O ar na atmosfera da Terra consiste em nitrogênio (78 por cento), oxigênio (21 por cento), argônio (0,93 por cento), dióxido de carbono (0,038 por cento) e outros gases residuais, incluindo vapor de água e outros gases nobres gases. Os cientistas podem extrair gases residuais do ar usando filtros ou resfriando o ar. Por exemplo, o dióxido de carbono se transforma em um sólido a −79 ° C (−110 ° F). Para separar uma amostra de ar em seus componentes primários - nitrogênio e oxigênio - eles precisam resfriar o ar significativamente mais, até −200 ° C (−328 ° F), que é quase tão frio quanto a superfície do Plutão. O processo é conhecido como destilação fracionada de ar líquido ou destilação criogênica. Requer uma unidade de separação de ar que não é diferente de um tubo de destilação convencional usado para purificar a água.
Como funciona a separação de gases por destilação fracionada
Cada gás tem um ponto de ebulição característico, definido como a temperatura na qual ele se transforma de líquido em gás. Se você tiver uma amostra aleatória de gases, pode separá-los resfriando gradualmente a amostra até que cada gás componente se liquefaça. O composto liquefeito cai no fundo de um recipiente de coleta. Depois que todo o líquido foi recuperado, o resfriamento continua até que a temperatura caia até o ponto de ebulição do próximo composto e ele se liquide. Alguns compostos, como o dióxido de carbono, nunca se liquidificam. Em vez disso, eles se transformam diretamente em sólidos, que são mais fáceis de recuperar do que líquidos.
A destilação fracionada de ar líquido
Uma unidade de separação de ar é freqüentemente chamada de gerador de oxigênio ou nitrogênio, pois sua finalidade é extrair um ou ambos os elementos do ar. No processo de destilação, o ar passa primeiro por um filtro que absorve todo o vapor d'água. Em seguida, o processo de resfriamento começa. Envolve o uso de turbinas e sistemas de refrigeração de alta energia. O dióxido de carbono e outros gases residuais se instalam quando a temperatura atinge cada um de seus pontos de sublimação ou ebulição. A sublimação descreve a mudança de estado diretamente de um sólido para um gás.
Quando a temperatura atinge −200 ° C, a mistura liquefeita é alimentada através de um tubo em um recipiente que é ligeiramente mais quente no fundo (−185 ° C) do que no topo (−190 ° C). O oxigênio se liquefaz a -183 ° C, então flui para fora do frasco através de um tubo no fundo. O nitrogênio volta a ser um gás, entretanto, porque seu ponto de ebulição é −196 ° C. Ele flui por um tubo conectado ao topo do frasco.
Outros tipos de unidades de separação de ar
A separação de gases por destilação fracionada não é a única maneira de gerar oxigênio ou nitrogênio do ar. Um gerador de membrana usa um sistema de membranas de fibra oca semipermeáveis que permitem que moléculas menores em uma amostra de ar comprimido passem enquanto bloqueiam as maiores. Este tipo de sistema pode gerar nitrogênio com pureza entre 95 e 99,5 por cento. Em outro tipo de método de extração, o ar comprimido é submetido a ciclos sob pressão através de uma peneira molecular de carbono que retém o oxigênio e o remove do ar. O nitrogênio restante pode ter uma pureza entre 95 e 99,9995 por cento.