UNIVERSITATEA DIN PITETIProcese de separare a aeruluiGeneratoare de azot mari

Student:

Bogdan P. CIOBANUSpecializare:

Inginerie-FizicAn:

III

Grupa:

1Profesor ndrumtor: Prof. univ. dr.

Ioan TEFNESCU2015Procese de separare a aerului Generatoare de azot mariIntroducereAerul este un amestec de gaze ce alctuiete straturile inferioare ale atmosferei Pmntului.

Principalele gaze din compoziia aerului sunt: 78.084% Azot (N2); 20.947% Oxigen (O2); 0.934% Argon (Ar); 0.03% Dioxid de carbon (CO2).n procente mult mai mici se gsesc urmtoarele gaze:

Neon (Ne); Heliu (He); Kripton (Kr); Dioxid de sulf (SO2); Metan (CH4);

Hidrogen (H2). Fig. 1 Compoziia aeruluiPrincipalele proprieti fizice ale aerului sunt: gaz incolor (la temperature obinuite) i inodor, cu = 29,98 kg / kmol i = 1,293 kg /m3.

Aerul lichid se obine prin rcirea aerului sub temperatura de 140,7C i meninere la o presiune de circa 38,4 at.Aerul lichid se obine prin comprimarea aerului la presiuni mari i destindere adiabatic, ceea ce are drept consecin producerea unei rciri puternice. Gazul astfel rcit, este comprimat din nou la presiune mare i apoi destins pn la presiunea normal. Repetnd succesiv operaiile de mai sus, se realizeaz temperatura i presiunea necesare nceperii lichefierii aerului. Aceasta este principiul metodelor de lichefiere inventate de Carl von Linde i de Georges Claude.

Proprietile fizice ale aerului lichid sunt: este un lichid incolor sau slab colorat n albastru limpede, cu punctul de fierbere la (192C), = 870 kg/m3. Materialele introduse n aer lichefiat dobndesc proprieti speciale: cauciucul i pierde elasticitatea i devine friabil, iar metalele i micoreaz rezistivitatea.Aerul lichid se utilizeaz n laboratoarele de cercetri de criogenie pentru obinerea de temperaturi sczute. n amestec cu pulbere de crbune, se poate ntrebuina ca exploziv n lucrri subterane. Prin distilarea fracionat a aerului lichefiat, se obin oxigen lichid, azot lichid i gaze inerte.Azotul (sau nitrogenul) este elementul chimic din tabelul periodic care are simbolul N i numrul atomic 7, are un numr de 4 izotopi stabili, din care 2 sunt artificiali, cel mai raspndit fiind atomul cu A = 14. Proprietile fizice ale azotului sunt: gaz incolor, inodor, insipid, de obicei inert, diatomic i nemetalic. Azotul formeaz numeroi compui chimici, precum aminoacizii, amoniacul, acidul nitric i cianurile.Propriettile chimice ale azotului sunt: = nemetal, cu o electronegativitate de 3,0, are cinci electroni pe ultimul strat, de obicei este trivalent. Azotul pur este un gaz diatomic incolor i nereactiv la temperatura camerei i cuprinde 78.08% din atmosfera Pmntului. Condenseaz la 77 K, la presiune, i nghea la 63 K. Azotul lichid este folosit des drept substan criogenic.Azot molecularAzotul gazos este produs n urma nclzirii i evaporrii azotului lichid . Azotul gazos

se poate folosi (incluznd faptul c este folosit ca atmosfer protectoare atunci cnd nu se dorete o reacie redox): la pstrarea prospeimii mncrurilor mpachetate (prin amnarea rncezirii i altor forme de degradare oxidativ);

la acoperirea explozibililor lichizi pentru siguran; la producia de componente electronice precum tranzistori, diode i circuite integrate

la producerea oelului inoxidabil;

pentru umplerea camerelor roilor avioanelor i autovehiculelor datorit ineriei sale i lipsei de umiditate i a calitilor oxidative, spre deosebire de aer (dei nu este necesar pentru automobilele obinuite).

