषक सामग्री (उदाहरण के लिए, जिओलाइट्स, सक्रिय कार्बन, आदि) का उपयोग, दबाव वाली सामग्री के रूप में किया जाता है, जो उच्च दबाव पर लक्ष्य गैस वर्णों को अधिमान्य रूप से अवशोषित करती है। फिर प्रक्रिया अवशोषित गैस को मुक्त करने के लिए निम्न दबाव पर आ जाती है।

प्रक्रिया

अस्थिर दवाब अवशोषण का एनीमेशन, (1) और (2) बारी-बारी से अवशोषितना और अवशोषितना दिखा रहा है।

I	compressed air input		A	adsorption
O	oxygen output		D	desorption
E	exhaust

अस्थिर दवाब अवशोषण प्रक्रिया (पीएसए) इस परिस्थिति पर आधारित है कि उच्च दबाव में, गैसें ठोस सतहों पर फंस जाती हैं, यानी अवशोषित कर ली जाती हैं। दबाव जितना अधिक होगा, गैस उतनी ही अधिक अवशोषित होगी। जब दबाव कम हो जाता है, तो गैस निकल जाती है या नष्ट हो जाती है। पीएसए का उपयोग मिश्रण में गैसों को अलग करने के लिए किया जा सकता है क्योंकि विभिन्न गैसें किसी ठोस सतह पर अधिक या कम मजबूती से अवशोषित कर ली जाती हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक गैस मिश्रण जैसे हवा को जिओलाइट के अवशोषित सतह वाले एक पात्र के माध्यम से दबाव में पारित किया जाता है जो ऑक्सीजन की तुलना में नाइट्रोजन को अधिक मजबूती से आकर्षित करता है, तो नाइट्रोजन का एक अंश सतह में रहेगा और पात्र में प्रवेश करने वाले गैस के मिश्रण की तुलना में बाहर निकलने वाली गैस में ऑक्सीजन अधिक मात्रा में होगी। जब सतह नाइट्रोजन अवशोषित करने की अपनी क्षमता की सीमा तक पहुँच जाती है, तो दबाव को कम करने के बाद इसे पुनरुत्पादित करके अवशोषित कर ली गई नाइट्रोजन को मुक्त किया जा सकता है। इस प्रकार यह प्रक्रिया, ऑक्सीजन-युक्त हवा के उत्पादन के एक और चक्र के लिए तैयार हो जाती है।

दो अवशोषक पात्रो का उपयोग लक्ष्य गैस के लगभग निरंतर उत्पादन की अनुमति देता है। यह दबाव को समतुल्य करने की भी अनुमति देता है, जहां पात्र से निकलने वाली गैस को दूसरे पात्र पर आंशिक रूप से दबाव डालने के लिए उपयोग किया जाता है। यह एक सामान्य औद्योगिक अभ्यास है और इसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण ऊर्जा बचत होती है।

अवशोषक

विभिन्न गैसों के बीच भिन्नता करने की उनकी क्षमता के अतिरिक्त, पीएसए प्रणालियों के लिए अवशोषक सामान्यतौर पर उनके बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्रों के कारण बहुत छिद्रयुक्त सामग्री चुने जाते हैं। विशिष्ट अवशोषक जिओलाइट, सक्रिय कार्बन, सिलिका जेल, अल्युमिना या संश्लेषित रेजिन होते हैं। यद्यपि इन सतहों पर अवशोषक गैस में केवल एक या अधिक से अधिक कुछ अणुओं की घनत्व की परत हो सकती है, प्रति ग्राम कई सौ वर्ग मीटर का सतह क्षेत्र अवशोषक के वजन के एक बड़े हिस्से को गैस में अवशोषित करने में सक्षम बनाता है। विभिन्न गैसों के लिए उनके संबंध के अतिरिक्त, जिओलाइट्स और कुछ प्रकार के सक्रिय कार्बन अणुओं की आकृति और आकार के आधार पर कुछ गैस अणुओं को उनकी संरचना से बाहर करने के लिए अपनी आणविक छलनी विशेषताओं का उपयोग कर सकते हैं, जिससे बड़े अणुओं की अवशोषित करने की क्षमता सीमित हो जाती है।

