هوای مایع هوایی است که سرد شده و تحت فشار به صورت مایع تبدیل شده باشد. این ترکیب از هوا به شگل گاز، بیشتر اکسیژن دارد و رنگ آن به آبی کمرنگ میل می‌کند. این مخلوط به وسیله تحت فشار گذاشتن هوای گازی خالص و سپس سرد کردن آن تا دمای ۱۹۷- درجه سانتی‌گراد شکل می‌گیرد. حجم هوای مایع حدود ۷۰۰ برابر کوچکتر از هوا به فرم گاز است. از این اختلاف حجم در فرآیندهای تولید انرژی یا جلوگیری از خروج انرژی حرارتی از سیستم‌های مختلف به وسیله انبساط آن، استفاده می‌شود. این ترکیب معمولا به عنوان منبعی برای سرمایش و تامین گاز‌های اکسیژن، نیتروژن و گاز‌های نجیب مانند آرگون استفاده می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی ویژگی‌ها و روش تولید و کاربرد‌های هوای مایع می‌پردازیم.

در ابتدای این مطلب به توضیح مفهوم هوای مایع می‌پردازیم. سپس اجزای تشکیل‌دهنده آن را بررسی می‌کنیم. در ادامه به توضیح ویژگی‌های این ترکیب می‌پردازیم و یادآوری می‌کنیم هوا چیست و از چه موادی تشکیل شده است. سپس به مباحث پیشرفته‌تری مانند تولید هوای مایع و فرآیند مایع‌سازی و سپس جداسازی اجزای آن می‌پردازیم . در این فرآیندها به توضیح روش تقطیر جزءبه‌جزء برای جداسازی می‌پردازیم و توضیح می‌دهیم اجزای هوای مایع چگونه به این روش جدا می‌شوند. در نهایت به کاربرد‌ها، نگه‌داری و تاریخچه این ترکیب می‌پردازیم و می‌آموزیم این ماده چگونه می‌تواند در تولید انرژی مفید باشد. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید با این ترکیب مهم و کاربرد‌های آن آشنا شوید.

هوای مایع چیست؟

هوای مایع به هوایی گفته می‌شود که تحت فشار بالا و در اثر سرد کردن هوا تا دماهای بسیار پایین به شکل مایع تبدیل شده است. رنگ هوای مایع آبی کمرنگ است و در محفظه‌های مخصوصی نگه‌داری می‌شود. این محفظه‌ها ظرف‌هایی مانند محفظه خلأ هستند تا از رسیدن هوای مایع به دمای اتاق جلوگیری کنند. این ترکیب می‌تواند به سرعت گرمای محیط را جذب کرده و دوباره به حالت گازی برگردد.

هوای مایع بیشتر برای سرد و فشرده کردن مواد دیگر یا تبدیل آن ها به فاز جامد استفاده می‌شود. همچنین این ترکیب قابلیت تولید انرژی برای حرکت توربین‌های بادی را دارد. هوای مایع به عنوان منبعی برای گاز‌های نیتروژن، اکسیژن، آرگون و برخی دیگر از گاز‌های نجیب در مقیاس صنعتی به شمار می‌آید. این گاز‌ها از فرآیندی به نام جداسازی اجزای هوا به دست می‌آید.

با سرد کردن و تحت فشار قرار دادن حدود ۷۰۰ لیتر از هوا به فرم گازی، حدود ۱ لیتر هوای مایع به دست می‌اید. اگر مخلوط هوای مایع دوباره حرارت داده شود، به سرعت آن‌ را جذب کرده و حجم آن ۷۰۰ برابر بیشتر می‌شود. این افزایش حجم می‌تواند برای حرکت دادن پیستون‌های بزرگ یا توربین‌ها استفاده شود.