Azotul lichid este produs industrial n cantiti mari prin distilarea din aerul lichefiat, care este reprezentat de obicei prin cvasi-formula LN2 (sau N2(l)); fiind un lichid de criogenie (foarte rece) care produce degerturi instantaneu la contactul direct cu esuturile vii.Proprietatea lui de a menine temperaturile mult sub temperatura de nghe a apei chiar cnd se evapor (77 K, -196 C sau -320 F) l face extrem de util ntr-o varietate de aplicaii ca refrigerent, printre care:

la nghearea i transportul produselor alimentare; la criogenarea corpurilor, celulelor reproductive (sperm i ovule) i probe i materiale biologice; n studiul criogeniei; pentru demonstraii n educaia tiinific; ca rcitor pentru senzori de infrarou i amplificatoare de frecven joas; n dermatologie, pentru eliminarea posibilelor excrescene canceroase; ca rcitor pentru suprasolicitarea unei uniti centrale de procesare, a unei uniti de procesare grafic sau a altei componente hardware.1. PROCESE DE SEPARARE A AERULUI1.1. Procese de separare a aerului

Pe plan mondial, pentru obinerea azotului la scar industrial se utilizeaz dou metode de separare a aerului i anume:

a) metoda criogenic;

b) metoda necriogenic.a) Metoda criogenic const n comprimarea aerului i rcirea lui pn la temperaturi criogenice. n acest mod, aerul lichefiat este separat ntr-o coloan de distilare, obinndu-se n principal azotul i oxigenul. Aceast metod de separare a aerului se realizeaz n uniti specializate n care, pe lng componentele menionate mai sus, se produc i ali compui cum este de exemplu argonul.b) Metoda necriogenic confer posibilitatea producerii azotului sau oxigenului la unitatea care l folosete, eliminndu-se astfel transportul produilor de separaie de la productor la utilizator.

Metoda necriogenic cuprinde dou procedee de separare a aerului i anume:

procedeul cu membran - se bazeaz pe principiul permeabilitii selective,

utiliznd membrane care sunt incluse n ansamblul componentelor, cu rol de producere a azotului, constituite din materiale polimerice i care au o permeabilitate selectiv la gaze;

procedeul n sistem PSA - se bazeaz pe proprietile fizice ale unor materiale granulare de tipul carbonului molecular.

1.2. Procesul de separare a aerului prin Metoda criogenic

O instalaie de separare a aerului ce utilizeaz distilarea pentru separarea aerului n componentele lui naturale: azot, argon i oxigen. Procesul de distilare realizeaz aceast separare prin utilizarea proprietilor termodinamice care sunt specifice fiecrui component. Considerm un vas nchis ce conine o substan lichid pur la o presiune i temperatur date, Pb, respectiv T. De ndat ce lichidul fierbe, ntre starea lichid i starea gazoas (format din vaporii lichidului) se stabilete un echilibru.

Fig. 2 - Echilibrul vapori lichid al unei substane pure.Principalele gaze din aer sunt azotul, oxigenul i argonul. Acestea au urmtoarele puncte de fierbere la presiunea atmosferic:

Azot : -195,8 C (-320,4 F);

Oxigen : -183,0 C (-297,4 F);

Argon : -185,9 C (-302,6 F).Aceste temperaturi permit clasificarea componentelor n uoare sau grele.

n principiu, un component uor, care are punctul de fierbere mai sczut, este mai volatil dect un component greu, care are punctul de fierbere mai mare.

1.2.1. Fractia de echilibruO parte important a problemei echilibrului vapori-lichid este coeficientul de echilibru, cunoscut ca valoarea K. Aceast valoare este raportul dintre concentraia componentului n faza de vapori i concentraia aceluiai component n faza lichid. De exemplu, amestecul anterior oxigen-azot n echilibru d valoarea K a oxigenului:

(1)

n mod similar, valoarea K a azotului este:

(2)Aceste fracii sunt extrem de utile atunci cnd se ncearc determinarea dificultii separrii dorite. Uurina distilrii depinde de diferena dintre volatilitatea fiecrui component (componente grele i uoare). Volatilitatea relativ, care este raportul dintre valoarea K a componentului uor i valoarea K a componentului greu, este prezentat mai jos:

(3)1.2.2.Modificrile strii izobare a amestecului

Deoarece distilarea, n principal, se produce n condiii de presiune constant (izobar), este important s se considere modificrile strii izobare. O diagram de faz a amestecului simultan la presiune constant este extrem de valoroas n ilustrarea comportrii amestecului n timpul distilrii. Diagrama de faz a unui amestec oxigen-azot descris n figura 3, furnizeaz mai multe informaii. Diagrama prezint trei zone:

L zona n care amestecul este n stare lichid

L + V zona n care amestecul este n stare mixt lichid-vapori

V zona n care amestecul este n stare de vapori.

