टर्बोएक्सपैंडर

एक टर्बोएक्सपैंडर, जिसे टर्बो-एक्सपेंडर या एक एक्सपेंशन टर्बाइन भी कहा जाता है, एक केन्द्रापसारक या अक्षीय-प्रवाह टरबाइन है, जिसके माध्यम से एक उच्च दबाव वाली गैस को कार्य उत्पन्न करने के लिए विस्तारित किया जाता है जिसका उपयोग प्रायः गैस कंप्रेसर या विद्युत जनरेटर को चलाने के लिए किया जाता है। क्योंकि कार्य को विस्तारित उच्च दबाव वाली गैस से निकाला जाता है, विस्तार का अनुमान एक आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया (यानी, एक स्थिर-एन्ट्रॉपी प्रक्रिया) द्वारा लगाया जाता है, और टरबाइन से कम दबाव वाली निकास गैस बहुत कम तापमान पर होती है, -150° सी या उससे कम, ऑपरेटिंग दबाव और गैस गुणों पर निर्भर करता है। विस्तारित गैस का आंशिक द्रवीकरण असामान्य नहीं है।

टर्बोएक्सपैंडर्स का व्यापक रूप से औद्योगिक प्रक्रियाओं में प्रशीतन के स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है जैसे कि प्राकृतिक गैस से ईथेन और प्राकृतिक-गैस तरल (एनजीएल) का निष्कर्षण, गैसों का द्रवीकरण (जैसे ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हीलियम, आर्गन और क्रीप्टोण )  और अन्य कम तापमान वाली प्रक्रियाएं हैं।

वर्तमान में परिचालन में आने वाले टर्बोएक्सपैंडर्स का आकार लगभग 750 वॉट से लेकर लगभग 7.5 मेगावाट (1 हॉर्स पावर से लगभग 10,000 एचपी) तक है।

अनुप्रयोग
हालाँकि टर्बोएक्सपैंडर्स का उपयोग प्रायः कम तापमान वाली प्रक्रियाओं में किया जाता है, लेकिन इनका उपयोग कई अन्य अनुप्रयोगों में भी किया जाता है। यह अनुभाग निम्न-तापमान प्रक्रियाओं में से एक, साथ ही कुछ अन्य अनुप्रयोगों पर विचार करता है।

प्राकृतिक गैस से हाइड्रोकार्बन तरल निकालना
कच्ची प्राकृतिक गैस में मुख्य रूप से मीथेन (CH4) सबसे छोटा और सबसे हल्का हाइड्रोकार्बन अणु, विभिन्न मात्रा में भारी हाइड्रोकार्बन गैसें जैसे कि ईथेन (C2H6), प्रोपेन (C3H8), सामान्य ब्यूटेन (n-C4H10), आइसोब्यूटेन (i-C4H10), पेंटेन और यहां तक ​​कि उच्च-आणविक-द्रव्यमान वाले हाइड्रोकार्बन होते हैं। कच्ची गैस में विभिन्न मात्रा में एसिड गैसें जैसे कार्बन डाईऑक्साइड (CO2), हाइड्रोजन सल्फाइड (H2S) और मर्कैप्टन जैसे मीथेनथिओल (C3SH) और एथेनथिओल (C2H5SH) भी होती हैं।

जब तैयार उप-उत्पादों (प्राकृतिक-गैस प्रसंस्करण देखें) में संसाधित किया जाता है, तो इन भारी हाइड्रोकार्बन को सामूहिक रूप से एनजीएल (प्राकृतिक-गैस तरल) कहा जाता है। एनजीएल के निष्कर्षण में प्रायः एक टर्बोएक्सपैंडर और एक कम तापमान वाला आसवन स्तंभ (जिसे डिमेथेनाइज़र कहा जाता है) सम्मिलित होता है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। डिमेथेनाइज़र में इनलेट गैस को पहले हीट एक्सचेंजर (जिसे कोल्ड बॉक्स कहा जाता है) में लगभग -51°C तक ठंडा किया जाता है, जो इनलेट गैस को आंशिक रूप से संघनित करता है। परिणामी गैस-तरल मिश्रण को फिर गैस धारा और तरल धारा में अलग किया जाता है।

