Въздухът в земната атмосфера се състои от азот (78 процента), кислород (21 процента), аргон (0,93 процента), въглероден диоксид (0,038 процента) и други следи от газове, включително водни пари и други благородни газове. Учените могат да извличат следи от въздуха с помощта на филтри или охлаждане на въздуха. Например, въглеродният диоксид се превръща в твърдо вещество при -79 ° C (-110 ° F). За да се отдели проба въздух от основните му компоненти - азот и кислород - те трябва да се охладят въздухът значително повече, до −200 ° C (−328 ° F), което е почти толкова студено, колкото повърхността на Плутон. Процесът е известен като фракционна дестилация на течен въздух или криогенна дестилация. Той изисква устройство за отделяне на въздух, което не прилича на конвенционална дестилационна тръба, използвана за пречистване на вода.
Как работи разделянето на газове чрез фракционна дестилация
Всеки газ има характерна точка на кипене, определена като температурата, при която той се превръща от течност в газ. Ако имате произволна проба от газове, можете да ги разделите чрез постепенно охлаждане на пробата, докато всеки компонент газ се втечни. Втечненото съединение пада на дъното на съда за събиране. След извличането на цялата течност охлаждането продължава, докато температурата падне до точката на кипене на следващото съединение и тя се втечни. Някои съединения, като въглероден диоксид, никога не се втечняват. Вместо това те се превръщат директно в твърди вещества, които се извличат по-лесно от течности.
Фракционната дестилация на течен въздух
Единицата за разделяне на въздуха често се нарича кислороден или азотен генератор, тъй като нейната цел е да извлече един или и двата от тези елементи от въздуха. В процеса на дестилация въздухът първо се прекарва през филтър, който абсорбира всички водни пари. След това започва процесът на охлаждане. Включва използването на турбини и високоенергийни хладилни системи. Въглеродният диоксид и други следи от газове се утаяват, когато температурата достигне всяка от техните точки на сублимация или кипене. Сублимацията описва промяната на състоянието директно от твърдо вещество в газ.
Когато температурата достигне -200 ° C, втечнената смес се подава през тръба в съд, който е малко по-топъл отдолу (-185 ° C), отколкото е отгоре (-190 ° C). Кислородът се втечнява при -183 ° C, така че изтича от колбата през тръба на дъното. Азотът обаче се превръща обратно в газ, тъй като точката му на кипене е -196 ° C. Изтича през тръба, свързана към горната част на колбата.
Други типове въздухоотделители
Разделянето на газове чрез фракционна дестилация не е единственият начин за генериране на кислород или азот от въздуха. Мембранният генератор използва система от полупропускливи мембрани с кухи влакна, които позволяват на по-малки молекули в проба от сгъстен въздух да преминат, докато блокират по-големите. Този тип система може да генерира азот с чистота между 95 и 99,5 процента. При друг тип екстракционен метод, сгъстеният въздух се циклира под налягане през въглеродно молекулно сито, което задържа кислорода и го отстранява от въздуха. Оставащият азот може да има чистота между 95 и 99,9995 процента.