Fig. 3 - Diagrama de faze oxigen-azot la presiune constant.Curba 1, care separ zonele de L i L+V, este numit curba punctului de fierbere. Curba 2, care separ zonele L+V i V, este numit curba punctului de rou (apariia primei picturi de lichid n vapori). Acest grafic indic clar c temperatura punctului de rou i temperatura punctului de fierbere pentru amestecuri nu sunt identice, deoarece acestea sunt pentru substanele pure.S examinm un amestec gazos cu compoziia 25 % azot i 75 % oxigen la punctul Q0. Pentru orice punct Q0 n zona V, vaporii sunt supranclzii.

Dac vaporii sunt rcii la presiune constant, deci se rcesc dup supranclzire pn ce ating curba 2 n punctul 1, care este punctul de rou. Compoziia gazului nu se schimb.

Compoziia primei picturi este aproximativ 98% oxigen, care este gsit prin desenarea unei linii orizontale de la curba punctului de rou la curba punctului de fierbere.

Rcirea, n continuare, a gazului produce mai mult lichid. La pontul Q2 compoziia vaporilor este dat la punctul Q2G (55% oxigen) n timp ce compoziia de lichid este dat la punctul Q2L (90 % oxigen).

n timpul proceselor de rcire de la punctul Q1 la Q3, crete cantitatea de vapori care condenseaz pn ce temperatura atinge punctul Q3 , n care amestecul este lichid saturat. Pentru orice punct ntre Q1 i Q3, graficul d compoziia amestecului de dou faze.

Compoziia amestecului general nu se schimb niciodat, totui compoziia fazelor gazoase i lichide se modific constant deoarece se modific temperatura.

2. Generatoare de azot mari

2.1. Descrierea procesului

Aerul comprimat curat, intr n cuva rece de la frontalul instalaiei de purificare i este rcit aproape de temperatura lui de lichefiere, circa -170C (-274F), prin evacuarea curenilor de produs rece n schimbtorul de cldur principal. Aerul intr apoi n coloana de nalt presiune (numit aici coloana HP) unde este separat prin distilare n curenii de azot de la partea superioar i un curent de lichid mbogit ce conine circa 37% oxigen, de la partea inferioar.

Azotul gazos de la coloana HP curge n vaporizatorul principal, unde intr n contact cu oxigenul lichid de joas presiune n bazinul de colectare al coloanei de joas presiune (numit aici coloana LP). Oxigenul lichid fierbe (la circa -179C sau -290F) contra condensrii azotului de nalt presiune ce furnizeaz refluxul n coloana HP. Separarea final se produce n coloana LP, care funcioneaz la aproximativ 1,4 bar (20 psi).

Refluxul i curenii de alimentare sunt furnizai de azotul lichid i lichidul mbogit de la coloana HP. Aceste lichide sunt subrcite contra azotului gazos n lichidul subrcit nainte de a fi expandat n coloana LP.

Fierberea oxigenului n coloana LP furnizeaz energia necesar pentru a se extrage azotul i argonul din curentul de lichid mbogit.

Produsul oxigen gazos este luat de la partea inferioar a coloanei LP, iar produsul azot pur de la partea superioar. Un curent intermediar de azot rezidual, utilizat pentru reactivarea straturilor din adsorber, este extras aproape de partea superioar a coloanei LP. De obicei, este compus din mai puin de 2% oxigen i conine efectiv tot argonul care exist n cuva rece.

Hidrocarburile care nu au fost ndeprtate din aer de frontalul instalaiei de purificare (FEP) se acumuleaz n baia de oxigen lichid aproape de vaporizatorul principal. Pentru a reduce acest pericol, se poate prevedea un filtru adsorbant umplut cu oxigen lichid (numit aici filtru LOX ). (Depinde de o cerin a procesului: de exemplu raportul concentraiei instalaiei GOX este foarte sczut, astfel filtrul LOX nu este necesar).

Sunt instalate dou filtre n paralel, cu unul n faza de adsorbie i cellalt n regenerare.

Pentru a menine temperatura corespunztoare de funcionare n proces i pentru a compensa pierderea de cldur din cuva rece, este necesar o instalaie de producere frig. n mod normal, pentru o instalaie de gaz de joas presiune, este prevzut o turbin de detent ca instalaie de producere frig. Aceast main ia parial azotul nclzit din coloana HP, egal cu circa 10% din debitul de aer la cuva rece, i prin expansiune l rcete pentru a ajunge la produsele de plecare. Pentru anumite avantaje, un debit mic de azot de nalt presiune poate fi nclzit nainte cu celelalte produse n schimbtorul de cldur principal. n cea mai recent instalaie proiectat, turbina funcioneaz la un debit mic de aer curat, care a fost ridicat n presiune de propriul lui compresor (expandor-dispozitiv auxiliar).

n cazul unei producii mari de LOX (i LIN), poate exista un lichefiator separat, cu un lichid permanent de la lichefiator (sau stocaj, cnd lichefiatorul este oprit).