गैस-तरल विभाजक से तरल धारा एक वाल्व के माध्यम से बहती है और 62 बार से 21 बार (6.2 से 2.1 एमपीए) के पूर्ण दबाव से थ्रॉटलिंग विस्तार से गुजरती है, जो एक आइसेंथैल्पिक प्रक्रिया (यानी, एक स्थिर-एन्थैल्पी प्रक्रिया) है जैसे ही धारा डीमेथेनाइज़र में प्रवेश करती है, धारा का तापमान लगभग -51 डिग्री सेल्सियस से लगभग -81 डिग्री सेल्सियस तक कम हो जाता है।

गैस-तरल विभाजक से गैस धारा टर्बोएक्सपेंडर में प्रवेश करती है, जहां यह 62 बार से 21 बार (6.2 से 2.1 एमपीए) के पूर्ण दबाव तक एक आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया विस्तार से गुजरती है जो गैस धारा तापमान को लगभग -51 डिग्री सेल्सियस से लगभग -91 डिग्री सेल्सियस तक कम कर देता है क्योंकि यह आसवन प्रतिवाह के रूप में काम करने के लिए डिमेथेनाइज़र में प्रवेश करता है।

डिमेथेनाइज़र की ऊपरी ट्रे से तरल पदार्थ (लगभग -90°C पर) को कोल्ड बॉक्स के माध्यम से भेजा जाता है, जहां इसे लगभग 0°C तक गर्म किया जाता है क्योंकि यह इनलेट गैस को ठंडा करता है, और फिर इसे डिमेथेनाइज़र के निचले भाग में वापस कर दिया जाता है। डिमेथेनाइज़र के निचले भाग से एक और तरल धारा (लगभग 2 डिग्री सेल्सियस पर) कोल्ड बॉक्स के माध्यम से भेजी जाती है और लगभग 12 डिग्री सेल्सियस पर डिमेथेनाइज़र में वापस आ जाती है। वस्तुतः, इनलेट गैस डिमेथेनाइज़र के निचले भाग को "पुनः उबालने" के लिए आवश्यक गर्मी प्रदान करती है, और टर्बोएक्सपेंडर डिमेथेनाइज़र के शीर्ष में रिफ्लक्स प्रदान करने के लिए आवश्यक गर्मी को हटा देता है।

लगभग -90 डिग्री सेल्सियस पर डेमेथेनाइज़र से ओवरहेड गैस उत्पाद संसाधित प्राकृतिक गैस है जो पाइपलाइन द्वारा अंतिम-उपयोग उपभोक्ताओं को वितरण के लिए उपयुक्त गुणवत्ता का होता है। इसे कोल्ड बॉक्स के माध्यम से भेजा जाता है, जहां इसे गर्म किया जाता है क्योंकि यह इनलेट गैस को ठंडा करता है। इसके बाद इसे टर्बोएक्सपेंडर द्वारा संचालित गैस कंप्रेसर में संपीड़ित किया जाता है और वितरण पाइपलाइन में प्रवेश करने से पहले इसे विद्युत मोटर द्वारा संचालित दूसरे चरण के गैस कंप्रेसर में संपीड़ित किया जाता है।

डिमेथेनाइज़र के निचले उत्पाद को भी ठंडे बॉक्स में गर्म किया जाता है, क्योंकि यह इनलेट गैस को ठंडा करता है, इससे पहले कि यह सिस्टम को एनजीएल के रूप में छोड़ दे।

एक अपतटीय गैस कंडीशनिंग टर्बो-एक्सपेंडर/रीकंप्रेसर की परिचालन स्थितियाँ इस प्रकार हैं:

विद्युत उत्पादन
यह चित्र एक विद्युत ऊर्जा-उत्पादन प्रणाली कोयला दर्शाता है जो एक ताप स्रोत, एक शीतलन माध्यम (हवा, पानी या अन्य), एक परिसंचारी कार्यशील तरल और एक टर्बोएक्सपैंडर का उपयोग करता है। सिस्टम विभिन्न प्रकार के ताप स्रोतों को समायोजित कर सकता है जैसे:
 * भूतापीय गर्म जल,
 * विभिन्न प्रकार के ईंधन (प्राकृतिक गैस, लैंडफिल गैस, डीजल तेल, या ईंधन तेल) जलाने वाले आंतरिक दहन इंजनों से निकलने वाली गैस,
 * विभिन्न प्रकार के अपशिष्ट ताप स्रोत (गैस या तरल के रूप में)।

