SKRAPLANIE I REKTYFIKACJA POWIETRZA
Skład powietrza
" ok. 99% - azot i tlen;
" 0,93 % obj. - gazy szlachetne (głównie argon),
" 0,03% obj.  dwutlenek węgla,
" 0,01% obj. - wodór,
" zmienne ilości pary wodnej,
Skroplenie powietrza - Wróblewski i Olszewski (1883 r.)
Termodynamika techniki niskich temperatur
Najwy\
szą temperaturą, w której gaz mo\
na skroplić pod działaniem
ciśnienia, jest temperatura krytyczna. Temperatury krytyczne prawie
wszystkich składników powietrza le\
ą znacznie poni\
ej temperatury
otoczenia, co wymaga stosowania sposobów chłodzenia,
niespotykanych w chłodnictwie.
Praktycznie realizowane procesy skraplania powietrza obejmują:
1) sprę\
anie, połączone zwykle z chemicznym i mechanicznym
oczyszczaniem oraz suszeniem;
2) schładzanie, polegające na odprowadzaniu ciepła przez
odpływające z aparatury zimne gazy; jednocześnie usuwa się
resztki CO2 i wilgoci;
3) skraplanie, zachodzące w wyniku dalszego obni\
enia
temperatury dzięki rozprę\
aniu z wykonaniem pracy w
rozprę\
arce (proces izentropowy) lub w zaworze dławiącym z
wykorzystaniem zjawiska Joule'a-Thomsona (proces
przebiegający przy stałej entalpii).
Rektyfikacja skroplonego powietrza
Z wykresu równowagi ciecz-para mo\
na odczytać, \
e w równowadze z cieczą o
składzie powietrza (20,9 % O2) znajduje się para zawierająca 7 % tlenu, natomiast
w równowadze z parami o składzie powietrza znajduje się ciecz zawierająca ok. 48
% O2.
Rektyfikacja polega na wielokrotnym frakcjonowanym odparowaniu i
frakcjonowanym skraplaniu składników mieszaniny. Istotną trudność
w rozdzielaniu powietrza na czyste składniki przedstawia przede
wszystkim konieczność odbierania ciepła od najni\
ej wrzącego
składnika, tj. azotu, co jest niezbędne dla przeprowadzenia procesu
frakcjonowanego skraplania.
Inną komplikację wywołuje jeszcze obecność argonu, którego
temperatura wrzenia le\
y niemal dokładnie pośrodku między
temperaturami wrzenia azotu i tlenu.
Schemat dwukolumnowego aparatu Lindego do
skraplania i rektyfikacji powietrza
1, 2, 3  zawory redukcyjne, 4  rynienka
zawierająca skroplony azot
Dolna część kolumny pracuje pod
ciśnieniem ok. 5,6 at, górna pod
ciśnieniem zbli\
onym do
atmosferycznego.
Proces rozdzielania powietrza składa się z następujących operacji:
" oczyszczanie powietrza od pyłu
" oczyszczanie powietrza od dwutlenku węgla
" sprę\
anie powietrza
" usuwanie wilgoci
" wstępne chłodzenie powietrza
" skraplanie powietrza i rozdzielanie na azot i tlen
Energia potrzebna do samego rozdzielania powietrza na składniki
(podwy\
szenie ciśnienia azotu z 0,8 at i tlenu z 0,2 do 1 at)
odpowiada 0,08 kWh na 1 kg powietrza.
Regeneratory zimna i metoda Lindego i Frankla
Regeneratory zimna są to cylindryczne naczynia, zawierające wy-
pełnienie metalowe o du\
ej powierzchni i du\
ej pojemności cieplnej.
Wypełnienie to stanowią paski z cienkiej karbowanej blachy
aluminiowej, tworzące po zwinięciu krą\
ki, które są uło\
one jedne na
drugich na całej wysokości regeneratora. Wypełnienie ma
powierzchnię 1000-3200 m2 na 1 m3.
