Processi criogenici e frazionamento dell'aria

Processi Criogenici

Fondamentalmente periodo: O₂ usi vari, Aerospace/Industria

• H₂ usi Aerospace
• He₃: usi rari
• N₂: usi mercato, saldatura, GNL rigassificato e trasporto

Problemi per materiali

• L'uso metalli CFC
• No CFC
• Esagonale compatta dipende

• Tenute: guarnizioni polimeriche a basse T sono vetrose
• Uso: anelli metallici
• Materiali polimerici posizionati al caldo

Produzione Freddo

• Cambiamento stato del fluido refrigerante
• Espansione gas compressi se ΔT>0

Ciclo Frigorifero Tradizionale

Percorso solo con vapori

• 1. Immette vapore nel compress
• 2. Entra in condens
• 3. Esce tutto liquido saturo
• 4. Valvola di laminazione
• 4. Evaporazione

Rendimento Macchina Termica: Efficienza Termica

Lavoro fornito, calore uscente, si trasforma in calore in uscita prodotto delle macchine.

Sono la stessa cosa se parlo di una pompa di calore (COP).

• COP: Coefficienti di performance
• Caratteristica di ogni macchina

Processi Criogenici

fondamentalmente perprod. - O₂ usato in aerospace/tecnologia

• He, H₂ Aerospace

• He (da "wek") e strumenti scientifici

• N₂ uso milliwatt mech. salavico

• GNU refrigerato trasporto

Problemi per Materiali

• (variano compressioni meccaniche)

• L'uso metalli CFC (maggior a basse T) Cu, Ni, AE

• NO CCC es Fe, Mo, Ni

• Esagonale compatta dipende

Tenute

• Giunzione polimerico a basse T solo gravose

• L'uso - Assemblaggio Metalli (Cu, Al?)

• Materiali Polimerici Posizioni al Caldo

• Assemblaggio Mettalen in Tetro so lavorazione con polico di lavoro salume di compoulo

Produzione Freddo

• con cambiamento stato del fluido refrigerante (sottrae calore al sistema)

• Espansione della compressione se ΔT > 0

• Il gas si fredda espando aldro

Ciclo Frigorifero tradizionale

• (solo con vapore si miscela solidi) Tosta/Tratture friz

1. Immetto vapore nel comprens

2. Entrato il Condens

3. Esco tutto liquido saturo

4. Evaporazione

L'anone ideate a) non il flusso isentropica

Percorso del fluido frigorifero

che scambia 9 con la rola da refrigerare

Rendimento Macchina termica efficienza termica

• ^MW/_Qw Lavoro fornite: quanto del lavoro fornito

• Calore uscente: si trasforma in calorie in usata produzione del macchina

COP: Coefficient of Performance

= ^Q/_W = calore immesso al basso / lavoro netto fornite

(Caracteristica di ogni macchina)

Sono lo stesso cosa sei parecchio di un posmpa di calore (>1)

Alto COP: Alta efficienza

Se sottraendo più calore a parità di lavoro fornite

CICLO LINDE

• Compressore
• HE_x
• Esp

Usato solo per gas con inversione T_amb

Se raffreddo −> μ_JT > 0

• Compressione isoterma
• Aggiungo energia al punto
• Ie gas a P₁ viene raffreddato in Heat Exchanger

Espansione isoentalpica

• Raffreddo ancora di più

Vapore recircolato

• Quando risale nella riserva

LINDE 2 STADI = a 2 PRESSONI (resa migliore)

• Compressore
• HE_x

Prelevo e riariciclo una parte per usare nel HE_x

Espansione 2 fino a 1 bar −> FLASH

Liquido sotto

Vapore va a HE_x e

Riariciclo al feed così raffreddo tutto

1. Altra 200 bar
2. 200 bar freddo

Passo in valvola:

• Espande fino a 1 bar
• Poi torna su

"Torna su: HE_x scaldandosi"

Espansione Isentropica

Laddove l'espansione si induce sempre a parità di ΔP è più efficiente di "isentalpica".

