Qual o principal processo para obtenção de O 2 , N 2 e Ar ? Explique como acontece.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Dizer qual é o principal processo industrial utilizado para obter
, e . - Explicar como esse processo acontece.
Informações relevantes que vamos usar (dados gerais que ajudam na explicação):
- Composição aproximada do ar atmosférico por volume:
- Pontos de ebulição (à pressão de 1 atm):
Passo 2
Resposta curta: qual é o principal processo?
- O principal processo industrial para obter
, e é a destilação fracionada criogênica do ar liquefeito (geralmente chamada de separação criogênica do ar).
Vou agora explicar passo a passo por que e como isso funciona.
Passo 3
Princípio físico que permite a separação: diferença de volatilidade
- Quando uma mistura líquida é aquecida, o componente com menor ponto de ebulição vaporiza mais facilmente (é mais volátil). Numa coluna de destilação que permite múltiplas etapas de vaporização-condensação, ocorrendo refluxo, a composição do vapor que sobe e do líquido que desce vai ficando progressivamente mais rica no componente mais volátil.
- No ar liquefeito os três gases têm pontos de ebulição diferentes (
é mais volátil, depois , depois ). Isso permite separá-los por destilação fracionada: o topo da coluna será rico em , o fundo rico em , e aparece numa faixa intermediária e precisa de uma etapa adicional para sua separação pura.
Passo 4
Etapa 1 do processo industrial: purificação do ar antes de resfriar
- O ar atmosférico passa por filtros e secadores para remover poeira, vapor d’água, dióxido de carbono e hidrocarbonetos.
- Por que isso é obrigatório? Porque
e congelam/solidificam nas temperaturas criogênicas e entupiriam as trocas térmicas e colunas. Então usa-se adsorventes (tamises moleculares, glicol, etc.) para deixá-lo limpo.
Passo 5
Etapa 2: compressão e resfriamento até liquefazer o ar
- O ar é comprimido a alta pressão (várias atmosferas) e então resfriado em trocadores de calor. Alguns ciclos usam expansão isentrópica (turbinas de expansão) ou efeito Joule–Thomson para obter temperaturas muito baixas.
- O objetivo é liquefazer parte do ar. O ar líquido contém
, e misturados nas proporções próximas às do ar.
Passo 6
Etapa 3: destilação fracionada criogênica (colunas de retificação)
- A separação principal é feita em colunas de destilação operando em temperaturas criogênicas. Normalmente usa-se um sistema com duas colunas acopladas (coluna a alta pressão e coluna a baixa pressão) para maior eficiência energética.
- Como funciona em linhas gerais:
- O vapor que sobe na coluna fica progressivamente enriquecido no componente mais volátil (
). - O líquido que desce fica progressivamente enriquecido no componente menos volátil (
). - Refluxo: parte do condensado volta para a coluna como líquido de refluxo para aumentar a eficiência da separação (mais etapas de vaporização-condensação simuladas).
- O vapor que sobe na coluna fica progressivamente enriquecido no componente mais volátil (
- Resultado típico:
- Topo: corrente rica em
(vapor), que pode ser condensada e armazenada como líquido ou gasoso. - Fundo: corrente rica em
(líquido concentrado), que é extraída e vaporizada/armazenada como .
- Topo: corrente rica em
Passo 7
Separação específica do argônio
- O argônio tem ponto de ebulição intermediário entre
e ( está entre e ), então numa primeira destilação aparece como fração intermediária. - Para obter argônio altamente puro costuma-se:
- Extrair uma corrente lateral da coluna baixa em oxigênio (um líquido relativamente rico em argônio).
- Enviar essa fração para uma coluna especial de argônio (coluna de retificação adicional) onde pequenas diferenças de volatilidade e refluxo intenso permitem separar
de .
- Por causa das proximidades nos pontos de ebulição entre
e , a purificação de argônio exige colunas com muitos pratos ou empacamento eficiente e bom controle de refluxo; às vezes também é usada uma etapa de adsorção para polir a pureza.
Passo 8
Exemplo de fluxo simplificado (para visualizar)
- Ar limpo → compressão → resfriamento e liquefação → coluna de alta pressão / coluna de baixa pressão:
- Topo → principalmente
. - Fundo → principalmente
. - Saída lateral entre as fases → corrente enriquecida em
→ coluna de argônio → puro.
- Topo → principalmente
- Esta configuração é a base das plantas de separação do ar usadas em siderúrgicas, indústrias químicas e em fábricas de gases de grande porte.
Passo 9
Alternativas ao método criogênico e quando são usadas
- PSA (Pressure Swing Adsorption): usa adsorventes (geralmente zeólitas) que retêm seletivamente um componente sob pressão; alterando a pressão o adsorvente é regenerado. É muito usado para gerar
(concentradores médicos, purezas típicas até ) ou para aplicações que não exigem altíssima pureza. Vantagem: simplicidade, operação em temperatura ambiente, bom para pequena escala. - Membranas: separam pelo diferencial de permeabilidade dos gases através de membranas poliméricas; úteis para enriquecimento de
ou produção de correntes pobres em . Também indicado para portes menores e quando purezas moderadas bastam. - Comparação: para grandes volumes e altas purezas (especialmente
e de alta pureza) o método criogênico é economicamente preferível. PSA/membranas competem em pequena escala ou onde eficiência energética/baixo investimento inicial são mais importantes.
Passo 10
Resumo prático e dicas para lembrar (na prova)
- Regra rápida: “ar → resfriar/liq. → destilação criogênica” é a receita para
. - Lembre-se dos pontos de ebulição:
muito mais volátil ( ), menos volátil ( ), no meio ( ). Isso explica a ordem de saída na coluna. - Se pedirem alternativas ou explicarem por que
precisa de etapa extra, cite a proximidade dos pontos de ebulição entre e e a necessidade de uma coluna adicional/retificação intensiva.
Resposta
Destilação fracionada criogênica do ar liquefeito (separação criogênica do ar).