تولید صنعتی هوای مایع از طریق فشرده‌ کردن و خالص‌سازی هوا برای حذف ناخالصی‌های محلول در آن و عبور آن از بستر کلسیم اکسید انجام می‌گیرد. عبور از بستر کلسیم اکسید برای حذف کربن دی اکسید هوا است. فشاری که باید به هوا وارد شود تا به فرم مایع تبدیل شود، ۲۰۰ اتمسفر است. سرد کردن هوا به وسیله عبور آن از لوله‌هایی که در آب سرد تعبیه شده‌اند، انجام می‌گیرد. این مخلوط را برای حذف آب، با سدیم هیدروکسید واکنش می‌دهند.

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

هوا یکی از مهم‌ترین موادی است که زندگی انسان‌ها و سایر جانوران به آن وابسته است. برای شناسایی هوا و اجزای آن ابتدا باید با مفاهیمی مانند حالت ماده، گاز، مولکول، اتمسفر و تروپوسفر، فشار و حجم گاز‌ها و .. آشنا شوید. این‌ها مفاهیمی است که در کتاب شیمی دهم فصل دوم، رد پای گاز‌ها در زندگی به آن‌ها پرداخته شده است. پیشنهاد می‌کنیم برای فهم بهتر این موارد به مجموعه فیلم آموزش پایه دهم بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه هوا و هوای مایع دسترسی داشته باشید.

اجزای تشکیل دهنده هوای مایع

هوای مایع تازه تولید شده حاوی ۷۸٫۱ ٪ نیتروژن، ۲۱ ٪ اکسیژن و ۰٫۹ ٪ آرگون و مقادیر ناچیزی از گاز‌های دیگر و هیدروژن است. دمای جوش هوای مایع حدود ۱۹۵ – درجه سانتی‌گراد است. به دلیل تبخیر جداگانه هریک از مواد، غلظت اکسیژن و نقطه جوش این مخلوط به مرور زمان تغییر کرده و افزایش می‌یابد.

ویژگی های هوای مایع

هوای مایع، چگالی برابر با ۸۷۰ کیلوگرم بر متر مکعب دارد. چگالی نمونه‌های مختلف این ترکیب بسته به نسبت اجزای تشکیل‌دهنده آن نمونه می‌تواند متفاوت باشد. از آنجا که هوای خشک در حالت گازی حاوی ۷۸٪ نیتروژن، ۲۱٪ اکسیژن و ۱٪ آرگون است، چگالی هوای مایع با نسبت استاندارد اجزای تشکیل‌دهنده، با محاسبه درصد چگالی آن اجزا به نسبت چگالی فرم مایع آن‌ها انجام می‌شود.

با وجود اینکه هوا مقادیر بسیار ناچیزی کربن دی اکسید دارد، این گاز در زمان سرد شدن و تحت فشر قرار گرفتن، بدون تبدیل شدن به فاز مایع، تحت فرآیند تصعید مستقیم به کربن دی اکسید جامد تبدیل می‌شود. در نتیجه این گاز در هوای مایع در فشار‌های کمتر از ۵٫۱ اتمسفر حضور نخواهد داشت.

نقطه جوش هوای مایع ۱۹۴٫۳۵- درجه سلسیوس (سانتی‌گراد) است. این دما، دمای میانی نقطه جوش نیتروژن مایع و اکسیژن مایع است. هرچند نگه‌داشتن دمای جوش این مایعات در حال جوش بسیار دشوار است. این به دلیل آن است که نیتروژن زودتر می‌جوشد و از محیط مخلوط گاز‌های مایع خارج می‌شود و باعث تغییر نقطه جوش می‌شود.

دمای انجماد هوای مایع حدود ۶۰ کلوین (۲۱۳٫۲- درجه سانتی‌گراد) است. رسیدن هوای مایع به این دما باعث جداسازی نیتروژن به شکل رسوب می‌شود. هرچند اکسیژن نیز در این محلول جامد به مقادیر قابل توجهی حضور خواهد داشت.

