उच्च दाब प्रक्रिया

उच्च दाब वापरल्याने पदार्थात भौतिक व रासायनिक बदल घडून येतात. पी. डब्ल्यू. ब्रिजमन यांनीच प्रथम भौतिकी मध्ये उच्च दाबाविषयी संशोधन सुरू केले व त्याबद्दल त्यांना १९४६ साली नोबेल पारितोषिकही मिळाले. १९१३ च्या सुमारास हाबर यांनी साधारण उच्च वातावरणीय दाब [सु. ३० वातावरणीय दाब (वा. दा.) म्हणजे वातावरणाच्या दाबाच्या ३० पट] वापरून नायट्रोजन व हायड्रोजन या वायूंपासून अमोनियाचे संश्लेषण (घटक अणू अथवा रेणू एकत्र आणून त्यांच्या रासायनिक विक्रियेने पदार्थ बनविणे) केले. तेव्हापासून उच्च दाब प्रक्रियांच्या अभ्यासाला चालना मिळाली. ही उच्च दाब प्रक्रिया अनेक रासायनिक उद्योगधंद्यांत वापरात आहे.

वातावरणीय दाब सु. १·०४६ किग्रॅ./सेंमी.२ इतका असतो (दुसऱ्या एककात सु. १·०१ बार = १ वा. दा., १ बार = ७५·००७ सेंमी. पाऱ्याच्या स्तंभाचा दाब). वा. दा. पेक्षा पुष्कळ अधिक दाब असलेली अनेक साधने व यंत्रे नेहमीच्या वापरात असलेली आढळतात. उदा., मोटारीला असलेल्या रबरी धावेत, तसेच अन्न शिजविण्याच्या दाबपात्रात (प्रेशर कुकरमध्ये) दाब २–५ वा. दा. असतो. जहाजामधील बाष्पित्रामध्ये (बॉयलरमध्ये) व शक्त्युपादन केंद्रामध्ये दाब १०० वा. दा. पर्यंत असतो. मालमोटारी उचलून धरणाऱ्या स्वयंचलित उत्थापकामध्ये (वजन उचलून धरणाऱ्या यंत्रांमध्ये) सु. १ लाख वा. दा. निर्माण होऊ शकतो. प्रयोगशाळेत १९६८ पर्यंत ६,००,००० वा. दा. निर्माण करण्यात आला आहे. भारतात बंगलोर येथे उच्च दाबाचा अभ्यास व संशोधन करण्यासाठी नॅशनल एरोनॉटिकल लॅबोरेटेरी आहे. या प्रयोगशाळेत १,००,००० वा. दा. निर्माण करू शकणारी सामग्री आहे.

उच्च दाब म्हणजे ५० वा. दा. वरील कोणताही दाब असे. समजले जाते. मोठमोठ्या रासायनिक उद्योगधंद्यांत १,५०० ते २,००० वा. दा. मोठ्या प्रमाणात वापरला जातो.

भौतिक बदल : पदार्थांचे गुणधर्म दाबावर तसेच तपमानावर अवलंबून असतात. परंतु प्रामुख्याने उच्च दाबाचा अभ्यास करताना तपमानाचाही, दाब-शामक म्हणून विचार करावा लागतो. उच्च दाबाखाली वायू व द्रव अवस्थांमधील फरक नाहीसा होऊन पदार्थ एका अस्फटिकी अवस्थेत राहतो. दाब पुष्कळच वाढविण्यात आला, तर ही अस्फटिकी अवस्था काचेसारखी श्यान (सांद्र) व कठीण बनते. अशाच उच्च दाबाने अनेक द्रवांचे स्फटिकीकरण होते.

उच्च दाबामुळे पदार्थात होणारे प्रमुख बदल पुढीलप्रमाणे आहेत: (१) घनफळ कमी कमी होत जाते, (२) आकार व घडण बदलत जाते, (३) विद्युत् संवाहकता बदलत जाते आणि (४) श्यानता (दाटपणा) वाढत जाते.

(१) उच्च दाबामुळे घनफळ दोन प्रकारांनी कमी होत असते. एका प्रकारात पदार्थाच्या अणुरेणूंमधील अवकाश कमी होतो व ते जवळजवळ येत राहतात. त्यामुळे घनता वाढत राहते. दुसऱ्या प्रकारात उच्च दाब फारच वाढवीत गेल्यास, सैद्धांतिक दृष्टीने अणुरेणूंचे आकुंचन होऊन त्यांतील इलेक्ट्रॉनीय रचनाच विकृत होते. पदार्थांतील इलेक्ट्रॉन व अणुकेंद्रे यांचा अस्फटिकमय असा जणू एक पसाराच बनतो. काही शतसहस्र वा. दा. मुळे अत्यंत असंपीड्य (दाबाचा परिणाम न होणाऱ्या) अशा हिऱ्यासारख्या पदार्थात काही टक्के घनफळात घट होते, तर नित्य वायूच्या घनावस्थेतील ही घट तसेच क्षार धातूंची (अल्कली धातूंची म्हणजे सोडियम, पोटॅशियम इ.) घट ५० टक्क्यांपर्यंत होते.

