Come separare azoto e ossigeno

Tramite: O2O 27/01/2020
Difficoltà: difficile
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Introduzione

La separazione dell'azoto dall'ossigeno fa parte del cosiddetto processo di "frazionamento dell'aria", che è utile per ottenere azoto ed ossigeno puri ed è impiegato in campo industriale per vari scopi. Nel tempo ci sono stati principalmente due approcci diversi quando si parlava di separazione dell'aria: l'uso di temperature molto basse all'interno di processi criogenici che erano riservati ad attività che richiedono grandi quantità di ossigeno e non criogeniche, che effettuano la separazione dell'aria a temperatura ambiente usando setacci molecolari adsorbenti da PSA (Pressure Swing processi) o membrane polimeriche. Separare azoto ed ossigeno significa sostanzialmente dividere l'aria nelle sue componenti e si ricorre a delle colonne di distillazione che vengono poste ai piedi degli impianti di liquefazione dell'aria. Lungo questa guida capirete come avviene la separazione dell'azoto e dell'ossigeno mediante il sopraccitato impianto di frazionamento. Di seguito tutti i dettagli sull'argomento.

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Occorrente
  • Colonne di distillazione
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Le colonne di distillazione

L'impianto di frazionamento utilizzato oggi, è caratterizzato dalla presenza di due colonne, dette, appunto, "colonne di distillazione", con differente pressione al loro interno. Innanzitutto bisogna sapere che l'aria è composta principalmente da N2, O2 e Ar, oltre ad una serie di componenti minori come neon, elio, kripton, idrogeno, xeno e determinate quantità variabili di anidride carbonica a seconda delle condizioni ambientali. La prima è a pressione atmosferica, mentre la seconda ha una pressione che si aggira indicativamente tra le 4 e le 5 atmosfere. In passato si sono impiegate per lo scopo anche delle colonne semplici ed altre chiamate "doppie differenti", mentre per il "processo di Claude" veniva usata la "colonna Claude". Vediamo però di capire il funzionamento della macchina frazionatrice utilizzata al giorno d'oggi, ovvero la prima citata.

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La colonna ad alta pressione

L'aria viene compressa a 200 atmosfere e passa all'interno del ribollitore, ove si espande per essere incanalata verso la prima colonna, che come detto ha una pressione più elevata, di 5 atmosfere. In questo modo l'aria diventa un fluido riscaldante del bollitore.
Lungo il processo d'espansione si assiste ad un raffreddamento, mentre la liquefazione avviene solo parzialmente.
Nella colonna in questione avviene un processo di distillazione dell'aria caratterizzata dai suoi principali costituenti: vengono così raccolti sul fondo l'ossigeno al 40%, l'azoto al 60% mentre in testa viene raccolto l'azoto al 98%.

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La colonna con pressione atmosferica

Si tratta della seconda colonna, nella quale avviene un processo teso all'ottenimento dell'azoto puro in testa e di ossigeno liquido al 95% al fondo.
Le due colonne, quella ad alta pressione e quella atmosferica, sono normalmente sovrapposte, anche se negli impianti di ultima generazione si possono separare, in maniera tale da poter incanalare l'ossigeno liquido verso la testa della colonna ad alta pressione mediante delle pompe.
Nella vecchia colonna Claude, invece, si utilizzava un cosiddetto "processo di ritorno" in quanto non erano presenti, come nell'impianto ora utilizzato, due colonne. Il processo di separazione era infatti meno efficace e poco controllabile.
Attualmente questa è la tecnica più utilizzata per ottenere un ossigeno di elevata purezza per la separazione mediante ossitombustione.

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Consigli
Non dimenticare mai:
  • Poiché si tratta di un processo industriale, per il quale bisogna possedere adeguate conoscenze teoriche e tecniche, si rimanda ai manuali di fisica per ulteriori approfondimenti.
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