Havanın sıvılaştırılması için ilk sınaî tesis Linde tarafından 1885 yılında kurulmuştur. Tesisin ilkesi, sıkıştırılmış havanın da herhangi bir gaz gibi genişlerken soğuması esasına, Joule – Thomson olayına dayanıyordu. Bir gaz bulunduğu P2 basıncından Pı basıncına genişletilirse soğur. Fakat bu soğuma genişlemenin dıştan bir iş görüp görmemesine göre farklı değerlere sahip olur. Bu nedenle havanın sıvılaşması için kullanılan cihazlar iki tipe ayrılabilir:
- Dıştan bir iş görmeyen genişleme ile çalışan cihazlar
- Havanın dıştan bir iş görerek genişlemesiyle çalışan cihazlar
Havanın Linde yöntemi ile sıvılaştırılması işlemi, atmosferden alınan hava, çok kademeli bir kompresör ile yaklaşık 150-200 bar basınca kadar sıkıştırılır. Kompresörden çıkan sıcak gazlar soğutma suyu ile soğutulur. Böylece (2) noktasında normal sıcaklıkta ve yüksek basınçta bir hava elde edilir. Bu hava genleştirilmeden önce yeteri derecede soğutulmak üzere bir ısı değiştirircesine gider. Burada geri dönen hava ile soğutulur. (3) noktasındaki yüksek basınçlı soğuk hava bir vanadan sabit entalpide 1 bar basınca kadar genleştirilir. Böylece (4) noktasında havanın bir kısmı sıvı hâle getirilir. Oluşan sıvı hava bir seperatörde (5) buhardan ayrılır. (6) noktasındaki soğuk hava yeni gelen basınçlı havayı soğutmak üzere yeniden ısı değiştiricisine gönderilir. Hava ısı değiştiricisinden sıcaklığı yükselmiş olarak çıkar (7 noktası). Bu gaz karışımı taze hava ile karıştırılarak yeniden kompresöre gönderilir.
Şekil 1: Linde yöntemi ile havanın sıvılaştırılması akım şeması
Claude yöntemine göre havanın sıvılaştırılması işlemi, Claude tipindeki cihazların bulunduğu ikinci grup Şekil 2’de görüldüğü gibi çalışır. Cihaza gelen havanın basıncı çok yüksek olmayıp 40–50 bar kadardır.
1 bar basınç ve normal sıcaklıktaki hava (1) noktasında kompresöre girerek burada yaklaşık 50 bar basınca kadar sıkıştırılır ve soğutma suyu ile soğutulur. Soğutma suyu sıcaklığında olan yüksek basınçlı hava (3) noktasında ters akımlı bir ısı değiştiricisine girerek burada sıvılaşma işleminden geri dönen düşük sıcaklıktaki hava ile soğutulur. Birinci ısı değiştiricisinden çıkan yüksek basınçlı havanın bir kısmı iş yaparak genişletmek üzere bir pistonlu adyabatik genişleticiye gönderilir(4). Burada 50 bar basınçtan 1 bar’a kadar adyabatik olarak genişletilen havanın sıcaklığı -140C’ye kadar düşer. Bu soğuk hava geri dönüş havasına katılarak yeni gelen basınçlı gazların soğutulmasında kullanılmak üzere ikinci ısı değiştiricisine gönderilir(6)
Basınçlı havanın bir kısmı da (5) noktasında ikinci bir ısı değiştiricisine girerek sıcaklığı biraz daha düşürüldükten sonra bir vanadan (7) iş yapmadan genişletilerek sıvılaşması sağlanır. Sıvı hâle gelen hava (8) nolu depoda toplanır. Genleşme sonucu sıvı ile dengede olan -190 C’deki hava genleştiriciden gelen soğuk hava ile karıştırılarak (9) ikinci ısı değiştiricisine gönderilir. Burada basınçlı havanın soğutulmasında kullanılır.
