Luften i jordens atmosfär består av kväve (78 procent), syre (21 procent), argon (0,93) procent), koldioxid (0,038 procent) och andra spårgaser, inklusive vattenånga och andra ädla gaser. Forskare kan extrahera spårgaser från luften genom att använda filter eller kyla luften. Till exempel blir koldioxid till ett fast ämne vid -79 ° C (-110 ° F). För att separera ett luftprov i dess primära komponenter - kväve och syre - måste de svalna luften betydligt mer, ner till -200 ° C (-328 ° F), som är nästan lika kall som ytan på Pluto. Processen är känd som fraktionerad destillation av flytande luft eller kryogen destillation. Det kräver en luftseparationsenhet som inte skiljer sig från ett konventionellt destillationsrör som används för att rena vatten.
Hur separering av gaser genom fraktionerad destillation fungerar
Varje gas har en karakteristisk kokpunkt, definierad som den temperatur vid vilken den förvandlas från en vätska till en gas. Om du har ett slumpmässigt prov av gaser kan du separera dem genom att gradvis kyla provet tills varje komponentgas flytande. Den flytande föreningen faller till botten av ett uppsamlingskärl. Efter att all vätska har hämtats fortsätter kylningen tills temperaturen sjunker till kokpunkten för nästa förening och den flytande. Vissa föreningar, såsom koldioxid, flyter aldrig. Istället förvandlas de direkt till fasta ämnen, som är lättare att hämta än vätskor.
Den fraktionerade destillationen av flytande luft
En luftseparationsenhet kallas ofta en syre- eller kvävegenerator, eftersom dess syfte är att extrahera ett eller båda av dessa element från luften. Under destillationsprocessen passerar luften först genom ett filter som absorberar all vattenånga. Sedan börjar kylningsprocessen. Det handlar om användning av turbiner och kylenheter med hög energi. Koldioxid och andra spårgaser sätter sig ut när temperaturen når var och en av deras sublimering eller kokpunkter. Sublimering beskriver tillståndsförändringen direkt från en fast substans till en gas.
När temperaturen når -200 ° C matas den flytande blandningen genom ett rör in i ett kärl som är något varmare i botten (-185 ° C) än det är på toppen (-190 ° C). Syre flyter vid −183 ° C, så det rinner ut ur kolven genom ett rör i botten. Kväve förvandlas dock till en gas, eftersom dess kokpunkt är -196 ° C. Den rinner ut genom ett rör som är anslutet till kolvens topp.
Andra typer av luftseparationsenheter
Separation av gaser genom fraktionerad destillation är inte det enda sättet att generera syre eller kväve från luft. En membrangenerator använder ett system av semipermeabla, ihåliga fibermembran som tillåter mindre molekyler i ett tryck av tryckluft att passera samtidigt som de större blockeras. Denna typ av system kan generera kväve med en renhet mellan 95 och 99,5 procent. I en annan typ av extraktionsmetod cirkuleras tryckluft under tryck genom en kolmolekylsikt som håller kvar syret och tar bort det från luften. Kväve som finns kvar kan ha en renhet mellan 95 och 99,9995 procent.