Oxy và nitơ dùng trong bệnh viện, nhà máy thép hay xưởng hàn phần lớn được tách từ chính không khí bằng chưng cất ở nhiệt độ cực lạnh. Không khí được nén, làm sạch, làm lạnh tới gần −180 °C cho hoá lỏng, rồi đưa vào tháp chưng cất: nitơ sôi ở −195,8 °C nên bốc lên đỉnh, oxy sôi ở −183 °C nên đọng xuống đáy, argon nằm ở giữa. Cùng nguyên lý với tháp chưng cất dầu, chỉ có điều mọi thứ diễn ra trong một "hộp lạnh" được bọc cách nhiệt dày.
Không khí là hỗn hợp, và mỗi khí sôi ở một nhiệt độ
Không khí khô gồm khoảng 78% nitơ, 21% oxy, gần 1% argon theo thể tích, cùng một chút CO₂ và các khí hiếm như neon, krypton, xenon. Ở nhiệt độ phòng chúng trộn đều, không gì tách được bằng mắt. Nhưng khi làm lạnh đủ sâu, chúng hoá lỏng và lộ ra khác biệt về điểm sôi, giống như nước và cồn trong một hỗn hợp.
| Thành phần | Tỷ lệ trong không khí khô (thể tích) | Điểm sôi ở áp suất thường | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|---|
| Nitơ (N₂) | Khoảng 78,1% | −195,8 °C | Khí bảo vệ, bao gói thực phẩm, làm lạnh sâu, ngành điện tử |
| Argon (Ar) | Khoảng 0,93% | −185,8 °C | Hàn, luyện thép, bóng đèn, sản xuất bán dẫn |
| Oxy (O₂) | Khoảng 20,9% | −183,0 °C | Luyện thép, y tế, hàn cắt, xử lý nước thải |
| Neon, krypton, xenon | Rất nhỏ, phần triệu | Neon −246 °C; krypton −153 °C; xenon −108 °C | Laser, đèn, kính cách nhiệt, thiết bị chuyên dụng |
Khoảng cách giữa nitơ và oxy chỉ chừng 13 độ, giữa argon và oxy chưa tới 3 độ. Vì vậy cần tháp nhiều đĩa và hồi lưu lớn, đặc biệt nếu muốn tách argon cho tinh khiết.
Từ Linde tới tháp kép: một thế kỷ tách khí
Năm 1895, kỹ sư người Đức Carl von Linde hoá lỏng được không khí ở quy mô công nghiệp, dựa vào hiệu ứng Joule–Thomson: khí nén khi giãn nở đột ngột qua van sẽ lạnh đi. Cho khí lạnh đi ngược về làm lạnh khí nén mới đến, nhiệt độ cứ hạ dần qua từng vòng cho tới khi không khí chảy ra thành giọt.
Năm 1902, Linde đưa vào chạy thiết bị tách oxy từ không khí lỏng bằng chưng cất. Cùng năm đó ở Pháp, Georges Claude cải tiến bằng cách cho khí giãn nở qua một máy giãn nở sinh công, làm lạnh hiệu quả hơn, và cùng cộng sự lập ra công ty Air Liquide. Khoảng năm 1910, Linde phát triển kiểu tháp kép, nền tảng của hầu hết xưởng tách khí lớn tới tận hôm nay. Ông Claude cũng là người đưa đèn neon ra công chúng, dùng chính neon thu được từ việc tách không khí.
Một xưởng tách khí làm việc ra sao
Nén và làm sạch
Không khí được hút qua bộ lọc bụi, nén lên khoảng 5–6 bar, làm mát. Sau đó nó đi qua các bình chứa rây phân tử để giữ lại hơi nước và CO₂. Bước này bắt buộc: ở nhiệt độ âm sâu, nước và CO₂ sẽ đông thành đá và đá khô, làm tắc thiết bị trao đổi nhiệt. Các hydrocarbon vết như axetylen cũng phải loại, vì chúng có thể tích tụ trong oxy lỏng và gây cháy nổ.
Làm lạnh trong hộp lạnh
Không khí sạch đi vào "hộp lạnh" (cold box), một khối cao như toà nhà nhiều tầng nhồi đầy vật liệu cách nhiệt. Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm nhôm cho khí nén vào gặp các dòng sản phẩm lạnh đi ra, và khí nén nguội tới gần điểm hoá lỏng. Một phần khí được cho qua máy giãn nở (turbo-expander) để sinh thêm lạnh bù cho phần nhiệt lọt vào hộp.
Tháp kép: mẹo áp suất tài tình
Tháp kép gồm hai cột chồng lên nhau. Cột dưới làm việc ở khoảng 5–6 bar, cột trên ở khoảng 1,2–1,4 bar. Giữa hai cột là một thiết bị vừa ngưng tụ vừa đun sôi.
Mẹo nằm ở chỗ áp suất làm thay đổi nhiệt độ sôi. Ở áp suất cao của cột dưới, nitơ ngưng tụ ở nhiệt độ "ấm" hơn so với oxy sôi ở áp suất thấp của cột trên. Vì vậy, nitơ ở cột dưới có thể nhả nhiệt để đun sôi oxy lỏng ở cột trên, còn chính nó ngưng lại thành nitơ lỏng làm dòng hồi lưu. Một thiết bị làm hai việc, không cần nồi đun hay máy lạnh riêng. Đây là ví dụ đẹp về việc dùng áp suất để điều khiển điểm sôi.
Kết quả: nitơ gần tinh khiết lấy ra ở đỉnh cột trên, oxy lỏng hoặc khí lấy ra ở đáy cột trên. Argon tích tụ ở một vùng giữa cột trên, được rút sang một cột phụ cao để tách riêng.
