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 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 0,14 273 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 Polveri Vapore d’acqua Anidride carbonica Gas acidi (NOx, SOx) Per evitare corrosioni o intasamenti nelle valvole di espansione e nelle tubazioni dell’impianto Filtro depolverizzatore in linea Gel di Silice eliminazione idrocarburi e altre sostanze Fitro da aria Deacquificazione per compressione KOH solida Disidratazione decarbonatazione deacidificazione totale Soluzione di NaOH Ass. CO2 gas acidi

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 Scambio termico tra l’aria compressa a 200 atm con aria espansa a 1 atm J-T Compressione a 200 atm Espansione di J-T da 200 atm a 1 atm in valvola e conseguente raffreddamento aria fino alla liquefazione Refrigerazione con acqua fino a temperatura ambiente 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° Riscaldamento fondo colonna con aria compressa Aria liquida ricca di ossigeno

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° Riscaldamento fondo colonna con aria compressa Aria liquida ricca di ossigeno

Aria liquida e suo frazionamento NH3 liq Aria L 36% O2