Oxig�nio

� um dos elementos qu�micos b�sicos. Em sua forma mais comum, o oxig�nio � um g�s incolor encontrado no ar. � um dos elementos que sustentam a vida na Terra e � necess�rio para todos os animais. O oxig�nio tamb�m � usado em muitas aplica��es industriais, comerciais, m�dicas e cient�ficas. � usado em altos-fornos para fabricar a�o e � um componente importante na produ��o de muitos produtos qu�micos sint�ticos, incluindo am�nia, �lcoois e v�rios pl�sticos. Oxig�nio e acetileno s�o queimados juntos para fornecer as temperaturas muito altas necess�rias para soldagem e corte de metal. Quando o oxig�nio � resfriado abaixo de -297 � F (-183 � C), torna-se um l�quido azul p�lido que � usado como combust�vel de foguete.

O oxig�nio � um dos elementos qu�micos mais abundantes na Terra. Cerca de metade da crosta terrestre � composta de compostos qu�micos contendo oxig�nio, e um quinto de nossa atmosfera � g�s oxig�nio. O corpo humano � cerca de dois ter�os de oxig�nio. Embora o oxig�nio esteja presente desde o in�cio da investiga��o cient�fica, ele n�o foi descoberto e reconhecido como um elemento separado at� 1774, quando Joseph Priestley da Inglaterra o isolou aquecendo �xido de merc�rio em um tubo de ensaio invertido com os raios focalizados do sol. Priestley descreveu sua descoberta para o cientista franc�s Antoine Lavoisier, que experimentou mais e determinou que era um dos dois principais componentes do ar. Lavoisier nomeou o novo g�s oxig�nio usando as palavras gregas oxys, que significa azedo ou �cido, e genes, que significa produzir ou formar, porque ele acreditava que era uma parte essencial de todos os �cidos.

Em 1895, Karl Paul Gottfried von Linde da Alemanha e William Hampson da Inglaterra desenvolveram independentemente um processo para baixar a temperatura do ar at� que ele se liquefize. Pela destila��o cuidadosa do ar l�quido, os v�rios gases componentes podem ser fervidos um de cada vez e capturados. Este processo rapidamente se tornou a principal fonte de oxig�nio, nitrog�nio e arg�nio de alta qualidade.

Em 1901, o g�s oxig�nio comprimido foi queimado com g�s acetileno na primeira demonstra��o de soldagem oxi-acetileno. Esta t�cnica tornou-se um m�todo industrial comum de soldagem e corte de metais.

O primeiro uso de propulsores de foguetes l�quidos ocorreu em 1923, quando Robert Goddard, dos Estados Unidos, desenvolveu um motor de foguete usando gasolina como combust�vel e oxig�nio l�quido como oxidante. Em 1926, ele voou com sucesso um pequeno foguete de combust�vel l�quido a uma dist�ncia de 184 p�s (56 m) a uma velocidade de cerca de 60 mph (97 km/h).

Ap�s a Segunda Guerra Mundial, novas tecnologias trouxeram melhorias significativas para o processo de separa��o de ar usado para produzir oxig�nio. Os volumes de produ��o e os n�veis de pureza aumentaram enquanto os custos diminu�ram. Em 1991, mais de 470 bilh�es de p�s c�bicos (13,4 bilh�es de metros c�bicos) de oxig�nio foram produzidos nos Estados Unidos, tornando-se o segundo maior volume de g�s industrial em uso.

Mat�rias-primas

O oxig�nio pode ser produzido a partir de v�rios materiais, usando v�rios m�todos diferentes. O m�todo natural mais comum � a fotoss�ntese, na qual as plantas usam a luz solar para converter o di�xido de carbono do ar em oxig�nio. Isso compensa o processo de respira��o, no qual os animais convertem o oxig�nio do ar de volta em di�xido de carbono.

O m�todo comercial mais comum para a produ��o de oxig�nio � a separa��o do ar usando um processo de destila��o criog�nica ou um processo de adsor��o de v�cuo. Nitrog�nio e arg�nio tamb�m s�o produzidos separando-os do ar.

?O oxig�nio tamb�m pode ser produzido como resultado de uma rea��o qu�mica na qual o oxig�nio � liberado de um composto qu�mico e se torna um g�s. Este m�todo � usado para gerar quantidades limitadas de oxig�nio para suporte de vida em submarinos, aeronaves e naves espaciais.

O hidrog�nio e o oxig�nio podem ser gerados passando uma corrente el�trica atrav�s da �gua e coletando os dois gases � medida que borbulham. O hidrog�nio se forma no terminal negativo e o oxig�nio no terminal positivo. Este m�todo � chamado eletr�lise e produz hidrog�nio e oxig�nio muito puros. Ele usa uma grande quantidade de energia el�trica, no entanto, e n�o � econ�mico para produ��o em grande volume.

