वाष्प प्रणाली के नियंत्रण सिद्धांत

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वाष्प प्रणाली के नियंत्रण सिद्धांत/बॉयलर में उपयोग होने वाले पानी का प्रसंस्करण: हाइड्रोजन उत्पादन उपकरणों के सुरक्षित एवं विश्वसनीय संचालन हेतु, बॉयलर में उपयोग होने वाले पानी की मात्रा एवं गुणवत्ता को सुनिश्चित करना आवश्यक है। भाप प्रणाली को निरंतर, सुरक्षित एवं विश्वसनीय रूप से जल आपूर्ति सुनिश्चित करने, तथा बॉयलर में जल-आपूर्ति में कोई व्यवधान न हो, इसके लिए जल-आपूर्ति प्रणाली में बॉयलर जल-पंप लगाए गए हैं – एक पंप कार्यरत रहता है, जबकि दूसरा आपातकालीन स्थितियों हेतु उपलब्ध रहता है। 1. बॉयलर के लिए पानी की गुणवत्ता: इसकी गुणवत्ता अवश्य ही मानकों के अनुरूप होनी चाहिए; अन्यथा निम्नलिखित हानिकारक परिणाम हो सकते हैं: 1) बॉयलर की पाइपलाइनों, बॉयलर वॉटर हीटरों, एवं बॉयलर में चूना एवं अन्य अवशेष जम सकते हैं। 2) स्टीम ओवरहीटर के भागों में लवण-जमाव होने से उपकरणों की उत्पादन क्षमता कम हो जाती है; कभी-कभी तो उपकरणों को नुकसान भी पहुँच जाता है। 3) जल आपूर्ति पाइपलाइनों, बॉयलरों, भाप पाइपलाइनों, कंडेनसेट पाइपलाइनों एवं अन्य सहायक उपकरणों में धातुओं का क्षय होता है। 2. बॉयलर में इस्तेमाल होने वाले पानी से ऑक्सीजन हटाना: जब ऊष्मा-संबंधी उपकरण क्षय होते हैं, तो ऑक्सीजन की मुख्य भूमिका क्षय-प्रक्रिया में शामिल “कैथोड” भाग को नष्ट करने में होती है। इस प्रक्रिया की गति, एक ओर तो कैथोड भाग में ऑक्सीजन के विघटन की गति पर निर्भर है, तो दूसरी ओर ऑक्सीजन के कैथोड की ओर फैलाव पर भी निर्भर है। जब बॉयलर का पानी लोहे के संपर्क में आता है, तो थोड़ी मात्रा में लोहा पानी में घुल जाता है, जिससे फेरस ऑक्साइड बनता है। यदि बॉयलर के पानी में ऑक्सीजन न हो, तो अभिक्रिया जल्दी ही संतुलन तक पहुँच जाती है, जिससे लोहे का और क्षय रुक जाता है। लेकिन यदि पानी में ऑक्सीजन हो, तो पानी में घुलनशील न होने वाला हाइड्रॉक्साइड आयरन बन जाता है; ऐसी स्थिति में प्रणाली में मौजूद लोहा क्षय होकर अवक्षेप बन जाता है। यदि ऑक्सीजन की आपूर्ति जारी रही, तो पाइपलाइनें एवं बॉयलर लगातार क्षतिग्रस्त होते रहेंगे। इसलिए, बॉयलर के पानी में ऑक्सीजन की मात्रा संबंधी मानक भी काफी कड़े होते हैं। ऑक्सीजन हटाने के बाद, पानी में ऑक्सीजन की मात्रा 0.015 पीपीएम से कम होनी आवश्यक है। 1) ऑक्सीजन-निष्कासन सिद्धांत: पानी में घुले हुए किसी भी गैस की सांद्रता, पानी की सतह पर उस गैस के संतुलन दबाव एवं पानी के तापमान पर उस गैस के अवशोषण गुणांक के अनुपात में होती है। डाल्टन के नियम के अनुसार, इस सांद्रता का निर्धारण निम्नलिखित सूत्र द्वारा किया जा सकता है:
“जल में गैस की मात्रा = अवशोषण गुणांक × गैस का दबाव (कुल वायुदाब)”
