Linde proces

Luftens sammensætning

The Linde proces er en teknisk fremgangsmåde til gasseparation udviklet af Carl von Linde i 1895 , hvilket muliggør flydendegørelse af gasblandinger såsom luft og individuelle atmosfæriske gasser såsom oxygen , nitrogen og argon ( ædelgasser ) i store mængder og i denne fornuft bruges generering af kulde i temperaturområdet 77 til 100 Kelvin (K).

historie

Selvom det oprindeligt kun blev brugt til akademiske formål, blev det først brugt i industrien allerede i 1902 som en vigtig del af luftseparationsanlægget (teknisk forkortelse: LZA) også udviklet af Carl von Linde. Selv i dag bruges luftseparationsanlæg i stor skala til at udtrække gasformig og flydende ilt (GOX og LOX (fra flydende ilt) - som teknologikoder), nitrogen (GAN og LIN ) og ædelgasser . I modsætning hertil bruges Linde -processen i sin oprindelige struktur ikke længere til at generere kulde, da mere effektive tekniske implementeringer (frem- og tilbagegående stempeludvidere eller ekspansionsturbiner ) er blevet udviklet i mellemtiden . Deres kolde generation er ikke længere baseret på den rene Joule-Thomson-effekt af den originale Linde-proces, men derimod på at opnå så adiabatisk afkøling som muligt, samtidig med at der opnås nyttig mekanisk energi fra den ekspanderende gas. I den originale Linde-proces, på den anden side eller i den rene gas-ekspansion-isenthalpiske Joule-Thomson-effekt, bruges denne energi ikke kun ikke, men den forbliver endda i processen som gasspjældsfriktionsvarme, der er skadelig for processen . Denne z. B. en heliumvæskning uden forkøling med den oprindelige ren gas-ekspansion-isenthalpiske Linde-proces på grund af den lave inversionstemperatur af helium umulig, men med den forbedrede proces, fordi fjernelse af mekanisk nyttig energi under ekspansion af en gas under adiabatiske forhold uanset gastype og gastemperatur fører altid til afkøling. Brugen af ​​Joule-Thomson-effekten er derfor stadig i brug.

princip

Linde-Fränkl-processen

Den isenthalpiske ekspansion af en rigtig gas i en gaspose ledsages af en ændring i dens temperatur ( Joule-Thomson-effekt ). Den abstrakte model af den ideelle gas viser ikke denne effekt. Om temperaturændringen sker i form af afkøling eller opvarmning afhænger af, om temperaturen er faldet under inversionstemperaturen (dvs. temperaturen, ved hvilken Joule-Thomson-koefficienten for gassen undergår et tegnændring). Hvis systemet er over inversionstemperaturen, opvarmes gassen under ekspansion (mere præcist: isenthalpisk ekspansion, entalpien ændres ikke på grund af volumenændringen), lavere temperaturer resulterer i afkøling; denne effekt bruges i Linde -processen. (Bemærk: en isenthalpisk ekspansion forekommer i henhold til 1. lov for termodynamik i en gasregulering, hvis ændringen i potentialet og kinetisk energi for det flydende væske fra gasindløb til gasudløb kan negligeres, og det kan antages, at gashåndtaget er adiabatisk isoleret .)

For at nå kogetemperaturen, som er lav for mange gasser (for ilt -183 ° C, for nitrogen −196 ° C), bruges den ekspanderede gas i modstrømningsprincippet til at forkøle den komprimerede gas.

brug

Forenkling af Linde -processen. (p ₁ > p ₂ )

Linde -processen blev tidligere brugt til at afkøle atmosfæriske gasser ilt , nitrogen , argon og andre ædelgasser, indtil de flydende.

Luftformning

En kompressor komprimerer luften til et tryk på ca. 200  bar . Deres temperatur stiger med ca. 45 Kelvin, for eksempel fra +20 ° C til ca. +65 ° C. Den komprimerede, opvarmede luft afkøles derefter i en første varmeveksler, og temperaturen returneres til omgivelsestemperaturens område. I processen frigives varme fra luftens flydende system til miljøet. Luften vaskes først og frigøres fra vanddamp, støv, kulbrinter, lattergas og kuldioxid ved hjælp af en molekylsigt . Kulbrinter og lattergas kan forårsage en deflagration eller endda en eksplosion i rektifikationssøjlen . Luften ekspanderes derefter ved hjælp af en turbine, hvorved temperaturen i luften falder til lige før flydningspunktet. Luften føres derefter gennem en gasspjældsventil, hvor luften derefter når kondenspunktet (ca. -170 ° C).