M_s è trasformazione IDEALE dovrebbe avvenire per stadi di equilibrio (in realtà ΔT reale < ΔT ideale)

• Uniche condizioni delle macchine ➔ non posso fallire in modo infallibile

OSS: M_s Isentropica

M_i Isentalpica

I - ΔT ideale alle trasformazioni a parità di ΔP

(nella realtà è politropica!)

• ➔ Siccome è più efficiente è inserita nel ciclo LindeClaude = Linde + esp isentropica(Claude uso isentropica i primi stadi del ciclo poi, quando sono vicini al flash uso isentalpica x non ho problemi se produco liquido.)
  • Rendimento più alto rispetto a Linde grazie a isentropica.
  • Costi maggiori

Ciclo Claude

Compressione isentropica + isoterimica

• a ogni grande volume di gas è più conveniente fare cicli a cascata/ciclo scambio termico
• riduce il più possibile T delta T perché con le trasformazioni più subisce un liquido

1. Scambio con LN2 microbo

2. Compressione isoterimica

3. HEX 1 per fluido SI raffredda (scambio di SX)

4. Campione con CO contiene a DX (API)

5. Espansione isentropica

6. Una parte di liquido n’evapora e rientra nel ciclo

Cicli a cascata

Espansioni isentropiche e isoteriche

• Es. X GNL (uso) Propano "B"
• Etano "B"
• Metano liquefazione GNL "D"

Turbina

Liqugnl -160°

→ dal compressore A: P1 P0 P2

N₂ più volatile di O₂ → esce in testa

Teb N₂ = 77.4KO₂ = 90.2K

Frazionamento Aria

(dopo liquefazione)

Composizione

• 75.3% N₂
• 23.1% O₂
• 1.4% Ar

• 14.1-2 ppm
• N₂O 0.5 ppm
• No. 5 ppm

PM: 28.96

Processo Linde Colonna Singola:

Distillazione solo esaurimento (solo reboilatore)

Inserito aria liquida

• Raffreddata con O₂ sul fondo
• Espando
• Flash inv vaporizzazione parziale

Vapore sale

Liquido scende (componenti più pesanti = O₂, Ar, poco N₂)mentre scende viene strippato N₂ che c'era

Ottengo O₂ puro

N₂ non puro

(Ariflusso: se c'è è freddo?)

Linde: Doppia Colonna

2 colonne sovrapposte

I⭢ II 1 bar

O.A.L.: Purifica O₂

Scambio tenuto a P diversa fra le 2 colonne

5 bar perché se alto P allora alto Tebolit? N₂nel condensatore/ho contemporaneamente ebulizione

• Aria liquida ⟶ HEX con O₂ liquido
• Espansione ⟶ FLASH
• Entra in colonna a metà (come L-V)
  • Liquido
    • Ricco di O₂
    • Verso giù
  • Vapore
    • Ricco di N₂
    • Va su ⟶ CONDENSATORE

1. Dal fondo esce O₂ 97% ⟶ lo espando a 1 bar così lo immetto nella colonna superiore (LIQUIDO)
2. Dalla testa esce N₂ ⟶ ESPSANSO ⟶ invio a colonna

• ΔP tra le 2 colonne deciso in base a T_b e T_c di N₂ e O₂
• Purezza elementi variabile spostando alimentazione:
  • La più in basso: N₂ più puro
  • O₂ più sporco

Non avrò mai entrambi al 99% perché c'è l'argon

• T_b intermedia tra O₂ e N₂ e quindi tipicamente lo ritrovo in O₂

Posso distillare

Separazione Argon

• Prelievo corrente qualche piatto sopra la fine della colonna I
• Lo mando in colonna ausiliaria
• Da cui tiro fuori Ar 98%
• O₂ che reimmetto in I

Come condensante per Ar uso O₂ liquido impuro preso dal fondo di II