Luften i Jordens atmosfære består af nitrogen (78 procent), ilt (21 procent), argon (0,93 procent), kuldioxid (0,038 procent) og andre sporgasser, herunder vanddamp og andre ædle gasser. Forskere kan trække sporgasser ud af luft ved hjælp af filtre eller køle luften. For eksempel omdannes kuldioxid til et fast stof ved -79 ° C (-110 ° F). For at adskille en luftprøve i dens primære komponenter - nitrogen og ilt - skal de køle af luften markant mere, ned til -200 ° C (-328 ° F), som er næsten lige så kold som overfladen af Pluto. Processen er kendt som fraktioneret destillation af flydende luft eller kryogen destillation. Det kræver en luftseparationsenhed, der ikke er ulig et konventionelt destillationsrør, der anvendes til rensning af vand.
Sådan fungerer adskillelse af gasser ved fraktioneret destillation
Hver gas har et karakteristisk kogepunkt defineret som den temperatur, ved hvilken den omdannes fra en væske til en gas. Hvis du har en tilfældig prøve af gasser, kan du adskille dem ved gradvist at afkøle prøven, indtil hver komponentgas flydende. Den flydende forbindelse falder til bunden af en opsamlingsbeholder. Når al væsken er hentet, fortsætter afkøling, indtil temperaturen falder til kogepunktet for den næste forbindelse, og den flydende. Nogle forbindelser, såsom kuldioxid, flydes aldrig. I stedet forvandles de direkte til faste stoffer, som er lettere at hente end væsker.
Den fraktionerede destillation af flydende luft
En luftseparationsenhed kaldes ofte en ilt- eller nitrogengenerator, da dens formål er at udvinde et eller begge af disse elementer fra luften. I destillationsprocessen ledes luften først gennem et filter, der absorberer al vanddamp. Derefter begynder køleprocessen. Det indebærer brug af turbiner og højenergikøleanlæg. Kuldioxid og andre sporgasser sætter sig ud, når temperaturen når hver af deres sublimering eller kogepunkter. Sublimering beskriver tilstandsændringen direkte fra et fast stof til en gas.
Når temperaturen når -200 ° C, føres den flydende blanding gennem et rør ind i en beholder, der er lidt varmere i bunden (-185 ° C), end den er øverst (-190 ° C). Oxygen flydende ved -183 ° C, så det strømmer ud af kolben gennem et rør i bunden. Kvælstof bliver dog tilbage til en gas, fordi dets kogepunkt er -196 ° C. Det strømmer ud gennem et rør, der er forbundet med toppen af kolben.
Andre typer luftseparationsenheder
Adskillelse af gasser ved fraktioneret destillation er ikke den eneste måde at generere ilt eller kvælstof fra luften på. En membrangenerator bruger et system af semipermeable, hule fibermembraner, der tillader mindre molekyler i en prøve af trykluft at passere, mens de større blokeres. Denne type system kan generere kvælstof med en renhed mellem 95 og 99,5 procent. I en anden type ekstraktionsmetode cirkuleres trykluft under tryk gennem en kulstofmolekylær sigte, der tilbageholder iltet og fjerner det fra luften. Kvælstof, der er tilbage, kan have en renhed mellem 95 og 99,9995 procent.