A extração de oxigênio do ar atmosférico consiste no processo de liquefação fracionada
Liquefação e condensação são sinônimos utilizados para caracterizar a mudança física de uma substância do estado gasoso para o estado líquido. A principal diferença entre os termos é que condensação corresponde à transformação de vapor em líquido e liquefação de gás para em líquido.
Vapor x gás
Ao estudar as mudanças de estado físico da matéria, de forma geral, são apresentados somente os tradicionais estados sólido, líquido e gasoso. Contudo, ao se tratar de gases uma substância também pode apresentar o estado de vapor e o estado gasoso.
Caracteriza-se como gás, uma substância em estado fluído, sem forma e sem volume próprio. Segundo a Teoria da Cinética, os gases são compostos de partículas que encontram-se bastante distantes umas das outras e praticamente não há interação entre elas.
O ar atmosférico é composto por vários gases como oxigênio (21%), gases nobres (0,91%), nitrogênio (78%) e gás carbônico (0,03%). Outro exemplo de gás, mas que passou por um processo de transformação, é o gás liquefeito do petróleo (GLP), utilizado pra fins domésticos.
Já o vapor, refere-se a uma substância que encontra-se no estado gasoso de forma instável e que pode facilmente se liquefazer, ou seja, voltar para o estado líquido. Um vapor pode coexistir com um líquido ou sólido, se isto for verdade, as duas fases estarão em equilíbrio. Outra forma de diferenciar gás e vapor é saber interpretar o diagrama de fases.
Diagrama de fases. (Foto: Wikipédia)
A substância gasosa que possui temperatura superior à crítica, se mantém nesse estado independente da pressão exercida. Por exemplo, a água tem uma temperatura crítica de 374°C, abaixo disso ela estará no estado de vapor e acima disso no estado gasoso.
Tc corresponde a temperatura crítica e T a temperatura atual da substância, com base nas informações podemos concluir que:
T < Tc = vapor – condensa-se por compressão isotérmica
T > Tc = gás – não se condensa por compressão isotérmica
Liquefação
Para uma substância mudar do estado gasoso para o estado líquido é necessário aumentar a pressão e diminuir a temperatura, simultaneamente. Isso porque, se continuadamente for exercida pressão sobre um gás, as partículas se aproximam e começam a se chocar.
Durante esse processo há perda de energia cinética, que consequentemente causa a diminuição da agitação entre as partículas. O gás então encontra seu ponto de saturação no sistema e se liquefaz.
Cada gás se liquefaz em pontos diferentes, visto que há uma combinação entre temperatura e pressão, dados pelo diagrama de fases. A pressão necessária para o gás se liquefazer é denominada Pressão de vapor (Pv).
Liquefação fracionada
A liquefação fracionada é o processo de separação de gases que compõem uma mistura homogênea. Esse método consiste no resfriamento ou aplicação de uma pressão elevada sob os gases até que eles se liquefaçam.
O processo acontece da seguinte forma: a mistura é submetida a um resfriamento em torno de -200º C até que os gases se tornem líquidos. Em seguida, eles são submetidos ao método de destilação fracionada.
Processo de destilação fracionada. (Foto: Wikipédia)
No processo de destilação, a mistura de gases, já em estado líquido, é colocada em uma torre que possui várias partes e cada parte é submetida a uma temperatura. Como os gases possuem pontos de ebulição (PE) diferentes, eles retornarão ao estado gasoso em momentos distintos.
Esse processo de desmembramento geralmente é utilizado para separar os gases que compõem o ar atmosférico, por exemplo o oxigênio e o nitrogênio. Após a liquefação, os gases, são submetidos à destilação fracionada.
Tendo e vista que o nitrogênio possui ponto de ebulição em -195º C e o oxigênio ebulição em - 183º C. O primeiro elemento a ser obtido na destilação será o nitrogênio, pois seu ponto de ebulição é o menor entre os dois.
Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) - popularmente identificado no botijão de gás doméstico, o GLP é um exemplo de liquefação de gases presentes no nosso cotidiano. Essas substância é formada por uma mistura de gases de hidrocarboneto como butano (C4H10), propano (C3H8), isobutano (C4H10), propeno (C3H6) e buteno (C4H8).
GLP, o gás de cozinha. (Foto: Wikipédia)
No botijão, esses gases estão em estado líquido devido a grande pressão (cerca de 6 a 8 atmosferas) que foi exercida sob eles durante o processo de envasamento. O recipiente que os armazena, o botijão de aço, é resistente e suporta uma pressão de até 15 atmosferas.
No processo de envasamento, o botijão é preenchido com até 85% da sua capacidade, os outros 15% são destinados para vaporização dos gases. Tal processo é caracterizado pelas trocas de calor entre a parede do recipiente e as substâncias gasosas.