यदि घोल में गैस की सांद्रता, घोल पर उस गैस के आंशिक दबाव के अनुरूप सांद्रता से अधिक होती है, तो गैस धीरे-धीरे घोल से बाहर निकल जाती है। ； इसके विपरीत, घोल लगातार गैसों को अवशोषित करता रहेगा। आम तौर पर। घोल का तापमान जितना अधिक होता है, गैस की घुलनशीलता उतनी ही कम होती है। डीऑक्सीफायर का कार्य सिद्धांत यह है कि इसमें पानी को गर्म करके उसे उबाला जाता है, एवं निरंतर मात्रा में भाप को वायुमंडल में छोड़ा जाता है। इससे पानी की सतह पर ऑक्सीजन का दबाव लगभग शून्य हो जाता है, जिससे पानी में मौजूद ऑक्सीजन पानी से बाहर निकल जाती है। यहाँ तक कि सबसे बेहतरीन ऑक्सीजन-निष्काशन उपकरणों के उपयोग से भी, प्रसंस्कृत पानी में थोड़ी मात्रा में ऑक्सीजन बच जाती है। इसलिए, थर्मल विधियों के अलावा, रासायनिक विधियों का भी उपयोग करना आवश्यक है। अर्थात्, पानी में यूरिया मिलाया जाता है, ताकि पानी में मौजूद सूक्ष्म मात्रा में ऑक्सीजन भी हट सके। यूरिया एवं ऑक्सीजन की अभिक्रिया इस प्रकार होती है: N2H4 + O2 = 2H2O + N2
2) ऑक्सीजन हटाने में प्रभाव डालने वाले कारक:
A) तापमान – जैसा कि ऊपर बताया गया है, पानी को उबालना आवश्यक है, एवं निरंतर वाष्पीकरण भी आवश्यक है; तभी ही पानी की सतह पर ऑक्सीजन का दबाव शून्य रह सकता है। डाल्टन के नियम के अनुसार, चूँकि ऑक्सीजन का दबाव शून्य होता है, इसलिए पानी में ऑक्सीजन की मात्रा भी शून्य होती है। ऐसी स्थिति में ऑक्सीजन पानी से बाहर निकल जाती है। इस उपकरण के ऑक्सीजन-निष्काशन उपकरण में, संचालन हेतु उपयोग किया जाने वाला दबाव 0.12 MPaA है; इस स्थिति में पानी का संतृप्त तापमान 104℃ होता है। ख) वाष्प-जल संपर्क सतह: ऑक्सीजन हटाने की प्रक्रिया को बेहतर बनाने हेतु, वाष्प एवं जल का अच्छी तरह मिश्रण होना आवश्यक है; इसके लिए वाष्प-जल संपर्क सतह को बढ़ाना आवश्यक है। इसके लिए, डीऑक्सीफायर में पानी को डीऑक्सीफिकेशन चैंबर में स्थित नोजलों के माध्यम से वितरण प्लेट पर समान रूप से छिड़का जाता है; इसके बाद भाप द्वारा इस पानी को गर्म करके उसमें मौजूद ऑक्सीजन हटा दी जाती है। इसके बाद, ऑक्सीजन-रहित उच्च तापमान वाला पानी फिलर लेयर में भेजा जाता है, जहाँ वहाँ मौजूद भाप द्वारा सीधे गर्म किया जाकर उसमें से ऑक्सीजन निकाल इस प्रक्रिया में, पानी को अच्छी तरह गर्म किया जाता है एवं मिलाया जाता है; इस प्रक्रिया में ऑक्सीजन लगभग पूरी तरह हट जाती है। डीऑक्सीफायर से लगातार ऑक्सीजन को बाहर निकालना आवश्यक है; इसके लिए अतिरिक्त भाप डाली जाती है, ताकि ऑक्सीजनयुक्त भाप लगातार डीऑक्सीफायर के ऊपरी हिस्से से बाहर निकल सके। ग) डीऑक्सीफायर में भेजे जाने वाले पानी की मात्रा हमेशा स्थिर होनी चाहिए। पानी में लगातार निश्चित मात्रा में यूरिया मिलाना आवश्यक है, ताकि पानी में यूरिया की संतृप्त मात्रा बनी रहे। बॉयलर में इस्तेमाल होने वाले पानी में यूरिया की मात्रा 0.01–0.05 पीपीएम होनी चाहिए। 3. बॉयलर में प्रयोग होने वाले पानी के pH मान का नियंत्रण
pH मान का स्तर, उपकरणों के क्षय पर गंभीर प्रभाव डालता है। जब पानी धातु के संपर्क में आता है, तो थोड़ी मात्रा में लोहा पानी में घुल जाता है, जिससे फेरस ऑक्साइड बनता है। इसका घुलने की दर, पानी के pH मान पर निर्भर है। जितना पानी का pH मान कम होता है, उतनी ही तेज़ी से हाइड्रोजन पेरोक्साइड घुल जाता है, और इस कारण क्षय भी तेज़ हो जाता है। पानी में निश्चित pH मान बनाए रखने हेतु, जल आपूर्ति प्रणाली में निरंतर थोड़ी मात्रा में अमोनिया मिलाना आवश्यक है (लगभग 0.3 ppm), ताकि पानी का pH मान 8.8 से 9.2 के बीच रह सके। 