L'aria nell'atmosfera terrestre è composta da azoto (78 percento), ossigeno (21 percento), argon (0,93 ). percento), anidride carbonica (0,038 percento) e altri gas in tracce, compreso il vapore acqueo e altri gas nobili gas. Gli scienziati possono estrarre tracce di gas dall'aria utilizzando filtri o raffreddando l'aria. Ad esempio, l'anidride carbonica si trasforma in un solido a -79 ° C ( -110 ° F). Per separare un campione di aria nei suoi componenti primari - azoto e ossigeno - devono raffreddare to l'aria significativamente di più, fino a -200 °C (-328 °F), che è fredda quasi quanto la superficie di Plutone. Il processo è noto come distillazione frazionata di aria liquida o distillazione criogenica. Richiede un'unità di separazione dell'aria che non è dissimile da un tubo di distillazione convenzionale utilizzato per purificare l'acqua.
Come funziona la separazione dei gas mediante distillazione frazionata
Ogni gas ha un punto di ebollizione caratteristico, definito come la temperatura alla quale si trasforma da liquido in gas. Se si dispone di un campione casuale di gas, è possibile separarli raffreddando gradualmente il campione finché ogni gas componente non si liquefa. Il composto liquefatto cade sul fondo di un recipiente di raccolta. Dopo che tutto il liquido è stato recuperato, il raffreddamento continua fino a quando la temperatura scende al punto di ebollizione del composto successivo e si liquefa. Alcuni composti, come l'anidride carbonica, non si liquefanno mai. Invece, si trasformano direttamente in solidi, che sono più facili da recuperare rispetto ai liquidi.
La distillazione frazionata dell'aria liquida
Un'unità di separazione dell'aria è spesso chiamata generatore di ossigeno o azoto, poiché il suo scopo è estrarre uno o entrambi questi elementi dall'aria. Nel processo di distillazione, l'aria viene prima fatta passare attraverso un filtro che assorbe tutto il vapore acqueo. Quindi inizia il processo di raffreddamento. Prevede l'utilizzo di turbine e sistemi di refrigerazione ad alta energia. L'anidride carbonica e altri gas in tracce si depositano quando la temperatura raggiunge ciascuno dei loro punti di sublimazione o di ebollizione. La sublimazione descrive il cambiamento di stato direttamente da solido a gas.
Quando la temperatura raggiunge -200 °C, la miscela liquefatta viene alimentata attraverso un tubo in un recipiente leggermente più caldo nella parte inferiore (-185 °C) che nella parte superiore (-190 °C). L'ossigeno si liquefa a -183 ° C, quindi fuoriesce dal pallone attraverso un tubo sul fondo. Tuttavia, l'azoto si trasforma di nuovo in un gas perché il suo punto di ebollizione è -196 °C. Defluisce attraverso un tubo collegato alla parte superiore del pallone.
Altri tipi di unità di separazione dell'aria
La separazione dei gas mediante distillazione frazionata non è l'unico modo per generare ossigeno o azoto dall'aria. Un generatore di membrane utilizza un sistema di membrane semipermeabili a fibra cava che consentono il passaggio di molecole più piccole in un campione di aria compressa bloccando quelle più grandi. Questo tipo di sistema può generare azoto con una purezza compresa tra il 95 e il 99,5%. In un altro tipo di metodo di estrazione, l'aria compressa viene fatta circolare sotto pressione attraverso un setaccio molecolare di carbonio che trattiene l'ossigeno e lo rimuove dall'aria. L'azoto rimasto può avere una purezza compresa tra il 95 e il 99,9995 percento.