परिसंचारी कार्यशील तरल (प्रायः R-134 जैसे कार्बनिक रसायन) को उच्च दबाव में पंप किया जाता है और फिर उपलब्ध ताप स्रोत के साथ हीट एक्सचेंजर द्वारा वाष्पित्र में वाष्पीकृत किया जाता है। परिणामस्वरूप उच्च दबाव वाला वाष्प टर्बोएक्सपेंडर में प्रवाहित होता है, जहां यह एक आइसेंट्रोपिक विस्तार से गुजरता है और वाष्प-तरल मिश्रण के रूप में बाहर निकलता है, जिसे बाद में उपलब्ध शीतलन माध्यम के साथ गर्मी विनिमय द्वारा तरल में संघनित किया जाता है। चक्र को पूरा करने के लिए संघनित तरल को वापस वाष्पित्र में पंप किया जाता है।

चित्र में दी गई प्रणाली एक रैंकिन चक्र को लागू करती है क्योंकि इसका उपयोग जीवाश्म-ईंधन बिजली संयंत्रों में किया जाता है, जहां पानी काम करने वाला तरल पदार्थ है और गर्मी स्रोत प्राकृतिक गैस, ईंधन तेल या कोयले के दहन से प्राप्त होता है जिसका उपयोग उच्च दबाव वाली भाप उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। उच्च दबाव वाली भाप एक पारंपरिक भाप टरबाइन में एक आइसेंट्रोपिक विस्तार से गुजरती है। भाप टरबाइन निकास भाप को फिर तरल पानी में संघनित किया जाता है, जिसे चक्र पूरा करने के लिए भाप जनरेटर में वापस पंप किया जाता है।

जब रैंकिन चक्र में R-134a जैसे कार्बनिक कार्यशील तरल का उपयोग किया जाता है, तो चक्र को कभी-कभी कार्बनिक रैंकिन चक्र (ओआरसी) के रूप में जाना जाता है।

प्रशीतन प्रणाली
एक प्रशीतन प्रणाली एक कंप्रेसर, एक टर्बोएक्सपैंडर और एक इलेक्ट्रिक मोटर का उपयोग करती है।

परिचालन स्थितियों के आधार पर, टर्बोएक्सपैंडर पारंपरिक वाष्प-संपीड़न प्रशीतन प्रणाली की तुलना में इलेक्ट्रिक मोटर पर भार को 6-15% तक कम कर देता है जो टर्बोएक्सपैंडर के बदले थ्रॉटलिंग विस्तार वाल्व का उपयोग करता है। मूलतः इसे टर्बो-कंपाउंडिंग के रूप में देखा जा सकता है।

सिस्टम एक उच्च दबाव वाले रेफ्रिजरेंट का उपयोग करता है (यानी, कम सामान्य क्वथनांक वाला) का उपयोग करता है जैसे:


 * क्लोरोडिफ्लोरोमेथेन (CHClF2) जिसे R-22 के रूप में जाना जाता है, जिसका सामान्य क्वथनांक -47°C होता है;


 * 1,1,1,2-टेट्राफ्लुओरोइथेन (C2H2F4) को R-134a के रूप में जाना जाता है, जिसका सामान्य क्वथनांक -26°C होता है।

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, रेफ्रिजरेंट वाष्प को उच्च दबाव में संपीड़ित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान भी होता है। गर्म, संपीड़ित वाष्प फिर एक तरल में संघनित हो जाती है। कंडेनसर (हीट ट्रांसफर) वह जगह है जहां परिसंचारी रेफ्रिजरेंट से गर्मी को बाहर निकाला जाता है और कंडेनसर (हवा, पानी, आदि) में उपयोग किए जाने वाले किसी भी शीतलन माध्यम द्वारा इसे दूर ले जाया जाता है।

रेफ्रिजरेंट तरल टर्बोएक्सपेंडर के माध्यम से बहता है, जहां यह वाष्पीकृत होता है, और वाष्प एक आइसेंट्रोपिक विस्तार से गुजरता है, जिसके परिणामस्वरूप वाष्प और तरल का कम तापमान वाला मिश्रण बनता है। फिर वाष्प-तरल मिश्रण को वाष्पित्र के माध्यम से भेजा जाता है, जहां इसे ठंडा होने वाले स्थान से अवशोषित गर्मी द्वारा वाष्पीकृत किया जाता है। चक्र को पूरा करने के लिए वाष्पीकृत रेफ्रिजरेंट कंप्रेसर इनलेट में प्रवाहित होता है।

