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2025-02-28 09:56:40 João Lopes: Deleted Oxigenio.md| Utilidades industriais/Oxigenio.md .. /dev/null | |
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| - | # **Oxigénio** |
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| - | Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra |
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| - | Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina de Integração e |
| - | Intensificação de Processos do mestrado de Engenharia Química |
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| - | **João Lopes - 2020222693** |
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| - | ## **1. Introdução** |
| - | |
| - | O oxigénio, elemento essencial à vida na terra, desempenha um papel |
| - | fundamental na indústria moderna. Como segundo elemento mais abundante |
| - | na atmosfera terrestre, o oxigénio tem vindo a ser amplamente utilizado |
| - | em diversos processos industriais, tornando-se uma utilidade |
| - | indispensável em diversos setores económicos e industriais. Para isso, |
| - | contribuíram desenvolvimentos tecnológicos e novas regulamentações de |
| - | sustentabilidade que tornam o oxigénio como uma alternativa perfeita |
| - | para mitigar o impacto ambiental de algumas indústrias. |
| - | |
| - | Este trabalho tem como objetivo analisar a importância do oxigénio para |
| - | a indústria nos dias de hoje, contribuindo, também, para a eficiência, |
| - | sustentabilidade e inovação tecnológica de diversos processos de |
| - | produção. |
| - | |
| - | ## **2. História** |
| - | |
| - | O oxigénio foi descoberto de forma independente por Carl Wilhelm Scheele |
| - | em 1773 e Joseph Priestley em 1774. Antoine Lavoisier, em 1777, deu o |
| - | nome ao elemento e realizou ensaios de modo a desacreditar a teoria do |
| - | flogisto. Esta teoria foi desenvolvida por Georg Ernst Stahl anos antes |
| - | e acreditava que todos os compostos combustíveis possuíam uma matéria |
| - | chamada flogisto, que era libertada para o ar nos processos de combustão |
| - | e oxidação. |
| - | |
| - | No final do século XIX e início do XX, o avanço das tecnologias de |
| - | separação de gases do ar permitiu a produção de oxigénio em larga |
| - | escala. Processos como o método de Linde, desenvolvido por Carl von |
| - | Linde, permitiram que a indústria se expandisse possibilitando a |
| - | obtenção de oxigénio líquido e gasoso. Em 1923, o cientista |
| - | norte-americano Robert Goddard foi a primeira pessoa a desenvolver um |
| - | motor de foguete, com uso de gasolina como combustível e oxigénio |
| - | líquido como oxidante.<sup>\[1\]</sup> |
| - | |
| - | ## **3. Propriedades físicas** |
| - | |
| - | > Entre as propriedades físicas do oxigénio podemos destacar as |
| - | > seguintes: |
| - | |
| - | - Estado físico: gasoso, líquido e sólido; |
| - | |
| - | - Cor: no estado gasoso é incolor e no estado líquido e sólido possui |
| - | uma coloração azulada; |
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| - | - Peso molecular: 32 g/mol; |
| - | |
| - | - Densidade: no estado gasoso (0ºC e 1 atm) 1,429 kg/m<sup>3</sup> e |
| - | no estado líquido (-183ºC) 1141 kg/m<sup>3</sup>; |
| - | |
| - | - Ponto de fusão: -218,76ºC (1 atm); |
| - | |
| - | - Ponto de ebulição: -182,97ºC (1 atm); |
| - | |
| - | - Temperatura crítica: -118,9ºC (1 atm); |
| - | |
| - | - Pressão crítica: 50,4 atm; |
| - | |
| - | - Solubilidade em água: 8,3 mg/L (20ºC e 1 atm) e 14,6 mg/L (0ºC e 1 |
| - | atm); |
| - | |
| - | - Condutividade térmica: estado gasoso (0ºC e 1 atm) 0,02674 W/(m.K) e |
| - | estado líquido (-183ºC) 0,152 W/(m.K).<sup>\[2\]</sup> |
| - | |
| - | ## **4. Produção e separação do Oxigénio** |
| - | |
| - | Atualmente são três os processos mais utilizados para a obtenção do |
| - | oxigénio em ambiente industrial: |
| - | |