Şekil 2: Claude yöntemi ile havanın sıvılaştırılması
Sıvı Havanın Destilasyonu
Bir sıvıyı ısıtıp önce buhar hâline, sonra da buharı soğutup tekrar sıvıya dönüştürmeye destilasyon denir. Sıvı havadaki çeşitli bileşenleri bir rektifikasyon işlemine dayanarak ayırma olanağı vardır. Öyle ki bir rektifikasyon kolonunda sıvı havadan sıvı oksijen elde edilmesi, oksijeni, kaynama noktası daha düşük olan azottan ayırmak suretiyle yapılır.
Bir atmosfer basınç altında azot -195,8 °C’de, oksijen ise -183°C’de kaynar. Kaynama noktaları arasında 12,8°C’lik bir fark vardır. Bu fark nedeniyle bu iki gazı fraksiyonlu bir destilasyon ile ayırmak mümkündür. Rektifikasyon kolonunda sıvı hava destile edilirken kaynama noktası düşük olan bileşenin yani azot gazının buhar fazındaki yüzdesi daha fazladır ve buhar fazı ile dengede olan sıvı fazdaki yüzdesi ise daha azdır. Dolayısıyla rektifikasyon kolonunda aşağı doğru inen sıvıda oksijen zenginleşmesi ve yukarıya doğru çıkan buharlarda da azot zenginleşmesi meydana gelir. Kulenin üzerinden saf azot alınırken kulenin orta raflarının altından da saf oksijen alınır. Sıvı havanın destilasyonu da aynı isimler altında yapılmaktadır.
Linde Yöntemi
Birkaç atmosfer basınca kadar sıkıştırılmış ve soğutulmuş hava Şekil 3‘te görülen bir rektifikasyon kulesinin alt kısmında bulunan ve sıvı oksijene batırılmış olan A borularına gelir ve tamamen sıvılaşır. Bu sıvı hava Rı vanası ile genişletilerek kulenin orta kısmında bulunan C raflarına gönderilir ve raftan rafa inerek alt kısımda sıvılaşmakla serbest hâle getirdiği oksijenin etkisiyle bir rektifikasyona uğrar. Yani gaz oksijen yukarı çıkarken raflardan aşağı inen sıvı hava ile karşılaşır.
İki fazın birbirine etkisi sonucu daha az uçucu oksijen sıvılaşır ve daha uçucu olan azot da gaz fazına geçer. Bu şekilde, sıvı oksijen tek başına kulenin dibinde, azot da kulenin üst kısmındaki gazlarda toplanır.
Azotun bir kısmı bir ısı değiştiriciden geçtikten sonra D kompresöründe sıkıştırılır ve B borularında sıvılaştırılır. Bu sıvı R2 de genişletilerek kulenin üst tarafına gönderilir. Böylece bir deflegmasyon (sıvıların konsantre edilmesi) işlemi sağlanarak oksijenin sıvılaşması tamamlanır. Kule dibinde toplanan sıvı oksijen buharlaşır, E’den alınarak gazometrelerde toplanır. Kulenin tepesinden (F’den) saf olarak çıkan azot gazı, bir ısı değiştiricisinden geçirilerek frigorilerini (soğutmada uzaklaştırılacak ısı miktarı) bırakır ve gazometrelerde toplanır.
Şekil 3: Sıvı havanın destilasyonu (Linde Yöntemi)
Claude Yöntemi
Burada da kullanılan cihazın esası Şekil 4’te görülen bir rektifikasyon kulesidir. 5 atm basınç altındaki hava, bir ısı değiştiriciden geçirilerek soğutulduktan sonra, kulenin alt kısmında olan ve sıvı oksijene batmış olan A borular sistemine gönderilir. Burada havanın bütün oksijeni ve azotun bir kısmı sıvılaşır. Elde edilen sıvı kısım C’ de toplanır ve % 47 oksijen içerir. Bu sıvı R1 vanası ile genişletilerek F raflarında kuleye girer. A borularından yukarı çıkan gaz içindeki azot, ikinci bir B borular sisteminde tamamen yoğunlaşarak D ‘de toplanır ve R2’de genişletilerek bir deflegmatör rolünü görmek üzere kulenin üst kısmına gönderilir. Bu şekilde azot kulenin üzerinden, oksijen orta kısımlardan alınarak önce frigorilerini kulenin alt tarafına gelen basınçlı havaya bırakır ve sonra gazometrelere gider.