घनफळातील घट अखंडित नसते, त्यामुळे अस्फटिकी अवस्थेतून पदार्थ घनरूप अशा स्फटिक अवस्थेत जातो. पुरेशा उच्च दाबामुळे गोठणबिंदू वरवर चढत जातो, म्हणजे कोणत्याही पदार्थाची कोणत्याही उच्च तपमानात स्फटिकी अवस्था टिकविता येणे शक्य आहे.

(२) उच्च दाबाखाली पदार्थाचे घनफळ घटल्यामुळे घनता वाढत जाऊन त्याच्या अणुरेणूंची जडणघडण व त्यांचे आकार बदलत जातात.  ग्रॅफाइटाच्या घनतेपेक्षा हिऱ्याची घनता १·६ पट मोठी आहे. पण ग्रॅफाइटावर ५५ हजार ते एक लाख वा. दा. लावून व १०००० से. ते ३,०००० से. तपमान ठेवून, एका वितळलेल्या धातूचा उत्प्रेरक (विक्रियेत भाग न घेता विक्रियेची गती वाढविणारा पदार्थ) म्हणून उपयोग केल्यास, त्याचे हिऱ्यात रूपांतर होते. व्यापारीदृष्ट्या असे हिरे तयार करण्यात येत आहेत. अशा उच्च दाबामुळे ०·२ ग्रॅम (१ कॅरट) वजनाचे हिरे बनविण्यात आले आहेत. तसेच ब्रिजमन यांनी भिन्न रचना असलेले सात प्रकारचे बर्फाचे स्फटिक बनविण्यात यश मिळविले आहे. त्यांपैकी एक प्रकारचा बर्फ १००० से. तपमानात पाण्यात समतोलावस्थेत राहतो.

(३) सर्वसामान्यपणे उच्च दाबाखाली धातूंची विद्युत् संवाहकता वाढते, पण काही धातूंच्या बाबतीत ती कमीही होते. काही दशसहस्र वा. दा. मुळे होणारा विद्युत् संवाहकतेतील बदल सु. १० टक्क्यांइतका असतो. उच्च दाबामुळे होणाऱ्या धातूतील विद्युत् रोधातील बदलाचा उच्च दाबाच्या मापनासाठीही उपयोग केला जातो. उदा., मँगॅनीन नावाच्या मिश्रधातूच्या तारेचा रोध रैखिकरीत्या (एकघाती प्रमाणानुसार) १२,००० वा. दा. पर्यंत वाढत राहतो, बहिर्वेशन पद्धतीने (एखाद्या नियमानुसार वाढणाऱ्या किंवा कमी होणाऱ्या मूल्याचा निरीक्षणाबाहेरील क्षेत्रांत त्या नियमाच्या अनुरोधाने अंदाज करण्याच्या पद्धतीने) २०,००० वा. दा. पर्यंतचे मापन करता येते. दर हजार वा. दा. मुळे होणारा रोधातील बदल केवळ ०·२३ टक्केच असल्यामुळे रोधमापनासाठी अत्यंत अचूक पद्धतीच वापराव्या लागतात.

(४) वरील सर्व बदलांपेक्षा उच्च दाबामुळे द्रवातील श्यानतेत होणारा बदल हा सर्वांत मोठा बदल असतो. काही द्रवातील हा बदल तर लक्षावधी पट असतो.

रासायनिक बदल : भौतिक बदलांप्रमाणेच उच्च दाबामुळे रासायनिक बदलही घडून येतात. सुरुवातीलाच उल्लेख केलेली अमोनिया संश्लेषणाची पद्धत हे अशा बदलांपैकीच एक उदाहरण आहे. मात्र काही विशिष्ट उत्प्रेरक वापरून मोठमोठ्या कारखान्यांत ३०० वा. दा. व ४५००–५००० से. तापमानात अमोनिया तयार करतात. काही कारखान्यांत १,००० वा. दा. व ५०००–६५०० से. तपमानातही तो तयार करण्यात येतो.

