Document-microsoft-word-nou.docx

LICHEFIEREA GAZELOR INTRODUCERE Primele încercări de a lichefia un gaz datează încă de la sfârşitul secolului al XVIII-lea, când s-a reuşit să se lichefieze dioxidul de sulf prin răcire, respectiv numai prin supunerea lui la presiune ridicată. La începutul secolului al XIX-lea, Michael Faraday a putut lichefia dioxidul de carbon, acidul bromhidric, acidul iodhidric, fluorura de siliciu utilizând concomitent presiunea şi răcirea. Principiile fundamentale ale procesului de fracţionare lichid-vapori sunt aplicabile întocmai şi la separarea oxigenului, azotului etc., din aer şi în consecinţă metodele folosite în alte cazuri sunt aplicabile şi în acesta. Ceea ce deosebeşte procesul de separare a aerului în componentele sale (fie acesta procedeul Linde, Claude sau Filipo) de alte procese de fracţionare este faptul că recuperarea căldurii se practică pe o scară foarte mare, în scopul măririi eficienţei termodinamice a procesului. Lichefierea (condensarea) aerului se realizează prin comprimarea la o anumită presiune, urmată de o destindere printr-un ventil (efect de laminare JouleThompson) sau într-o turbină (maşină de destindere) în care se produce lucru mecanic. Fără introducerea pe scară largă a schimbătoarelor de căldură, nici ciclul izentalpic (Linde), nici ciclul izentropic (Claude) nu ar putea răci la o aşa temperatură aerul încât să aibă loc condensarea; numai prin repetarea ciclului şi folosirea schimbătoarelor de căldură, efectele cumulate sunt suficiente să răcească aerul la temperatura de condensare.

1

EVOLUŢIA

ŞI

IMPORTANŢA

ECONOMICĂ

A

SEPARĂRII AMESTECURILOR DE GAZE În evoluţia separării gazelor în componente la temperaturi joase se pot distinge trei perioade, care se suprapun în parte, şi anume: 1. Perfecţionarea procedeului clasic de separare a aerului în componente, de la 1905 încoace; 2. Construirea de instalaţii pentru separarea aerului, prevăzute cu regeneratoare şi cu turbine de expansiune, de la 1930 până în prezent; 3. Separarea în componente a amestecurilor tehnice de gaze Prima perioadă se caracterizează prin folosirea recuperatoarelor ca schimbatoare de caldură. Acestea constau dintr-un numar foarte mare de tuburi cu diametru relativ mic, pentru a oferi suprafeţe mari de transfer de căldură. A apărut prima instalaţie de oxigen, pentru o producţie de 10 Nm3/h şi o instalaţie de azot cu capacitatea de 120 Nm3/h. O modificare hotărâtoare în dezvoltarea economică şi tehnică a procesului s-a produs în anul 1930 când s-a realizat propunerea de a se folosi ca acumulatoare de frig, în locul recuperatoarelor scumpe şi greu de construit, regeneratoare asemănătoare cu aparatele Cowper din uzinele siderurgice. Cu această cotitură în domeniul tehnic începe a doua perioadă a separării amestecurilor de gaze, perioadă în care a devenit posibil să se prelucreze, în instalaţiile de separare, cantităţi de gaze de câteva ori mai mari, cu pierderi de presiune foarte mici. În timp ce pierderea de frig la o instalaţie de separare a aerului în componente, cu un debit de aer de 200 Nm3/h este de circa 4 kcal/Nm3, la o instalaţie cu un debit de aer de 4000 Nm3 nu se mai pierde decât 1,5 kcal/Nm3 (Winnacker, 1962).

2

Progresul realizat în această a doua perioadă se datoreşte introducerii procedeului Linde-Frankl, care a determinat o creştere de 15 ori a capacităţii medii a fiecărei instalaţii. A treia perioadă a separării amestecurilor de gaze a început de fapt încă din anul 1909, o dată cu montarea unei instalaţii experimentale pentru separarea gazului de apă în hidrogen şi oxid de carbon, dar numai pe la sfârşitul decadei a treia a intrat în stadiul unei dezvoltări impetuoase, care mai continuă şi astăzi. Astăzi se obţine din gazul de convertizor , în instalaţii care prelucrează până la 31000 Nm3/h de gaz, hidrogen pur, precum şi un amestec de hidrogen cu azot pentru sinteza amoniacului. Separarea amestecurilor de gaze a căpătat o mare importanţă şi în domeniul petrochimiei. Astfel, la cracarea ţiţeiului se caută să se îmbunătăţească pe de o parte producţia şi calitatea benzinei obţinută prin acest procedeu, iar pe de altă parte să se împiedice pe cât posibil formarea produselor gazoase de descompunere. Separarea amestecurilor de gaze a deschis, deci, un vast teren de activitate, care se caracterizează prin diversitatea problemelor sale, un teren în care a trebuit să se descopere procedee a căror aplicare nu este posibilă decât dacă se face uz de temperaturi care merg de la circa 2300K până la temperatura hidrogenului lichid (circa 200K). Numai în domeniul temperaturii heliului lichid (sub 4 0K) nu s-au găsit încă până în prezent aplicaţii industriale (Winnacker, 1962).