O processo de fabrica��o

A maior parte do oxig�nio comercial � produzida usando uma varia��o do processo de destila��o criog�nica originalmente desenvolvido em 1895. Esse processo produz oxig�nio com mais de 99% de pureza. Mais recentemente, o processo de adsor��o por oscila��o de v�cuo mais eficiente em termos de energia tem sido usado para um n�mero limitado de aplica��es que n�o requerem oxig�nio com mais de 90-93% de pureza.

Aqui est�o as etapas usadas para produzir oxig�nio comercial a partir do ar usando o processo de destila��o criog�nica.

Pr�-tratamento

Como esse processo utiliza uma se��o criog�nica extremamente fria para separar o ar, todas as impurezas que podem se solidificar ? como vapor de �gua, di�xido de carbono e certos hidrocarbonetos pesados ??? devem primeiro ser removidas para evitar que congelem e obstruam a tubula��o criog�nica.

Este tubo de ensaio � um dos artefatos mais populares no Henry Ford Museum & Greenfield Village em Dearborn, Michigan. Diz-se que cont�m o �ltimo suspiro de Thomas Alva Edison, o grande inventor. De acordo com o filho de Edison, Charles, um conjunto de oito tubos de ensaio vazios estava na mesa ao lado do leito de morte de Edison em 1931. Imediatamente ap�s a morte de Edison, seu m�dico colocou v�rios tubos nos l�bios de Edison para pegar o di�xido de carbono de seus pulm�es desinflados. . Em seguida, o m�dico selou cuidadosamente cada tubo com parafina e deu os tubos a Charles Edison. Charles Edison sabia que o �dolo de Henry Ford era Thomas Edison e presenteou Ford com um dos tubos como lembran�a.

H� alguma discuss�o entre os visitantes sobre a quantidade de di�xido de carbono e a quantidade de oxig�nio atualmente contida no tubo. Alguns perguntam se algu�m evacuou o tubo de oxig�nio antes de colocar o tubo na boca de Edison (muito improv�vel). Se n�o, quanto da respira��o de Edison poderia estar no tubo? Ent�o, dizem eles, cont�m tanto di�xido de carbono quanto oxig�nio? No entanto, � uma homenagem n�o convencional a um grande homem por aqueles que lamentam ver sua luz se extinguir.

• 1 - O ar � comprimido a cerca de 94 psi (650 kPa ou 6,5 atm) em um compressor de v�rios est�gios. Em seguida, passa por um p�s-resfriador resfriado a �gua para condensar qualquer �gua vapor, e a �gua condensada � removida em um separador de �gua.
• 2 O ar passa por um adsorvedor de peneira molecular. O adsorvedor cont�m adsorventes do tipo ze�lita e s�lica gel, que ret�m o di�xido de carbono, hidrocarbonetos mais pesados ??e quaisquer vest�gios remanescentes de vapor de �gua. Periodicamente, o adsorvedor � lavado para remover as impurezas retidas. Isso geralmente requer dois adsorvedores operando em paralelo, para que um possa continuar processando o fluxo de ar enquanto o outro � lavado.

Separando

O ar � separado em seus principais componentes ? nitrog�nio, oxig�nio e arg�nio ? por meio de um processo de destila��o conhecido como destila��o fracionada. �s vezes, esse nome � abreviado para fracionamento, e as estruturas verticais usadas para realizar essa separa��o s�o chamadas de colunas de fracionamento. No processo de destila��o fracionada, os componentes s�o gradualmente separados em v�rias etapas. Em cada est�gio o n�vel de concentra��o, ou fra��o, de cada componente � aumentado at� que a separa��o esteja completa.

Como todos os processos de destila��o funcionam com o princ�pio de ferver um l�quido para separar um ou mais dos componentes, uma se��o criog�nica � necess�ria para fornecer as temperaturas muito baixas necess�rias para liquefazer os componentes do g�s.

