वायु पृथक्करण
एक वायु पृथक्करण संयंत्र पृथ्वी के वायुमंडल को उसके प्राथमिक घटकों, आमतौर पर नाइट्रोजन और ऑक्सीजन, और कभी-कभी आर्गन और अन्य दुर्लभ अक्रिय गैसों में अलग करता है।
वायु पृथक्करण की सबसे सामान्य विधि प्रभाजी आसवन है। क्रायोजेनिक वायु पृथक्करण इकाइयां (एएसयू) नाइट्रोजन या ऑक्सीजन प्रदान करने के लिए बनाई गई हैं और अक्सर आर्गन का सह-उत्पादन करती हैं। झिल्ली, दबाव स्विंग सोखना (PSA) और वैक्यूम स्विंग सोखना (VPSA) जैसी अन्य विधियाँ व्यावसायिक रूप से साधारण हवा से एकल घटक को अलग करने के लिए उपयोग की जाती हैं। सेमीकंडक्टर उपकरण निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली उच्च शुद्धता ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और आर्गन को क्रायोजेनिक आसवन की आवश्यकता होती है। इसी तरह, दुर्लभ गैसों नीयन, क्रीप्टोण, क्सीनन का एकमात्र व्यवहार्य स्रोत कम से कम दो आसवन स्तंभों का उपयोग करके हवा का आसवन है। उन्नत वायु पृथक्करण प्रक्रियाओं में हीलियम भी बरामद किया जाता है[1]
क्रायोजेनिक आसवन प्रक्रिया
शुद्ध गैसों को पहले हवा से तब तक ठंडा करके अलग किया जा सकता है जब तक कि यह द्रवीभूत न हो जाए, फिर घटकों को उनके विभिन्न उबलते तापमानों पर चुनिंदा रूप से आसवन करें। प्रक्रिया उच्च शुद्धता वाली गैसों का उत्पादन कर सकती है लेकिन ऊर्जा-गहन है। इस प्रक्रिया को 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में कार्ल वॉन लिंडे ने आगे बढ़ाया था और आज भी इसका उपयोग उच्च शुद्धता वाली गैसों के उत्पादन के लिए किया जाता है। उन्होंने इसे वर्ष 1895 में विकसित किया; पहली बार (1902) औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने से पहले यह प्रक्रिया सात साल तक विशुद्ध रूप से अकादमिक रही।[3]
क्रायोजेनिक पृथक्करण प्रक्रिया[4][5][6] एक अच्छी दक्षता प्राप्त करने के लिए हीट एक्सचेंजर्स और पृथक्करण स्तंभों के बहुत कड़े एकीकरण की आवश्यकता होती है और प्रशीतन के लिए सभी ऊर्जा इकाई के इनलेट पर हवा के संपीड़न द्वारा प्रदान की जाती है।
कम आसवन तापमान प्राप्त करने के लिए, एक वायु पृथक्करण इकाई को एक प्रशीतन चक्र की आवश्यकता होती है जो जूल-थॉमसन प्रभाव के माध्यम से संचालित होता है, और ठंडे उपकरण को एक थर्मल इन्सुलेशन बाड़े (आमतौर पर कोल्ड बॉक्स कहा जाता है) के भीतर रखा जाता है। इस प्रशीतन चक्र को काम करने के लिए गैसों को ठंडा करने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है और इसे वायु गैस कंप्रेसर द्वारा वितरित किया जाता है। आधुनिक एएसयू कूलिंग के लिए Turboexpander का उपयोग करते हैं; विस्तारक का आउटपुट बेहतर दक्षता के लिए एयर कंप्रेसर को चलाने में मदद करता है। प्रक्रिया में निम्नलिखित मुख्य चरण होते हैं:[7]
- संपीड़न से पहले हवा को धूल से पहले फ़िल्टर किया जाता है।