4. जल-आपूर्ति के तापमान का बॉयलर में उत्पन्न होने वाली भाप की मात्रा पर प्रभाव: जल-आपूर्ति प्रणाली को, जल की उपलब्धता एवं गुणवत्ता सुनिश्चित करने के अलावा, बॉयलर में जाने वाले जल के तापमान को भी निर्धारित सीमा के भीतर रखना होता है; क्योंकि जल-आपूर्ति का तापमान, बॉयलर में उत्पन्न होने वाली भाप की मात्रा पर बहुत ही महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। जल के तापमान को बढ़ाने से, बॉयलर द्वारा उत्पन्न होने वाली भाप की मात्रा में वृद्धि होग आम तौर पर, बॉयलर फीड वाटर प्रीहीटर में पानी को उबलने के बिंदु से लगभग 20°C कम तापमान पर ही रखना बेहतर होता है। 5. भाप का शुद्धीकरण: इस उपकरण के लिए, भाप में निर्धारित मापदंडों का पालन करने के अलावा, भाप की गुणवत्ता भी सुनिश्चित करना आवश्यक है; ताकि स्टीम ओवरहीटर की सतह पर नमकीय अवशेषों का जमाव न्यूनतम रहे, या बिल्कुल ही न हो। भाप में प्रदूषण होने के कारण: 1) जल-बूँदों का समावेश – जब भाप बनती है, तो उसकी परत टूट जाती है, जिससे जल-बूँदें भाप में घुल जाती हैं एवं अशुद्धियों को भी साथ ले जाती हैं। 2) भट्ठी के पानी में झाग बनना – भट्ठी के पानी में नमक की मात्रा बढ़ने के कारण उसमें झाग बन जाता है; इसके परिणामस्वरूप भाप में नमी एवं नमक की मात्रा भी बढ़ जाती है। इसलिए, भट्ठी के पानी में नमक की मात्रा को अवश्य ही सख्ती से नियंत्रित करना आवश्यक है 3) चयनात्मक परिवहन: भाप का चयनात्मक परिवहन मुख्य रूप से भट्ठी के पानी में अशुद्धियों की घुलनशीलता के कारण होता है। जैसे-जैसे भाप का दबाव बढ़ता है, भाप में गैर-वाष्पशील पदार्थों की मात्रा भी बढ़ जाती है। यहाँ विशेष रूप से इस बात की व्याख्या की गई है कि भाप में सिलिका किस रूप में मौजूद होती है: भाप में सिलिका “सिलिकिक एसिड” के रूप में होती है, लेकिन भट्ठी के पानी में सिलिका आमतौर पर “सोडियम सिलिकेट” के रूप में ही मौजूद होती है; केवल थोड़ी ही मात्रा में सिलिका “सिलिकिक एसिड” के रूप में होती है। अतः, पानी में सिलिकॉन जितना कम सिलिकेट रूप में मौजूद होगा, एवं जितना अधिक सिलिकेट यौगिकों के रूप में मौजूद होगा, तो वहाँ “कैरीइंग कोएफिशिएंट” उतना ही कम होगा। अतः, भाप में चयनात्मक वहन, सिलिकेटों के भाप में घुलने के कारण होता है। इसकी मात्रा, भाप के दबाव में वृद्धि होने के साथ बढ़ जाती है; साथ ही, यह भट्ठी के पानी के pH मान, उसमें मौजूद घटकों एवं सिलिकॉन की मात्रा से भी संबंधित है। आमतौर पर, जैसे-जैसे भट्ठी के पानी में pH मान बढ़ता है, सिलिकेट का वहन गुणांक कम हो जाता है। जब भट्ठी के पानी में pH मान 13 से अधिक हो जाता है, तो सिलिकेट का परिवहन गुणांक शून्य हो जाता है। इसलिए, सामान्य संचालन के दौरान भट्ठी में मौजूद पानी के pH मान पर अवश्य ध्यान देना आवश्यक है। अन्यथा, भाप में SiO2 की मात्रा बढ़ जाएगी। भट्ठी में मौजूद पानी के pH मान को 9.6 से 10.3 के बीच ही रखना आवश्यक है। 4) भाप अलगाव उपकरण: इस उपकरण में मध्यम दबाव वाली भाप को अलग करने हेतु, कन्वर्शन वॉटर बॉयलर में “साइक्लोनिक सेपरेशन एवं वेव्ड प्लेट बॉक्स” का उपयोग किया जाता है; ताकि यथासंभव शुद्ध भाप प्राप्त की जा सके। 