| - | ### **Processo de destilação fracionada do ar** |
| - | |
| - | O processo de destilação fracionada do ar é o processo mais utilizado em |
| - | larga escala pelas indústrias, especialmente para obter oxigénio com |
| - | alta pureza (99% ou superior). Este método é o ideal para indústrias que |
| - | necessitam de grandes quantidades de oxigénio como na indústria |
| - | metalúrgica, nos processos de soldagem ou na produção de aço. |
| - | |
| - | Este processo baseia-se na separação dos diferentes componentes do ar |
| - | (como azoto, oxigénio e outros gases como dióxido de carbono, árgon e |
| - | vapor de água), com base na diferença dos seus pontos de ebulição. |
| - | |
| - | Primeiro, o ar atmosférico é comprimido e é arrefecido rapidamente para |
| - | reduzir a sua temperatura. Isto faz com que os componentes do ar |
| - | condensem. Após esta etapa, o ar é liquefeito a temperaturas em torno |
| - | dos -200ºC, de modo a facilitar a separação dos componentes do ar. De |
| - | seguida, o ar líquido é aquecido lentamente numa coluna de destilação e, |
| - | à medida que a mistura aquece, os gases começam-se a separar com base |
| - | nos seus pontos de ebulição, obtendo-se, assim, os gases que compõe o |
| - | ar. O oxigénio é armazenado em tanques criogénicos, projetados |
| - | especialmente para manter a temperatura extremamente baixa. Posto isto, |
| - | o oxigénio pode também passar por processos de purificação dependendo da |
| - | sua utilização e aplicação. |
| - | |
| - | <img src="image1.jpeg" alt="Processo de destilação fracionada do ar"> |
| - | |
| - | **Figura 1**: Processo de destilação fracionada do ar. |
| - | |
| - | ### **Separação por adsorção (PSA)** |
| - | |
| - | Este processo baseia-se na capacidade que certos materiais adsorventes |
| - | têm em absorver o azoto presente no ar, separando-o do oxigénio. A |
| - | separação por adsorção é bastante utilizada em processos que não |
| - | requerem uma pureza tão grande como no processo de destilação |
| - | fracionada, visto que se consegue obter oxigénio com pureza entre os 90% |
| - | e os 95%. É utilizado em sistemas médicos, indústrias alimentares, |
| - | tratamento de águas e em algumas soldagens. |
| - | |
| - | O PSA funciona com base na diferença de afinidade de adsorção dos gases |
| - | que compõe o ar. Começa com a entrada de ar comprimido a alta pressão, |
| - | que é forçado a entrar numa câmara de adsorção, que contém materiais |
| - | adsorventes como o zeólito (grande absorvente de azoto). O azoto é |
| - | absorvido pelo material adsorvente e é separado da mistura, enquanto o |
| - | oxigénio continua e sai da câmara de adsorção, podendo ser armazenado. |
| - | Após algum tempo, a câmara é despressurizada, o que faz com que o azoto |
| - | se liberte do material absorvente e possa ser armazenado. Este processo |
| - | funciona em contínuo em larga escala para permitir a produção de |
| - | oxigénio em ciclos contínuos.<sup>\[3\]</sup> |
| - | |
| - | <img src="image2.jpeg" alt="Processo de separação por adsorção PSA"> |
| - | |
| - | **Figura 2**: Processo de separação por adsorção PSA |
| - | |
| - | ### **Separação por membranas** |
| - | |
| - | A separação por membranas é uma tecnologia mais recente, utilizada para |
| - | separar os componentes do ar com base nas suas propriedades físicas e |
| - | químicas, usando membranas seletivas. Este processo é geralmente mais |
| - | simples e mais económico, mas é mais adequado, à semelhança da separação |
| - | PSA, para aplicações que necessitem de purezas de oxigénio entre os 90% |
| - | e os 95%. Assim, adequar-se-á para aplicações médicas, industriais e |
| - | alimentares. |
| - | |
| - | A principal força de separação neste processo é a permeabilidade, que |
| - | difere entre os componentes do ar, separando-os. O ar comprimido a alta |
| - | pressão é introduzido num sistema que contém membranas de separação com |
