Ponieważ wszystkie gazy mają kilka stanów skupienia i mogą być skroplone, powietrze składające się z mieszaniny gazów może również stać się cieczą. Zasadniczo, płynne powietrze jest produkowane w celu ekstrakcji z niego czystego tlenu, azotu i argonu.
Trochę historii
Do XIX wieku naukowcy wierzyli, że gaz ma tylko jeden stan skupienia, ale nauczyli się, jak doprowadzić powietrze do stanu ciekłego już na początku ubiegłego wieku. Dokonano tego za pomocą maszyny Linde, której głównymi częściami była sprężarka (silnik elektryczny wyposażony w pompę) i wymiennik ciepła, przedstawione w postaci dwóch rur zwiniętych w spiralę, z których jedna przechodziła w drugą. Trzecim elementem konstrukcji był termos, w którym gromadził się skroplony gaz. Części maszyn pokryto materiałami termoizolacyjnymi, aby uniemożliwić dostęp gazu cieplnego z zewnątrz. Dętka umieszczona przy szyi zakończona przepustnicą.
Praca gazowa
Technologia uzyskiwania skroplonego powietrza jest dość prosta. W pierwszej kolejności mieszanina gazów oczyszczana jest z kurzu, cząsteczek wody, a także dwutlenku węgla. Jest jeszcze jeden ważny składnik, bez którego nie będzie możliwe wytworzenie ciekłego powietrza - ciśnienie. Za pomocą kompresora powietrze jest sprężane do 200-250 atmosfer,podczas chłodzenia wodą. Następnie powietrze przechodzi przez pierwszy wymiennik ciepła, po czym dzieli się na dwa strumienie, z których większy trafia do ekspandera. Termin ten odnosi się do maszyny tłokowej, która działa na zasadzie rozprężania gazu. Zamienia energię potencjalną w energię mechaniczną, a gaz ochładza się, ponieważ działa.
Ponadto powietrze, po umyciu dwóch wymienników ciepła i tym samym ochłodzeniu drugiego strumienia idącego w jego kierunku, wychodzi na zewnątrz i gromadzi się w termosie.
Turbo ekspander
Pomimo pozornej prostoty, zastosowanie ekspandera jest niemożliwe na skalę przemysłową. Gaz uzyskany przez dławienie przez cienką rurkę okazuje się zbyt drogi, jego produkcja jest mało wydajna i energochłonna, a przez to nie do przyjęcia dla przemysłu. Na początku ubiegłego wieku pojawiła się kwestia uproszczenia wytopu żelaza, w związku z czym wysunięto propozycję nadmuchu powietrza z powietrza o wysokiej zawartości tlenu. Powstało więc pytanie o przemysłową produkcję tych ostatnich.
Tłok ekspandera szybko zatyka się lodem wodnym, dlatego najpierw należy osuszyć powietrze, co utrudnia i zwiększa koszty procesu. Rozwiązanie problemu pomogło opracowanie turborozprężarki wykorzystującej turbinę zamiast tłoka. Później turboekspandery zostały wykorzystane do produkcji innych gazów.
Aplikacja
Sam płynne powietrze nie jest nigdzie stosowane, jest produktem pośrednim w otrzymywaniu czystych gazów.
Zasada rozdzielania składników opiera się na różnicy w temperaturze wrzeniaczęści mieszaniny: tlen wrze w -183 °, a azot w -196 °. Temperatura ciekłego powietrza jest poniżej dwustu stopni, a poprzez jego podgrzanie można przeprowadzić separację.
Gdy ciekłe powietrze zaczyna powoli odparowywać, jako pierwszy odparowuje azot, a po wyparowaniu jego głównej części tlen wrze w temperaturze -183 °. Faktem jest, że podczas gdy azot pozostaje w mieszaninie, nie może dalej się nagrzewać, nawet jeśli stosuje się dodatkowe ogrzewanie, ale gdy tylko większość azotu wyparuje, mieszanina szybko osiągnie temperaturę wrzenia następnej części mieszanina, czyli tlen.
Oczyszczanie
Jednak w ten sposób niemożliwe jest uzyskanie czystego tlenu i azotu w jednej operacji. Powietrze w stanie ciekłym na pierwszym etapie destylacji zawiera około 78% azotu i 21% tlenu, ale im dalej proces przebiega i im mniej azotu pozostaje w cieczy, tym więcej tlenu z nim wyparuje. Gdy stężenie azotu w cieczy spada do 50%, zawartość tlenu w oparach wzrasta do 20%. Dlatego odparowane gazy są ponownie skraplane i po raz drugi destylowane. Im więcej destylacji, tym czystsze będą otrzymane produkty.
W branży
Parowanie i kondensacja to dwa przeciwstawne procesy. W pierwszym przypadku ciecz musi zużywać ciepło, a w drugim ciepło zostanie uwolnione. Jeśli nie ma strat ciepła, to ciepło uwalniane i zużywane podczas tych procesów jest równe. W ten sposób objętość skondensowanego tlenu będzie prawie równa objętościodparowany azot. Ten proces nazywa się rektyfikacją. Mieszanina dwóch gazów powstała w wyniku odparowania ciekłego powietrza ponownie przechodzi przez nią, a część tlenu przechodzi do kondensatu, oddając ciepło, dzięki czemu część azotu odparowuje. Proces jest powtarzany wiele razy.
Przemysłowa produkcja azotu i tlenu odbywa się w tak zwanych kolumnach destylacyjnych.
Ciekawe fakty
W kontakcie z ciekłym tlenem wiele materiałów staje się kruchych. Ponadto ciekły tlen jest bardzo silnym środkiem utleniającym, dlatego w nim substancje organiczne wypalają się, uwalniając dużo ciepła. Niektóre z tych substancji nasączone ciekłym tlenem nabierają niekontrolowanych właściwości wybuchowych. Takie zachowanie jest typowe dla produktów naftowych, do których należy konwencjonalny asf alt.