Ingeniøren Fränkl lykkedes at udskifte modstrømsgenopretterne med regeneratorer. Disse kan bygges meget mindre, billigere og mere kraftfulde end modstrømsrørbundtvarmevekslere . Denne opfindelse blev overtaget af Linde AG og markedsført under navnet Linde-Fränkl-Verfahren. Processen med regeneratorer blev brugt med succes indtil omkring 1990, hvor en nyere teknologi dukkede op, som igen omfattede rekuperative modstrøms pladevarmevekslere med opstrøms adsorberende tørring og rengøring.

Flydende luft har en densitet på ca. 875 kg / m³ (0,875 g / cm³). I en åben beholder under atmosfærisk tryk antager den en temperatur på −194,25 ° C = 78,9 K. Det koger i processen, så dens lave temperatur opretholdes, fordi dette fjerner fordampningens entalpi fra den flydende luft . Da ilt og nitrogen har forskellige kogetemperaturer, fordamper nitrogenet hurtigere, og kogetemperaturen for den resterende væske stiger lidt, op til 81,7 K. Mængden af ​​kogende luft reguleres på en sådan måde, at varmen tilføres ved varmeledning eller stråling svarer til den anvendte fordampningsentalpi. Afhængig af beholderens størrelse og isolering kan den flydende luft tilbageholdes i et par timer til mange dage. Flydende luft må dog aldrig opbevares i lukkede beholdere uden sikkerhedsanordninger og passende design, da det indre tryk, der gradvist øges på grund af den gradvise opvarmning, får det til at briste.

Fraktionering af den flydende luft

Kogende nitrogen i et metalbæger (-196 ° C)

Lavtemperatur handsker til arbejde med flydende gasser

Flydende luft kan nedbrydes i dets komponenter ved hjælp af fraktionering, hvor de forskellige kogepunkter for de enkelte luftkomponenter bruges. Kogepunkterne for ilt og nitrogen er imidlertid meget tæt på hinanden. Der bruges derfor en rektifikationssøjle : den flydende luft løber nedad over flere rektifikationsbakker i modstrøm til den stigende gas. Det optager ilt fra gassen og frigiver nitrogen. Rettelsen udføres ved et tryk på ca. 5-6 bar. Dette gør væsken mere iltholdig og gassen mere nitrogenholdig.

Flydning af hydrogen og helium

For at kunne bruge Linde-processen til brint- og helium- flydning skal disse gasser først afkøles under inversionstemperaturen . Dette gøres normalt med flydende luft. Det opnåede flydende helium koger endelig under atmosfærisk tryk ved 4,2 K. Dette er det laveste kogepunkt for alle grundstoffer. Ved at pumpe heliumgassen over det kogende helium trækkes sidstnævnte ud af fordampningens entalpi, så dens temperatur kan reduceres yderligere. Da damptrykket falder meget kraftigt med temperaturen, når denne metode imidlertid ikke en temperatur, der er lavere end 0,84 K; det inkluderer damptrykket 0,033 mbar. ${\ displaystyle T_ {i}}$

Fysisk grundlæggende

Linde-metoden er baseret på Joule-Thomson-effekten: I den ideelle gas interagerer partiklerne ikke med hinanden, hvorfor temperaturen på den ideelle gas ikke afhænger af volumen. I tilfælde af rigtige gasser er der på den anden side interaktioner, der kan beskrives ved hjælp af Van der Waals -ligningen . Energiindholdet i den virkelige gas ændres også med adiabatisk (uden varmeveksling) afslapning uden at der udføres noget eksternt arbejde. Dette kan bevises ved temperaturændringen.

Hvis du forbinder to gasbeholdere med en porøs væg og bruger et stempel til langsomt at skubbe gassen under tryk i rum 1 gennem denne membran, som tjener til at forhindre hvirvler og stråledannelse, i rum 2, som er under et konstant, men lavere tryk end værelse 1 så er der en lille temperaturforskel mellem de to rum. Med kuldioxid er det omkring 0,75 K pr. Bar trykforskel, med luft omkring 0,25 K.

Dette kan forklares, hvis du mener, at lydstyrken i værelse 1 er blevet fjernet. Stemplet har udført arbejdet for gassen . Mængden af ​​gas vises i rum 2 og skal udføre arbejdet mod stemplet. Forskellen i arbejde har gavnet gassen som intern energi. ${\ displaystyle V_ {1}}$${\ displaystyle p_ {1} V_ {1}}$${\ displaystyle p_ {2} V_ {2}}$

${\ displaystyle p_ {1} \ cdot V_ {1} -p_ {2} \ cdot V_ {2} = U_ {2} -U_ {1}}$ henholdsvis. ${\ displaystyle U_ {1} + p_ {1} \ cdot V_ {1} = U_ {2} + p_ {2} \ cdot V_ {2}}$