| - | poros microscópicos, capazes de permitir a passagem de certos gases |
| - | enquanto retém os outros. O azoto tende a passar mais rapidamente pela |
| - | membrana dada a sua maior afinidade com a membrana e, por isso, o |
| - | oxigénio fica concentrado do lado não permeado. O oxigénio é |
| - | posteriormente armazenado e pronto a ser utilizado.<sup>\[4\]</sup> |
| - | |
| - | <img src="image3.jpeg" alt="Processo de separação por membranas"> |
| - | |
| - | **Figura 3**: Processo de separação por membranas |
| - | |
| - | ## **5. Armazenamento, transporte e segurança** |
| - | |
| - | O oxigénio pode ser armazenado de duas formas: em estado gasoso, sendo |
| - | pressurizado, ou em estado líquido a temperaturas criogénicas. |
| - | |
| - | O oxigénio, ao ser armazenado em estado gasoso, requer cilindros |
| - | pressurizados de alta resistência projetados para suportar até 200 bar. |
| - | Estes cilindros são utilizados para armazenar oxigénio em pequenas |
| - | quantidades como em hospitais, ambulâncias ou em indústrias. Os tanques |
| - | de armazenamento são utilizados para grandes volumes de oxigénio que |
| - | normalmente se situam instalados nas fábricas de produção ou em fábricas |
| - | que necessitem deste composto neste processo. Estes equipamentos são |
| - | constituídos por diversos controladores de pressão e temperatura de modo |
| - | a garantir a conformidade do oxigénio armazenado. |
| - | |
| - | Em estado líquido, o oxigénio é armazenado em tanques criogénicos. Estes |
| - | são projetados para manter o oxigénio a temperaturas extremamente baixas |
| - | (na ordem dos -183ºC), sendo muito bem isolados termicamente (camadas de |
| - | vácuo ou isolamento a gás), para minimizar ao máximo a troca de calor |
| - | com o exterior e evitar a evaporação do oxigénio. Este sistema também |
| - | necessita de um controlo preciso em termos de pressão e temperatura para |
| - | garantir os parâmetros adequados. |
| - | |
| - | O transporte do oxigénio envolve cuidados especiais, dado que é um gás |
| - | extremamente reativo e pode aumentar a inflamabilidade de vários |
| - | materiais. Pode ser transportado em estado gasoso, na forma de cilindros |
| - | altamente pressurizados, ou, então, em camiões especialmente equipados |
| - | com controladores de pressão e ventilação para garantir a segurança no |
| - | transporte. Pode, também, ser transportado em estado líquido em camiões |
| - | com tanques criogénicos altamente isolados para manter a temperatura do |
| - | oxigénio constante. |
| - | |
| - | O oxigénio, embora não sendo inflamável, aumenta a inflamabilidade de |
| - | outros materiais, por isso, qualquer fonte de ignição pode resultar num |
| - | incêndio ou numa explosão quando está em concentrações elevadas. Quando |
| - | em armazenamento o oxigénio deve ser armazenado longe de fontes de calor |
| - | ou material inflamável bem como em áreas bem ventiladas e bem |
| - | sinalizadas. |
| - | |
| - | Os trabalhadores que estejam em contacto com oxigénio devem usar EPI’s |
| - | (equipamento de proteção individual) como luvas, óculos de proteção e |
| - | roupa não inflamável. Estes trabalhadores devem também possuir treino |
| - | adequado para transportar, armazenar e manusear |
| - | oxigénio.<sup>\[5\]\[6\]</sup> |
| - | |
| - | <img src="image4.jpeg" alt="Tanque criogénico"> |
| - | |
| - | **Figura 4**: Tanque criogénico |
| - | |
| - | <img src="image5.jpeg" alt="Camião criogénico"> |
| - | |
| - | **Figura 5**: Camião de transporte com tanque criogénico |
| - | |
| - | ## **6. Aplicações industriais do Oxigénio** |
| - | |
| - | O oxigénio, como já referido anteriormente, é dos gases industriais mais |
| - | utilizados na indústria graças às suas propriedades únicas. Entre estas, |
| - | podemos destacar: |
| - | |
| - | - **Metalurgia e Siderurgia**: é amplamente utilizado na produção de |
| - | aço e ferro, onde desempenha um papel fundamental na remoção de |
