Powietrze w ziemskiej atmosferze składa się z azotu (78 proc.), tlenu (21 proc.), argonu (0,93 procent), dwutlenek węgla (0,038 procent) i inne gazy śladowe, w tym para wodna i inne szlachetne gazy. Naukowcy mogą wydobywać śladowe gazy z powietrza za pomocą filtrów lub schładzając powietrze. Na przykład dwutlenek węgla zamienia się w ciało stałe w temperaturze -79°C (-110°F). Aby rozdzielić próbkę powietrza na jej podstawowe składniki – azot i tlen – muszą one ostygnąć powietrza znacznie więcej, do -200°C (-328°F), które jest prawie tak zimne jak powierzchnia Pluton. Proces ten jest znany jako destylacja frakcyjna ciekłego powietrza lub destylacja kriogeniczna. Wymaga jednostki rozdzielającej powietrze, która przypomina konwencjonalną rurkę destylacyjną używaną do oczyszczania wody.
Jak działa rozdzielanie gazów za pomocą destylacji frakcyjnej
Każdy gaz ma charakterystyczną temperaturę wrzenia, zdefiniowaną jako temperatura, w której przechodzi z cieczy w gaz. Jeśli masz losową próbkę gazów, możesz je rozdzielić, stopniowo schładzając próbkę, aż każdy składnik gazowy się rozpłynie. Płynny związek opada na dno naczynia zbiorczego. Po odzyskaniu całej cieczy, chłodzenie trwa do momentu, gdy temperatura spadnie do temperatury wrzenia następnego związku i stanie się on płynny. Niektóre związki, takie jak dwutlenek węgla, nigdy nie ulegają upłynnieniu. Zamiast tego zamieniają się bezpośrednio w ciała stałe, które są łatwiejsze do odzyskania niż płyny.
Destylacja frakcyjna ciekłego powietrza
Jednostka separacji powietrza jest często nazywana generatorem tlenu lub azotu, ponieważ jej celem jest wydobycie jednego lub obu tych pierwiastków z powietrza. W procesie destylacji powietrze najpierw przechodzi przez filtr, który pochłania całą parę wodną. Następnie rozpoczyna się proces chłodzenia. Wiąże się to z wykorzystaniem turbin i wysokoenergetycznych systemów chłodniczych. Dwutlenek węgla i inne gazy śladowe osadzają się, gdy temperatura osiąga każdą z ich temperatur sublimacji lub wrzenia. Sublimacja opisuje zmianę stanu bezpośrednio ze stałego w gazowy.
Gdy temperatura osiągnie -200°C, upłynniona mieszanina jest podawana przez rurkę do naczynia, które jest nieco cieplejsze na dole (-185°C) niż na górze (-190°C). Tlen upłynnia się w temperaturze -183 °C, więc wypływa z kolby przez rurkę na dnie. Jednak azot zamienia się z powrotem w gaz, ponieważ jego temperatura wrzenia wynosi -196 °C. Wypływa przez rurkę podłączoną do górnej części kolby.
Inne typy jednostek rozdziału powietrza
Oddzielanie gazów przez destylację frakcyjną nie jest jedynym sposobem na generowanie tlenu lub azotu z powietrza. Generator membran wykorzystuje system półprzepuszczalnych membran z pustych włókien, które umożliwiają przechodzenie mniejszych cząsteczek w próbce sprężonego powietrza, blokując większe. Ten typ systemu może generować azot o czystości od 95 do 99,5%. W innej metodzie ekstrakcji sprężone powietrze jest przepuszczane pod ciśnieniem przez węglowe sito molekularne, które zatrzymuje tlen i usuwa go z powietrza. Pozostały azot może mieć czystość od 95 do 99,9995 procent.