Şekil 4: Sıvı havanın destilasyonu (Claude Yöntemi)
Yukarıda anlatıldığı gibi tek kolonlu sistemlerle çalışıldığında elde edilen azotun yanında bir miktar oksijen ve elde edilen oksijenin yanında bir miktar azot bulunur. Buna karşın saf oksijen ve azot istendiğinde ise iki kolonlu sistemler tercih edilir. Aynı zamanda günümüzde havanın sıvılaştırılması ve destilasyonu tek proseste gerçekleştirilebilmektedir.
Hava ayırma fabrikasında havada bulunan gazlardan nitrojen ve oksijen (bazen de argon) elde edilir.
- Prosesler iki genel sınıfta toplanır.
- Kriyojenik fabrikalar, havanın çok düşük sıcaklıklarda destilasyonuyla
gaz ve sıvı ürünlere (nitrojen ve oksijen) ayrıldığı proseslerdir. - Non-kriyojenik fabrikalar; nitrojen ve oksijenin moleküler yapıları, büyüklükleri ve kütleleri gibi özelliklerinden yararlanılarak, genellikle ortam sıcaklığında yapılan ayırma prosesleriyle gaz ürünlerin elde edildiği proseslerdir.
Tüm kriyojenik prosesler başlıca aşağıdaki aşamalardan oluşur.
- Hava süzülür ve sıkıştırılır, su buharı ve karbondioksit gibi kirlilikler uzaklaştırılır (proseste donarak ayrılırlar).
- Isı değiştirici ve refrijerasyon prosesleriyle hava çok düşük sıcaklıklara soğutulur.
- Kısmen yoğunlaşan (sıvılaşan) hava ( -300o F/-185 C) distillenerek sıvı nitrojen ve oksijen elde edilir.
Sisteme beslenen hava, gaz ürünler ve atık akımların ısı değiştiricilerde ısıtılmasıyla da soğutulur.
Kriyojenik prosesler (düşük sıcaklıklarda gerçekleşen olayları oluşturmayı ve bunların uygulamalarını konu eden prosesler), yüksek üretim hızı ve çok saf ürünler elde edilmesi yönünden en etkili hava ayırma yöntemleridir. Enerji tasarrufu ve çalışma sorunları yaşanmaması için distilasyon kolonları, ısı değiştiriciler, soğuk boru ve bağlantılar çok iyi izole edilmelidir, bunun için tüm sistem ‘cold box’ denilen izolasyonlu ve sızdırmazlık sağlanmış, yüksekliği 15-60 metre olan 2×4 metrelik bir bölme içine yerleştirilir.
Kriyojenik sıvılardan en yaygın olarak kullanılan sıvı azot gazı, havanın sıkıştırılıp önce likit hâle getirilmesi ve sonra oksijenin kaynama derecesinin -183 °C, azotun kaynama derecesinin -196 °C olması durumundan yararlanılarak sıvı havanın özel bir valften geçirilmek suretiyle adeta damıtılarak azot gazının oksijenden ayrılması yoluyla üretilmektedir. Üretilen azot gazı tekrar sıkıştırılarak sıvı azot gazı elde edilmektedir. Sıvı azot gazı atmosferik basınçta -196 °C’de kaynadığı için elde edilmiş sıvı gaz iyi izole edilmiş tanklarda depolanırsa bu sıcaklıkta atmosferik basınçta sıvı olarak kalırsa sadece çok az bir kısmı -196 °C’deki azot gazına dönüşür. Şu hâlde sıvı azot gazının tanımlanan bu koşullara uygun olarak depolanıp taşınmasında bir sorun yaratmaz ve tank veya tüpte fazla basınç oluşmaz. Bu özellik, azot gazının kriyojenik dondurmada kolaylıkla uygulanmasına olanak vermektedir. Sıvı azot gazı eğer -196 °C’nin üzerinde, örneğin oda sıcaklığında saklanmak istenirse bu defa çok yüksek basınç altında bulundurulması gerekir.
Şekil 5: Havanın sıvılaştırılması ve destilasyonu
