Воздух в атмосфере Земли состоит из азота (78 процентов), кислорода (21 процент), аргона (0,93%). процентов), углекислый газ (0,038 процента) и другие следовые газы, включая водяной пар и другие благородные газы. Ученые могут извлекать из воздуха следовые газы с помощью фильтров или охлаждения воздуха. Например, диоксид углерода превращается в твердое вещество при -79 ° C (-110 ° F). Чтобы разделить пробу воздуха на основные составляющие - азот и кислород - они должны охладиться. воздуха значительно больше, до -200 ° C (-328 ° F), который почти такой же холодный, как поверхность Плутон. Этот процесс известен как фракционная перегонка жидкого воздуха или криогенная перегонка. Для этого требуется блок разделения воздуха, который мало чем отличается от обычной дистилляционной трубы, используемой для очистки воды.
Как работает разделение газов фракционной перегонкой
Каждый газ имеет характеристическую точку кипения, определяемую как температура, при которой он превращается из жидкости в газ. Если у вас есть случайная проба газов, вы можете разделить их, постепенно охлаждая пробу, пока каждый компонент газа не сжижается. Разжиженное соединение падает на дно сборной емкости. После извлечения всей жидкости охлаждение продолжается до тех пор, пока температура не упадет до точки кипения следующего соединения и оно не превратится в жидкость. Некоторые соединения, такие как углекислый газ, никогда не разжижаются. Вместо этого они превращаются непосредственно в твердые частицы, которые легче извлечь, чем жидкости.
Фракционная перегонка жидкого воздуха.
Блок разделения воздуха часто называют генератором кислорода или азота, поскольку его цель состоит в извлечении одного или обоих этих элементов из воздуха. В процессе дистилляции воздух сначала пропускается через фильтр, который поглощает весь водяной пар. Затем начинается процесс охлаждения. Он предполагает использование турбин и высокоэнергетических холодильных систем. Углекислый газ и другие следовые газы осаждаются, когда температура достигает каждой из их точек сублимации или кипения. Сублимация описывает изменение состояния непосредственно от твердого до газообразного.
Когда температура достигает -200 ° C, сжиженная смесь подается через трубку в сосуд, который немного теплее внизу (-185 ° C), чем вверху (-190 ° C). Кислород сжижается при -183 ° C, поэтому он выходит из колбы через трубку на дне. Однако азот снова превращается в газ, потому что его температура кипения составляет -196 ° C. Он вытекает через трубку, соединенную с верхней частью колбы.
Другие типы воздухоразделительных устройств
Разделение газов фракционной перегонкой - не единственный способ получить кислород или азот из воздуха. Мембранный генератор использует систему полупроницаемых половолоконных мембран, которые позволяют более мелким молекулам в образце сжатого воздуха проходить, блокируя при этом более крупные. Этот тип системы может генерировать азот чистотой от 95 до 99,5 процентов. В другом типе метода экстракции сжатый воздух пропускается под давлением через углеродное молекулярное сито, которое задерживает кислород и удаляет его из воздуха. Оставшийся азот может иметь чистоту от 95 до 99,9995 процентов.
