Poiché tutti i gas hanno diversi stati di aggregazione e possono essere liquefatti, anche l'aria, costituita da una miscela di gas, può diventare un liquido. Fondamentalmente, viene prodotta aria liquida per estrarne ossigeno puro, azoto e argon.
Un po' di storia
Fino al 19° secolo, gli scienziati credevano che il gas avesse un solo stato di aggregazione, ma hanno imparato a portare l'aria allo stato liquido già all'inizio del secolo scorso. Ciò è stato fatto utilizzando una macchina Linde, le cui parti principali erano un compressore (un motore elettrico dotato di una pompa) e uno scambiatore di calore, presentato sotto forma di due tubi arrotolati a spirale, uno dei quali passava all'interno dell' altro. Il terzo componente del progetto era un thermos e al suo interno veniva raccolto del gas liquefatto. Le parti della macchina sono state ricoperte con materiali termoisolanti per impedire l'accesso al gas di calore dall'esterno. La camera d'aria situata vicino al collo terminava con un acceleratore.
Lavori a gas
La tecnologia per ottenere aria liquefatta è abbastanza semplice. Innanzitutto, la miscela di gas viene pulita da polvere, particelle d'acqua e anche da anidride carbonica. C'è un altro componente importante, senza il quale non sarà possibile produrre aria liquida: la pressione. Con l'aiuto di un compressore, l'aria viene compressa fino a 200-250 atmosfere,mentre lo si raffredda con acqua. Successivamente, l'aria passa attraverso il primo scambiatore di calore, dopodiché viene divisa in due flussi, il più grande dei quali va all'espansore. Questo termine si riferisce a una macchina a pistoni che funziona espandendo il gas. Converte l'energia potenziale in energia meccanica e il gas si raffredda perché funziona.
Inoltre, l'aria, dopo aver lavato i due scambiatori di calore e raffreddando così il secondo flusso che va verso di esso, esce all'esterno e si raccoglie in un thermos.
Espansione turbo
Nonostante la sua apparente semplicità, l'uso di un espansore è impossibile su scala industriale. Il gas ottenuto dalla strozzatura attraverso un tubo sottile risulta essere troppo costoso, la sua produzione non è sufficientemente efficiente e energivora, e quindi inaccettabile per l'industria. All'inizio del secolo scorso si trattava di semplificare la fusione del ferro, e per questo è stata avanzata una proposta per soffiare aria dall'aria ad alto contenuto di ossigeno. Così è sorta la domanda sulla produzione industriale di quest'ultimo.
L'espansore a pistone si ostruisce rapidamente con acqua ghiacciata, quindi l'aria deve essere prima asciugata, rendendo il processo più difficile e costoso. Lo sviluppo di un turboespansore che utilizza una turbina anziché un pistone ha contribuito a risolvere il problema. Successivamente, i turboespansori sono stati utilizzati nella produzione di altri gas.
Applicazione
L'aria liquida di per sé non viene utilizzata da nessuna parte, è un prodotto intermedio nell'ottenimento di gas puri.
Il principio di separazione dei costituenti si basa sulla differenza di ebollizioneparti della miscela: l'ossigeno bolle a -183° e l'azoto a -196°. La temperatura dell'aria liquida è inferiore a duecento gradi e riscaldandola è possibile effettuare la separazione.
Quando l'aria liquida inizia ad evaporare lentamente, l'azoto è il primo ad evaporare e, dopo che la sua parte principale è già evaporata, l'ossigeno bolle a una temperatura di -183°. Il fatto è che mentre l'azoto rimane nella miscela, non può continuare a riscaldarsi, anche se viene utilizzato un riscaldamento aggiuntivo, ma non appena la maggior parte dell'azoto è evaporato, la miscela raggiungerà rapidamente il punto di ebollizione della parte successiva del miscela, ovvero ossigeno.
Purificazione
Tuttavia, in questo modo è impossibile ottenere ossigeno e azoto puri in un'unica operazione. L'aria allo stato liquido nella prima fase della distillazione contiene circa il 78% di azoto e il 21% di ossigeno, ma più il processo va avanti e meno azoto rimane nel liquido, più ossigeno evaporerà con esso. Quando la concentrazione di azoto nel liquido scende al 50%, il contenuto di ossigeno nel vapore aumenta al 20%. Pertanto, i gas evaporati vengono nuovamente condensati e distillati una seconda volta. Più distillazioni sono state, più puliti saranno i prodotti risultanti.
Nel settore
Evaporazione e condensazione sono due processi opposti. Nel primo caso, il liquido deve consumare calore e nel secondo caso verrà rilasciato calore. Se non vi è alcuna perdita di calore, il calore rilasciato e consumato durante questi processi è uguale. Pertanto, il volume di ossigeno condensato sarà quasi uguale al volumeazoto evaporato. Questo processo è chiamato rettifica. La miscela di due gas formata a seguito dell'evaporazione dell'aria liquida viene nuovamente fatta passare attraverso di essa e parte dell'ossigeno passa nella condensa, cedendo calore, a causa del quale parte dell'azoto evapora. Il processo viene ripetuto molte volte.
La produzione industriale di azoto e ossigeno avviene nelle cosiddette colonne di distillazione.
Fatti interessanti
Quando vengono a contatto con l'ossigeno liquido, molti materiali diventano fragili. Inoltre, l'ossigeno liquido è un agente ossidante molto potente, quindi, una volta al suo interno, le sostanze organiche si bruciano, rilasciando molto calore. Quando impregnate di ossigeno liquido, alcune di queste sostanze acquisiscono proprietà esplosive incontrollate. Questo comportamento è tipico dei prodotti petroliferi, che includono l'asf alto convenzionale.
