Frazionamento aria

FRAZIONAMENTO  DELL’ARIA:  PRODUZIONE  DI  O2,  N2  

Esempio  di  liquefazione  di  gas  e  di  rettifica  a  bassa  temperatura  

Applicazioni  O2:    

siderurgia  (produzione  dell’acciaio),  industria  chimica  (produzione  gas  di  sintesi  per  combustione  

parziale  di  idrocarburi  e  produzione  di  composti  organici  ossigenati  come  l’acido  acetico,  l’acetaldeide,  

FRAZIONAMENTO DELL’ARIA

l’ossido  di  etilene,  l’acroleina   e  l’acqua  ossigenata),  saldatura   e  taglio  dei  metalli,  riduzione  dei  minerali  di  

ferro  negli  alti  forni,  gassificazione  del  carbone,  allo  stato  liquido  per  la  preparazione  di  propellenti  ed  

esplosivi…  

Applicazioni   N 2:  

Stadi del processo:

produzione  di  ammoniaca  (nei  processi  che  utilizzano  gas  di  sintesi  prodotto  per  combustione  parziale  di  

1. purificazione da H O, CO , idrocarburi

idrocarburi),   utilizzato   come   gas   inerte,   allo  stato  liquido  (nelle  industrie  alimentari,  metallurgica,  

2 2

chimica,   nucleare,  in   criochirurgia)…  

2. liquefazione dell’aria

  3. rettifica dell’aria

CARATTERISTICHE   CHIMICO-­FISICHE  E  COMPOSIZIONE  DELL’ARIA  

  (K)

Componente % Vol. T

eb

Azoto (N ) 78.09 77.36

2

Ossigeno (O ) 20.95 90.18

2

Argon (Ar) 0.93 87.28

Anidride carbonica (CO ) 0.03 194.68

2 -3

Neon (Ne) 1.8 10 27.09

-4

Elio (He) 5.2 10 4.215

-4

Krypton (Kr) 1.1 10 119.81

-6

Xenon (Xe) 8.7 10 165.04

-5

Idrogeno (H ) 5 10 20.27

2 1

Impurezze

2

Acqua (H O) 0.1-2.8

2 -4

Metano (CH ) 1.5 10

4 -6

Ossido di carbonio (CO) (6-100) 10

Anidride solforica (SO ) 0.1-1.0

2 -5

Ossido di azoto (NO) 5 10 -6

Ozono (O ) (1-10) 10

3 -8

Biossido di azoto (NO ) (5-200) 10

2 -18

Radon (Rn) 6 10  

Dai  dati  di  e

quilibrio  l iquido-­‐vapore   del  s

istema  N2-­‐O2   si  osserva  che  per   liquefare  l’aria  è  necessario  

Tabella - Composizione dell’aria e caratteristiche chimico-fisiche.

(MA  NON  SUFFICIENTE)  raffreddarla  al  di  sotto  di  132.5K  (temperatura  critica  dello  pseudo-­‐

Dai dati di equilibrio liquido-vapore del sistema N - O si osserva che per liquefare

componente   aria).   A  queste   temperature  alcune   s

ostanze  (es.   H

2O,   C

O2)   sono  solide   p er  cui   è  necessario  

2 2

allontanarle   per  evitare  d

epositi  nelle  p arti   fredde   dell’impianto.   N

ell’intervallo   di  temperatura   60-­‐260  K  

l’aria è necessario raffreddarla ad di sotto di 132.5K. A queste temperature alcune

l’aria  non  si  comporta  come  un  gas  ideale:  l’espansione  isoentalpica  (es.  laminazione  di  un  fluido  

O, CO ) sono solide per cui è necessario allontanarle per evitare

sostanze (e.g. H

attraverso   una   valvola)   dell’aria   s

arà  accompagnata   d

a  raffreddamento   (v.   effetto  Joule-­‐Thomson).   A  

2 2

maggior   ragione   s

i  avrà   raffreddamento   anche  mediante  espansione  isoentropica  (es.  espansione  di  una  

depositi nelle parti fredde dell’impianto.

fluido  in  una  macchina  come  turbina,  pistone  ecc.).  Il  raffreddamento  e  la  successiva  liquefazione  

dell’aria  nei  processi  industriali  si  basano  appunto  su  questa  proprietà.      

  1 In aria mabiente, inclusi inquinanti atmosferici

PROCESSO   INTEGRALE  

2 A titolo di esempio, dal diagramma di Mollier a 20°C e 70% di umidità si calcola un contenuto di acqua pari a 9g/kg

(1.245 % Vol.) e un dew point di circa 14°C.

  Frazionamento aria - 2

La  produzione  di  O2  (e  di  H2)  per  elettrolisi  dell’acqua  ha  perso  del  suo  passato  interesse.  Date  le  

caratteristiche  dell’aria,  i  processi  di  frazionamento  constano  delle  seguenti  operazioni:  

  1. purificazione,  in  particolare  da  CO2,  H2O  e  idrocarburi  

2. liquefazione  sotto  pressione  e  a  bassa  temperatura  

3. rettifica  dell’aria  liquida  

La  liquefazione  dell’aria  consiste  nei  seguenti  passi:    

  1.  compressione  (

processo  supposto  isotermo   dato  che  avviene  a  temperatura  ambiente  o,  

comunque,  a  T  >  260  K;  RIGOROSAMENTE  IL  COEFF.  J-­‐T  è  DI  POCO  POSITIVO    PER  COMPRESSIONE  SI  

!

HA  LEGGERO  AUMENTO  DI  T)  

2.  raffreddamento  per  scambio  termico  CON  SCARICO  DELLA  CONDENSA  

3.  espansione  isoentalpica  in  valvola  con  conseguente  liquefazione  e  raffreddamento    

Negli  impianti  moderni  ad  alta  potenzialità  la  purificazione  da  CO2  e  H2O  viene  effettuata  

contemporaneamente  all’operazione  di  raffreddamento  (prima  dell’espansione,  che  ne  provoca  uno  

ulteriore).  L’azoto  può  essere  inoltre  prodotto  per  assorbimento  mediante  la  tecnica  PSA  (Pressure  

Swing   Adsorption).  L’ossigeno  può  essere  prodotto  anche  attraverso  la  tecnica  VSA  (Vacuum  Swing  

Adsorption).  

PURIFICAZIONE  DELL’ARIA   (fin  qui  l’aria  è  ancora  in  fase  gassosa)  

In  passato  l’eliminazione  di  CO  e  H2O  (VISTO  CHE  ARIA  è  UMIDA  NORMALMENTE  devo  operare  

deumidificazione/disidratazione)  dall’aria  entrante  era  ottenuta  per  via  chimica  per  trattamento  con  

soluzioni  di  NaOH  e  con  KOH  solido;  questo  modo  di  procedere,  che  implica  un  consumo  di  reagenti  

chimici,  è  relativamente  oneroso.  Negli  impianti  moderni,  la  depurazione  dell’aria  da  CO2  e  H2O  è  

ottenuta  per  via  fisica  in  vari  modi:  

  1. impiego  degli   scambiatori-­rigeneratori  Frankl-­Linde     il  funzionamento  dei  rigeneratori  è  

!

di  tipo  alternato:  mentre  uno  scambiatore  è  in  fase  di  purificazione  e  raffreddamento  dell’aria  

entrante  compressa  (che  deve  arrivare  al  di  sotto  della  sua  T  critica),  l’altro  è  in  fase  di  

rigenerazione  mediante  una  corrente  di  N2  freddo  espanso  (a  bassa  P,  ca.  1  atm)  che  viene  

quindi &nbs