- हवा को संपीड़ित किया जाता है जहां अंतिम वितरण दबाव रिकवरी और उत्पादों की द्रव अवस्था (गैस या तरल) द्वारा निर्धारित किया जाता है। विशिष्ट दबाव 5 और 10 बार गेज के बीच होते हैं। एएसयू की दक्षता बढ़ाने के लिए वायु प्रवाह को विभिन्न दबावों में भी संकुचित किया जा सकता है। संपीड़न के दौरान अंतर-चरणीय कूलरों में पानी संघनित हो जाता है।
- प्रक्रिया हवा आम तौर पर एक आणविक छलनी बिस्तर के माध्यम से पारित की जाती है, जो किसी भी शेष जल वाष्प, साथ ही कार्बन डाइऑक्साइड को हटा देती है, जो क्रायोजेनिक उपकरण को फ्रीज और प्लग कर देगी। आणविक छलनी को अक्सर हवा से किसी भी गैसीय हाइड्रोकार्बन को हटाने के लिए डिज़ाइन किया जाता है, क्योंकि ये बाद के वायु आसवन में एक समस्या हो सकती है जिससे विस्फोट हो सकता है।[8] आणविक छलनी बिस्तर को पुनर्जीवित किया जाना चाहिए। यह अल्टरनेटिंग मोड में काम करने वाली कई इकाइयों को स्थापित करके और पानी को सोखने के लिए सूखी सह-निर्मित अपशिष्ट गैस का उपयोग करके किया जाता है।
- प्रक्रिया हवा को एक एकीकृत उष्मा का आदान प्रदान करने वाला (आमतौर पर एक प्लेट फिन हीट एक्सचेंजर) के माध्यम से पारित किया जाता है और उत्पाद (और अपशिष्ट) क्रायोजेनिक धाराओं के विरुद्ध ठंडा किया जाता है। हवा का एक हिस्सा तरल बनाने के लिए द्रवीभूत होता है जो ऑक्सीजन में समृद्ध होता है। शेष गैस नाइट्रोजन में समृद्ध है और एक उच्च दबाव (एचपी) आसवन स्तंभ में लगभग शुद्ध नाइट्रोजन (आमतौर पर <1ppm) के लिए आसुत है। इस स्तंभ के संघनित्र को प्रशीतन की आवश्यकता होती है जो एक वाल्व में या एक टर्बोएक्सपेंडर, (एक रिवर्स कंप्रेसर) के माध्यम से अधिक ऑक्सीजन समृद्ध धारा का विस्तार करके प्राप्त किया जाता है।
- वैकल्पिक रूप से कंडेनसर को कम दबाव (एलपी) डिस्टिलेशन कॉलम (1.2-1.3 बार एब्स पर काम कर रहे) में रिबॉयलर के साथ गर्मी को बदलकर ठंडा किया जा सकता है, जब एएसयू शुद्ध ऑक्सीजन का उत्पादन कर रहा हो। संपीड़न लागत को कम करने के लिए एचपी/एलपी कॉलम के संयुक्त कंडेनसर/रिबॉयलर को केवल 1-2 के तापमान अंतर के साथ काम करना चाहिए, प्लेट फिन ब्रेज़्ड एल्यूमीनियम हीट एक्सचेंजर्स की आवश्यकता होती है। विशिष्ट ऑक्सीजन शुद्धता 97.5% से 99.5% तक होती है और ऑक्सीजन की अधिकतम वसूली को प्रभावित करती है। तरल उत्पादों के उत्पादन के लिए आवश्यक प्रशीतन एक विस्तारक में जूल-थॉमसन प्रभाव का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है जो कम दबाव वाले कॉलम में सीधे संपीड़ित हवा को भरता है। इसलिए, हवा के एक निश्चित भाग को अलग नहीं किया जाना चाहिए और इसके ऊपरी भाग से अपशिष्ट धारा के रूप में कम दबाव वाले कॉलम को छोड़ देना चाहिए।
- क्योंकि आर्गन का क्वथनांक (मानक स्थितियों में 87.3 K) ऑक्सीजन (90.2 K) और नाइट्रोजन (77.4 K) के बीच होता है, आर्गन निम्न दबाव स्तंभ के निचले भाग में बनता है। जब आर्गन का उत्पादन किया जाता है, तो कम दबाव वाले कॉलम से एक वाष्प साइड ड्रॉ लिया जाता है जहां आर्गन की सघनता सबसे अधिक होती है। यह वांछित शुद्धता के लिए आर्गन को सुधारते हुए दूसरे कॉलम में भेजा जाता है जिससे तरल एलपी कॉलम में उसी स्थान पर वापस आ जाता है। आधुनिक