تولید هوای مایع

اجزای سازنده هوا قبلا به عنوان گاز‌های دائمی شناخته می‌شدند از آن‌جا که این گاز‌ها در دمای اتاق حتی تحت فشار بالا نیز قابل جداسازی نبودند. افزایش فشار یک گاز باعث افزایش دمای آن می‌شود. این پدیده به علت افزایش نیروهای جنبش مولکولی گاز در اثر افزایش دما اتفاق می‌افتد. این دمای افزوده شده به وسیله گرم کردن دمای مخلوط گاز‌های هوا به وسیله یک مبدل حرارتی انجام می‌گیرد. پس از استفاده از مبدل حرارتی، مخلوط هوای مایع به درون یک محفظه دیگر فرستاده شده و حجم آن افزایش می‌یابد. این افزایش حجم باعث کاهش دمای گاز می‌شود. درنهایت با ایجاد فشار کافی، جریان مناسب و سرد کردن مناسب، اولین قطرات هوای مایع پدیدار خواهند شد.

یکی از متداول ترین روش‌های تولید هوای مایع استفاده از دو ستون چرخه همپسون-لیند است که از اثر ژول تامسون استفاده می‌کند. در این روش هوا به صورت گازی در فشار بیشتر از ۷۵ اتمسفر به ستون پایینی وارد می‌شود و به نیتروژن خالص و مایعی غنی از اکسیژن تبدیل می شود. مایع غنی از اکسیژن و مقداری از نیتروژن به ستون بالاتر وارد شده و در فشار‌های پایین‌تری (حدود ۲۵ اتمسفر) جداسازی نیتروژن و اکسیژن انجام می‌شود. فرآورده آرگون نیز می‌تواند در وسط ستون بالایی جداسازی شود.

هوای مایع همچنین با استفاده از روش فرآیند کلاوس نیز می‌تواند تولید شود. در این روش سرد کردن با استفاده از اثر ژول تامسون، انبساط هم‌آنتالپی و سرد کردن با یکدیگر ترکیب می‌شوند. فرآیند تولید هوای مایع از فرآیند تولید نیتروژن مایع بسیار به صرفه‌تر است زیرا نیازی به جداسازی اجزا ندارد و ردر نتیجه فرآیند تولید نیاز به تجهیزات کمتر و انرژی کمتری دارد.

هوا چیست؟

هوا مخلوطی بدون رنگ و بدون بو از گاز‌هایی است که اطراف کره زمین وجود دارند. این مخلوط از اجزای مهمی مانند اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده که بیشتر جانداران برای بقا به آن‌ها نیاز دارند. گاهی اوقات واژه اتمسفر نیز برای بیان هوا استفاده می‌شود. هوای خشک استاندارد ترکیب گاز‌هایی است که هوا را در سطح دریا تشکیل می‌دهند. هوای استاندارد خشک از گازهای نیتروژن، اکسیژن، آرگون، کربن دی اکسید، نئون، هلیوم، کریپتون، هیدروژن و زنون تشکیل شده است.

بخار آب در ترکیبات هوای خشک استاندارد شمرده نمی‌شود زیرا غلظت و مقدار بخار آب موجود در هوا بسته به رطوبت و دمای مناطق مختلف متفاوت است.

اجزای تشکیل دهنده هوا

مخلوط گاز‌هایی که اتمسفر (جو) زمین را تشکیل می‌دهد، هوا نام دارد. این گاز از ٪ ۷۸ گاز نیتروژن ٪ ۲۱ گاز اکسیژن، بخار آب، ٪ ۰٫۹ گاز آرگون، ٪ ۰٫۰۴  کربن دی اکسید و مقادیری از گاز‌های نایابی مانند زنون تشکیل شده است. هوا رنگ یا بوی خاصی ندارد. گرد و غبار، آلودگی و هاگ‌ها عموما ناخالصی‌های هوا هستند.

