از آنجایی که همه گازها چندین حالت تجمع دارند و می توانند مایع شوند، هوای متشکل از مخلوطی از گازها نیز می تواند به مایع تبدیل شود. اساساً هوای مایع برای استخراج اکسیژن خالص، نیتروژن و آرگون از آن تولید می‌شود.
کمی از تاریخ
تا قرن نوزدهم، دانشمندان معتقد بودند که گاز تنها یک حالت تجمع دارد، اما آنها در آغاز قرن گذشته یاد گرفتند که چگونه هوا را به حالت مایع برسانند. این کار با استفاده از ماشین Linde انجام شد که قسمت های اصلی آن یک کمپرسور (موتور الکتریکی مجهز به پمپ) و یک مبدل حرارتی بود که به شکل دو لوله به شکل مارپیچ نورد شده بود که یکی از آنها از داخل دیگری عبور می کرد. سومین جزء طرح قمقمه بود و گاز مایع داخل آن جمع می شد. قطعات ماشین را با مواد عایق حرارت پوشانده بودند تا از دسترسی به گاز گرمایی از بیرون جلوگیری شود. لوله داخلی واقع در نزدیکی گردن با دریچه گاز به پایان رسید.
کار گاز
فناوری بدست آوردن هوای مایع بسیار ساده است. ابتدا مخلوط گازها از گرد و غبار، ذرات آب و همچنین از دی اکسید کربن پاک می شود. یک جزء مهم دیگر وجود دارد که بدون آن امکان تولید هوای مایع - فشار وجود نخواهد داشت. با کمک یک کمپرسور، هوا تا 200-250 اتمسفر فشرده می شود.در حالی که آن را با آب خنک کنید. سپس هوا از اولین مبدل حرارتی عبور می کند و پس از آن به دو جریان تقسیم می شود که بزرگتر آن به منبسط کننده می رود. این اصطلاح به ماشین پیستونی اشاره دارد که با انبساط گاز کار می کند. انرژی پتانسیل را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند و گاز خنک می شود زیرا کار می کند.
بعلاوه، هوا پس از شستن دو مبدل حرارتی و در نتیجه خنک کردن جریان دوم که به سمت آن می رود، به بیرون می رود و در قمقمه جمع می شود.
بسط دهنده توربو
علی رغم سادگی ظاهری، استفاده از اکسپندر در مقیاس صنعتی غیرممکن است. گاز به دست آمده از گاز گرفتن از طریق یک لوله نازک بسیار گران است، تولید آن به اندازه کافی کارآمد نیست و انرژی مصرف می کند و بنابراین برای صنعت غیرقابل قبول است. در آغاز قرن گذشته، بحث ساده سازی ذوب آهن وجود داشت و برای این امر پیشنهادی برای دمیدن هوا از هوا با محتوای اکسیژن بالا ارائه شد. بنابراین، این سوال در مورد تولید صنعتی دومی مطرح شد.
منبسط کننده پیستون به سرعت با یخ آب مسدود می شود، بنابراین ابتدا هوا باید خشک شود و این فرآیند را دشوارتر و گران تر می کند. توسعه یک توربو اکسپندر با استفاده از توربین به جای پیستون به حل مشکل کمک کرد. بعدها از توربو انبساط در تولید گازهای دیگر استفاده شد.
برنامه
هوای مایع به خودی خود هیچ جا استفاده نمی شود، محصولی واسطه در به دست آوردن گازهای خالص است.
اصل جداسازی اجزا بر اساس تفاوت در جوشیدن است.قسمت هایی از مخلوط: اکسیژن در -183 درجه و نیتروژن در -196 درجه می جوشد. دمای هوای مایع زیر دویست درجه است و با گرم کردن آن می توان جداسازی کرد.
هنگامی که هوای مایع به آرامی شروع به تبخیر می کند، نیتروژن اولین چیزی است که تبخیر می شود و پس از اینکه قسمت اصلی آن قبلاً تبخیر شد، اکسیژن در دمای 183- درجه به جوش می آید. واقعیت این است که در حالی که نیتروژن در مخلوط باقی می ماند، نمی تواند به گرم شدن ادامه دهد، حتی اگر از حرارت اضافی استفاده شود، اما به محض اینکه بیشتر نیتروژن تبخیر شود، مخلوط به سرعت به نقطه جوش قسمت بعدی می رسد. مخلوط، یعنی اکسیژن.
تطهیر
اما از این طریق نمی توان اکسیژن و نیتروژن خالص را در یک عملیات به دست آورد. هوا در حالت مایع در مرحله اول تقطیر حاوی حدود 78 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن است، اما هر چه این فرآیند جلوتر رفته و نیتروژن کمتری در مایع باقی بماند، اکسیژن بیشتری با آن تبخیر می شود. هنگامی که غلظت نیتروژن در مایع به 50٪ کاهش می یابد، محتوای اکسیژن در بخار به 20٪ افزایش می یابد. بنابراین گازهای تبخیر شده مجددا تغلیظ شده و برای بار دوم تقطیر می شوند. هرچه تقطیر بیشتر باشد، محصولات به دست آمده تمیزتر خواهند بود.
در صنعت
تبخیر و تراکم دو فرآیند متضاد هستند. در حالت اول مایع باید گرما مصرف کند و در حالت دوم گرما آزاد می شود. اگر اتلاف حرارتی وجود نداشته باشد، گرمای آزاد شده و مصرف شده در طی این فرآیندها برابر است. بنابراین، حجم اکسیژن متراکم تقریباً برابر با حجم خواهد بودنیتروژن تبخیر شده این فرآیند اصلاح نامیده می شود. مخلوط دو گازی که در نتیجه تبخیر هوای مایع ایجاد می شود دوباره از آن عبور می کند و مقداری از اکسیژن به داخل میعانات می رود و در عین حال گرما می دهد و در نتیجه مقداری از نیتروژن تبخیر می شود. این فرآیند بارها تکرار می شود.
تولید صنعتی نیتروژن و اکسیژن در به اصطلاح ستون های تقطیر صورت می گیرد.
حقایق جالب
هنگام تماس با اکسیژن مایع، بسیاری از مواد شکننده می شوند. علاوه بر این، اکسیژن مایع یک عامل اکسید کننده بسیار قوی است، بنابراین، پس از ورود به آن، مواد آلی می سوزند و گرمای زیادی آزاد می کنند. هنگامی که با اکسیژن مایع آغشته می شوند، برخی از این مواد خواص انفجاری کنترل نشده ای پیدا می کنند. این رفتار نمونه ای از محصولات نفتی است که شامل آسفالت معمولی می شود.
