การกลั่นแบบเศษส่วนของอากาศคืออะไร?

อากาศในชั้นบรรยากาศของโลกประกอบด้วยไนโตรเจน (78 เปอร์เซ็นต์), ออกซิเจน (21 เปอร์เซ็นต์), อาร์กอน (0.93 เปอร์เซ็นต์) คาร์บอนไดออกไซด์ (0.038 เปอร์เซ็นต์) และก๊าซอื่นๆ รวมทั้งไอน้ำและสารมีตระกูลอื่นๆ ก๊าซ นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกก๊าซจากอากาศโดยใช้ตัวกรองหรือทำให้อากาศเย็นลง ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์กลายเป็นของแข็งที่อุณหภูมิ −79 °C ( −110 °F) เพื่อแยกตัวอย่างอากาศออกเป็นส่วนประกอบหลัก - ไนโตรเจนและออกซิเจน - ต้องทำให้เย็นลง อากาศมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ลงไปที่ -200 °C (−328 °F) ซึ่งเกือบจะเย็นพอ ๆ กับพื้นผิวของ พลูโต. กระบวนการนี้เรียกว่าการกลั่นแบบเศษส่วนของอากาศของเหลวหรือการกลั่นด้วยความเย็น ต้องใช้หน่วยแยกอากาศซึ่งไม่ต่างจากท่อกลั่นทั่วไปที่ใช้สำหรับทำน้ำบริสุทธิ์

แก๊สแต่ละชนิดมีจุดเดือดที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิที่เปลี่ยนจากของเหลวเป็นแก๊ส หากคุณมีตัวอย่างก๊าซแบบสุ่ม คุณสามารถแยกตัวอย่างได้โดยค่อยๆ ทำให้ตัวอย่างเย็นลงจนกว่าก๊าซแต่ละองค์ประกอบจะกลายเป็นของเหลว สารประกอบที่เป็นของเหลวตกลงไปที่ด้านล่างของถังเก็บน้ำ หลังจากนำของเหลวทั้งหมดกลับมาแล้ว การทำความเย็นจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงจนถึงจุดเดือดของสารประกอบถัดไปและกลายเป็นของเหลว สารประกอบบางชนิด เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ จะไม่ทำให้เป็นของเหลว แต่กลับกลายเป็นของแข็งโดยตรง ซึ่งดึงได้ง่ายกว่าของเหลว

หน่วยแยกอากาศมักเรียกว่าเครื่องกำเนิดออกซิเจนหรือไนโตรเจน เนื่องจากมีจุดประสงค์เพื่อแยกองค์ประกอบเหล่านี้หนึ่งหรือทั้งสองออกจากอากาศ ในกระบวนการกลั่น อากาศจะถูกส่งผ่านตัวกรองที่ดูดซับไอน้ำทั้งหมดก่อน จากนั้นกระบวนการทำความเย็นจะเริ่มขึ้น มันเกี่ยวข้องกับการใช้กังหันและระบบทำความเย็นพลังงานสูง ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซอื่นๆ จะตกลงมาเมื่ออุณหภูมิถึงจุดระเหิดหรือจุดเดือด การระเหิดอธิบายการเปลี่ยนแปลงสถานะโดยตรงจากของแข็งเป็นก๊าซ

เมื่ออุณหภูมิถึง -200 °C ส่วนผสมที่เป็นของเหลวจะถูกป้อนผ่านท่อเข้าไปในภาชนะที่มีอุณหภูมิอุ่นกว่าเล็กน้อยที่ด้านล่าง (−185 °C) มากกว่าที่ด้านบน ( −190 °C) ออกซิเจนจะทำให้เป็นของเหลวที่ -183 °C ดังนั้นออกซิเจนจึงไหลออกจากขวดผ่านท่อที่อยู่ด้านล่าง อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนจะเปลี่ยนกลับเป็นก๊าซ เนื่องจากจุดเดือดของมันคือ −196 °C มันไหลออกมาทางท่อที่เชื่อมต่อกับด้านบนของขวด

การแยกก๊าซโดยการกลั่นแบบเศษส่วนไม่ใช่วิธีเดียวที่จะสร้างออกซิเจนหรือไนโตรเจนจากอากาศ เครื่องกำเนิดเมมเบรนใช้ระบบเยื่อใยกลวงแบบกึ่งซึมผ่านได้ ซึ่งยอมให้โมเลกุลที่เล็กกว่าในตัวอย่างอากาศอัดผ่านได้ในขณะที่ปิดกั้นโมเลกุลที่ใหญ่กว่า ระบบประเภทนี้สามารถสร้างไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ระหว่าง 95 ถึง 99.5 เปอร์เซ็นต์ ในวิธีการสกัดแบบอื่น อากาศอัดจะถูกหมุนเวียนภายใต้แรงดันผ่านตะแกรงโมเลกุลคาร์บอนซึ่งกักเก็บออกซิเจนและกำจัดออกจากอากาศ ไนโตรเจนที่เหลือสามารถมีความบริสุทธิ์ได้ระหว่าง 95 ถึง 99.9995 เปอร์เซ็นต์