Vzduch v zemskej atmosfére pozostáva z dusíka (78 percent), kyslíka (21 percent), argónu (0,93) %), oxid uhličitý (0,038%) a ďalšie stopové plyny vrátane vodnej pary a iných ušľachtilých plyny. Vedci môžu extrahovať stopové plyny zo vzduchu pomocou filtrov alebo ochladením vzduchu. Napríklad oxid uhličitý sa zmení na tuhú látku pri -79 ° C (-110 ° F). Aby mohli oddeliť vzorku vzduchu od primárnych zložiek - dusíka a kyslíka, musia ochladiť vzduch podstatne viac, až do -200 ° C (-328 ° F), ktorý je takmer taký chladný ako povrch Pluto. Tento proces je známy ako frakčná destilácia kvapalného vzduchu alebo kryogénna destilácia. Vyžaduje jednotku na separáciu vzduchu, ktorá sa nepodobá konvenčnej destilačnej trubici používanej na čistenie vody.
Ako funguje oddeľovanie plynov frakčnou destiláciou
Každý plyn má charakteristickú teplotu varu, ktorá je definovaná ako teplota, pri ktorej sa transformuje z kvapaliny na plyn. Ak máte náhodnú vzorku plynov, môžete ich oddeliť postupným ochladzovaním vzorky, kým sa každá zložka plynu neskvapalní. Skvapalnená zlúčenina padá na dno zbernej nádoby. Po získaní všetkej kvapaliny chladenie pokračuje, kým teplota neklesne na teplotu varu nasledujúcej zlúčeniny a tá neskvapalní. Niektoré zlúčeniny, napríklad oxid uhličitý, sa nikdy neskvapalňujú. Namiesto toho sa priamo premieňajú na pevné látky, ktoré sa ľahšie získavajú ako kvapaliny.
Frakčná destilácia kvapalného vzduchu
Jednotka na separáciu vzduchu sa často nazýva generátor kyslíka alebo dusíka, pretože jej účelom je extrakcia jedného alebo oboch týchto prvkov zo vzduchu. V procese destilácie vzduch najskôr prechádza filtrom, ktorý absorbuje všetku vodnú paru. Potom začne proces chladenia. Zahŕňa použitie turbín a vysokoenergetických chladiacich systémov. Oxid uhličitý a ďalšie stopové plyny sa usadzujú, keď teplota dosiahne každú zo svojich sublimačných alebo bodov varu. Sublimácia popisuje zmenu skupenstva priamo z tuhej látky na plynnú.
Keď teplota dosiahne -200 ° C, skvapalnená zmes sa vedie hadičkou do nádoby, ktorá je dole mierne teplejšia (-185 ° C) ako hore (-190 ° C). Kyslík sa skvapalňuje pri -183 ° C, takže vyteká z banky trubičkou na dne. Dusík sa však opäť mení na plyn, pretože jeho teplota varu je –196 ° C. Vyteká cez hadičku pripojenú k hornej časti banky.
Iné typy jednotiek na separáciu vzduchu
Oddelenie plynov frakčnou destiláciou nie je jediný spôsob generovania kyslíka alebo dusíka zo vzduchu. Membránový generátor využíva systém polopriepustných membrán z dutých vlákien, ktoré umožňujú prechod menších molekúl vo vzorke stlačeného vzduchu a blokovanie väčších. Tento typ systému môže generovať dusík s čistotou medzi 95 a 99,5 percentami. Pri inom type extrakčnej metódy sa stlačený vzduch cykluje pod tlakom cez uhlíkové molekulárne sito, ktoré zadržiava kyslík a odstraňuje ho zo vzduchu. Zvyšok dusíka môže mať čistotu medzi 95 a 99,9995 percentami.