מכיוון שלכל הגזים יש כמה מצבי צבירה וניתנים להנזלה, אוויר, המורכב מתערובת של גזים, יכול להפוך גם לנוזל. בעיקרון, אוויר נוזלי מיוצר כדי להפיק ממנו חמצן טהור, חנקן וארגון.
קצת היסטוריה
עד המאה ה-19, מדענים האמינו שלגז יש רק מצב צבירה אחד, אבל הם למדו איך להביא אוויר למצב נוזלי כבר בתחילת המאה הקודמת. הדבר נעשה באמצעות מכונת Linde, שחלקיה העיקריים היו מדחס (מנוע חשמלי מצויד במשאבה) ומחליף חום, המוצגים בצורת שני צינורות מגולגלים לספירלה, שאחד מהם עבר בתוך השני. המרכיב השלישי של העיצוב היה תרמוס, ובתוכו נאסף גז נוזלי. חלקי המכונה כוסו בחומרים מבודדי חום כדי למנוע גישה לגז החום מבחוץ. הצינור הפנימי הממוקם ליד הצוואר הסתיים במצערת.
עבודת גז
הטכנולוגיה להשגת אוויר נוזלי היא פשוטה למדי. ראשית, תערובת הגזים מנוקה מאבק, חלקיקי מים, וגם מפחמן דו חמצני. ישנו מרכיב חשוב נוסף, שבלעדיו לא ניתן יהיה לייצר אוויר נוזלי - לחץ. בעזרת מדחס, האוויר נדחס עד 200-250 אטמוספרות,תוך קירור במים. לאחר מכן, האוויר עובר דרך מחליף החום הראשון, ולאחר מכן הוא מחולק לשני זרמים, שהגדול שבהם הולך למרחיב. מונח זה מתייחס למכונת בוכנה הפועלת על ידי הרחבת גז. הוא ממיר אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה מכנית והגז מתקרר כי הוא אכן עובד.
להמשך, האוויר, לאחר ששטף את שני מחליפי החום ובכך קירר את הזרם השני העובר לעברו, יוצא החוצה ומתאסף בתרמוס.
מרחיב טורבו
למרות הפשטות הנראית לעין, השימוש במרחיב הוא בלתי אפשרי בקנה מידה תעשייתי. הגז המתקבל בצריבה דרך צינור דק מתברר כיקר מדי, ייצורו אינו יעיל דיו וצורך אנרגיה ולכן אינו מקובל על התעשייה. בראשית המאה הקודמת הייתה שאלה של פישוט התכת הברזל, ולשם כך הועלתה הצעה לנשוף אוויר מאוויר בעל תכולת חמצן גבוהה. לפיכך, התעוררה השאלה לגבי הייצור התעשייתי של האחרונים.
מרחיב הבוכנה נסתם במהירות בקרח מים, ולכן יש לייבש את האוויר תחילה, מה שהופך את התהליך לקשה ויקר יותר. פיתוח של מרחיב טורבו באמצעות טורבינה במקום בוכנה עזר לפתור את הבעיה. מאוחר יותר, נעשה שימוש במרחבי טורבו לייצור גזים אחרים.
Application
אוויר נוזלי עצמו אינו בשימוש בשום מקום, הוא מוצר ביניים בהשגת גזים טהורים.
עקרון ההפרדה בין המרכיבים מבוסס על ההבדל ברתיחהחלקי התערובת: חמצן רותח ב-183 מעלות, וחנקן ב-196 מעלות. טמפרטורת האוויר הנוזלי היא מתחת למאתיים מעלות, ועל ידי חימום ניתן לבצע הפרדה.
כאשר אוויר נוזלי מתחיל להתאדות לאט, החנקן הוא הראשון שמתאדה, ולאחר שחלקו העיקרי כבר התאדה, חמצן רותח בטמפרטורה של -183 מעלות. העובדה היא שבזמן שנשאר חנקן בתערובת, הוא לא יכול להמשיך להתחמם, גם אם נעשה שימוש בחימום נוסף, אבל ברגע שרוב החנקן יתאדה, התערובת תגיע במהירות לנקודת הרתיחה של החלק הבא של התערובת. תערובת, כלומר חמצן.
Purification
עם זאת, בדרך זו אי אפשר להשיג חמצן וחנקן טהורים בפעולה אחת. אוויר במצב נוזלי בשלב הראשון של הזיקוק מכיל כ-78% חנקן ו-21% חמצן, אך ככל שהתהליך מתקדם וככל שיישאר פחות חנקן בנוזל, כך יתנדף יותר חמצן. כאשר ריכוז החנקן בנוזל יורד ל-50%, תכולת החמצן באדי עולה ל-20%. לכן, הגזים המתאדים מתעבים שוב ומזוקקים בפעם השנייה. ככל שיהיו יותר זיקוקים, כך המוצרים שיתקבלו יהיו נקיים יותר.
בתעשייה
איוד ועיבוי הם שני תהליכים הפוכים. במקרה הראשון, הנוזל חייב לצרוך חום, ובמקרה השני ישתחרר חום. אם אין איבוד חום, אז החום המשתחרר ונצרך במהלך תהליכים אלה שווה. לפיכך, נפח החמצן המעובה יהיה כמעט שווה לנפחחנקן אידוי. תהליך זה נקרא תיקון. שוב עוברת דרכה תערובת שני הגזים שנוצרת כתוצאה מהתאדות האוויר הנוזלי, וחלק מהחמצן עובר לעיבוי תוך מתן חום, שבגללו מתאדה חלק מהחנקן. התהליך חוזר על עצמו פעמים רבות.
ייצור תעשייתי של חנקן וחמצן מתבצע במה שנקרא עמודות זיקוק.
עובדות מעניינות
במגע עם חמצן נוזלי, חומרים רבים הופכים שבירים. בנוסף, חמצן נוזלי הוא חומר חמצון חזק מאוד, ולכן, ברגע בו, חומרים אורגניים נשרפים ומשחררים חום רב. כאשר ספוג בחמצן נוזלי, חלק מהחומרים הללו מקבלים תכונות נפץ בלתי מבוקרות. התנהגות זו אופיינית למוצרי נפט, הכוללים אספלט רגיל.