درصد وجود اجزای تشکیل‌دهنده ذکر شده در پاراگراف قبل، تنها در مورد هوای خالص دقیق است و در باقی موارد مقادیری نزدیک به درصد‌های اعلام شده وجود دارد. ترکیب اجزای تشکیل‌دهنده هوا در تمامی نقاط زمین یکسان نیست. برای مثال در مناطقی که آلودگی هوا زیاد است، درصد کربن دی اکسید هوا بیشتر می‌شود. شکل زیر درصد اجزای تشکیل‌دهنده هوا را نشان می‌دهد.

در ادامه به توضیح مختصری درباره هریک از این اجزا می‌پردازیم.

بخار آب

آب موجود در اقیانوس‌ها و دریا‌ها و رودخانه‌ها طی گرم شدن هوا تبخیر شده و به فاز گاز تبدیل می‌شود. این بخار آب یکی از اجزای تشکیل‌دهنده هوا است. بخار آب درصد بسیار کمی از اجزای اتمسفر زمین را به خود اختصاص می‌دهد اما همانطور که گفته شد نسبت حضور بخار آب در اجزای تشکیل‌دهنده هوا در مناطق مختلف متفاوت است.

گاز اکسیژن

اکسیژن موجود در هوا به مقادیر مناسبی برای زندگی و زیست انسان‌ها، حیوانات و دیگر جانداران است. اکسیژن دومین جزء فراوان تشکیل‌دهنده هوا است و در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی مانند سوختن، اکسایش، فرآیند هضم غذا، فتوسنتز و .. شرکت می‌کند. مقادیر کمتر یا بیشتر این درصد از اکسیژن باعث مشکلات متعددی مانند مسمومیت ناشی از ازدیاد اکسیژن و … می‌شود.

گاز نیتروژن

نیتروژن فراوان‌ترین گاز موجود در هوا است و حدود ۷۸ درصد اجزای تشکیل‌دهنده هوا را به خود اختصاص داده است. دمای جوش نیتروژن و هوای مایع به یکدیگر نزدیک است و ویژگی‌های آن‌ها بسیار به یکدیگر نزدیک است. از نیتروژن مایع نیز برای سرد کردن و یا جلوگیری از هدر رفتن گرما در بسیاری از سیستم‌ها استفاده می‌شود. نیتروژن موجود در هوا در چرخه‌ای به نام تثبیت نیتروژن به طور پیوسته بین ارگانیسم‌های زنده و اتمسفر مصرف و تولید می‌شود.

گاز کربن دی اکسید

کربن دی اکسید هوا بیشتر به دلیل فرآیند تنفس سلولی گیاهان، جانوران و انسان‌ها و سوزاندن سوخت‌ها تولید می‌شود. کربن دی اکسید ۰٫۰۳۸ درصد از هوا را تشکیل می‌دهد و توسط گیاهان برای فرآیند فوتوسنتز مصرف می‌شود. درصد حضور این گاز در مناطق مختلف کره زمین به دلیل متفاوت بودن میزان آلودگی هوا، متغیر است.

گاز آرگون

آرگون با ۰٫۹۳٪ سومین گاز فراوان موجود در هوا است. ای گاز که گازی نجیب است و تمایلی به شرکت در واکنش‌های شیمیایی را ندارد. آرگون موجود در هوا بیشتر از طریق ایزوتوپ پتاسیم تولید می‌شود. همچنین ارگون صنعتی به وسیله تقطیر هوای مایع به روش جزءبه‌جزء به دست می‌آید.

مراحل تولید هوای مایع

تولید هوای مایع از ۴ مرحله کلی فشرده کردن، سرد کردن، انبساط و جداسازی تشکیل شده است. در ادامه هریک از این موارد توضیح داده می‌وشد.

فشرده کردن

هوا به صورت گازی تحت فشار بالایی قرار می‌گیرد.

سرد کردن

هوای فشرده شده و گرم، به وسیله یک مبدل حرارتی سرد می‌شود.