ZASTOSOWANIE
AZOT
" tworzenie atmosfery beztlenowej do zbiorników i wra\
liwych na
utlenienie chemikaliów
" przetłaczanie cieczy rurociągami
" produkcja amoniaku, kwasu azotowego, nawozów sztucznych,
materiałów wybuchowych, barwników i innych syntetycznych
związków chemicznych
" gaz ochronny w procesach chemicznych
WODÓR
" produkcja amoniaku i metanolu
" uwodornianie olejów niejadalnych
" produkcja mydeł, materiałów izolacyjnych, tworzyw, maści i innych
specjalistycznych chemikaliów
" syntezy chemiczne
" procesy hydrokrakingu (rozszczepianie frakcji naftowych zachodzące
w obecności wodoru i dające węglowodory nasycone) i hydrorafinacji
(proces usuwania niepo\
ądanych związków z paliw ciekłych w trakcie
hydrokrakingu)
TLEN
" do procesów utleniania, do produkcji kwasu azotowego, tlenku
etylenu, tlenku propylenu, chlorku winylu i innych chemikaliów do
podwy\
szania wydajności i skuteczności spalania odpadów; do
zagazowywania stałych materiałów opałowych; do syntezy leków,
produktów naftowych i innych produktów chemii organicznej
DWUTLENEK W
GLA
" w produkcji pianek poliuretanowych
HEL
" w procesach chemicznych - jako gaz nośny w analizie substancji
chemicznych metodą chromatografii
Zastosowanie gazów sprę\
onych w przemyśle petrochemicznym
AZOT
" podwy\
szenie stopnia odzysku ze zło\
a i utrzymywania ciśnienia w
zbiornikach ropy naftowej i gazu
" wytwarzanie poduszki gazowej w zbiornikach magazynowych i
podczas przeładunku produktów
" płukanie rurociągów
" odzyskiwanie lotnych substancji organicznych z gazów odpadowych
albo do schładzania gazów wentylacyjnych
" obni\
enie emisji lotnych substancji organicznych
WODÓR
" poprawa jakości produktów naftowych przez usuwanie organicznej
siarki z ropy naftowej
" przeróbka produktów cię\
kich w l\
ejsze, łatwiejsze do rafinacji
TLEN
" do obni\
ania lepkości i poprawiania wypływu w odwiertach
naftowych i gazowych; do podnoszenia wydajności instalacji krakingu
i umo\
liwiania stosowania cię\
szych surowców; do obni\
ania emisji
siarki w rafineriach; do regeneracji katalizatorów; utleniania
produktów ubocznych przerobu ropy naftowej
Inne zastosowania
AZOT
" produkcja \
arówek
WODÓR
" jako paliwo do pojazdów kosmicznych
" zasilanie systemów podtrzymywania \
ycia i komputerów,
dostarczając wody pitnej jako produktu ubocznego
ARGON
" do wytwarzania atmosfery ochronnej
" jako czynnik przenoszący ciepło podczas hodowli kryształów
germanu i krzemu na ultraczyste półprzewodniki
" wypełnianie lamp oświetleniowych tzw. świetlówek
" produkcja lamp \
arowych , półprzewodników, laserów
" uzyskiwanie niebieskiego światła w lampach neonowych
" gaz nośny w urządzeniach kontrolno - pomiarowych
HEL
" technice światłowodowej - jako składnik atmosfery ochronnej do
wytwarzania kryształów germanu i krzemu do tranzystorów i laserów
albo do wytwarzania światłowodów stosowanych w kablach
telekomunikacyjnych
" półprzewodnikach - do wytwarzania regulowanej atmosfery do
produkcji przyrządów półprzewodnikowych i do zapewnienia lepszej
przewodności cieplnej
" ochrona zdrowia/rezonans magnetyczny (MRI) - ze względu na niską
temperaturę wrzenia, hel stosowany jest do chłodzenia magnesów w
aparaturze do rezonansu magnetycznego
" magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) - do utrzymywania magnesów
w temperaturze nadprzewodzenia
" wykrywanie nieszczelności - jako gaz wskaz
nikowy w większości
procesów produkcyjnych, przetwórczych i monta\
owych
" do balonów - jako \
e hel jest znacznie l\
ejszy od powietrza i obojętny
chemicznie, jest idealnym gazem nośnym
" w technice lotniczej i kosmicznej
" w przemyśle opakowań do \
ywności i napojów
" w procesach kontroli szczelności rurociągów
DWUTLENEK W
GLA
" uprawy szklarniowe (powoduje \
e rośliny są większe, zdrowsze i
szybciej rosną)
" stosowany do neutralizacji ścieków komunalnych i przemysłowych
(zamiast kwasu siarkowego)
" uzdatnianie wody
" zwiększanie twardości wody zbiorników retencyjnych
" gaszenie ognia tam gdzie woda jest nieskuteczna, niepo\
ądana lub
niedostępna