Aria liquida e suo frazionamento
Composizione
L’aria è costituita da una miscela di circa il 21 % di Ossigeno , il 78% di azoto
e dall’1% di altri gas tra i quali Gas nobili, CO2, vapore acqueo e altri gas
inquinanti quali ossidi di zolfo e di azoto, contiene inoltre polveri in sospensione
Il punto di ebollizione dei componenti a pressione atmosferica è :
Azoto : -195.8 °C
Temp. Critica -147.1 °C
Ossigeno: -183 °C
Temp. Critica -118.8 °C
La temperatura critica è il valore al di sopra della quale il gas non può essere liquefatto
I valori delle temperature critiche di azoto e ossigeno prevedono che a
temperatura ambiente non possano essere liquefatti, ma solo compressi.
Si comportano approssimativamente come gas ideali.
Aria liquida e suo frazionamento
Gas ideali e gas reali
L’equazione di stato dei gas ideali pV=nRT è valida solo se i gas sono
a temperatura molto superiore a quella critica. A temperatura ambiente, la
miscela azoto-ossigeno non è liquefacibile
Quando la temperatura dei gas si avvicina o scende sotto la
temperatura critica, il loro comportamento è approssimativamente
prevedibile tramite l’equazione di Van deer Waals, una delle equazioni
che può parzialmente spiegare il comportamento dei gas reali.
Viene modificata inserendo nell’equazione dei gas ideali due costanti :
a, b dette costanti di van der Waals i cui valori sono tipici del tipo di gas
che si sta considerando, e tengono conto delle forze intermolecolari dei
gas( nulle per i gas ideali) e del volume delle molecole (puntiformi per i
gas ideali)
Aria liquida e suo frazionamento
Gas ideali e gas reali
La formulazione della legge di van der Waals è la seguente:[1]
Dove p è la pressione del gas, n la quantità di sostanza (numero di moli),V il
volume occupato, R la costante universale dei gas e T la temperatura assoluta.
Sostituendo eventualmente il volume totale del gas V con il volume molare Vm, si
ottiene una espressione in cui non compare il numero di moli n:
I valori delle costanti di van der Waals per azoto e ossigeno sono
Azoto: a=1,408, b= 0,03913 Ossigeno: a= 1,378 b= 0,03183
la loro importanza è spiegata di seguito
Aria liquida e suo frazionamento
Il grafico rappresenta il
comportamento delle isoterme
della CO2 a diverse temperature,
le parti piane rappresentano la
liquefazione del gas in condizioni
di temperatura inferiore a quella
critica. Nella zona a sinistra in
alto è presente liquido, nella
zona lineare è presente sia il
liquido che il vapore
Al di sopra dell’isoterma critica
esiste il solo gas
Aria liquida e suo frazionamento
Effetto Joule-Thomson
In termodinamica, l'effetto Joule-Thomson, o effetto Joule-Kelvin, è
un fenomeno per cui la temperatura di un gas reale aumenta o
diminuisce in seguito ad una compressione/espansione condotta ad
entalpia costante, ovvero una trasformazione adiabatica dalla quale non
si estrae alcun lavoro.
Per una data pressione, un gas reale ha una temperatura di inversione: se
l'espansione ad entalpia costante avviene ad una temperatura maggiore a
quella di inversione si ha un aumento di temperatura. Se l’espansione
avviene ad una temperatura minore a quella di inversione, al contrario, la
stessa espansione provoca un raffreddamento. Per la maggior parte dei
gas a pressione atmosferica, la temperatura di inversione è abbastanza
elevata (più alta della temperatura ambiente), quindi la maggior parte dei
gas a tali condizioni di temperatura e pressione vengono raffreddati
attraverso una espansione isoentalpica.
Aria liquida e suo frazionamento
Effetto Joule-Thomson
L'effetto Joule-Thomson in pratica viene ottenuto nei seguenti modi:
L'effetto è utilizzato nel processo Linde come processo standard nell'industria,
dove l'effetto di raffreddamento è utilizzato per liquefare i gas a seguito del
susseguirsi di cicli di compressione – refrigerazione - rapida espansione.