انبساط

هوای مایع شده منبسط می‌شود. این انبساط به از دست دادن دمای بیشتر و کاهش فشار اضافی آن کمک می‌کند.

جداسازی

هوای مایع تولید شده از سایر گاز‌های موجود جدا شده و در ظروف فشار پایین نگهداری می‌شود. مراحل دقیق‌تر تولید هوای مایع در ادامه نام‌ برده شده است.

• سرد کردن هوا تا ۲۰۰- درجه سانتی‌گراد
• جداسازی کربن دی اکسید جامد شده
• سرد کردن بیشتر هوا
• فشرده شدن ذرات هوا
• انبساط هوا
• تشکیل اولین قطرات هوای مایع

در این مطلب از مجله فرادرس، به توضیح کامل روش‌های جداسازی مواد در شیمی و انواع آن پرداخته‌ایم و مثال‌هایی را برای درک بهتر این سیستم توضیح داده‌ایم.

فرآیند مایع سازی

مایع‌سازی به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن فرم گاز یا جامد یک ماده به فرم مایع آن تبدیل می‌شود. از آنجا که انرژی ذرات ماده در حالت‌های مختلف متفاوت است برای فرآیند مایع ساری انرژی گرمایی باید به ماده داده شود یا از آن گرفته شود. تبدیل جامد به مایع یا مایع به گاز نیازمند افزودن انرژی حرارتی به سیستم آن‌ها است. همچنین، تبدیل فرم گاز به مایع یا مایع به جامد نیاز مند سرد کردن سیستم یا گرفتن انرژی حرارتی از سیستم ماده است. در بیشتر فرآیندهای مایع‌سازی گاز‌ها معمولا سرد کردن تا دماهای بسیار پایین نیازی نیست زیرا با تحت فشار قرار دادن مولکول‌های گاز در یک حجم مشخص، دمای آن‌ها پایین می‌آید.

دمای بحرانی یک ماده دمایی است که بالاتر از آن، ماده صرف نظر از فشار وارد شده به آن، نمی‌تواند به مایع تبدیل شود. بنابراین گاز‌ها باید در دمایی پایین تر از دمای بحرانی تحت فشار قرار گرفته و به مایع تبدیل شوند. طی فرآیند افزایش فشار، مولکول های گاز به حدی به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا بتوانند با یکدیگر پیوند تشکیل داده و به فرم مایع تبدیل شوند. سرد کردن همزمان گاز نیز از انرژی جنبشی ذرات گاز می‌کاهد و به فرآیند مایع شدن آن‌ها کمک می‌کند.

جداسازی اجزای هوای مایع

جداسازی اجزای هوای مایع به فرآیندی گفته می‌شود که هوای اتمسفری را به اجزای سازنده اش تقسیم می‌کند. این اجزا عموما نیتروژن و اکسیژن هستند و باقی گاز‌های موجود در هوا معمولا در هوای مایع یافت نمی‌شوند. فرآیند جداسازی اجزا به روش تقطیر جزءبه‌جزء هوای مایع انجام می‌شود. روش‌های دیگری نیز برای جداسازی اجزای مایع استفاده می‌شود اما روش‌های دیگر معمولا برای جداسازی تنها یک جزء از این ترکیب استفاده می‌شوند. گاز هلیوم نیز می‌تواند با روش تقطیر طی شرایط خاص از هوای مایع جدا شود.

برای یادگیری بیشتر در مورد روش‌های جداسازی مواد می‌توانید فیلم آموزش روش‌های جداسازی در شیمی تجزیه فرادرس که لینک آن در ادامه اورده شده است را مشاهده کنید.