संरचित पैकिंग का उपयोग जिसमें बहुत कम दबाव की बूंदें 1 पीपीएम से कम अशुद्धियों के साथ आर्गन को सक्षम करती हैं। हालांकि आर्गन आने वाले 1% से कम में मौजूद है, लेकिन आर्गन कॉलम में आवश्यक उच्च रिफ्लक्स अनुपात (लगभग 30) के कारण एयर आर्गन कॉलम को ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा की आवश्यकता होती है। आर्गन कॉलम को ठंडा करने की आपूर्ति ठंडे विस्तारित समृद्ध तरल या तरल नाइट्रोजन से की जा सकती है।
- अंत में गैस के रूप में उत्पादित उत्पादों को आने वाली हवा के खिलाफ परिवेश के तापमान पर गर्म किया जाता है। इसके लिए सावधानी से तैयार किए गए गर्मी एकीकरण की आवश्यकता होती है जो गड़बड़ी के खिलाफ मजबूती की अनुमति देनी चाहिए (आणविक छलनी बिस्तरों पर स्विच करने के कारण)[9]). स्टार्ट-अप के दौरान इसे अतिरिक्त बाहरी प्रशीतन की भी आवश्यकता हो सकती है।
अलग-अलग उत्पादों को कभी-कभी उत्पादन संयंत्र के पास बड़े औद्योगिक उपयोगकर्ताओं को पाइपलाइन द्वारा आपूर्ति की जाती है। उत्पादों की लंबी दूरी की ढुलाई तरल उत्पाद को बड़ी मात्रा में या कम मात्रा के लिए क्रायोजेनिक भंडारण देवर या गैस सिलिन्डर के रूप में शिपिंग द्वारा होती है।
गैर-क्रायोजेनिक प्रक्रियाएं
दबाव स्विंग सोखना द्रवीकरण के बिना हवा से ऑक्सीजन या नाइट्रोजन को अलग करता है। प्रक्रिया परिवेश के तापमान के आसपास संचालित होती है; एक ज़ीइलाइट (आणविक स्पंज) को उच्च दबाव वाली हवा के संपर्क में लाया जाता है, फिर हवा छोड़ी जाती है और वांछित गैस की एक अधिशोषित फिल्म छोड़ी जाती है। एक द्रवीकरण संयंत्र पर कंप्रेसर का आकार बहुत कम हो जाता है, और चिकित्सा प्रयोजनों के लिए ऑक्सीजन-समृद्ध हवा प्रदान करने के लिए पोर्टेबल ऑक्सीजन सांद्रता इस तरह से बनाई जाती है। वैक्यूम स्विंग सोखना एक समान प्रक्रिया है; उप-वायुमंडलीय दबाव में जिओलाइट से उत्पाद गैस विकसित होती है।
झिल्ली गैस पृथक्करण वायु पृथक्करण के लिए वैकल्पिक, निम्न-ऊर्जा दृष्टिकोण प्रदान कर सकता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन उत्पादन के लिए कई तरीकों की खोज की जा रही है। परिवेशी या गर्म तापमान पर काम करने वाली पॉलिमरिक झिल्लियां, उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन-समृद्ध हवा (25-50% ऑक्सीजन) उत्पन्न करने में सक्षम हो सकती हैं। सिरेमिक झिल्ली उच्च शुद्धता ऑक्सीजन (90% या अधिक) प्रदान कर सकते हैं लेकिन संचालित करने के लिए उच्च तापमान (800-900 डिग्री सेल्सियस) की आवश्यकता होती है। इन सिरेमिक झिल्लियों में आयन ट्रांसपोर्ट मेम्ब्रेंस (ITM) और ऑक्सीजन ट्रांसपोर्ट मेम्ब्रेन (OTM) शामिल हैं। एयर प्रोडक्ट्स एंड केमिकल्स इंक और प्रैक्सेयर फ्लैट आईटीएम और ट्यूबलर ओटीएम सिस्टम विकसित कर रहे हैं।
मेम्ब्रेन गैस पृथक्करण का उपयोग जेट लाइनरों के ईंधन टैंक को भरने के लिए हवा के बजाय ऑक्सीजन-गरीब और नाइट्रोजन युक्त गैस प्रदान करने के लिए किया जाता है, जिससे आकस्मिक आग और विस्फोट की संभावना बहुत कम हो जाती है। इसके विपरीत, झिल्ली गैस पृथक्करण का उपयोग वर्तमान में दबाव वाले केबिनों के बिना विमान में उच्च ऊंचाई पर उड़ान भरने वाले पायलटों को ऑक्सीजन-समृद्ध हवा प्रदान करने के लिए किया जाता है।
