Environmental protection | Air quality » A levegő mint ipari nyersanyag

A levegő, mint ipari nyersanyag A levegő a vízhez hasonlóan a földi élet feltétele. A levegő technológiai hasznosításának főbb területei: - az égés (oxidációs folyamatok) egyik feltétele, - energiaszállító (fűtő- és hűtőközeg), - szilárd és folyékony halmazállapotú anyagok szállítóközege (pl. fluidizáció, ciklonok), - szárítás, porlasztás, - szabályozás (sűrített levegő) A levegő legfontosabb komponensei: N 2 , O 2 , Ar, CO 2 , Ne, H 2 , He, CH 4 , Kr, NO X , Xe. A levegő alkotórészeinek forráspontja nagyon különböző, ami lehetővé teszi a cseppfolyósítást követő desztillációs szétválasztást. A levegő cseppfolyósítása a Joule-Thompson effektussal lehetséges, melynek lényege, hogy a reális gázok belső energiája függ a térfogatuktól, s ha inverziós hőmérsékletük alatt kiterjednek, lehűlnek. A N 2 és az O 2 inverziós hőmérséklete 700 K, ill. 1000 K körül van A cseppfolyósításhoz a levegőt

először portalanítják, majd töltött oszlopon keresztülvezetve NaOH oldattal kimossák a CO 2 -ot, a vizet pedig szilikagélen vagy zeoliton kötik meg. Linde-eljárás: A komprimálás során felmelegedett levegőt vízzel lehűtik, majd hőcserélőben felveszi az ellenáramban haladó expandált hideg levegő hőmérsékletét. Ezután expanziós szelepen kiterjedve tovább hűl és egy része kondenzálódik. A nem cseppfolyósodott hideg levegőt a hőcserélőn keresztül visszavezetik az újabb kompresszióra és itt vezetik be a friss levegőt is. Energetikailag hatékonyabb az izoentrópikus expanziós cseppfolyósítás, ugyanis ekkor a kiterjedő levegő egy expanziós motorban még külső munkavégzésre is használható. A cseppfolyósodott levegőt ezután rektifikáló kolonnába vezetik, ahol az O 2 fenéktermékként távozik, a fejtermék a gázalakú N 2 , aminek egy részét újra kondenzálják és refluxként vezetik vissza az oszlop tetejére. Nagyobb

kapacitású termelésnél gazdaságos lenne a nemesgázok kinyerése is. A He és a Ne a kolonna tetején gázhalmazállapotban dúsul fel, az Ar-t az oszlop alsó tányérjáról vezetik el oldatpárlatként. A Kr és a Xe kinyerése a legegyszerűbb, mivel a levegő 10 %-ának cseppfolyósítása elég ahhoz, hogy ezeket a „nehéz” nemesgázokat eltávolítsák a levegőből. Nyomáslengetéses adszorpció: Ez a technológia a kriogén eljárás gazdaságos technológiája. Az adszorpciós elválasztás lehet egyensúlyi (az adszorpció erősségének különbsége alapján). Adszorbensként zeolitot vagy szén alapú molekulaszitát használnak. A zeoliton az egyensúlyi elválasztás történik, mivel az O 2 kevésbé abszorbeálódik, mint a N. A szén alapú molekulaszitán a két gáz nagyjából azonos erősséggel kötődik, viszont az O 2 diffúziója gyorsabb, mivel kisebb a mérete, mint a N 2 -nek. A nyomáslengetéses adszorpcióval szén alapú molekulaszitán 95-99

%-os tisztasággal lehet előállítani N 2 -t. Amikor az abszorbens O 2 -nel telítődött, akkor az abszorbens ágyat nyomáscsökkentéssel regenerálják. Ha O 2 előállítása a cél, akkor zeolitot alkalmaznak, amelyen a N 2 abszorbeálódik, míg az O 2 visszamarad a gázfázisban. Ezt az eljárást vákuumos nyomáslengetéses adszorpciónak is nevezik Membránszeparáció: A levegőkomponensek membránon való diffúziós tényezőjének különbségén alapul. A szennyezésektől, nedvességtől és CO 2 -tól megtisztított levegőt membránmodulokba vezetik. A membránok polimerekből, fémekből, fémoxidokból és kerámiákból készülnek. A folyamat során a N 2 a nagynyomású, az O 2 (a membránon átjutva) a kisnyomású fázisban jelenik meg. -1- A kriogén desztillációs eljárásokat akkor alkalmazzuk, ha nagy mennyiségű terméket akarunk előállítani, ill. ha nagy tisztaságú gáz, vagy cseppfolyós termékek előállítása szükséges A levegő