فرآیند جداسازی اجزای مایع

گاز‌های خالص می‌توانند طی فرآیندی از هوا جدا شوند. این فرآیند ابتدا با تبدیل هوای گاز به هوای مایع و سپس جداسازی اجزا با استفاده از نقطه جوش آن‌ها با روش تقطیر جزءبه‌جزء انجام می‌شود. این فرآیند می‌تواند گاز‌های تشکیل‌دهنده هوا را با خلوص بالایی به دست آورد اما این فرآیند بسیار انرژی‌بر است. فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن به کار می‌رود. کربن دی اکسید و بخار آب قبل از مایع شدن هوا از آن جدا می‌شوند. کربن دی اکسید در دمای ۷۹- درجه سانتی‌گراد یخ می‌زند و به فرم جامد در آمده و از مخلوط جدا می‌شود.

این فرآیند با استفاده از تفاوت نقطه جوش نیتروژن و اکسیژن انجام می‌شود. نقطه جوش اکسیژن ۱۸۳- درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش نیتروژن ۱۹۵٫۸- درجه سانتی‌گراد است. با استفاده از برج‌های تقطیر، ماده‌ای که نقطه جوش کمتری دارد یعنی اکسیژن ابتدا به جوش آمده و بخار شده و جداسازی می‌شود. جداسازی اکسیژن می‌تواند با استفاده از سرد کننده انجام شود و آن را به فرم مایع تبدیل کند. سپس مایع باقی مانده نیتروژن مایع خواهد بود.

همچنین با ادامه دادن فرآیند تقطیر نیز می‌توان مقادیر ناچیزی از اتم‌های نایاب مانند نئون، آرگون و هلیوم را جداسازی کرد. در فرآیند جداسازی اجزای مایع ممکن است از فیلتر‌هایی مناسب برای جداسازی گاز‌های ناخواسته یا الودگی‌های احتمالی استفاده کرد.

تصویر فرایند جداسازی اجزای هوای مایع با استفاده از ستون تقطیر در ادامه نمایش داده شده است.

تقطیر جزءبه‌جزء

تقطیر جزءبه‌جزء فرآیندی است که اجزای سازنده محلول‌های همگن را از یکدیگر جدا می‌کند. این فرآیند شامل تکرار تقطیر‌های متعدد و سرد کردن گاز‌های جدا شده است. جداسازی به روش تقطیر جزءبه‌جزء هنگامی اتفاق می‌افتد که مخلوط مورد نظر تا دمای مشخصی حرارت داده شده تا اجزای مختلف مخلوط به نوبت تبخیر و جداسازی شوند.

در فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء، ابتدا ماده‌ای که کمتیرن نقطه جوش را دارد تبخیر شده و از محلول جدا می‌شود. با تکرار این فرآیند اجزای محلول از یکدیگر جدا می‌شوند. اگر فرآیند تقطیر چندین مرحله تکرار شود، محصولات نهایی جدا شده از خلوص بالاتری برخوردارند.

تقطیر جزءبه‌جزء در مقیاس آزمایشگاهی شامل استفاده از یک سیستم ساده متشکل از بالن تقطیر، مبرد، ستون تقطیر جزءبه‌جزء، منبع حرارتی و دماسنج است. این سیستم در تصویر زیر نشان داده شده است.

پس از تنظیم این سیستم، مخلوط مایع به بالن تقطیر اضافه می‌شود. سپس حرارت وارد شده به بالن باعث بالا رفتن دمای محلول و به جوش آمدن ماده‌ی فرارتر می‌شود. این ماده به بخار تبدیل شده و به سمت مبرد حرکت می‌کند. مبرد لوله ای شیشه‌ای است که از یک سمت آن آب سرد وارد شده و از سمت دیگر آب گرم خارج می‌شود. بخار تولید شده پس از ورود به لوله مبرد سرد شده و به مایع تبدیل می‌شود. این مایع به بیرون هدایت شده و جمع آوری می‌شود. با ادامه فرآیند تقطیر، سایر مایعات نیز از محلول جدا می‌شوند.