Đi ra thị trường: khí, lỏng hay chai
Sản phẩm của xưởng tách khí đến tay người dùng theo ba đường:
- Đường ống: nhà máy thép, nhà máy hoá chất lớn thường đặt xưởng tách khí ngay trong khuôn viên, cấp oxy và nitơ thẳng qua ống. Luyện thép trong lò thổi oxy tiêu thụ lượng oxy rất lớn.
- Dạng lỏng: oxy, nitơ, argon lỏng được chở bằng xe bồn cách nhiệt tới bồn chứa ở bệnh viện, khu công nghiệp. Một lít oxy lỏng hoá hơi thành khoảng 860 lít khí, một lít nitơ lỏng thành khoảng 700 lít khí, nên chở lỏng gọn hơn nhiều so với chở chai.
- Chai khí nén: nạp từ nguồn lỏng hoặc khí, cho xưởng hàn, phòng thí nghiệm, bệnh nhân điều trị tại nhà.
Với nhu cầu nhỏ, người ta còn dùng công nghệ không cần chưng cất: hấp phụ chuyển áp (PSA) cho oxy khoảng 90–95% hoặc nitơ, và màng tách khí cho nitơ. Máy tạo oxy y tế cỡ nhỏ ở nhà cũng là PSA thu nhỏ. Nhưng muốn độ tinh khiết rất cao, sản lượng lớn hay có argon thì chưng cất lạnh vẫn là lựa chọn chính.
Những điều nguy hiểm không nhìn thấy
Nitơ gây ngạt mà không báo trước
Nitơ không màu, không mùi, không độc, chính vì vậy nó nguy hiểm. Trong phòng kín hay bồn chứa có nhiều nitơ, oxy bị đẩy đi, người bước vào có thể ngất sau vài hơi thở mà không hề thấy khó thở trước. Cơ thể người cảm nhận "thiếu thở" qua CO₂ tích tụ, không phải qua thiếu oxy. Đã có nhiều tai nạn khi một người ngất trong bồn, người thứ hai lao vào cứu cũng ngất theo. Quy tắc trong công nghiệp: đo nồng độ oxy trước khi vào không gian kín, và không vào cứu khi chưa có thiết bị thở.
Oxy làm mọi thứ cháy dữ hơn
Oxy tự nó không cháy nhưng làm vật khác cháy mãnh liệt. Quần áo thấm khí giàu oxy có thể bắt lửa từ một tia nhỏ. Dầu mỡ gặp oxy áp suất cao ở van có thể tự bốc cháy. Vì vậy người dùng bình oxy tại nhà được dặn: không hút thuốc, không đun nấu gần bình, không bôi dầu mỡ vào van và đầu nối.
Bỏng lạnh
Chất lỏng ở −196 °C làm da bị tổn thương giống bỏng chỉ trong tích tắc nếu tiếp xúc lâu. Những món ăn vặt "bốc khói" dùng nitơ lỏng đã gây nhiều ca tổn thương miệng, dạ dày; cơ quan y tế khuyến cáo không ăn uống thực phẩm khi nitơ lỏng còn trong đó.
Góc nhìn hôm nay: tách khí và cuộc sống hằng ngày
Ít ai nghĩ tới chưng cất khi thấy bình oxy cạnh giường bệnh, túi bánh phồng căng nitơ hay que hàn trong xưởng cơ khí. Nhưng tất cả đều bắt đầu từ những cột tháp sáng đèn trong khu công nghiệp. Ở Việt Nam, các khu liên hợp gang thép lớn đều có xưởng tách khí riêng; các công ty khí công nghiệp vận hành xưởng ở nhiều khu công nghiệp và phân phối khí lỏng bằng xe bồn tới bệnh viện.
Muốn quan sát an toàn, có thể để ý bồn chứa trắng đứng thẳng ở sân sau các bệnh viện lớn: đó là bồn oxy lỏng, đôi khi bám tuyết trắng ở đường ống do hơi nước trong không khí đông lại. Thí nghiệm biểu diễn nitơ lỏng chỉ nên xem ở phòng thí nghiệm, bảo tàng khoa học hay buổi trình diễn có người hướng dẫn đeo găng, kính bảo hộ.
Câu hỏi thường gặp
Oxy công nghiệp được sản xuất như thế nào?
Phần lớn oxy công nghiệp được tách từ không khí bằng chưng cất ở nhiệt độ cực lạnh. Không khí được nén, làm sạch, làm lạnh tới hoá lỏng rồi chưng cất trong tháp; oxy sôi ở −183 °C nên đọng lại ở đáy tháp.
Nitơ lỏng lạnh bao nhiêu độ?
Nitơ lỏng sôi ở −195,8 °C dưới áp suất thường. Khi hoá hơi, một lít nitơ lỏng tạo ra khoảng 700 lít khí nitơ.
Vì sao nitơ nguy hiểm dù không độc?
Nitơ đẩy oxy ra khỏi không gian kín và gây ngạt. Vì không màu, không mùi và cơ thể không cảm nhận được thiếu oxy, người trong phòng kín có thể ngất mà không kịp nhận ra.
Máy tạo oxy tại nhà khác oxy từ nhà máy thế nào?
Máy tạo oxy tại nhà dùng hấp phụ chuyển áp để giữ nitơ lại, cho ra khí giàu oxy khoảng 90–95%. Oxy từ xưởng chưng cất lạnh có độ tinh khiết cao hơn và được cung cấp dạng lỏng hoặc chai nén.
Ai phát minh ra cách hoá lỏng không khí?
Carl von Linde người Đức hoá lỏng không khí ở quy mô công nghiệp năm 1895 và chạy thiết bị tách oxy bằng chưng cất năm 1902. Georges Claude người Pháp cùng thời kỳ cải tiến quy trình bằng máy giãn nở sinh công.
