L'air dans l'atmosphère terrestre se compose d'azote (78 pour cent), d'oxygène (21 pour cent), d'argon (0,93 pour cent), le dioxyde de carbone (0,038 pour cent) et d'autres gaz traces, y compris la vapeur d'eau et d'autres des gaz. Les scientifiques peuvent extraire des traces de gaz de l'air en utilisant des filtres ou en refroidissant l'air. Par exemple, le dioxyde de carbone se transforme en un solide à -79 °C ( -110 °F). Pour séparer un échantillon d'air en ses composants primaires - azote et oxygène - ils doivent refroidir l'air beaucoup plus, jusqu'à -200 °C (-328 °F), ce qui est presque aussi froid que la surface de Pluton. Le procédé est connu sous le nom de distillation fractionnée d'air liquide ou distillation cryogénique. Il nécessite une unité de séparation d'air qui n'est pas sans rappeler un tube de distillation classique utilisé pour purifier l'eau.
Comment fonctionne la séparation des gaz par distillation fractionnée
Chaque gaz a un point d'ébullition caractéristique, défini comme la température à laquelle il se transforme de liquide en gaz. Si vous disposez d'un échantillon aléatoire de gaz, vous pouvez les séparer en refroidissant progressivement l'échantillon jusqu'à ce que chaque gaz composant se liquéfie. Le composé liquéfié tombe au fond d'un récipient de collecte. Une fois que tout le liquide a été récupéré, le refroidissement se poursuit jusqu'à ce que la température chute au point d'ébullition du composé suivant et qu'il se liquéfie. Certains composés, comme le dioxyde de carbone, ne se liquéfient jamais. Au lieu de cela, ils se transforment directement en solides, qui sont plus faciles à récupérer que les liquides.
La distillation fractionnée de l'air liquide
Une unité de séparation d'air est souvent appelée générateur d'oxygène ou d'azote, car son but est d'extraire l'un ou les deux de ces éléments de l'air. Dans le processus de distillation, l'air passe d'abord à travers un filtre qui absorbe toute la vapeur d'eau. Ensuite, le processus de refroidissement commence. Il implique l'utilisation de turbines et de systèmes de réfrigération à haute énergie. Le dioxyde de carbone et d'autres gaz traces se déposent lorsque la température atteint chacun de leurs points de sublimation ou d'ébullition. La sublimation décrit le changement d'état directement d'un solide à un gaz.
Lorsque la température atteint -200 °C, le mélange liquéfié est introduit par un tube dans un récipient légèrement plus chaud en bas (-185 °C) qu'en haut (-190 °C). L'oxygène se liquéfie à -183 °C, il s'écoule donc du ballon à travers un tube au fond. L'azote se transforme cependant en gaz, car son point d'ébullition est de -196 °C. Il s'écoule par un tube relié au sommet du ballon.
Autres types d'unités de séparation d'air
La séparation des gaz par distillation fractionnée n'est pas le seul moyen de générer de l'oxygène ou de l'azote à partir de l'air. Un générateur à membrane utilise un système de membranes semi-perméables à fibres creuses qui permettent aux plus petites molécules d'un échantillon d'air comprimé de passer tout en bloquant les plus grosses. Ce type de système peut générer de l'azote avec une pureté comprise entre 95 et 99,5 %. Dans un autre type de méthode d'extraction, l'air comprimé est cyclé sous pression à travers un tamis moléculaire en carbone qui retient l'oxygène et le retire de l'air. L'azote qui reste peut avoir une pureté comprise entre 95 et 99,9995 pour cent.