अनुप्रयोग

गैस विभाजक झिल्ली स्किड का उपयोग लैंडफिल गैस उपयोग प्रक्रिया में किया जाता है

चिकित्सा ऑक्सीजन की आपूर्ति के लिए या व्यापक क्रायोजेनिक या संपीड़ित-सिलेंडर संचयन के विकल्प के रूप में जो किसी भी अस्पताल के लिए प्राथमिक ऑक्सीजन स्रोत है, इसके अतिरिक्त, पीएसए के कई अन्य उपयोग हैं। पीएसए के प्राथमिक अनुप्रयोगों में से एक तेल परिशोधनशाला और अमोनिया (NH₃) के उत्पादन में उपयोग के लिए हाइड्रोजन (H₂) के बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक संश्लेषण में अंतिम चरण के रूप में कार्बन डाईऑक्साइड (CO₂) को हटाने के लिए किया जाता है। परिशोधनशाला अक्सर पीएसए तकनीक का उपयोग हाइड्रोट्रीटिंग और हाइड्रोक्रैकिंग इकाइयों के हाइड्रोजन फ़ीड और पुनरावृत्ति प्रवाह से हाइड्रोजन सल्फाइड ( H₂S ) को हटाने लिए करती है। पीएसए का एक अन्य अनुप्रयोग बायोगैस से कार्बन डाइऑक्साइड को अलग करके मीथेन (CH₄) का अनुपात को बढ़ाने के लिए किया जाता है। पीएसए के माध्यम से बायोगैस को प्राकृतिक गैस के समान गुणवत्ता में उन्नत किया जा सकता है। इसमें प्राकृतिक गैस के रूप में बेचने के लिए लैंडफिल गैस उपयोगीकरण से लैंडफिल गैस को उच्च उपयोगिता श्रेणी शुद्ध मीथेन गैस में उन्नत करने की एक प्रक्रिया समिल्लित है।

पीएसए का उपयोग इसमें भी किया जाता है:

• कम ऑक्सीजन सामग्री वाली हवा उत्पन्न करने के लिए हाइपोक्सिक वायु अग्नि निवारण प्रणालियाँ।
• प्रोपेन निर्जलीकरण के माध्यम से प्रयोजनात्मक प्रोपेन संयंत्र: इनमें चयनात्मक माध्यम से हाइड्रोजन की तुलना में मुख्य रूप से मीथेन और इथेन को अवशोषित किया जाता है।
• पीएसए प्रक्रिया पर आधारित औद्योगिक नाइट्रोजन उत्पादक इकाइयां संपीड़ित हवा से उच्च शुद्धता वाली नाइट्रोजन गैस (99.9995% तक) का उत्पादन कर सकती हैं। हालाँकि, ऐसे उत्पादक शुद्धता और प्रवाह की मध्यवर्ती श्रेणियों की आपूर्ति के लिए अधिक उपयुक्त हैं। ऐसी इकाइयों की क्षमताएं Nm³/h सामान्य घन मीटर प्रति घंटा में दी गई हैं, एक Nm³/h तापमान, दबाव और आर्द्रता की कई मानक स्थितियों में से किसी एक के अंतर्गत 1000 लीटर प्रति घंटे के समतुल्य है।
  • नाइट्रोजन के लिए: Nm³/h 100 पर 99.9% शुद्धता से Nm³/h 9000 पर 97% शुद्धता तक;
  • ऑक्सीजन के लिए: Nm³/h 1500 तक 88% और 93% के बीच शुद्धता के साथ।

कार्बन अधिग्रहण संचयन(सीसीएस) के ढांचे में, इन संयंत्रों से ग्रीनहाउस गैस उत्पादन को कम करने के लिए, भू-अवरोधन से पहले कोयले से चलने वाले विद्युतीय संयंत्रों से अत्‍यधिक मात्रा में CO₂ को अधिग्रहण करने के लिए भी अनुसंधान चल रहा है।

वजन बचाने और सूट के परिचालन समय को बढ़ाने के लिए, अंतरिक्ष सूट प्राथमिक जीवन समर्थन प्रणालियों में उपयोग की जाने वाली गैर-पुनरुत्पादित अवशोषक तकनीक के विकल्प के रूप में आनेवाले समय में पीएसए पर भी चर्चा की गई है।

इस प्रक्रिया का उपयोग वातस्फीति और covid ​​​​-19 रोगियों और अन्य लोगों द्वारा चिकित्सा में,पोर्टेबल ऑक्सीजन संकेंद्रक के रूप में किया जाता है जिन्हें सांस लेने के लिए ऑक्सीजन-समृद्ध हवा की आवश्यकता होती है।

पीएसए प्रौद्योगिकी की विविधताएं

दोहरा चरण का पीएसए

(डीएस-पीएसए, जिसे कभी-कभी दोहरा चरण का पीएसए भी कहा जाता है)।
विकसित पीएसए के इस संस्करण के साथ प्रयोगशाला नाइट्रोजन उत्पादक में उपयोग के लिए, नाइट्रोजन गैस का उत्पादन दो चरणों में किया जाता है: पहले चरण में, संपीड़ित हवा को लगभग 98% की शुद्धता पर नाइट्रोजन का उत्पादन करने के लिए कार्बन आणविक छलनी से पारित करने के लिए बाध्य किया जाता है; दूसरे चरण में इस नाइट्रोजन को दूसरी कार्बन आणविक छलनी में पारित करने के लिए बाध्य किया जाता है और नाइट्रोजन गैस 99.999% तक निर्णायक शुद्धता तक पहुंच जाती है। दूसरे चरण से शुद्ध गैस को पुनर्चक्रित किया जाता है और पहले चरण में आंशिक रूप से निविष्ट गैस के रूप में उपयोग किया जाता है।

इसके अतिरिक्त, अगले चक्र में बेहतर प्रदर्शन के लिए शुद्धिकरण प्रक्रिया को सक्रिय निकासी द्वारा समर्थित किया जाता है। इन दोनों परिवर्तनों का लक्ष्य पारंपरिक पीएसए प्रक्रिया की तुलना में दक्षता में सुधार करना है।

