Vzduch v zemské atmosféře se skládá z dusíku (78 procent), kyslíku (21 procent), argonu (0,93) procent), oxid uhličitý (0,038 procent) a další stopové plyny, včetně vodní páry a jiných ušlechtilých plyny. Vědci mohou ze vzduchu extrahovat stopové plyny pomocí filtrů nebo chlazení vzduchu. Například oxid uhličitý se při -79 ° C (-110 ° F) změní na pevnou látku. Aby mohli oddělit vzorek vzduchu na jeho primární složky - dusík a kyslík - musí ochladit vzduch podstatně více, až do -200 ° C (-328 ° F), který je téměř stejně chladný jako povrch Pluto. Proces je známý jako frakční destilace kapalného vzduchu nebo kryogenní destilace. Vyžaduje jednotku pro oddělování vzduchu, která se nepodobá konvenční destilační trubici používanou k čištění vody.
Jak funguje oddělování plynů frakční destilací
Každý plyn má charakteristickou teplotu varu, definovanou jako teplota, při které se transformuje z kapaliny na plyn. Pokud máte náhodný vzorek plynů, můžete je oddělit postupným ochlazováním vzorku, dokud se každá složka plynu nezkapalní. Zkapalněná sloučenina padá na dno sběrné nádoby. Poté, co byla získána veškerá kapalina, chlazení pokračuje, dokud teplota neklesne na teplotu varu další sloučeniny a ta nezkapalní. Některé sloučeniny, například oxid uhličitý, se nikdy nezkapalňují. Místo toho se promění přímo v pevné látky, které se snáze získávají než kapaliny.
Frakční destilace kapalného vzduchu
Jednotka pro oddělování vzduchu se často nazývá generátor kyslíku nebo dusíku, protože jejím účelem je extrakce jednoho nebo obou těchto prvků ze vzduchu. V procesu destilace je vzduch nejprve veden filtrem, který absorbuje veškerou vodní páru. Poté začne proces chlazení. Zahrnuje použití turbín a vysokoenergetických chladicích systémů. Oxid uhličitý a další stopové plyny se usazují, když teplota dosáhne každého ze svých sublimačních nebo varných bodů. Sublimace popisuje změnu stavu přímo z pevné látky na plyn.
Když teplota dosáhne -200 ° C, zkapalněná směs se přivede trubičkou do nádoby, která je dole mírně teplejší (-185 ° C) než nahoře (-190 ° C). Kyslík se zkapalňuje při -183 ° C, takže vytéká z baňky trubicí na dně. Dusík se však přemění zpět na plyn, protože jeho teplota varu je -196 ° C. Vytéká trubkou připojenou k horní části baňky.
Jiné typy jednotek pro oddělování vzduchu
Oddělení plynů frakční destilací není jediným způsobem, jak generovat kyslík nebo dusík ze vzduchu. Membránový generátor používá systém polopropustných membrán z dutých vláken, které umožňují průchod menších molekul ve vzorku stlačeného vzduchu a blokování větších. Tento typ systému může generovat dusík s čistotou mezi 95 a 99,5 procenty. U jiného typu extrakční metody se stlačený vzduch cykluje pod tlakem přes uhlíkové molekulární síto, které zadržuje kyslík a odstraňuje jej ze vzduchu. Zbylý dusík může mít čistotu mezi 95 a 99,9995 procenty.