A Föld légkörében a levegő nitrogénből (78 százalék), oxigénből (21 százalék), argonból (0,93) áll szén-dioxid (0,038 százalék) és egyéb nyomgázok, beleértve a vízgőzt és más nemesgázokat gázok. A tudósok szűrők felhasználásával vagy a levegő hűtésével nyerhetik ki a nyomgázokat a levegőből. Például a szén-dioxid -79 ° C-on szilárd anyaggá alakul. A levegőminta elsődleges alkotóelemeire - nitrogénre és oxigénre - történő szétválasztásához le kell hűlniük a levegő lényegesen több, −200 ° C-ig (−328 ° F), ami majdnem olyan hideg, mint a Plútó. Az eljárás folyékony levegő frakcionált desztillációja vagy kriogén desztilláció néven ismert. Légleválasztó egységre van szükség, amely nem különbözik a víz tisztítására használt hagyományos desztillációs csőtől.
Hogyan működik a gázok frakcionált desztillációval történő elválasztása
Minden gáznak van egy jellegzetes forráspontja, amelyet az a hőmérséklet határoz meg, amelyen folyadékból gázzá alakul. Ha véletlenszerű gázmintája van, akkor szétválaszthatja őket a minta fokozatos hűtésével, amíg az egyes gázösszetevők meg nem folynak. A cseppfolyósított vegyület egy gyűjtőedény aljára esik. Miután az összes folyadékot kinyerte, a hűtés addig folytatódik, amíg a hőmérséklet a következő vegyület forráspontjáig nem csökken, és ez meg nem folyik. Néhány vegyület, például a szén-dioxid, soha nem folyékony. Ehelyett közvetlenül szilárd anyagokká alakulnak, amelyeket könnyebb visszanyerni, mint a folyadékokat.
A folyékony levegő frakcionált desztillációja
A levegőelválasztó egységet gyakran oxigén- vagy nitrogéngenerátornak nevezik, mivel célja ezen elemek egyikének vagy mindkettőnek a levegőből történő kinyerése. A desztillációs folyamat során a levegőt először egy szűrőn vezetik át, amely elnyeli az összes vízgőzt. Ezután megkezdődik a hűtési folyamat. Ez magában foglalja turbinák és nagy energiájú hűtőrendszerek használatát. A szén-dioxid és más nyomgázok akkor telepednek le, amikor a hőmérséklet eléri az összes szublimációs vagy forráspontjukat. A szublimáció az állapotváltozást közvetlenül szilárd anyagból gázzá írja le.
Amikor a hőmérséklet eléri a –200 ° C-ot, a cseppfolyósított keveréket egy csövön keresztül egy olyan edénybe táplálják, amely alul kissé melegebb (–185 ° C), mint felül (–190 ° C). Az oxigén –183 ° C-on cseppfolyósodik, ezért az alján lévő csövön keresztül kifolyik a lombikból. A nitrogén azonban ismét gázzá alakul, mert forráspontja –196 ° C. A lombik tetejéhez csatlakoztatott csövön keresztül folyik ki.
A légleválasztó egységek egyéb típusai
A gázok frakcionált desztillációval történő elválasztása nem az egyetlen módja a levegőből oxigén vagy nitrogén előállításának. A membrángenerátor féligáteresztő, üreges szálú membránok rendszerét használja, amelyek lehetővé teszik a sűrített levegő mintájában lévő kisebb molekulák áthaladását, miközben blokkolják a nagyobbakat. Ez a fajta rendszer 95 és 99,5 százalék közötti tisztaságú nitrogént képes előállítani. Az extrakciós módszer egy másik típusában a sűrített levegőt nyomás alatt körforgják egy szénmolekulaszitán, amely megtartja az oxigént és eltávolítja azt a levegőből. A megmaradt nitrogén tisztasága 95 és 99,9995 százalék között lehet.