ऑक्सीजन संकेंद्रण बढ़ाने के लिए डीएस-पीएसए भी लगाया जा सकता है। इस स्तिथि में, एक एल्यूमीनियम सिलिका आधारित जिओलाइट पहले चरण में नाइट्रोजन को अवशोषित कर लेती है और निकास में 95% ऑक्सीजन तक पहुंच जाती है, और दूसरे चरण में एक कार्बन-आधारित आणविक छलनी एक उल्टे चक्र में अवशिष्ट नाइट्रोजन को अवशोषित कर लेती है, जिससे ऑक्सीजन 99% तक केंद्रित हो जाती है।

तीव्र पीएसए

तीव्र अस्थिर दवाब अवशोषण या आरपीएसए, का उपयोग अक्सर पोर्टेबल ऑक्सीजन सांद्रक में किया जाता है। यह अधिशोषक सतह के आकार में अत्यधिक कमी की अनुमति देता है जब उच्च शुद्धता आवश्यक नहीं होती है और जब फ़ीड गैस (वायु) को बाहर निकाल दिया जाता है। यह स्तंभ के विपरीत सिरों को बारी-बारी से समान दर से बाहर निकालते हुए दबाव को तेजी से चक्रित करके काम करता है। इसका मतलब यह है कि गैर-अवशोषित गैसें स्तंभ के साथ बहुत तेजी से आगे बढ़ती हैं और दूरस्थ छोर पर निकल जाती हैं, जबकि अधिशोषित गैसों को आगे बढ़ने का मौका नहीं मिलता है और वे समीपस्थ छोर पर निकल जाती हैं।

अस्थिर निर्वात अवशोषक  

अस्थिर निर्वात अवशोषक (वीएसए) परिवेशीय दबाव पर गैसीय मिश्रण से कुछ गैसों को अलग करता है; फिर प्रक्रिया अवशोषक सामग्री को पुनरुत्पादित करने के लिए निर्वात में बदल जाती है। वीएसए अन्य पीएसए तकनीकों से भिन्न है क्योंकि यह निकट-परिवेश के तापमान और दबाव पर काम करता है। वीएसए सामान्यतौर पर निर्वात के साथ पृथक्करण प्रक्रिया के माध्यम से गैस खींचता है। ऑक्सीजन और नाइट्रोजन वीएसए प्रणाली के लिए, निर्वात सामान्यतौर पर ब्लोअर द्वारा उत्पन्न होता है। संकर निर्वात अस्थिर दवाब अवशोषण (वीपीएसए) प्रणाली भी उपलब्ध हैं। वीपीएसए प्रणाली पृथक्करण प्रक्रिया में दबावयुक्त गैस लागू करते हैं और शुद्ध गैस पर निर्वात भी लागू करते हैं। वीपीएसए प्रणालियाँ, पोर्टेबल ऑक्सीजन सांद्रक में से एक की तरह, पारंपरिक उद्योग सूचकांकों पर मापी जाने वाली सबसे कुशल प्रणालियों, जैसे क्षतिपूर्ति (उत्पाद गैस बाहर/उत्पाद गैस अंदर) और उत्पादकता (उत्पाद गैस बाहर/छलनी सामग्री का द्रव्यमान) में से एक हैं। सामान्यतौर पर, अत्यधिक क्षतिपूर्ति से संकेंद्रक, ब्लोअर, या अन्य संपीड़ित गैस या निर्वात स्रोत छोटा हो जाता है और बिजली की खपत कम हो जाती है। उच्च उत्पादकता से छोटे छलनी सतह बनते हैं। उपभोक्ता संभवतः उन सूचकांकों पर विचार करते है जिनका समग्र प्रणाली में अधिक प्रत्यक्ष रूप से, जैसे सिस्टम वजन और आकार से विभाजित उत्पाद गैस की मात्रा, सिस्टम प्रारंभिक और रखरखाव लागत, सिस्टम बिजली की खपत या अन्य परिचालन लागत, और विश्वसनीयता मापने योग्य अंतर होता है।

यह भी देखें

• Adsorption
• Compressed air dryer
• Gas separation
• Hydrogen pinch
• Hydrogen purifier
• Industrial gas
• Oxygen concentrator
• Pervaporation

अग्रिम पठन

• Hutson, Nick D.; Rege, Salil U.; and Yang, Ralph T. (2001). “Air Separation by Pressure Swing Absorption Using Superior Absorbent,” National Energy Technology Laboratory, Department of Energy, March 2001.
• Ruthven, Douglas M. (2004). Principles of Absorption and Absorption Process, Wiley-InterScience, Hoboken, NJ, p. 1
• Yang, Ralph T. (1997). “Gas Separation by Absorption Processes”, Series on Chemical Engineering, Vol. I, World Scientific Publishing Co., Singapore.
• Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Pressure Swing Adsorption. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.
• Santos, João C.; Magalhães, Fernão D.; and Mendes, Adélio, “Pressure Swing Absorption and Zeolites for Oxygen Production”, in Processos de Separação, Universidado do Porto, Porto, Portugal