• 3 O fluxo de ar pr�-tratado � dividido. Uma pequena por��o do ar � desviada atrav�s de um compressor, onde sua press�o � aumentada. � ent�o resfriado e permitido expandir at� quase a press�o atmosf�rica. Essa expans�o resfria rapidamente o ar, que � injetado na se��o criog�nica para fornecer as temperaturas frias necess�rias para a opera��o.
• 4 A corrente principal de ar passa por um lado de um par de trocadores de calor de placas operando em s�rie, enquanto oxig�nio e nitrog�nio muito frios da se��o criog�nica passam pelo outro lado. A corrente de ar de entrada � resfriada, enquanto o oxig�nio e o nitrog�nio s�o aquecidos. Em algumas opera��es, o ar pode ser resfriado passando-o por uma v�lvula de expans�o em vez do segundo trocador de calor. Em ambos os casos, a temperatura do ar � reduzida ao ponto em que o oxig�nio, que tem o ponto de ebuli��o mais alto, come�a a se liquefazer.
• 5 A corrente de ar ? agora parte l�quida e parte g�s ? entra na base da coluna de fracionamento de alta press�o. � medida que o ar sobe pela coluna, ele perde calor adicional. O oxig�nio continua a se liquefazer, formando uma mistura rica em oxig�nio no fundo da coluna, enquanto a maior parte do nitrog�nio e do arg�nio fluem para o topo como vapor.
• 6 A mistura de oxig�nio l�quido, chamada de oxig�nio l�quido bruto, � retirada do fundo da coluna de fracionamento inferior e � resfriada ainda mais no subresfriador. Parte dessa corrente � expandida at� quase a press�o atmosf�rica e � alimentada na coluna de fracionamento de baixa press�o. � medida que o oxig�nio l�quido bruto desce pela coluna, a maior parte do nitrog�nio e do arg�nio restantes se separam, deixando 99,5% de oxig�nio puro na parte inferior da coluna.
• 7 Enquanto isso, o vapor de nitrog�nio/arg�nio do topo da coluna de alta press�o � resfriado ainda mais no subresfriador. O vapor misturado pode expandir at� quase a press�o atmosf�rica e � alimentado no topo da coluna de fracionamento de baixa press�o. O nitrog�nio, que tem o ponto de ebuli��o mais baixo, se transforma primeiro em g�s e flui para o topo da coluna como nitrog�nio 99,995% puro.
• 8 O arg�nio, que tem um ponto de ebuli��o entre o oxig�nio e o nitrog�nio, permanece um vapor e come�a a afundar � medida que o nitrog�nio evapora. � medida que o vapor de arg�nio atinge um ponto cerca de dois ter�os da coluna, a concentra��o de arg�nio atinge seu m�ximo de cerca de 7-12% e � retirada para uma terceira coluna de fracionamento, onde � recirculada e refinada. O produto final � uma corrente de arg�nio bruto contendo 93-96% de arg�nio, 2-5% de oxig�nio e o restante nitrog�nio com tra�os de outros gases.

Purificador

O oxig�nio no fundo da coluna de baixa press�o � cerca de 99,5% puro. As unidades de destila��o criog�nica mais recentes s�o projetadas para recuperar mais arg�nio da coluna de baixa press�o, e isso melhora a pureza do oxig�nio para cerca de 99,8%.

• 9 Se for necess�ria maior pureza, uma ou mais colunas de fracionamento adicionais podem ser adicionadas em conjunto com a coluna de baixa press�o para refinar ainda mais o produto de oxig�nio. Em alguns casos, o oxig�nio tamb�m pode passar por um catalisador para oxidar quaisquer hidrocarbonetos. Esse processo produz di�xido de carbono e vapor de �gua, que s�o ent�o capturados e removidos.

Distribui��o

Cerca de 80-90% do oxig�nio produzido nos Estados Unidos � distribu�do aos usu�rios finais em gasodutos de plantas de separa��o de ar pr�ximas. Em algumas partes do pa�s, uma extensa rede de dutos atende muitos usu�rios finais em uma �rea de centenas de quil�metros. O g�s � comprimido a cerca de 500 psi (3,4 MPa ou 34 atm) e flui atrav�s de tubos de 10 a 30 cm de di�metro. A maior parte do oxig�nio restante � distribu�da em reboques-tanque isolados ou vag�es-tanque ferrovi�rios como oxig�nio l�quido.

• 10 Se o oxig�nio for liquefeito, esse processo geralmente � feito dentro da coluna de fracionamento de baixa press�o da planta de separa��o de ar. O nitrog�nio do topo da coluna de baixa press�o � comprimido, resfriado e expandido para liquefazer o nitrog�nio. Essa corrente de nitrog�nio l�quido � ent�o realimentada na coluna de baixa press�o para fornecer o resfriamento adicional necess�rio para liquefazer o oxig�nio � medida que ele afunda no fundo da coluna.
• 11 Como o oxig�nio l�quido tem um alto ponto de ebuli��o, ele evapora rapidamente e raramente � transportado para mais de 800 km. � transportado em grandes tanques isolados. O corpo do tanque � constru�do com duas conchas e o ar � evacuado entre a concha interna e externa para retardar a perda de calor. O espa�o de v�cuo � preenchido com um material isolante semi-s�lido para interromper ainda mais o fluxo de calor do lado de fora.

Controle de qualidade

A Compressed Gas Association estabelece padr�es de classifica��o para oxig�nio gasoso e oxig�nio l�quido com base na quantidade e tipo de impurezas presentes. Os graus de g�s s�o chamados de Tipo I e variam de A, que � 99,0% puro, a F, que � 99,995% puro. Os graus l�quidos s�o chamados de Tipo II e tamb�m variam de A a F, embora os tipos e quantidades de impurezas permitidas nos graus l�quidos sejam diferentes dos graus gasosos. Tipo I Grau B e Grau C e Tipo II Grau C s�o 99,5% puros e s�o os graus de oxig�nio mais comumente produzidos. Eles s�o usados ??na fabrica��o de a�o e na fabrica��o de produtos qu�micos sint�ticos.

A opera��o das unidades de separa��o de ar de destila��o criog�nica � monitorada por instrumentos autom�ticos e muitas vezes usa controles de computador. Como resultado, sua produ��o � consistente em qualidade. Amostragem e an�lise peri�dicas do produto final garantem que os padr�es de pureza estejam sendo atendidos.

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