Métodos e princípios de separação de gases utilizados na indústria

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Métodos e princípios comuns de separação de gases na indústria Os gases industrialmente utilizados incluem oxigênio, nitrogênio, argônio, dióxido de carbono, amônia líquida, cloro líquido, acetileno e hidrogênio, entre outros. Existem muitos métodos para a produção de gases industriais; aqui, serão apresentados brevemente alguns dos métodos mais comuns. I. Oxigênio Os principais métodos de produção de oxigênio industrial são a destilação por separação do ar liquefeito (abreviadamente, método de separação do ar), a eletrólise da água e o método de adsorção sob pressão variável. O processo de produção de oxigênio pelo método de separação por destilação a vácuo é, em resumo: absorção do ar → torre de absorção de dióxido de carbono → compressor → resfriador → desumidificador → congelador → separador de liquefação → separador de óleo → tanque de armazenamento de gás → compressor de oxigênio → enchimento do gás. Seu princípio básico é liquefazer o ar e, em seguida, utilizar as diferenças de ponto de ebulição dos diversos componentes do ar para realizarmos uma separação e destilação no separador de liquefação, com o objetivo de obter oxigênio. O desenvolvimento e a implementação de unidades grandes para produção de oxigênio permitiram que o consumo energético para sua produção diminuísse constantemente. Além disso, tornou-se possível produzir vários outros produtos derivados do ar, como nitrogênio, hélio e outros gases inertes. Para facilitar o armazenamento e o transporte, o oxigênio líquido, após ser separado pelo separador de liquefação, é bombeado para tanques de armazenamento de líquidos a baixa temperatura. Em seguida, é transportado por caminhões especializados até as estações de enchimento de gases permanentes em condições de frio extremo. Nitrogênio líquido e argônio líquido também são armazenados e transportados por este método. II. Nitrogênio Os principais métodos de produção de nitrogênio industrial são a separação por destilação fracionada, a adsorção sob pressão variável, a separação por membranas e o método de combustão. 　　O nitrogênio produzido pelo processo de separação por distância de vácuo possui alta pureza e baixo consumo de energia. A tecnologia de produção de nitrogênio por adsorção sob pressão utiliza peneiras moleculares de carbono do tipo 5A para realizar a adsorção seletiva dos componentes presentes no ar, separando o oxigênio do nitrogênio e, assim, obtendo nitrogênio puro. O nitrogênio produzido possui alta pressão e baixo consumo energético. A pureza do produto atende aos padrões exigidos: nitrogênio industrial ≥ 98,5%, e nitrogênio puro ≥ 99,95%. III. Argônio O argônio é o gás inerte mais abundante na atmosfera. Seu método principal de produção é o processo de separação do ar. No processo de produção de oxigênio, o argônio líquido é obtido ao separar, do separador de liquefação, a fração cujo ponto de ebulição é de aproximadamente -185,9°C. IV. Dióxido de carbono Os principais métodos de produção de dióxido de carbono são: a geração dele como subproduto da produção de cal; a sua produção durante o processo de fermentação na indústria cervejeira; a geração dele pela queima de óleos pesados e carvão; e a sua produção como subproduto da indústria de síntese de amônia. Atualmente, os principais materiais de partida para a indústria da amônia sintética são gás natural, gás de refinaria, gás de coque e carvão. Seus componentes principais são hidrocarbonetos com diferentes proporções de hidrogênio e carbono, além de carbono elementar. Em altas temperaturas, esses materiais reagem com vapor d’água, gerando um gás sintético composto principalmente de hidrogênio e monóxido de carbono. O monóxido de carbono é posteriormente convertido em dióxido de carbono. Os métodos de purificação do dióxido de carbono são: método de absorção, método de adsorção sob pressão variável, método de destilação por adsorção e método de separação por membranas. V. Amônia O método principal de produção de amônia é a síntese direta. O processo de síntese de amônia é o seguinte: em um forno de gás de água, ar e vapor d’água são soprados sobre carvão quente. Isso resulta na formação de um gás misto de nitrogênio e hidrogênio. Em seguida, por meio de processos como troca térmica, condensação do dióxido de carbono e sua absorção, são obtidos os gases necessários para a produção. O gás misturado e refinado é enviado, passando por filtros, resfriadores, separadores de amônia e aquecedores, até o reator de síntese, onde o amônia líquida é separada. VI. Cloro O método principal de produção de cloro para uso industrial é a eletrólise de água salgada saturada. O cloro de alta pureza é obtido na produção de metais reativos por eletrólise de cloretos fundidos. O hidrogênio clorídrico, um subproduto da indústria de síntese orgânica, pode ser oxidado e transformado em cloro, com a ajuda do ar ou do oxigênio como catalisador. VII. Gás acetileno Os principais métodos de produção de acetileno são a hidrólise do cálcio carbeto, a decomposição térmica do metano ou de hidrocarbonetos, e a decomposição por plasma. O processo de hidrólise do cálcio carbeto tem um ciclo de produção curto e um produto de alta pureza, mas consome muita energia. A maioria da produção de acetileno dissolvido utiliza este método. De acordo com as propriedades de dissolução do acetileno, o gás de acetileno é comprimido e inserido no solvente, sendo armazenado em cilindros de aço repletos de material poroso. O propileno, como um excelente solvente, é utilizado dentro dos cilindros de aço, onde é adsorvido por meio de materiais especiais, com o objetivo de dissolver e liberar o acetileno. Sua função é aumentar o volume útil do cilindro e reduzir a capacidade explosiva do gás acetileno. A função do preenchimento por sílica de cálcio poroso, como um todo, é absorver uniformemente o propano e impedir a propagação da explosão causada pela decomposição do acetileno. A promoção do uso de cilindros de acetileno dissolvido facilita o seu uso e aumenta a eficiência no trabalho. Além disso, isso melhora o meio ambiente e reduz o consumo de calçada. No entanto, é necessário garantir que o material poroso presente dentro dos cilindros não seja danificado ou contaminado. A quantidade de solvente utilizado deve ser suficiente para satisfazer as necessidades de enchimento com acetileno, a fim de assegurar segurança e confiabilidade. O processo de produção e enchimento de acetileno dissolvido é o seguinte: o gás de acetileno bruto é submetido a purificação química, com o objetivo de remover impurezas como enxofre e fósforo. Em seguida, é comprimido e secado, antes de ser armazenado nos cilindros de acetileno dissolvido. VIII. Hidrogênio Os principais métodos de produção de hidrogênio industrial são: a conversão de minerais por meio da queima, a eletrólise da água para produzir hidrogênio, e a obtenção do hidrogênio por meio do processo de gás semiaqueoso. O método de produção de hidrogênio por eletrólise da água é confiável, de operação simples, fácil de manter, não gera poluição e produz hidrogênio de alta pureza. No entanto, seu alto consumo de energia faz com que o custo seja elevado, o que limita seu desenvolvimento. Ele é utilizado principalmente por usuários que exigem alta pureza do hidrogênio e que consomem quantidades relativamente pequenas dele. Mas, com a aplicação de novas tecnologias, houve melhorias na técnica de eletrólise da água. Isso fez com que o custo da produção de hidrogênio por meio dessa técnica diminuísse constantemente, assim como o consumo de energia. Espera-se que ela se torne o principal método de produção de “energia limpa”. Atualmente, os métodos em desenvolvimento para a produção de hidrogênio incluem: a decomposição eletroquímica da água para obter hidrogênio, e a produção de hidrogênio por meio da fotocatálise. Transposto de: Química 707