تقطیر صنعتی

تقطر جزءبه‌جزء یکی از پرکاربر‌دترین و پر استفاده‌ترین روش‌های جداسازی در مقیاس صنعتی است. در این روش اصول تقطیر جزءبه‌جزء همان جداسازی بر حسب نقطه جوش مواد است. در مقیاس صنعتی، ستون‌های عمودی بزرگ تقطیر «برج تقطیر» استفاده شده و این ستون ها از شیوه رفلاکس استفاده می‌کنند تا از جداسازی کامل اطمینان حاصل شود.

تصویر زیر فرآیند تقطیر جزءبه‌جزء صنعتی هوای مایع را نشان می‌دهد.

در این روش محلول مورد نظر به ستون تقطیر وارد شده و با بخار آب فشار بالا حرارت داده می‌شود. محلول می‌جوشد و بخار آن تشکیل می‌شود. بخار ایجاد شده از برج تقطیر که از بشقابک‌های متعددی تشکیل شده بالا می‌رود و دما معمولا در بالای برج پایین نگه داشته می‌شود. در این مرحله، موادی که بالاترین نقطه جوش را دارند در پایین برج تقطیر سرد شده و موادی که نقطه جوش پایین‌تری دارند در بالای برج سرد می‌شوند. در نهایت بخار‌های سرد شده از کناره های برج خارج شده و جداسازی می‌شوند.

نگهداری هوای مایع

هوای مایع باید در محفظه طراحی شده به خصوصی به نام «بطری دِوار» قرار بگیرد. ظرف دوار محفظه‌ای است که از دو ظرف درون هم قرار گرفته تشکیل شده است و فضای بین آن‌ها را خلأ پر کرده است. طراحی این ظرف به گونه‌ای است که مانع از جذب یا دفع انرژی حرارتی شود. این شیوه نگه‌داری به این دلیل است که هوای مایع در دمای اتاق به سرعت انرژی حرارتی را جذب کرده و به حالت گازی خود باز می‌گردد.

یادگیری دروس مهندسی شیمی با فرادرس

همانطور که قبلا اشاره کردیم، تقطیر جزءبه‌جزء مهم‌ترین روش جداسازی اجزای هوای مایع است. تقطیر و فرآیند‌های مربوط به آن یکی از مهم‌ترین مباحث مربوط به شیمی و مهندسی شیمی است که در پایه‌های بالاتر دانشگاهی به آن پرداخته می‌شود. برای یادگیری اصول تقطیر باید با فرآیندهایی مانند تقطیر ناگهانی، تقطیر ساده و تقطیر مداوم اشنا شوید. در مراحل پیشرفته‌تر این مباحث در آموزش طراحی برج‌های تقطیر استفاده می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مباحث به مجموعه فیلم آموزش مهندسی شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن ها در ادامه اورده شده است، می توانید به آموزش های بیشتری در زمینه تقطیر دسترسی داشته باشید.

کاربرد هوای مایع

با استفاده از ویژگی افزایش حجم‌ هوای مایع می‌توان پیستون‌های بزرگ یا توربین‌ها را به حرکت درآورد. از مهم‌ترین کاربرد‌های هوای مایع می‌توان به ذخیره انرژی الکتریسیته، حمل و نقل و بازیافت انرژی حرارتی اشاره کرد.

در فرآیند تولید هوای مایع، فرآورده‌ی این ترکیب بیشتر به گاز‌های تشکیل‌دهنده‌اش جداسازی می‌شود. این اجزا می‌توانند به فرم مایع یا گاز باشند. اکسیژن جداسازی شده برای استفاده در فرآیندهای برش فلزات و کاربرد‌های پزشکی به کار برده می‌شود. آرگون جدا شده برای فرآیندهای جوش‌کاری استفاده می‌شود. نیتروژن مایع در بسیاری از فرآیندهایی که در دمای پایین انجام می‌شوند به کار می‌رود.

یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های هوای مایع استفاده از آن به عنوان سوخت ماشین‌ها است. ویژگی تولید انرژی از هوای مایع در سال ۲۰۱۲ اثبات شد و از آن زمان استفاده‌های مفیدی از این کاربرد هوای مایع می‌شود.