Den enthalpi forbliver konstant. I Van der Waals er gas den indre energi , hvor er antallet af frihedsgrader for en partikel. ${\ displaystyle H = U + p \ cdot V}$ ${\ displaystyle U = {\ frac {1} {2}} fnRT - {\ frac {an ^ {2}} {V}}}$${\ displaystyle f}$

Under hensyntagen til Van der Waals -ligningen resulterer dette i :

${\ displaystyle H = U + pV = {\ frac {1} {2}} fnRT - {\ frac {an ^ {2}} {V}} + \ venstre ({\ frac {nRT} {V -nb} } - {\ frac {an ^ {2}} {V ^ {2}}} \ højre) \ cdot V = nRT \ venstre ({\ frac {f} {2}} + {\ frac {V} {V -nb}} \ højre) - {\ frac {2an ^ {2}} {V}}}$

Fordi entalpien bevares, gælder følgende for den samlede differential :

${\ displaystyle dH = {\ frac {\ delvis H} {\ delvis V}} dV + {\ frac {\ delvis H} {\ delvis T}} dT = 0}$

Transformeret efter ændringen i temperaturresultater : ${\ displaystyle dT}$

${\ displaystyle dT = - {\ frac {{\ dfrac {\ delvis H} {\ delvis V}} dV} {\ dfrac {\ delvis H} {\ delvis T}}} = {\ frac {{\ dfrac { nbT} {(V -nb) ^ {2}}} - {\ dfrac {2an} {RV ^ {2}}}} {{\ dfrac {f} {2}} + {\ dfrac {V} {V -nb}}}} dV \ approx n {\ frac {bRT-2a} {\ venstre ({\ dfrac {f} {2}} + 1 \ højre) RV ^ {2}}} dV}$

Tælleren er positiv ved høj temperatur. Det ændrer sit tegn ved inversionstemperaturen . ${\ displaystyle T_ {i} = {\ frac {2a} {Rb}}}$

Så den kritiske temperatur for en van der Waals -gas er . ${\ displaystyle T_ {k} = {\ frac {8a} {27Rb}}}$${\ displaystyle T_ {i} = 6 {,} 75 \, T_ {k}}$

Ovenfor opvarmes en gas, når den frigives, under den afkøles. For kuldioxid og luft er langt over stuetemperatur, for brint imidlertid ved -80 ° C. ${\ displaystyle T_ {i}}$${\ displaystyle T_ {i}}$

En høj værdi af Van der Waals -konstanten har derfor den virkning, at temperaturen falder kraftigt, når den reelle gas ekspanderes. Dette er logisk, for når volumenet stiger, bevæger molekylerne sig væk fra hinanden og skal arbejde mod tiltrækningskræfterne, der er karakteriseret ved . Dette arbejde reducerer molekylernes kinetiske energi og dermed temperaturen på gassen. ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle a}$

Alternative procedurer

To nyere processer bruges til mere omkostningseffektiv produktion af nitrogen og ilt i en renhed tilpasset kravene:

• Membrangasseparation ( engelsk membrangasseparation (MGS) ): diffusion gennem hulfibermembranen kan være nitrogen med høj renhed og oxygen på op til 40% berigelsesgrad leverer trykluft.

• Ved hjælp af tryksvingadsorption ( engelsk tryksvingadsorption (PSA) ) på molekylsigter , CMS - kulstofmolekylsigt nitrogen eller zeolitter - "Zeo molekylsigt" er ilt, der kan nedbrydes luft via tryksving i to trykbeholdere.

litteratur

• Christian Gerthsen , Hans Otto Kneser , Helmut Vogel : Fysik: en lærebog til brug foruden foredrag . 14. udgave. Springer, Berlin / Heidelberg 1982, ISBN 3-540-11369-X , kapitel 5.6.6 og 5.6.7.
• Georg Veranneman: Tekniske gasser. Produktion, distribution, anvendelse (= Library of Technology , bind 10), 4. udgave, Verlag Moderne Industrie, Landsberg am Lech 2000, ISBN 3-478-93229-7 .

Weblinks

• Linde -videoer, der viser luftseparationsprocessen visuelt:
  • set fra planteperspektivet: https://www.youtube.com/watch?v=-mUKww4iPgw
  • set fra gasperspektivet: https://www.youtube.com/watch?v=flvW0vTQ1NM
• Information om heliumflydende midler fra Linde
• SVGs: Adskillelse kolonne , plante baseret på lavtryks- proces
• Video: JOULE -THOMSON -effekt og LINDE -metode - Hvordan skaber du flydende luft? . Jakob Günter Lauth (SciFox) 2013, stillet til rådighed af Technical Information Library (TIB), doi : 10.5446 / 15652 .

Individuelle beviser

1. ↑ kvælstof generator - N2 AIRTEXX Gas Systems & Udstyr hentet 27 April, 2013