Como todos os gases têm vários estados de agregação e podem ser liquefeitos, o ar, constituído por uma mistura de gases, também pode se tornar um líquido. Basicamente, o ar líquido é produzido para extrair dele oxigênio puro, nitrogênio e argônio.
Um pouco de história
Até o século 19, os cientistas acreditavam que o gás tinha apenas um estado de agregação, mas aprenderam a levar o ar ao estado líquido já no início do século passado. Isso foi feito usando uma máquina Linde, cujas peças principais eram um compressor (um motor elétrico equipado com uma bomba) e um trocador de calor, apresentado na forma de dois tubos enrolados em espiral, um dos quais passava dentro do outro. O terceiro componente do projeto era uma garrafa térmica, e o gás liquefeito era coletado dentro dela. As peças da máquina foram cobertas com materiais isolantes de calor para impedir o acesso ao gás térmico do lado de fora. O tubo interno localizado próximo ao pescoço terminava com um acelerador.
Trabalho com gás
A tecnologia para obtenção de ar liquefeito é bastante simples. Primeiro, a mistura de gases é limpa de poeira, partículas de água e também de dióxido de carbono. Há outro componente importante, sem o qual não será possível produzir ar líquido - pressão. Com a ajuda de um compressor, o ar é comprimido até 200-250 atmosferas,enquanto o resfria com água. Em seguida, o ar passa pelo primeiro trocador de calor, após o qual é dividido em dois fluxos, o maior deles vai para o expansor. Este termo refere-se a uma máquina de pistão que funciona expandindo o gás. Ele converte energia potencial em energia mecânica e o gás esfria porque realiza trabalho.
Além disso, o ar, tendo lavado os dois trocadores de calor e resfriando o segundo fluxo que vai em direção a ele, sai e é coletado em uma garrafa térmica.
Turbo expansor
Apesar de sua aparente simplicidade, o uso de um expansor é impossível em escala industrial. O gás obtido por estrangulamento através de um tubo fino acaba sendo muito caro, sua produção não é suficientemente eficiente e consome energia e, portanto, inaceitável para a indústria. No início do século passado, tratava-se de simplificar a fundição de ferro e, para isso, foi apresentada uma proposta para soprar ar de ar com alto teor de oxigênio. Assim, surgiu a questão sobre a produção industrial deste último.
O expansor do pistão rapidamente fica entupido com água gelada, então o ar deve ser seco primeiro, tornando o processo mais difícil e caro. O desenvolvimento de um turboexpansor usando uma turbina em vez de um pistão ajudou a resolver o problema. Posteriormente, os turboexpansores foram utilizados na produção de outros gases.
Aplicativo
O ar líquido em si não é usado em nenhum lugar, é um produto intermediário na obtenção de gases puros.
O princípio da separação dos constituintes baseia-se na diferença de ebuliçãopartes da mistura: o oxigênio ferve a -183° e o nitrogênio a -196°. A temperatura do ar líquido está abaixo de duzentos graus e, aquecendo-o, a separação pode ser realizada.
Quando o ar líquido começa a evaporar lentamente, o nitrogênio é o primeiro a evaporar e, depois que sua parte principal já evaporou, o oxigênio ferve a uma temperatura de -183 °. O fato é que, enquanto o nitrogênio permanece na mistura, ele não pode continuar aquecendo, mesmo que seja usado aquecimento adicional, mas assim que a maior parte do nitrogênio tiver evaporado, a mistura atingirá rapidamente o ponto de ebulição da próxima parte do mistura, ou seja, oxigênio.
Purificação
No entanto, desta forma é impossível obter oxigênio e nitrogênio puros em uma operação. O ar no estado líquido no primeiro estágio da destilação contém cerca de 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio, mas quanto mais o processo avança e menos nitrogênio permanece no líquido, mais oxigênio evapora com ele. Quando a concentração de nitrogênio no líquido cai para 50%, o teor de oxigênio no vapor aumenta para 20%. Portanto, os gases evaporados são novamente condensados e destilados uma segunda vez. Quanto mais destilações forem, mais limpos serão os produtos resultantes.
Na indústria
Evaporação e condensação são dois processos opostos. No primeiro caso, o líquido deve consumir calor e, no segundo caso, o calor será liberado. Se não houver perda de calor, o calor liberado e consumido durante esses processos é igual. Assim, o volume de oxigênio condensado será quase igual ao volumenitrogênio evaporado. Esse processo é chamado de retificação. A mistura de dois gases formada como resultado da evaporação do ar líquido é novamente passada através dele, e parte do oxigênio passa para o condensado, enquanto emite calor, devido ao qual parte do nitrogênio evapora. O processo é repetido muitas vezes.
A produção industrial de nitrogênio e oxigênio ocorre nas chamadas colunas de destilação.
Fatos interessantes
Quando em contato com oxigênio líquido, muitos materiais tornam-se quebradiços. Além disso, o oxigênio líquido é um agente oxidante muito poderoso, portanto, uma vez nele, as substâncias orgânicas queimam, liberando muito calor. Quando impregnadas com oxigênio líquido, algumas dessas substâncias adquirem propriedades explosivas descontroladas. Esse comportamento é típico de derivados de petróleo, que incluem asf alto convencional.
