Processi criogenici e frazionamento dell'aria, Processi Chimici

Processi criogenici

Alle coltivazioni servono:

• Potassio
• Fosforo
• Azoto

Le piante non riescono a fissarlo prendendolo dall'aria - solo i legumi lo fanno.

Si usano fertilizzanti derivati dell'ammoniaca.

Prodotto da H₂ + N₂, ma si trova libero in atmosfera. Lo produco dai combustibili fossili o soprattutto dal CH₄ - reforming con H₂O.

Lo prendo dall'aria:

• Setacci molecolari, poco usati
• Distillazione: devo liquefare l'aria a T bassa

Processi criogenici

I processi criogenici sono riferiti a delle notevoli variazioni delle proprietà.

Riguardano la produzione di gas tecnici (O₂, N₂):

T < 125 K. I materiali superfluenti, diversi tipi superconduttori...

I processi riguardano la produzione di:

• Ossigeno - ottimo combustibile usato nell'industria metallurgica
• Idrogeno - settore aerospaziale, armi nucleari

Processi criogenici

Alle coltivazioni servono:

• Potassio
• Fosforo
• Azoto

Le piante non riescono a fissarlo prendendolo dall'aria.

Si usano fertilizzanti derivati dall'ammoniaca.

Prodotta da H₂ + N₂.

Ma si trova libero in atmosfera.

Lo produco dai combustibili fossili, o soprattutto del CH₄.

Reforming con H₂O.

I processi criogenici sono riferiti a delle notevoli variazioni delle proprietà.

I processi riguardano la produzione di:

• Ossigeno: ottimo comburente, usato nell'industria metallurgica
• Idrogeno: settore aerospaziale, armi nucleari

Richiedono la produzione di gas tecnici (O₂, N₂).

T < 125 K. I materiali: infragilisco, dielettrici, superconduttori...

Elio

Si trova assieme ai gas naturali.

Deriva della degradazione degli isotopi radioattivi più presenti.

Si accumula nelle sacche.

In Algeria il gas contiene fino al 7% in elio - cavitatore separarlo con un sistema criogenico.

È l'unico modo per ottenerlo.

Azoto

Usato nel settore alimentare: azoto liquido.

Usato in campo medico per conservare le cellule.

Periti speciali:

• Permette di effettuare dei rapidi raffreddamenti degli alimenti
• Può cristallizzare H₂O in modo troppo grande

Usato come inerte - bonifiche.

GNL

Il gas naturale liquefatto.

Posso trasportarlo in nave metaniere.

Problematiche

Possono venire:

• Resistente
• Duttile
• Modulo elastico

Reticolo cfc

Cubico e facce centrate.

Ottime caratteristiche a T basso:

• Nichel
• Rame
• Alluminio

Reticolo ccc

Cubico e corpo centrato.

Peggiori caratteristiche a T bassa:

• Ferro
• Molibdeno
• Niobio

Reticolo esagonale

Caratteristiche variabili.

Materiali plastici

Infragiliscono a T basse.

Possono comunque diventare a caldo e solo dopo passare al freddo.

Tutto dipende dalla temperatura di transizione vetrosa.

Produzione del freddo

• Cambiamento di stato, in genere vaporizzazione
• Espansione gas compresso
• Espansione isoentalpica
• Effetto Joule-Thompson
• Importante di raffreddare infiamm
• Fluido
• Coefficient J_JT > 0
• Espansione isoentropica, come in macchine
• Espansione in macchina per produrre lavor
• Ciclo frigoriferi

Ciclo frigorifero

Compresso - Condenso - Espanso - Vaporizzo.

3-4 non è verticale perché non è isentropica.

Rendimento macchine termiche

η_th = ^W/_Qh.

In una pompa termica non indica quanto lavoro è convertito in calore.

Performance process

Definire dal COP.

"Coefficent of performance".

COP = ^Q/_W = calore emesso/lavoro fornito.

Ciclo Linde

JT > 0 e T ambiente.

Espansione isentalpica.

• Prenoto l'aria in _D
• La comprimo fino a ₂
• Inletto rimuove calore
• Comprimo isoterma
• Raffreddo il fluido il più possibile
• Scambia calore con una refrigerante freddato
• Espanso ₃
• Le parte gassose e ancora freddato
• Le parte rifiuta
• La menda dimuvo nel ciclo
• Viene l'avescine
• Va a scambiare nel gas compresso

Processo dell'avviamento: parto da _D - comprimo a _P₂, raffreddo e espando.

Nella espansione non raggiungo le fase liquide - sì, solo raffreddando il gas.

Suppongo:

• Annulla perdite di calore
• Scambi di energia cinetica e potenziale trascurabili
• Calore rimosso in 1-2 = m(h₁-h₂)

COP = Q_e/W = (h₁-h₂)/(T₀(s₁-s₂)-(h_n-h_l)).

Porzione di gas liquefatto Y = (h₁-h₂-q_l)/(h₁-h_f).

Entropia specifica del liquido.

Processo Linde a due stadi

L'aria entra.

Viene compressa nel 1^o stadio.

C'è un raffreddamento intermedio (?).

Compressione 2^o stadio.

Raffreddamento nello scambiatore.

1^o espansione - produce il freddo che uso nello scambiatore.

2^o espansione - → diminuisce fino a ambiente il 2^o stadio di compressione.

Separazione liquido - vapore esce.

Usato nello scambiatore per raffreddare.

Si possono anche avere:

• Processi misti - espansione isoentropica + espansione isentropica
• Processi a cascata - con più fluidi o più pressioni

Il frazionamento dell'aria

Serve a produrre aria liquida.

Composizione

• N₂ 78%
• O₂ 21%
• Ar 1%

Voglio recuperarli.

Levarci tutte t₃emperaturecritica sotto T.