Frazionamento aria

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  recuperato  impuro;  ad  intervalli  di  tempo  regolari  si  inverte  la  marcia  facendo  passare  

l’azoto  nel  condotto  dove  prima  era  passata  l’aria  

2. scambiatori  reversibili    in  questi  apparecchi  lo  scambio  termico  tra  le  correnti  calde  e  fredde  

!

si  effettua  attraverso  una  parete  evitando  in  questo  modo  la  perdita  di  tempo  dovuta  

all’inversione  dei  flussi  necessari  negli  impianti  Frankl-­‐Linde  

3. unità  di  essicazione  e  decarbonatazione   con  setacci  molecolari  

Negli   scambiatori  rigeneratori  del  tipo  Frankl-­Linde  ciascun  sistema  di  rigeneratori    è  generalmente  

costituito  da  gruppi  di  due  torri  di  alcuni  metri  di  altezza,  riempite  di  materiale  ad  alta  capacità  termica.  

Il  funzionamento  di  queste  torri  è  a  cicli  alternati:  mentre  in  una  torre  passa   l’aria  entrante,   compressa,  

nell’altra  passa  l’azoto  GASSOSO  (

!prodotto  di  testa  della  colonna  di  rettifica  a  bassa  pressione   oppure  

passa    l’ossigeno    prodotto  di  fondo  della  colonna  di  rettifica  a  bassa  pressione   oppure  una  miscela  

!

O2-­‐N2  proveniente  dalla  rettifica)  freddo  espanso.  Dopo  ogni  ciclo,  ciascuno  della  durata  di  pochi  minuti,  

i  sensi  vengono  automaticamente  invertiti:  l’aria  calda  entrando  si  raffredda  venendo  a  contatto  del  

materiale  di  riempimento  delle  torri,  raffreddato  nel  ciclo  precedente  dall’azoto  (o  dall’ossigeno,  o  da  una  

miscela  O2-­‐N2)  freddo  uscente.  Questo  sistema  consente  ANCHE  (non  c'è  quindi  bisogno  di  precedenti  

passaggi  di  purificazione)  la  depurazione  dell’aria  entrante  da  CO2  e  H2O,  che,  solidificando,  si  

depositano  nel  rigeneratore  e  che  vengono  successivamente  asportati  dai  gas  freddi  uscenti  (di  azoto).  

Per  questo  motivo  l'azoto  l’ossigeno  che  si  ottiengono  con  gli  impianti  Frankl-­‐Linde  non  sono  

particolarmente  puri,  contenendo  appunto  l’H2O  e  la  CO2  asportate  dai  rigeneratori.  

Inoltre,  durante  la  fase  ad  aria,  la  temperatura  aumenta  verso  la  fine  della  fase  ed  il  grado  di  purificazione  

dell’aria  diminuisce.  Ne  consegue  che  l’aria  purificata  nei  rigeneratori  contiene  più  CO2  di  quanto  non  

corrisponda  alla  (concentrazione  di)  saturazione  alla  sua  temperatura  media  di  uscita.  

Allo  scopo  di  facilitare  la  purificazione  dell’aria  entrante,  il  materiale  di  riempimento  utilizzato  negli  

impianti  moderni  è  costituito  da  setacci  molecolari,  che  hanno  un  elevato  potere  assorbente  per  CO  e  

H2O.  

Gli  scambiatori  Frankl  sono  più  economici,  più  facili  da  costruire  e  più  efficienti  rispetto  agli  scambiatori  

tubolari  usati  in  precedenza.  

Negli   impianti  di  essicazione  e  decarbonatazione  l’aria  ambiente  passa  su  un  filtro,  viene  compressa,  

raffreddata  e  successivamente  (??),  dopo  lo  scarico  della  condensa,  viene  inviata  all’unità  di  essicazione  e    

decarbonatazione  che  utilizza  setacci  molecolari  sui  quali  si  adsorbono  il  vapor  d’acqua,  l’anidride  

carbonica  e  eventuali  altre  impurezze  (e.g.  idrocarburi).  

Le  unità  di  essicazione  e  decarbonatazione  possono  essere  del  tipo  a  flusso  assiale  (orizzontale  o  

verticale)  oppure  a  flusso  radiale  e  vengo