3

CONSUMUL DE ENERGIE ŞI TRANSPORTUL GAZELOR LICHEFIATE – TENDINŢE DE DEZVOLTARE Procedeele pentru lichefierea şi separarea gazelor sunt în continuă schimbare, deoarece acest proces este determinat pe de o parte de posibilităţile tehnice crescânde şi pe de altă parte de considerente economice. În ultimul timp, procedeul Linde-Frankl de separare a aerului a câştigat în importanţă şi la fabricarea azotului de puritate ridicată. Fabricarea azotului cu ajutorul regeneratoarelor a devenit posibilă datorită introducerii, în masa granuloasă cu care este umplut regeneratorul, a unor serpentine, prin care trec produsele pure de separare. Acest sistem se poate utiliza şi pentru separarea altor gaze. Consumul de energie pe metru cub normal de gaz prelucrat, care absoarbe cea mai mare parte din cheltuieli, scade pe măsură ce cantitatea de gaz creşte. De exemplu, la o instalaţie de separare a aerului, care poate furniza oxigen cu puritate de 99,5%, acest consum este de 0,49 kWh/Nm3, când cantitatea de aer prelucrată este de 33.500 Nm3/h, pe când la o instalaţie cu capacitatea de prelucrare a aerului de 6.700 Nm3/h şi aceeaşi puritate a oxigenului obţinut, consumul este de 0,78 kWh/Nm3 . Această diferenţă se explică prin faptul că pierderile de frig raportate la m3 normal de gaz prelucrat, sunt mult mai reduse la instalaţiile mari, decât la instalaţiile mici. De exemplu, pierderile de frig ale unei instalaţii de separare a aerului cu debit de 10.000 Nm3/h sunt de circa 1,2 Kcal/Nm3, pe când cele ale unei instalaţii similare de 1.000 Nm3H sunt de aproximativ 2,3 Kcal/Nm3. De asemenea, trebuie să se aibă în vedere că randamentul turbinelor şi al turbocompresoarelor creşte pe măsură ce debitul lor se măreşte, aşa încât şi în această privinţă, instalaţiile mari prezintă avantaje economice faţă de cele mici. În instalaţiile mari de oxigen se obţin produse gazoase; este de dorit ca produsele separate în stare gazoasă să fie distribuite la faţa locului consumatorilor mari. Când este vorba însă de a se distribui produsele de separare în cantităţi mici,

la un număr mare de consumatori, încep să se simtă inconvenientele legate de transportul gazelor Exemplul clasic de distribuire a produselor pure la un număr mare de beneficiari este distribuirea oxigenului pentru folosire la sudura autogenă. Prin construirea unor recipiente de transport şi a unor rezervoare cu izolaţie termică bună, a devenit posibil să se transporte şi să se păstreze gazele lichefiate în cantităţi mari şi în mod economic, mult mai ieftin în comparaţie cu produsele gazoase. Exportul gazelor naturale lichefiate este posibil numai dacă sunt îndeplinite diferite condiţii care implică cheltuieli mari de investiţie. De exemplu, în ţara producătoare trebuie să existe instalaţii care să permită lichefierea unor cantităţi suficient de mari de gaze naturale.

COMPOZIŢIA ATMOSFEREI Atmosfera terestră are o compoziţie care variază numai în limite restrânse. Componentele cele mai importante ale atmosferei sunt arătate în tabelul următor (Winnacker, 1962; Strătulă, 1986)

Gazul O2 N2 He Ne Ar Kr Xe Rn H2 CO2 O3

% de volum 20,95 78,09 4,6 x 10-4 1,6 x 10-3 0,9327 1,1 x 10-4 8 x 10-6 6 x 10-18 5 x 10-5 0,030 2 x 10-6 5

% de greutate 93,1 75,5 7,2 x 10-5 1,3 x 10-3 1,285 2,9 x 10-4 3,6 x 10-5 4,6 x 10-17 3,5 x 10-6 0,0459 3,3 x 10-8

După cum rezultă din tabel, aerul atmosferic constă în proporţie de 99,04% dintr-un amestec de oxigen şi azot. Gazele nobile intră în compoziţia atmosferei în proporţie de 0,9349% în volum, pe când conţinutul în hidrogen şi dioxid de carbon variază între anumite limite. Conţinutul în vapori de apă suferă variaţii foarte mari. El depinde de temperatură, care influenţează valoarea de saturaţie, şi de condiţiile meteorologice şi locale, care influenţează umiditatea relativă a aerului.

SEPARAREA AERULUI Aspectul teoretic şi practic al separării aerului Pentru obţinerea oxigenului şi azotului, aerul poate fi considerat drept sistem binar compus din azot şi oxigen, cu toate că pentru obţinerea acestora în stare pură , argonul trebuie îndepărtat. Deoarece punctul de fierbere al argonului se găseşte între punctele de fierbere ale azotului şi oxigenului, acest lucru se realizează în coloana specială de argon, alimentată cu o fracţiune laterală scoasă din coloana principală care separă azotul de oxigen. Curbele de echilibru t-x,y ale sistemului azot-oxigen sunt cu atât mai plate cu cât presiunea sistemului este mai mare (fig.2.1.); separarea va fi deci mai uşoară la presiuni mici. La presiunile de 1-5 ata la care se lucrează de obicei, volatilitatea relativă este destul de mare; astfel din presiunile de vapori ale componentelor se obţine pentru 1 ata:   yN 2

x se obţine volatilitatea relativă  

xN2

PN 2 PO2

yO2 xO2

6

 4,15 , iar din curba de echilibru y-

 4,0