alkotórészeinek ipari hasznosítása: Oxigén: tüzeléstechnikában, salétromsavgyártás, ózon előállítása, vasgyártás, acélipar, robbanóanyagipar; Nitrogén: ammónia-szintézis, műtrágyaipar, hűtő- és védőgáz; Hélium: mesterséges levegő, fagyasztás, nukleáris reaktorok hűtése; Ne, Kr, Xe: világítástechnika; Argon: világítástechnika, ívhegesztésnél védőgáz. • A levegő alapvető nyersanyag a vasgyártás során. A kohók 20-30 m magasak, melyben több zónát különíthetünk el. A fő szakasza a redukáló zóna, ahol 600-800°C-os hőmérsékleten játszódnak le a redukciós folyamatok. A CO ennél alacsonyabb hőmérsékleten redukál A redukció a kohóban lépcsőzetesen megy végbe: • Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 FeO Fe A redukciós zónában a karbonátok CO 2 képződés közben bomlanak, és a SiO 2 -dal salakot képeznek. A kohó alsó része az olvasztó zóna, ahol 1000-1500°C van és itt ég el a koksz a befúvatott levegő

hatására. A kohó tetején távozó melléktermék a torokgáz, mely 25-30 % CO-ot tartalmaz, N 2 és CO 2 mellett. Megfelelő tisztítás után a kohóba befúvatott levegő előmelegítésre hasznosítható Hazánkban Dunaújvárosban működik nagyolvasztó. • A modern konverteres acélgyártás során is fontos jelentőséggel bír a levegő felhasználása. Itt ugyanis az olvadt nyersvashoz („oxigénlándzsával”) nagy nyomással oxigént adagolnak, ami ezáltal intenzíven keveri és kémiai kölcsönhatásba is lép a fémmel. A konverteres acélműhöz tartozik egy külön oxigéngyár és egy mészégető üzem is. • A nitrogén előállítása nagynyomású ammóniaszintézissel könnyen megvalósítható: N 2 + 3 H 2 ↔ NH 3 A reakció mechanizmusának lényege a reaktánsok disszociatív adszorpciója a katalizátor felületén. A reakciósor sebességmeghatározó lépése a N 2 molekula hármaskötésének megbontása, azaz az atomos kemiszorpció. A

szintézisgáz előállítása során a N 2 -t a levegő cseppfolyósítását követő desztillációval nyerik. A szintézisgáz tisztítása is szükséges, mert a katalizátor igen érzékeny. Ezért a metanizálás során a CO és CO 2 maradékokat Ni-katalizátoron metánná hidrogénezik, ami a szintézis szempontjából inert gáznak minősül. A szintézis első lépése a gázelegy sztöchiometrikus összetételének beállítása, amit kompresszió követ. A gázelegy ezután lép be a reaktorba, ahol lejátszódik a reakció A kilépő gázelegyből az ammóniát cseppfolyósítással távolítják el. Az át nem alakult szintézisgázt recirkuláltatják, melynek során az inert gázok (CH 4 , Ar, nemesgázok) feldúsulhatnak, mert a friss gázzal folyamatos az utánpótlásuk, és nem távoznak el, mert csak az ammónia cseppfolyósodik. Ez azért káros, mert csökken a H 2 és a N 2 parciális nyomása, tehát el kell őket távolítani. • A salétromsav

előállítása az ammónia katalitikus oxidációjával történik. Az oxidáció során először NO képződik, amit tovább oxidálnak NO 2 -dá, hogy HNO 3 képződhessen. Az NO oxidációjakor párhuzamosan végzik az NO 2 elnyeletését az abszorpciós oszlopokban, és a képződő nitrogén-oxidok vízzel reagálnak, ami salétromossav képződéséhez vezet. Ez részben újra NO-ra bomlik, ami ismét a gáztérbe kerül, s újabb oxidációt és abszorpciót igényel a folyamat. -2- • A salétromsav a műtrágya alapanyaga, mivel a növények többsége csak a talajból tudja felvenni, mint tápelemet. A nitrogénműtrágya kulcs vegyülete az ammónia A nitrogénműtrágyák lehetnek ammónium-nitrát, ill. karbamid alapúak -3-