2.2. Generatoare de azot

Generatoarele de azot obin azotul din aer comprimat. Aerul comprimat se obine cu ajutorul compresoarelor tradiionale. Generatoarele de azot au nevoie de o presiune de 7,5 bar sau mai mare.

Este necesar a reduce umiditatea nalt a aerului comprimat. Pentru aceasta este suficient s folosim usctoare prin rcire, acestea scad punctul de rou al aerului comprimat la + 4 oC.2.2.1. Site moleculare, materiale pentru separarea gazelorPentru separarea gazelor se folosesc materiale adsorbante speciale, site moleculare. Acestea nu sunt filtre tradiionale, ci granule cu material poros, avnd suprafaa specific destul de mare: poate atinge i valoarea de 1000 m2/g. Astfel, sitele moleculare sunt capabile s adsoarb pe suprafaa lor o cantitate nsemnat de gaze.

La generatoarele de azot folosim sit molecular pe baz de carbon activ. Aceasta adsoarbe preferinial toate celelalte componente gazoase din aer i mai puin azotul.Sit molecular pe baz de carbon. Se utilizeaz sub forma unor granule de mic dimensiune.

Fig. 4 Granule de carbon2.2.2. Procesul separrii gazelor Separarea gazelor se face cu tehnologia adsorbiei la presiune oscilant PSA (Pressure Swing Adsorption).

n cursul procedurii, cretem presiunea la materialul adsorbant (sita molecular) prin introducerea de aer comprimat.

Ca efect al presiunii n cretere, suprafaa adsorbantului adsoarbe tot mai multe gaze. n cazul azotului, care este adsorbit mai puin i mai ncet la suprafaa sitei moleculare, concentraia crete din ce n ce mai mult, pn atinge puritatea ridicat dorit. Celelalte componente gazoase rmn legate la suprafaa sitei moleculare.

Cnd capacitatea adsorbantului se apropie de saturaie, comanda oprete procesul i elimin presiunea n mediu. Ca efect al acestui fapt, datorit presiunii ridicate, moleculele gazelor adsorbite se desprind de pe suprafaa adsorbantului i ies n aer. Astfel, ca efect al presiunii sczute, sita molecular se regenereaz n mod automat.

Un echipament este dotat cu o pereche de adsorbani (sau n cazul echipamentelor mai mari, mai multe perechi, care lucreaz n paralel).

n timp ce unul din adsorbanii perechii produce gazul, cellalt se regenereaz.2.2.3. Construcia generatorului de azot

Fig. 5 Schema bloc generator de azot

Caracteristici tehnice ale generatorului de azot cu adsorbie:

Presiune de intrare a aerului: 6,5 -13 bar

Presiune de ieire a azotului: pn la 9 bar

Interval de puritate a azotului: 97,0 - 99,99%

Debit de azot: pn la 200 m/h

Caracteristicile tehnice generatoarelor de azot cu membran

Presiune max. de intrare: 13-25 bar

Presiune de ieire a azotului de pn la 23 de bari

Interval de puritate a azotului: 95,0 - 99,5%

Interval de debit al azotului: 35 - 3915 m/h

3. Utilizarea azotului

Molecula de azot este una dintre cele mai rezistente legturi chimice din natur, de aceea azotul este caracterizat de o inerie mare fa de celelalte substane chimice.

Azotul este neinflamabil i nu susine arderea.Azotul poate poate fi folosit n Prevenirea i Stingerea IncendiilorFocul este o reacie de oxidare rapid. Pentru apariia focului sunt necesare trei ingrediente: materialul combustibil, caldura i oxigenul. ndeprtarea unuia dintre elemente nseamna c focul nu se poate aprinde. Crearea unei atmosfere cu coninut redus de oxigen n spaiile protejate ofer cel mai fiabil sistem de prevenire a incendiilor, deoarece focul nu se poate aprinde. Instalarea unui generator de azot care s controleze atmosfera din camera protejat este soluia inteligent i esenial pentru succesul unei organizaii. Spaiile importante, cum ar fi camerele de server, centrele de calculatoare i telecomunicaii au nevoie de protecie special. Dac o component electronic se supranclzete, aceasta poate cauza o reacie n lan rapida. Este esenial ca un astfel de fenomen s fie detectat nainte ca un posibil incendiu s distrug spaiul respectiv. Chiar i gazele rezultate din ardere pot duna componentelor electronice sensibile i pot conduce la o oprire a ntregului sistem. Drept consecin, o activitate de producie se poate opri - fapt ce trebuie evitat. Nu e vorba doar de daune materiale, ci i de pierderea iremediabil de informaii legate de afacere i clieni.n industrie

Termosuflarea reprezint procesul prin care un gaz, de obicei azot, este injectat sub presiune controlat n interiorul unui polimer topit, dup intrarea n matria de termosuflare. Gazul urmeaza calea rezistenei minime, i prin urmare, curge n seciunile cu grosime mai mare unde plastciul este nca topit.