ऐसी स्थिति में जहां कार्यशील तरल बिना चरण परिवर्तन के हीट एक्सचेंजर्स में गैसीय रहता है, इस चक्र को ब्रेटन चक्र या "रेफ्रिजरेटिंग ब्रेटन चक्र" के रूप में भी जाना जाता है।

द्रव उत्प्रेरक क्रैकर में पावर रिकवरी
द्रव उत्प्रेरक क्रैकर के उत्प्रेरक पुनर्योजी से दहन फ़्लू गैस लगभग 715 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर और लगभग 2.4 बार्ग (240 केपीए गेज) के दबाव पर होती है। इसके गैसीय घटक अधिकतर कार्बन मोनोआक्साइड (CO), कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) और नाइट्रोजन (N2) हैं। यद्यपि फ़्लू गैस फंसे हुए उत्प्रेरक कणों को हटाने के लिए चक्रवातों (पुनर्योजी के भीतर स्थित) के दो चरणों से गुजर चुकी है, फिर भी इसमें कुछ अवशिष्ट उत्प्रेरक कण सम्मिलित हैं।

चित्र में दर्शाया गया है कि टर्बोएक्सपैंडर के माध्यम से रीजेनरेटर फ़्लू गैस को रूट करके बिजली कैसे पुनर्प्राप्त और उपयोग की जाती है। फ़्लू गैस पुनर्योजी से बाहर निकलने के बाद, इसे एक द्वितीयक उत्प्रेरक विभाजक के माध्यम से भेजा जाता है जिसमें भंवर ट्यूब होते हैं जो 70-90% अवशिष्ट उत्प्रेरक कणों को हटाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। टर्बोएक्सपैंडर को क्षरण से होने वाली क्षति को रोकने के लिए यह आवश्यक है।

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, टर्बोएक्सपेंडर के माध्यम से फ़्लू गैस का विस्तार पुनर्योजी के दहन वायु कंप्रेसर को चलाने के लिए पर्याप्त विद्युत प्रदान करता है। बिजली-रिकवरी प्रणाली में विद्युत मोटर जनरेटर विद्युत ऊर्जा का उपभोग या उत्पादन कर सकता है। यदि फ़्लू गैस का विस्तार वायु कंप्रेसर को चलाने के लिए पर्याप्त विद्युत प्रदान नहीं करता है, तो इलेक्ट्रिक मोटर-जनरेटर आवश्यक अतिरिक्त विद्युत प्रदान करता है। यदि फ़्लू गैस का विस्तार वायु कंप्रेसर को चलाने के लिए आवश्यकता से अधिक विद्युत प्रदान करता है, तो इलेक्ट्रिक मोटर-जनरेटर अतिरिक्त शक्ति को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करता है और इसे रिफाइनरी की विद्युत प्रणाली में निर्यात करता है। भाप टरबाइन का उपयोग द्रव उत्प्रेरक क्रैकर के स्टार्ट-अप के दौरान पुनर्योजी के दहन वायु कंप्रेसर को चलाने के लिए किया जाता है जब तक कि उस कार्य को संभालने के लिए पर्याप्त दहन फ़्लू गैस न हो।

विस्तारित फ़्लू गैस को फिर भाप पैदा करने वाले बायलर (सीओ बॉयलर के रूप में जाना जाता है) के माध्यम से भेजा जाता है, जहां रिफाइनरी में उपयोग के लिए भाप प्रदान करने के लिए फ़्लू गैस में कार्बन मोनोऑक्साइड को ईंधन के रूप में जलाया जाता है।

सीओ बॉयलर से निकलने वाली फ़्लू गैस को अवशिष्ट वायुमंडलीय कण पदार्थ को हटाने के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रीसिपिटेटर (ईएसपी) के माध्यम से संसाधित किया जाता है। ईएसपी फ़्लू गैस से 2 से 20 माइक्रोमीटर (इकाई) के आकार के कणों को हटा देता है।

इतिहास
1857 में जर्मन इंजीनियर कार्ल विल्हेम सीमेंस (सीमेंस चक्र) द्वारा आइसोट्रोपिक रूप से कम तापमान बनाने के लिए एक विस्तार मशीन के संभावित उपयोग का सुझाव दिया गया था। लगभग तीन दशक बाद, 1885 में, बेल्जियम के अर्नेस्ट सोल्वे ने एक प्रत्यागामी एक्सपेंडर मशीन का उपयोग करने का प्रयास किया, लेकिन ऐसे तापमान पर मशीन की स्नेहन संबंधी समस्याओं के कारण -98°C से कम तापमान प्राप्त नहीं किया जा सका।

