Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra

Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina de Integração e

Intensificação de Processos do mestrado de Engenharia Química

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.

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.^\[1\]

- Estado físico: gasoso, líquido e sólido;

- Cor: no estado gasoso é incolor e no estado líquido e sólido possui

uma coloração azulada;

- Peso molecular: 32 g/mol;

- Densidade: no estado gasoso (0ºC e 1 atm) 1,429 kg/m³ e

no estado líquido (-183ºC) 1141 kg/m³;

- 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).^\[2\]

Atualmente são três os processos mais utilizados para a obtenção do

oxigénio em ambiente industrial:

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.

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**Figura 1**: Processo de destilação fracionada do ar.

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.^\[3\]

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**Figura 2**: Processo de separação por adsorção PSA

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.^\[4\]

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**Figura 3**: Processo de separação por membranas

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.^\[5\]\[6\]

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**Figura 4**: Tanque criogénico

<img src="image5.jpeg">

**Figura 5**: Camião de transporte com tanque criogénico

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.^\[1\]\[7\]

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.

\[1\] 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).