Azotul injectat formeaz astfel canale goale, continue n interiorul polimerului, completeaz umplerea cavitii matriei cu plastic i gaz, aplic presiune polimerului n timp ce acesta se racete i se solidific, i se dilat pentru a compensa contracia volumetric a plasticului. Gazul este evacuat nainte de deschiderea matriei i evacuarea produsului finit.

Procesarea i stocarea echipamentelor electronice Plcile electonice, microprocesoarele i alte componente sunt sensibile la factorii atmosferici. Stocarea componentelor electronice pe care se fac teste sau a mostrelor se face n cabinete presurizate cu atmosfere inerte pentru a preveni evantualele degradri cauzate de oxigen i vaporii de ap din atmosfer. Azotul este folosit n diferite procese de tratament a materialelor. Unele dintre cele mai cunoscute activiti care implic folosirea azotului sunt termosuflarea polimerilor, taierea cu laser, sudura, sinterizare laser, taiere cu plasma, calire.

Taierea cu laser Azotul nu reactioneaza cu materialul n timpul taierii i, prin urmare, este gazul cel mai des ntlnit n tierea oelurilor nalt aliate i otelurilor inoxidabile. Cnd se foloseste azotul orice fenomen de oxidare este eliminat i reprezint baza meninerii proprietilor anti-coroziune a componentelor taiate i asigura o adeziune bun a vopselei pe marginile taiate. Sudura Azotul este folosit cu precadere pentru sudura inert a placilor cu circuite electronice. Sudura n atmosfera inert mbuntete calitatea asamblrii reducnd n acelasi timp sensibilitatea la fluctuaiile de proces.

Sinterizarea cu laser Sinterizarea selectiv cu laser este un proces de fabricaie n form liber a componentelor prin sinterizarea pulberilor. Acest proces este mai bine cunoscut ca realizarea prototipurilor rapide. n camera de sinterizare se menine o atmosfer de azot ce previne apariia exploziilor n timpul procesarii cantitilor mari de pulbere.

Tierea cu plasma Plasma este o form de gaz ionizat. n tierea cu plasm, azotul este trimis sub presiune printr-o tor unde se mic sub form de spiral, iese printr-un orificiu ngust i trece printr-un arc electric, care ionizeaz gazul. Clirea Clirea presupune nclzirea componentelor la o temperatur peste temperatura de transformare a materialului i apoi scldarea n ulei sau sare topit. Scopul acestui proces este obinerea unei structuri cu duritate ridicat martensitic sau bainitic. Clirea poate fi facut ntr-o varietate de furnaluri, care necesit o atmosfer protectoare pentru prevenirea oxidrii i decarburrii n timpul procesului. Industria Petrolului si Gazelor NaturaleAzotul este utilizat n industria Petrolului i Gazelor Naturale pentru a elimina problemele cauzate de oxidare, creterile consumurilor energetice, pentru purjarea i inertizarea rezervoarelor n scopul prevenirii exploziilor. La scar larg azotul este folosit pentru operaiunile de extracie, transport i prelucrare a petrolului i gazelor naturale.Presurizarea anvelopelor

Studiile conduse n ultimii ani de ctre organizaii independente i productorii de pneuri au artat impactul benefic pe care l are umflarea anvelopelor cu azot asupra duratei de via a anvelopei i reducerea consumului de combustibil.

Bibliografie

ERBAN, Alexandru; CHIRIAC, Florea Criogenie Tehnica, editura AGIR, Bucureti, 2006;PECULEA, Marius Instalaii criogenice, Editura Conphys, 2001;http://ro.wikipedia.org/wiki/Azothttp://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogenhttp://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_generatorhttp://www.criomecsa.ro/criogenie/cursuri/http://www.azot.ro .Page 3 of 12CIOBANU BOGDAN Inginerie Fizic, An III

_1495452844.unknown

_1495452889.unknown

_1495452594.unknown