Komponente zraka prikazane u tablici 1, a posebno dušik (N 2 ) i kisik (O 2 ), važni su za mnoge suvremene industrijske procese. Proizvodnja metala, kemijska industrija, procesi uplinjavanja, proizvodnja stakla i betona, zavarivanje i drugi procesi ovise o O 2 iz zraka, dok kemijska, naftna i elektronička industrija upotrebljavaju N 2 zbog njegove inertnosti. Osim toga, kapljeviti N 2 se upotrebljava za kriogeno mljevenje, sušenje smrzavanjem, kriogeno skladištenje bioloških materijala,

more »

... nje hrane i slične primjene. Argon (Ar) se upotrebljava kao inert kod zavarivanja, proizvodnje čelika, toplinske obrade i u proizvodnji elektronike. Razmotrit ćemo osnovne metode kojima se ti uobičajeni industrijski plinovi dobivaju iz zraka. Tablica 1 -Komponente zraka Komponenta zraka (kemijska formula) Volumni udio u zraku ⁄ % Vrelište ⁄ K (°C) Molekulska masa ⁄ g mol −1 dušik (N 2 ) 78,08 77,4 (−195,8) 28,02 kisik (O 2 ) 20,95 90,2 (−183) 32,00 argon (Ar) 0,93 84,2 (−186) 39,94 ugljikov dioksid (CO 2 ) 0,040 194,7 (−78,5) 44,01 neon (Ne) 0,0018 27,2 (−246) 20,18 helij (He) 0,0005 4,2 (−269) 4,00 kripton (Kr) 0,0001 119,8 (−153,4) 83,8 vodik (H 2 ) 0,00005 20,3 (−252,9) 20,02 ksenon (Xe) 8,7 • 10 −6 165,1 (−108,1) 131,29 Separacija zraka Postupci razdvajanja zraka za industrijsku primjenu mogu se podijeliti u dvije osnovne skupine: kriogena separacija zraka i nekriogeni procesi. Proizvod kriogenih procesa razdvajanja zraka su plinoviti ili kapljeviti N 2 , O 2 i Ar primjenom niskotemperaturne destilacije. Procesi kriogene separacije primjenjuju se kada je potrebna visoka čistoća i velike količine proizvoda. Nekriogeni postupci provode se primjenom selektivne adsorpcije i membranskim postupkom na temelju razlika u propusnosti kroz membranu. Te tehnike odjeljivanja komponenata zraka temelje se na razlici u molekularnoj strukturi, veličini i masi. Nekriogeni procesi izvode se na temperaturi bliskoj temperaturi okoline i najčešće se provode kada se ne zahtijevaju visoke čistoće plinovitih i kapljevitih proizvoda te kada su potrebne količine proizvoda relativno male. Nekriogena separacija zraka U nastavku su opisane dvije osnovne metode nekriogenog razdvajanja zraka. Adsorpcija Zeoliti (visoko porozni aluminosilikatni materijali) imaju neuniformno električno polje u praznom prostoru unutar njihove strukture. Te razlike koriste se za preferencijalnu adsorpciju N 2 jer se molekule N 2 snažnije apsorbiraju od molekula O 2 ili atoma Ar. Zeolitski adsorbenti primjenjuju se u sustavima s cikličkom promjenom tlaka (engl. pressure swing system) pri čemu zrak pod tlakom ulazi u posudu koja sadrži adsorbent. N 2 se preferirano adsorbira pa se stvara tok efluenta bogat O 2 sve dok se sloj adsorbensa ne zasiti s N 2 . Kada se dostigne zasićenje, zrak se preusmjerava u drugu posudu i započinje regeneracija prvog sloja. Regeneracija se postiže smanjenjem tlaka u sloju, što smanjuje ravnotežni kapacitet zadržavanja N 2 u adsorbensu pri čemu se oslobađa N 2 . Membranski sustavi Procesi razdvajanja plina s pomoću polimernih ili keramičkih membrana temelje se na razlici u brzini kojima O 2 i N 2 difundiraju kroz membranu koja odvaja procesne tokove visokog i niskog tlaka. Membranski sustavi za separaciju zraka manje su energijski intenzivni od kriogenog razdvajanja, ali imaju stanovita ograničenja. Zbog manje veličine molekule O 2 većina membranskih materijala propusnija je za O 2 nego za N 2 . Membranski sustavi obično su ograničeni na proizvodnju zraka obogaćenog s O 2 (25 -50 % O 2 umjesto standardnih 21 vol.%). Kriogeno razdvajanje Kriogeno razdvajanje zraka danas je najdjelotvornija i najekonomičnija tehnologija za proizvodnju velikih količina O 2 , N 2 i Ar kao plinovitih ili kapljevitih proizvoda. Proces se provodi u destilacijskim kolonama pri vrlo niskim temperaturama, a osnova razdvajanja je razlika u vrelištima. Kriogeno razdvajanje zraka čini pet jediničnih operacija. Ključni koraci su kompresija zraka, hlađenje i pročišćavanje zraka, izmjena topline, hlađenje i kompresija internih produkata te kriogena protustrujna rektifikacija zraka i Ar. Jedinica za razdvajanje zraka (engl. air separation unit -ASU) koja primjenjuje konvencionalni proces višestruke kriogene destilacije može iz komprimiranog zraka proizvesti O 2 visoke čistoće. Obično se radi o sustavu dviju kolona sa susjednom jedinicom za izdvajanje Ar. Da bi separacija započela potrebno je ukapljiti veliku količinu ulaznog zraka. To se postiže hlađenjem zraka manipulacijom tlaka dok ne započne kondenzacija. Prvi postupak odvajanja zraka razvio je Carl von Linde. Proizvodnja je počela