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 \mathrm{O_2}, \mathrm{N_2} e \mathrm{Ar}.
  • Explicar como esse processo acontece.
Informações relevantes que vamos usar (dados gerais que ajudam na explicação):
  • Composição aproximada do ar atmosférico por volume: \mathrm{N_2}\approx78{,}08\%,\quad \mathrm{O_2}\approx20{,}95\%,\quad \mathrm{Ar}\approx0{,}93\%.
  • Pontos de ebulição (à pressão de 1 atm): T_{b}(\mathrm{N_2})\approx -195{,}79^\circ\mathrm{C},\quad T_{b}(\mathrm{Ar})\approx -185{,}85^\circ\mathrm{C},\quad T_{b}(\mathrm{O_2})\approx -182{,}96^\circ\mathrm{C}.

Passo 2

Resposta curta: qual é o principal processo?
  • O principal processo industrial para obter \mathrm{O_2}, \mathrm{N_2} e \mathrm{Ar} 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 ( \mathrm{N_2} é mais volátil, depois \mathrm{Ar}, depois \mathrm{O_2}). Isso permite separá-los por destilação fracionada: o topo da coluna será rico em \mathrm{N_2}, o fundo rico em \mathrm{O_2}, e \mathrm{Ar} 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 \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O} 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 \mathrm{N_2}, \mathrm{Ar} e \mathrm{O_2} 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 ( \mathrm{N_2}).
    • O líquido que desce fica progressivamente enriquecido no componente menos volátil ( \mathrm{O_2}).
    • Refluxo: parte do condensado volta para a coluna como líquido de refluxo para aumentar a eficiência da separação (mais etapas de vaporização-condensação simuladas).
  • Resultado típico:
    • Topo: corrente rica em \mathrm{N_2} (vapor), que pode ser condensada e armazenada como \mathrm{N_2} líquido ou gasoso.
    • Fundo: corrente rica em \mathrm{O_2} (líquido concentrado), que é extraída e vaporizada/armazenada como \mathrm{O_2}.

Passo 7

Separação específica do argônio
  • O argônio tem ponto de ebulição intermediário entre \mathrm{N_2} e \mathrm{O_2} ( T_b(\mathrm{Ar}) está entre T_b(\mathrm{N_2}) e T_b(\mathrm{O_2})), 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 \mathrm{Ar} de \mathrm{O_2}.
  • Por causa das proximidades nos pontos de ebulição entre \mathrm{Ar} e \mathrm{O_2}, 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 \mathrm{N_2}.
    • Fundo → principalmente \mathrm{O_2}.
    • Saída lateral entre as fases → corrente enriquecida em \mathrm{Ar} → coluna de argônio → \mathrm{Ar} puro.
  • 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 \mathrm{O_2} (concentradores médicos, purezas típicas até \sim90\!-\!95\%) ou \mathrm{N_2} 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 \mathrm{N_2} ou produção de correntes pobres em \mathrm{O_2}. Também indicado para portes menores e quando purezas moderadas bastam.
  • Comparação: para grandes volumes e altas purezas (especialmente \mathrm{Ar} e \mathrm{O_2} 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 \mathrm{N_2},\mathrm{O_2},\mathrm{Ar}.
  • Lembre-se dos pontos de ebulição: \mathrm{N_2} muito mais volátil ( \approx -195{,}8^\circ\mathrm{C}), \mathrm{O_2} menos volátil ( \approx -183{,}0^\circ\mathrm{C}), \mathrm{Ar} no meio ( \approx -185{,}8^\circ\mathrm{C}). Isso explica a ordem de saída na coluna.
  • Se pedirem alternativas ou explicarem por que \mathrm{Ar} precisa de etapa extra, cite a proximidade dos pontos de ebulição entre \mathrm{Ar} e \mathrm{O_2} e a necessidade de uma coluna adicional/retificação intensiva.

Resposta

Destilação fracionada criogênica do ar liquefeito (separação criogênica do ar).

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