ऑक्सीजन युक्त हवा ऑक्सीजन और नाइट्रोजन की विभिन्न घुलनशीलता का शोषण करके प्राप्त की जा सकती है। ऑक्सीजन पानी में नाइट्रोजन की तुलना में अधिक घुलनशील है, इसलिए यदि हवा को पानी से अलग किया जाए तो 35% ऑक्सीजन की धारा प्राप्त की जा सकती है।[10]
अनुप्रयोग
रॉकेटरी
स्पेसएक्स जैसी कंपनियों के लिए तरल ऑक्सीजन।[11] वायु पृथक्करण के माध्यम से निकाले गए हीलियम का उपयोग नासा द्वारा अंतरिक्ष यान को निष्क्रिय करने के लिए भी किया जाता है [12]
स्टील
इस्पात निर्माण में बुनियादी ऑक्सीजन स्टीलमेकिंग के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। आज, आधुनिक बुनियादी ऑक्सीजन स्टील बनाने में प्रति टन स्टील में लगभग दो टन ऑक्सीजन का उपयोग होता है।[13]
अमोनिया
अमोनिया बनाने के लिए हेबर प्रक्रिया में प्रयुक्त नाइट्रोजन।[14]
कोयला गैस
कोयला गैसीकरण परियोजनाओं के लिए बड़ी मात्रा में ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है; कुछ परियोजनाओं में 3000 टन/दिन उत्पादन करने वाले क्रायोजेनिक संयंत्र पाए जाते हैं।[15]
अक्रिय गैस
पेट्रोलियम उत्पादों के लिए जहाजों और टैंकों के नाइट्रोजन भंडारण टैंकों के साथ, या खाद्य तेल उत्पादों को ऑक्सीकरण से बचाने के लिए।[citation needed]
यह भी देखें
- लुई पॉल कैलेटेट
- क्रायोजेनिक गैस संयंत्र
- गैस पृथक्करण
- तरल से गैस
- हैम्पसन-लिंडे चक्र
- औद्योगिक गैसें
- गैसों का द्रवीकरण
- तरल हवा
- ऑक्सीजन संकेन्द्रक
- सीमेंस चक्र
संदर्भ
- ↑ Chrz, Vaclav. "Helium Recovery" (PDF). CERN. CERN. Retrieved 30 November 2022.
- ↑ NASA Earth Fact Sheet, (updated November 2007)
- ↑ "Cool Inventions" (PDF). Institution of Chemical Engineers. September 2010. Archived from the original (PDF) on 2014-01-13. Retrieved 2014-01-12.
- ↑ Latimer, R. E. (1967). "Distillation of Air". Chemical Engineering Progress. 63 (2): 35–59.
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- ↑ Castle, W. F. (2002). "Air separation and liquefaction: Recent developments and prospects for the beginning of the new millennium". International Journal of Refrigeration. 25: 158–172. doi:10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
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- ↑ Galli, F; Comazzi, A; Previtali, D; Manenti, F; Bozzano, G; Bianchi, C. L.; Pirola, C (2017). "Production of oxygen-enriched air via desorption from water: Experimental data, simulations and economic assessment". Computers & Chemical Engineering. 102: 11–16. doi:10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
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बाहरी कड़ियाँ