1902 में, फ्रांस के एक इंजीनियर, जॉर्ज क्लाउड ने हवा को द्रवीकृत करने के लिए एक प्रत्यागामी विस्तार मशीन का सफलतापूर्वक उपयोग किया। उन्होंने बिना किसी चिकनाई के पिस्टन सील के रूप में एक ख़राब, जले हुए चमड़े की पैकिंग का उपयोग किया। केवल 40 बार (4 एमपीए) के वायु दबाव के साथ, क्लाउड ने लगभग आइसोट्रोपिक विस्तार प्राप्त किया जिसके परिणामस्वरूप तापमान पहले की तुलना में कम हो गया।

ऐसा प्रतीत होता है कि पहला टर्बोएक्सपैंडर्स लगभग 1934 या 1935 में जर्मन फर्म लिंडे एजी के लिए काम करने वाले एक इतालवी इंजीनियर गुइडो ज़ेरकोविट्ज़ द्वारा डिजाइन किया गया था।

1939 में, रूसी भौतिक विज्ञानी प्योत्र कपित्सा ने केन्द्रापसारक टर्बोएक्सपैंडर्स के डिजाइन को पूरा किया। उनका पहला व्यावहारिक प्रोटोटाइप मोनेल धातु से बना था, जिसका बाहरी व्यास केवल 8 सेमी (3.1 इंच) था, जो प्रति मिनट 40,000 क्रांतियों पर संचालित होता था और प्रति घंटे 1,000 क्यूबिक मीटर हवा का विस्तार करता था। इसमें ब्रेक के रूप में पानी के पंप का उपयोग किया गया और इसकी दक्षता 79-83% थी। तब से औद्योगिक उपयोग में अधिकांश टर्बोएक्सपेंडर कपित्सा के डिजाइन पर आधारित हैं, और केन्द्रापसारक टर्बोएक्सपेंडर्स ने औद्योगिक गैस द्रवीकरण और कम तापमान प्रक्रिया आवश्यकताओं का लगभग 100% भाग ले लिया है।  तरल ऑक्सीजन की उपलब्धता ने बुनियादी ऑक्सीजन स्टील निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके स्टील के उत्पादन में क्रांति ला दी।

1978 में, प्योत्र कपित्सा को निम्न-तापमान भौतिकी के क्षेत्र में उनके कार्य के लिए नोबेल भौतिकी पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

1983 में, सैन डिएगो गैस एंड इलेक्ट्रिक ऊर्जा पुनर्प्राप्ति के लिए प्राकृतिक-गैस लेटडाउन स्टेशन में टर्बोएक्सपेंडर स्थापित करने वाले पहले लोगों में से एक था।

प्रकार
टर्बोएक्सपैंडर्स को लोडिंग डिवाइस या बियरिंग्स द्वारा वर्गीकृत किया जा सकता है।

टर्बोएक्सपैंडर्स में उपयोग किए जाने वाले तीन मुख्य लोडिंग उपकरण केन्द्रापसारक कंप्रेसर, विद्युत जनरेटर या हाइड्रोलिक ब्रेक हैं। केन्द्रापसारक कम्प्रेसर और विद्युत जनरेटर के साथ टर्बोएक्सपैंडर से शाफ्ट शक्ति को या तो प्रक्रिया गैस को फिर से संपीड़ित करने या विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने, उपयोगिता बिल को कम करने के लिए पुनः प्राप्त किया जाता है।

हाइड्रोलिक ब्रेक का उपयोग तब किया जाता है जब टर्बोएक्सपेंडर बहुत छोटा होता है और शाफ्ट की शक्ति का संचयन आर्थिक रूप से उचित नहीं होता है।

उपयोग किए गए बियरिंग्स या तो तेल बियरिंग्स या चुंबकीय बियरिंग्स हैं।

यह भी देखें

 * वायु पृथक्करण
 * ड्राई गैस सील
 * फ्लैश वाष्पीकरण
 * गैस कंप्रेसर
 * जूल-थॉमसन प्रभाव
 * गैसों का द्रवीकरण
 * रैंकिन चक्र
 * वाष्प टरबाइन
 * वाष्प-संपीड़न प्रशीतन
 * हाइड्रोजन टर्बोएक्सपैंडर जनरेटर

बाहरी संबंध

 * Use of Expansion Turbines in Natural Gas Pressure Reduction Stations
 * Turbo Lab’s Turbomachinery & Pump Symposia