5) जल-चक्र संबंधी समस्याएँ: पाइप-बॉयलरों के सुरक्षित संचालन हेतु, प्राकृतिक चक्र या जबरदस्ती चक्र का उपयोग आवश्यक है। बॉयलर की ऊपर जाने वाली नलियों में, गर्मी के कारण वहाँ वाष्प एवं पानी का मिश्रण बन जाता है; इस मिश्रण का घनत्व, गर्मी से प्रभावित न होने वाली नीचे जाने वाली नलियों में मौजूद पानी के घनत्व से कम होता है। इस कारण पानी, वाष्प-भंडार से नीचे जाने वाली नलियों के माध्यम से नीचे जाता है, और फिर ऊपर जाने वाली नलियों के माध्यम से वापस वाष्प-भंडार में आ जाता है। इस प्रकार एक चक्र बन जाता है। अर्थात्, नीचे जाने वाली नलियों में पानी का घनत्व, ऊपर जाने वाली नलियों में मौजूद मिश्रण के घनत्व से अधिक होता है; ऐसा चक्र “धनात्मक चक्र” कहलाता है। लेकिन, कभी-कभी विभिन्न कारणों से, प्रवाह की दिशा ऊपर बताई गई दिशा के विपरीत हो जाती है; ऐसी स्थिति में विपरीत दिशा में ही प्रवाह होता है। अर्थात्, ऊपर जाने वाली नली में तरल पदार्थ का घनत्व, नीचे जाने वाली नली में उसके घनत्व से अधिक हो जाता है। जब ऊपर जाने वाली नली में तरल पदार्थ का घनत्व, नीचे जाने वाली नली में पानी के घनत्व के बराबर हो जाता है, तो पूरी प्रणाली में कोई परिसंचरण नहीं होता; ऐसी स्थिति में परिसंचरण रुक जाता है। जब सिस्टम में विपरीत प्रवाह या चक्रीय गतिविधियों में रुकावट आ जाती है, तो इससे भट्टी की सुरक्षा प्रभावित होती है। इसके कारण ऊष्मा-अवशोषण करने वाली सतहें जल्दी ही क्षतिग्रस्त हो जाती हैं, एवं इससे भाप की गुणवत्ता पर भी गंभीर प्रभाव पड़ता है। इसलिए, बॉयलर के डिज़ाइन एवं संचालन में ऊपर बताए गए प्रकार की समस्याओं से बचना आवश्यक है। 6) स्केल-रिमूवरों के उपयोग में, बॉयलर के पानी में Na3PO4 की मात्रा को अत्यंत सावधानी से नियंत्रित करना आवश्यक है। बॉयलर के पानी में Na3PO4 मिलाने का उद्देश्य, बॉयलर के अंदर स्केल न बनने देना है। जब बॉयलर का पानी उबल रहा होता है एवं इसमें क्षारीयता अधिक होती है, तो पानी में मौजूद कैल्शियम आयन एवं फॉस्फेट आयनों के बीच निम्नलिखित अभिक्रिया होती है:
Ca2+ + 6PO43- + 2OH- → Ca(OH)2(PO4)6
इस अभिक्रिया से बनने वाला कैल्शियम फॉस्फेट, एक नरम पदार्थ होता है; इसे आसानी से बॉयलर के अपशिष्ट पानी के साथ बाहर निकाला जा सकता है। इस प्रकार, यह बॉयलर के अंदर दूसरी बार स्केल नहीं बनने देता। लेकिन बॉयलर के पानी में PO4-3 की मात्रा भी अधिक नहीं होनी चाहिए। यदि इसकी मात्रा अधिक हो जाए, तो न केवल अपशिष्ट जल के साथ खुराक भी अधिक मात्रा में बाहर निकलेगी, जिससे दवाओं की खपत बढ़ जाएगी; बल्कि इससे कई अन्य हानिकारक परिणाम भी होंगे। उदाहरण के लिए:
A) बॉयलर में उपयोग होने वाले पानी में लवणों की मात्रा बढ़ जाएगी, जिससे भाप की गुणवत्ता प्रभावित होगी। बी) Ca3(PO4)2 का निर्माण संभव है। ग) यदि बॉयलर के पानी में लोहे की मात्रा अधिक हो, तो फॉस्फेट-लोहा जमाव बनने की संभावना होती है। इसलिए, जब तक जमाव-रोधी प्रभाव हासिल किया जा सकता है, तब तक भट्ठी के पानी में PO43- की सांद्रता को कम ही रखना बेहतर है।