| - | impurezas e no aumento da eficiência dos processos de fusão, como no |
| - | BOF (Basic Oxygen Furnace), na fabricação de aço por oxigénio básico |
| - | e no corte e soldagem do ferrem chapas metálicas. |
| - | |
| - | - **Indústria Química e Petroquímica**: o oxigénio é essencial para a |
| - | produção de amoníaco, metanol, ácido sulfúrico, ácido nítrico, entre |
| - | outros. É também utilizado em muitos processos que envolvam |
| - | oxidações e de combustão como na produção de polímeros e plásticos e |
| - | em refinarias de petróleo. |
| - | |
| - | - **Indústria de Energia e Meio Ambiente**: é utilizado em energia e |
| - | no meio ambiente, principalmente na gaseificação do carvão e da |
| - | biomassa para obter gás síntese, bem como no tratamento de águas |
| - | residuais para remover impurezas e degradar a matéria orgânica. |
| - | |
| - | - **Indústria do Papel e da Celulose**: com o desenvolvimento |
| - | tecnológico, o oxigénio começou a ser utilizado em muito mais áreas |
| - | (como é o caso desta indústria) para tornar os processos mais |
| - | ecológicos. Este composto é utilizado principalmente no |
| - | branqueamento da pasta e do papel bem como no tratamento dos |
| - | efluentes que dela advêm. |
| - | |
| - | - **Indústria Alimentar**: o oxigénio é também utilizado na |
| - | fermentação para produzir cerveja, vinho e laticínios bem como em |
| - | embalagens para aumentar o tempo de conservação. |
| - | |
| - | - **Medicina e Saúde**: na medicina; o oxigénio é utilizado em |
| - | terapias respiratórias, anestesias, cuidados intensivos e em câmaras |
| - | hiperbáricas quando em caso de intoxicações por monóxido de |
| - | carbono.<sup>\[1\]\[7\]</sup> |
| - | |
| - | ## **7. Conclusão** |
| - | |
| - | O oxigénio é um elemento fundamental à vida e um recurso essencial na |
| - | indústria moderna. É amplamente utilizado desde a indústria química e |
| - | alimentar, à medicina e ao tratamento de águas residuais. A transição da |
| - | indústria para processos mais sustentáveis e com menos impactos |
| - | ambientais levou ao aumento da pesquisa e ao desenvolvimento de |
| - | tecnologias alternativas às existentes, muitas delas com base em |
| - | elementos abundantes como o oxigénio. Assim, a sua utilização está em |
| - | expansão e não só impulsiona a indústria, mas é também considerada uma |
| - | peça fundamental na diminuição do impacto ambiental e na preservação dos |
| - | ecossistemas. |
| - | |
| - | ## **8. Bibliografia** |
| - | |
| - | \[1\] Oxigénio, in Wikipédia, disponível em: |
| - | <https://pt.wikipedia.org/wiki/Oxig%C3%A9nio>, (consultado em |
| - | 24/02/2025). |
| - | |
| - | \[2\] Hamilton Company, Properties of Oxygen, disponível em: |
| - | <https://www.hamiltoncompany.com/process-analytics/dissolved-oxygen-knowledge/why-oxygen/properties-of-oxygen>, |
| - | (consultado em 24/02/2025). |
| - | |
| - | \[3\] Ferreira, L., Processos cíclicos de adsorção, Slides de Processos |
| - | de Separação Avançados, Universidade de Coimbra, Faculdade de Ciências e |
| - | Tecnologia, 2024/2025. |
| - | |
| - | \[4\] Ferreira, L., Membrane Processes, Slides de Processos de Separação |
| - | Avançados, Universidade de Coimbra, Faculdade de Ciências e Tecnologia, |
| - | 2024/2025. |
| - | |
| - | \[5\] Linde Portugal, Conselhos de segurança, disponível em: |
| - | <https://www.linde-gas.pt/shop/pt/pt-ig/conselhos-de-seguranca>, |
| - | (consultado em 24/02/2025). |
| - | |
| - | \[6\] Air Liquide Brasil, Segurança no trabalho: cuidados na aplicação |
| - | de gases, disponível em: |
| - | <https://br.airliquide.com/seguranca-no-trabalho-cuidados-na-aplicacao-de-gases>, |
| - | (consultado em 24/02/2025). |
| - | |
| - | \[7\] Gifel-Engenharia de incêndio, Aplicações do Oxigénio no |
| - | quotidiano, disponível em: |
| - | <https://www.gifel.com.br/aplicacoes-oxigenio-cotidiano/>, (consultado |
| - | em 24/02/2024). |