از نیتروژن مایع یا هوای مایع می‌توان در بسیار از تکنولوژی‌های جدید مانند موارد زیر استفاده کرد.

• ذخیره انرژی هوای مایع (LAES) سیستمی است که در آن یک واحد صنعتی، هوای مایع را با استفاده از الکتریسیته ارزان و در دسترس تولید می‌کند. این سیستم هوای مایع را برای چندین ساعت یا روز نگه‌داری کرده و سپس آن را منبسط می‌کند و به سمت توربین هدایت می‌کند تا انرژی دوباره به سیستم باز گردد.
• موتور دیرمن که یک پیستون جدید است که هوای مایع یا نیتروژن را به عنوان سوخت اصلی موتور یا به عنوان بازیابی کننده‌ی حرارت از دست رفته استفاده می‌کند.
• موتور چرخه‌ی انشعابی ریکاردو که یک موتور دیزلی جدید است که از مخلوط کردن نیتروژن مایع برای افزایش کارایی خود با استفاده از به دام انداختن انرژی حرارتی واکنش خود استفاده می‌کند.

کاربرد اجزای هوای مایع

هیدروژن و نیتروژن مایع جداسازی شده از هوای مایع کاربرد‌های مهم و متعددی دارند. در ادامه به برخی از این کاربرد‌ها اشاره می‌کنیم.

کاربرد اکسیژن مایع

اکسیژن مایع در فرآیندهای صنعتی مانند برش فلزات، سوخت موشک، جوشکاری و … کاربرد دارد. همچنین اکسیژن مایع در مصارف پزشکی مانند کپسول‌های اکسیژن مورد نیاز بیمارستان ‌ها یا مناطقی که غلظت اکسیژن در آن‌ها کم است نیز استفاده می‌شود.

کاربرد نیتروژن مایع

نیتروژن مایع نیز مصارف صنعتی بسیار مهمی دارد. از جمله این مصارف می‌توان به سیستم‌های سرد کننده، ترمومتر‌های فشار بالا، مواد خوراکی کنسروی، لامپ‌های حرارتی و … اشاره کرد.

تاریخچه هوای مایع

ایده‌ی استفاده از هوای مایع به عنوان حامل انرژی ایده‌ی جدیدی نیست. دانشمندان اولین بار هوا را در سال ۱۸۸۳ میلادی به شکل مایع تبدیل کردند و در عرض ۲۰ سال اولین ماشینی که با استفاده از نیروی تولید شده توسط هوای مایع حرکت می‌کرد اختراع شد. با اینکه نمونه‌های اولیه متنوعی طی سالیان زیادی پس از اختراع این روش تولید شد، تمامی موتور‌های هوای مایع بسیار کم بازده و ناکارآمد بودند. اولین نمونه‌ی موتور بدون نشر و حامل انرژی توسط یک مخترع بریتانیایی در دهه اول قرن ۲۱ ارائه شد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس، هوای مایع را بررسی کردیم. هوای مایع هوایی است که در اثر تحت فشار بودن و سرد کردن هوا به صورت گاز به دست می‌آید. در این فرآیند، موادی مانند کربن دی اکسید و آب از ترکیب اجزای هوا خارج می‌شوند. هوای مایع بیشتر ترکیبی از نیتروژن، اکسیژن و آرگون است. این اجزا طی فراید تقطیر جزءبه‌جزء می‌توانند از یکدیگر جدا شده و هریک در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار بگیرند. این ماده تولید شده در موارد بسیاری کاربرد دارد. برای مثال از نیتروژن و اکسیژن جداشده در صنایع مختلف پزشکی و غذاایی استفاده می‌شود. همچنین خود هوای مایع قابلیت حجیم شدن تا حجم ۷۰۰ برابر بزرگ‌تر و تولید انرژی با استفاده از این تغییر حجم را دارد.