Воздух в атмосфере Земли состоит из азота (78 процентов), кислорода (21 процент), аргона (0,93 процента), углекислого газа (0,038 процента) и других микроэлементов, включая водяной пар и другие благородные газы. Ученые могут извлекать следовые газы из воздуха с помощью фильтров или охлаждения воздуха. Например, диоксид углерода превращается в твердое вещество при -79 ° C (-110 ° F). Чтобы разделить образец воздуха на его основные компоненты - азот и кислород - им нужно значительно охладить воздух, до -200 ° C (-328 ° F), что почти так же холодно, как поверхность Плутона. Процесс известен как фракционная перегонка жидкого воздуха или криогенная перегонка. Это требует установки разделения воздуха, которая мало чем отличается от обычной дистилляционной трубки, используемой для очистки воды.

Как работает разделение газов фракционной перегонкой

Каждый газ имеет характерную температуру кипения, определяемую как температура, при которой он превращается из жидкости в газ. Если у вас есть случайная проба газов, вы можете отделить их, постепенно охлаждая пробу, пока каждый компонент газа не сжижается. Разжиженный состав падает на дно емкости для сбора. После того как вся жидкость извлечена, охлаждение продолжается до тех пор, пока температура не упадет до точки кипения следующего соединения, и оно не разжижится. Некоторые соединения, такие как диоксид углерода, никогда не разжижаются. Вместо этого они превращаются непосредственно в твердые вещества, которые легче извлечь, чем жидкости.

Фракционная дистилляция жидкого воздуха

Блок разделения воздуха часто называют генератором кислорода или азота, поскольку его целью является извлечение одного или обоих этих элементов из воздуха. В процессе дистилляции воздух сначала проходит 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 оседают, когда температура достигает каждой из их точек сублимации или кипения. Сублимация описывает изменение состояния непосредственно от твердого тела к газу.

Когда температура достигает -200 ° C, сжиженная смесь подается через трубку в сосуд, который немного теплее в нижней части (-185 ° C), чем в верхней части (-190 ° C). Кислород разжижается при -183 ° C, поэтому он вытекает из колбы через трубку в нижней части. 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 установок

Разделение газов путем фракционной перегонки - не единственный способ получения кислорода или азота из воздуха. В мембранном генераторе используется система полупроницаемых половолоконных мембран, которые пропускают более мелкие молекулы в образце сжатого воздуха, блокируя более крупные. Этот тип системы может генерировать азот с чистотой от 95 до 99,5%. В другом способе экстракции сжатый воздух циркулирует под давлением через углеродное молекулярное сито, которое удерживает кислород и удаляет его из воздуха. Оставшийся азот может иметь чистоту от 95 до 99,9995%.