La resa di compressione dell’effetto Joule Thomson è per convenzione il ΔT
ottenuto facendo espandere il gas ad una certa temperatura da una pressione P1
ad una pressione P2. Il segno negativo del ΔT indica un abbassamento di
temperatura del gas che ha subito l’espansione.
Il lavoro necessario alla
compressione del gas è
p2
L   log
p1
Dove α è il coefficiente di Joule-Thomson per quel gas, a quella temperatura T.
Il valore di α aumenta con l’abbassarsi della temperatura, pertanto espansioni a
temperatura sempre più bassa produrranno dei ΔT sempre più grandi raffreddando
sempre di più il gas espanso.
Aria liquida e suo frazionamento
Effetto J-T e I° Processo Linde per la liquefazione dell’aria
Il coefficiente di Joule-Thomson varia con la
temperatura come nella tabella a fianco.
Eseguendo una prima espansione dell’aria
depurata da 200 atm a pressione ambiente
partendo da 12 °C, il ΔT è circa 31°C e l’aria
arriva alla temperatura di -19°C.
Scambiando calore con altra aria compressa a
200 Atm nello scambiatore Linde, la nuova aria
compressa scende alla temperatura di circa
-11 °C. Una nuova espansione porta la
temperatura dell’aria a -54°C.
Questa aria nello scambiatore porta la
T°C
T°K
α
50
323
0,14
0
273
0,18
-25
248
0,21
-50
223
0,26
-100
173
0,32
-120
153
0,31
-130
143
0,33
-140
133
0,28
temperatura di nuova aria compressa a 200 atm alla T di -46° C. Un’altra
espansione la porta a -117°C e così via, scendendo al disotto della T di
liquefazione dell’aria stessa.
Aria liquida e suo frazionamento
Processo Linde per la liquefazione dell’aria: Depurazione
L’aria che deve essere liquefatta deve essere priva di
Per evitare corrosioni o intasamenti nelle valvole di
espansione e nelle tubazioni dell’impianto
Filtro depolverizzatore
in linea
Fitro da aria
Polveri
Vapore d’acqua
Anidride carbonica
Gas acidi (NOx, SOx)
Gel di Silice
eliminazione
idrocarburi e
altre sostanze
Deacquificazione per
compressione
KOH solida
Soluzione di NaOH
Ass. CO2 gas acidi
Disidratazione
decarbonatazione
deacidificazione totale
Aria liquida e suo frazionamento
Processo Linde per la liquefazione dell’aria: Liquefazione
Aria depurata
a 40 atm
Acqua di
raffreddamento
Scarico aria a 1 atm
J-T
Scambio termico tra l’aria
compressa a 200 atm con
aria espansa a 1 atm
Compressione a 200 atm
Refrigerazione
con acqua fino
a temperatura
ambiente
Espansione di J-T da
200 atm a 1 atm in
valvola e conseguente
raffreddamento aria
fino alla liquefazione
Dewar raccolta aria liquida
Aria liquida e suo frazionamento
Colonna di rettifica
Azoto puro
Separazione Azoto-Ossigeno
La colonna è costituita da due colonne
a piatti sovrapposte idraulicamente
isolate in cui la testa della colonna
sottostante C2 (arricchimento) contiene
un condensatore che è
contemporaneamente il ribollitore della
colonna superiore C1 (rettifica).
Questo è possibile perché le due
colonne lavorano a pressioni diverse: la
superiore (C1) a pressione poco
superiore a 1 atmosfera, la inferiore
(C2) \a 5 atmosfere
Valvola di espansione a 1 atm
Condensatore colonna C2
e ribollitore colonna C1
Ossigeno puro
Azoto quasi puro -196°C
Valvola di espansione
a 5-6 atm
Aria compressa raffreddata -130°
Aria liquida ricca di ossigeno
Riscaldamento fondo colonna
con aria compressa
Aria liquida e suo frazionamento
Colonna di rettifica
Azoto puro
Valvola di espansione
Condensatore colonna C2
e ribollitore colonna C1
Ossigeno puro G+L
Azoto quasi puro -196°C
Valvola di espansione
Aria compressa raffreddata -130°
Aria liquida ricca di ossigeno
Riscaldamento fondo colonna
con aria compressa
Aria liquida e suo frazionamento
NH3 liq
Aria L 36% O2