Luften i jordens atmosfære består av nitrogen (78 prosent), oksygen (21 prosent), argon (0,93 prosent), karbondioksid (0,038 prosent) og andre sporgasser, inkludert vanndamp og andre edle gasser. Forskere kan trekke ut sporgasser fra luft ved å bruke filtre eller avkjøle luften. For eksempel blir karbondioksid til et fast stoff ved -79 ° C (-110 ° F). For å skille en luftprøve i de primære komponentene - nitrogen og oksygen - må de avkjøles luften betydelig mer, ned til -200 ° C (-328 ° F), som er nesten like kald som overflaten av Pluto. Prosessen er kjent som fraksjonell destillasjon av flytende luft eller kryogen destillasjon. Det krever en luftseparasjonsenhet som ikke er ulik et vanlig destillasjonsrør som brukes til rensing av vann.
Hvordan fungerer separasjon av gasser ved brøkdestillasjon
Hver gass har et karakteristisk kokepunkt, definert som temperaturen der den forvandles fra en væske til en gass. Hvis du har en tilfeldig prøve av gasser, kan du skille dem ved gradvis å avkjøle prøven til hver komponentgass flytes. Den flytende forbindelsen faller til bunnen av et oppsamlingsbeholder. Etter at all væsken er hentet, fortsetter avkjøling til temperaturen synker til kokepunktet til neste forbindelse og den flytende. Noen forbindelser, som karbondioksid, flytes aldri. I stedet blir de direkte til faste stoffer, som er lettere å hente ut enn væsker.
Den fraksjonelle destillasjonen av flytende luft
En luftseparasjonsenhet kalles ofte en oksygen- eller nitrogengenerator, siden formålet er å trekke ut ett eller begge disse elementene fra luften. I destillasjonsprosessen føres luften først gjennom et filter som absorberer all vanndampen. Så begynner kjøleprosessen. Det innebærer bruk av turbiner og høyenergiske kjølesystemer. Karbondioksid og andre sporgasser setter seg ut når temperaturen når hver av deres sublimering eller kokepunkter. Sublimering beskriver tilstandsendring direkte fra et fast stoff til en gass.
Når temperaturen når -200 ° C, føres den flytende blandingen gjennom et rør inn i et kar som er litt varmere i bunnen (-185 ° C) enn det er på toppen (-190 ° C). Oksygen flytes ved -183 ° C, så det strømmer ut av kolben gjennom et rør i bunnen. Nitrogen blir imidlertid tilbake til en gass, fordi kokepunktet er -196 ° C. Den strømmer ut gjennom et rør som er koblet til toppen av kolben.
Andre typer luftseparasjonsenheter
Separasjon av gasser ved brøkdestillasjon er ikke den eneste måten å generere oksygen eller nitrogen fra luft. En membrangenerator bruker et system av semipermeable, hulfibermembraner som lar mindre molekyler i en prøve av trykkluft passere mens de blokkerer de større. Denne typen system kan generere nitrogen med en renhet mellom 95 og 99,5 prosent. I en annen type ekstraksjonsmetode sirkuleres trykkluft under trykk gjennom en karbonmolekylær sil som beholder oksygenet og fjerner den fra luften. Nitrogenet som er igjen kan ha en renhet mellom 95 og 99,9995 prosent.