उच्च दाबामुळे होणाऱ्या रासायनिक बदलांचा विविध पदार्थांचे संश्लेषण करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात उपयोग करण्यात येतो. अशा काही संश्लेषणांची माहिती कोष्टकरूपाने वर दिली आहे.

यांशिवाय उच्च दाबामुळे होणाऱ्या प्रक्रियांचा पुढीलप्रमाणे उपयोग करण्यात येतो : (१) वायूंची साठवण : ऑक्सिजन, नायट्रोजन, कार्बन डाय-ऑक्साइड, हायड्रोजन, हीलियम वगैरे वायू भक्कम सिलिंडरांत उच्च दाबाखाली भरून साठविणे व जरूरीनुसार दूर पाठविणे, (२) रासायनिक विक्रियांची त्वरा वाढविणे : शुद्धीकरणासाठी खनिज तेलाचे ⇨ अल्किलीकरण  करणे, हायड्रोकार्बनांचे ऑक्सिडीकरण [ऑक्सिडीभवन] करणे, (३) घनरूप पदार्थातील द्रव अंश वेगळा करणे : बियांपासून तेल काढणे, कागद व इतर लगद्यांतील पाणी बाहेर काढणे, (४) वायूच्या विद्राव्यतेतील (विरघळण्याच्या क्षमतेतील) वाढ : इतर वायूंच्या मिश्रणापासून कार्बन मोनॉक्साइड व कार्बन डाय-ऑक्साइड वेगळे करणे, नैसर्गिक वायूपासून (खनिज इंधन वायूपासून) गॅसोलिनाची पुनःप्राप्ती करणे व (५) बहिःसारण (धातू, प्लॅस्टिक इ. पदार्थ साच्यातून ओढून काढून त्यांना आवश्यक तो आकार देणे) व घन पदार्थांवरील दाब प्रक्रिया : प्लॅस्टिकचे व चूर्णरूप धातूंचे साचाकाम, चूर्णरूप औषधी पदार्थांपासून गोळ्या बनविणे इत्यादी.

उच्च दाबाची विविध उपकरणे : वर उल्लेखिलेल्या प्रक्रिया घडून येण्यासाठी उच्च दाब तसेच उच्च तपमान सहज व सुरक्षितपणे पेलू शकतील अशी गरजेनुसार लहान मोठी पात्रे (भांडी) तयार करण्याचे तंत्र क्लिष्ट आहे. अशी पात्रे तयार करताना लक्षात घेण्याच्या महत्त्वाच्या बाबी पुढे दिल्या आहेत : (१) पात्रांचे व्यास, लांबी, जाडी व अभिकल्प (आराखडा), मुख्य धातू पोलाद व गरजेनुसार मिसळावे लागणाऱ्या इतर धातू उदा., कार्बन, निकेल, क्रोमियम, मँगॅनीज, मॉलिब्डेनम, टंगस्टन इ. साधारणपणे पात्राचा आकार गोल वा दंडगोलाकार असतो, (२) पात्रात वापरावयाचा दाब व तपमान, (३) तापनाच्या व शीतलीकरणाच्या पद्धती, (४) विक्रियेत भाग घेणाऱ्या व त्यातून तयार होणाऱ्या पदार्थाच्या क्षरणाचे (गंजण्याचे) स्वरूप, (५) पात्राला ठेवावयास लागणाऱ्या तोंडांची व माथ्यांची संख्या, (६) पात्राची घडाई व जोडकाम (रिव्हेट, वितळजोड, डाख वा आटे) तसेच आत सोडावयाच्या पदार्थांचे भरण व त्यांची गळती, (७) प्रक्रिया दर्शक काचा, (८) पात्रातील द्रव्यांचे योग्यतर्‍हेने मिश्रण होईल अशी योजना.

उपकरणातील दाब मोजण्यासाठी विशिष्ट पोलादी बूरदाँ दाबमापक, स्थिरभारमापक किंवा मँगॅनीन तारमापक वापरतात. अशा तर्‍हेने योग्य पात्राची निवड व निर्मिती केल्यावर उच्च दाबासाठी आवश्यक संपीडक (दाब निर्मिती करणारे यंत्र) व पंपाची उभारणी करावी लागते. दाब गळती होऊ नये यासाठी ब्रिजमन यांनी तयार केलेली गळबंद (गळती होणार नाही अशी) रचना किंवा तत्समान इतर यंत्रणा वापरावी लागते.

संदर्भ : 1. Bridgeman, P. W. Physics of High Pressure, New York, 1949.

2. Furnas, C. C. Ed. Rodger’s Industrial Chemistry, Vol. I, New York, 1959.

3. Perry, J. H. Chemical Engineer’s Handbook, Tokyo, 1950.