ما هو التقطير التجزيئي للهواء؟

يتكون الهواء في الغلاف الجوي للأرض من النيتروجين (78٪) ، والأكسجين (21٪) ، والأرجون (0.93٪) في المائة) وثاني أكسيد الكربون (0.038 في المائة) والغازات النزرة الأخرى ، بما في ذلك بخار الماء وغيرها من الغازات النبيلة غازات. يمكن للعلماء استخراج الغازات النزرة من الهواء باستخدام المرشحات أو تبريد الهواء. على سبيل المثال ، يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى مادة صلبة عند -79 درجة مئوية (-110 درجة فهرنهايت). لفصل عينة من الهواء إلى مكوناتها الأساسية - النيتروجين والأكسجين - يجب أن تبرد الهواء أكثر بكثير ، وصولاً إلى -200 درجة مئوية (−328 درجة فهرنهايت) ، وهو بارد تقريبًا مثل سطح بلوتو. تُعرف العملية بالتقطير التجزيئي للهواء السائل أو التقطير المبرد. يتطلب وحدة فصل الهواء التي لا تختلف عن أنبوب التقطير التقليدي المستخدم في تنقية المياه.

لكل غاز نقطة غليان مميزة ، تُعرّف على أنها درجة الحرارة التي يتحول عندها من سائل إلى غاز. إذا كانت لديك عينة عشوائية من الغازات ، فيمكنك فصلها عن طريق تبريد العينة تدريجيًا حتى يتم تسييل كل غاز مكون. يقع المركب المسال في قاع وعاء التجميع. بعد استرجاع كل السائل ، يستمر التبريد حتى تنخفض درجة الحرارة إلى درجة غليان المركب التالي ويصبح سائلًا. بعض المركبات ، مثل ثاني أكسيد الكربون ، لا يتم تسييلها أبدًا. بدلاً من ذلك ، يتحولون مباشرة إلى مواد صلبة ، والتي يسهل استرجاعها أكثر من السوائل.

غالبًا ما تسمى وحدة فصل الهواء بمولد الأكسجين أو النيتروجين ، حيث أن الغرض منها هو استخراج أحد هذين العنصرين أو كليهما من الهواء. في عملية التقطير ، يمر الهواء أولاً من خلال مرشح يمتص كل بخار الماء. ثم تبدأ عملية التبريد. يتضمن استخدام التوربينات وأنظمة التبريد عالية الطاقة. يستقر ثاني أكسيد الكربون والغازات النزرة الأخرى عندما تصل درجة الحرارة إلى كل نقطة من نقاط التسامي أو الغليان. يصف التسامي تغيير الحالة مباشرة من مادة صلبة إلى غاز.

عندما تصل درجة الحرارة إلى -200 درجة مئوية ، يتم تغذية الخليط السائل من خلال أنبوب في وعاء يكون أكثر دفئًا قليلاً في القاع (-185 درجة مئوية) مما هو عليه في الجزء العلوي (-190 درجة مئوية). يسيل الأكسجين عند درجة حرارة -183 درجة مئوية ، لذلك يتدفق من القارورة عبر أنبوب في القاع. يتحول النيتروجين مرة أخرى إلى غاز ، لأن نقطة غليانه هي -196 درجة مئوية. يتدفق من خلال أنبوب متصل بأعلى القارورة.

إن فصل الغازات عن طريق التقطير التجزيئي ليس الطريقة الوحيدة لتوليد الأكسجين أو النيتروجين من الهواء. يستخدم مولد الغشاء نظامًا من أغشية الألياف المجوفة شبه القابلة للنفاذ والتي تسمح للجزيئات الأصغر في عينة من الهواء المضغوط بالمرور بينما تمنع الجزيئات الأكبر. يمكن لهذا النوع من الأنظمة أن يولد نيتروجينًا بدرجة نقاء تتراوح بين 95 و 99.5 بالمائة. في نوع آخر من طرق الاستخراج ، يتم تدوير الهواء المضغوط تحت ضغط من خلال منخل جزيئي كربوني يحتفظ بالأكسجين ويزيله من الهواء. يمكن أن يكون النيتروجين المتبقي بين 95 و 99.9995 في المائة.