AULA 5 - O QUE SÃO GASES INDUSTRIAIS

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TECNOLOGIA INORGÂNICA
AULA 5
 
 
 
 
 
 
 
 
Profª Daniele Cecília Ulsom de Araújo Checo
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CONVERSA INICIAL
A indústria química, como um todo, necessita de insumos para a fabricação de produtos, sendo
que uma parcela desses materiais se encontra na fase gasosa. Portanto, nesta etapa aprenderemos
mais sobre os gases utilizados na indústria química, suas funcionalidades, métodos de produção e
importância para a cadeia produtiva.
TEMA 1 – O QUE SÃO GASES INDUSTRIAIS?
De acordo com Tolentino (2015), os gases industriais são substâncias químicas fabricadas e
comercializadas para serem utilizados e aplicados em diversos setores, podendo ser orgânicos ou
inorgânicos, retirados diretamente da atmosfera ou sintetizados.
De acordo com suas aplicações, os gases podem ser classificados como industriais, como
oxigênio, nitrogênio, argônio e gás carbônico, ou medicinais, óxido nitroso, oxigênio e misturas
gasosas. Conforme sua raridade, podem ainda ser classificados como gases especiais, que existem
em pouca quantidade, como o hélio. Segundo o método de obtenção, também podem ser tipificados
como obtidos por fracionamento do ar atmosférico ou por processos químicos.
Figura 1 – Cilindros de gases usados na indústria química
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Crédito: Oleksiy Mark/Shutterstock.
A obtenção de gases pelo processo de fracionamento do ar atmosférico é um processo
puramente físico em que observamos o resfriamento e a destilação dos componentes dessa mistura,
chamada de liquefação fracionada. Nesse processo, a mistura gasosa é submetida ao resfriamento a
-200°C, em média, em um equipamento similar ao mostrado na Figura 2.
Após a condensação dos gases, estes formam uma mistura líquida homogênea que passa por
destilação fracionada em regiões de uma torre com temperaturas distintas em que o aquecimento e
o resfriamento ocorrem fazendo com que os constituintes da mistura sejam obtidos.
Figura 2 – Torre de fracionamento de gases atmosféricos
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Fonte: Checo, 2022.
TEMA 2 – PRODUÇÃO DE GÁS OXIGÊNIO E GÁS NITROGÊNIO
Grande parte de nossa atmosfera é constituída por gás nitrogênio (N2) – em média 78% – e gás
oxigênio (O2) – 21% do todo (Tolentino, 2015). Para os processos industriais, ambos os gases têm sua
importância, pois são aplicados em diversas condições e situações. Ao longo deste tópico,
estudaremos mais a respeito dos processos de obtenção e empregos dos gases oxigênio e
nitrogênio na indústria.
2.1 GÁS OXIGÊNIO
É o segundo mais abundante de nossa atmosfera e, em suas características, apresenta-se como
um gás inodoro, incolor, insípido e atóxico. Ele, por si só, não é inflamável, mas apresenta um alto
poder oxidante e é um gás comburente, alimentando chamas, podendo, dessa forma, causar
explosões.
Figura 3 – Processo de respiração e troca gasosa no corpo humano
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Crédito: Vector Mine/Shutterstock.
De acordo com Tolentino (2015), nas indústrias metalúrgicas e siderúrgicas (Figura 4), o oxigênio
é utilizado para a combustão, permitindo aumentar a concentração de gás carbônico nos fumos
industriais e ajuste do teor de carbono no aço e na solda. Esta é a primeira etapa de armazenagem
desse gás.
Figura 4 – Tanques de armazenamento de oxigênio em indústria
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Crédito: Funtay/Shutterstock.
Além de agente branqueador nas indústrias de papel e celulose, representando uma opção para
a não utilização do cloro, o gás oxigênio é aplicado no tratamento de efluentes que utilizam o lodo
ativado por micro-organismos, aumentando a atividade biológica.
Devido à sua importância ligada aos seres vivos, o gás oxigênio também é muito utilizado em
aparelhos de respiração artificial em hospitais e em cilindros
de mergulho (Figura 5). Seu meio de obtenção para posterior armazenamento é por meio da
liquefação do ar atmosférico e destilação fracionada do ar liquefeito, conforme estudamos no tópico
anterior.
Figura 5 – Oxigênio com aplicação hospitalar
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Crédito: Oleksiy Mark/Shutterstock; Terelyuk/Shutterstock.
É muito comum observarmos a presença de geradores de oxigênio, conforme a descrição a
seguir: compressores, filtro, secador e concentrador. Nesse sistema, inicialmente o ar da atmosfera é
puxado e comprimido, passando por filtros e pelo secador que retira a umidade do ar. Na sequência,
segue para um concentrador (tanque pulmão) e é enviado para a separação das moléculas por meio
de um mineral chamado zeólita (peneira molecular), que absorve o nitrogênio e permite a passagem
com 95% de pureza do oxigênio para o armazenador e, assim, enviado para rede de distribuição
(Silva et al., 2019).
2.2 GÁS NITROGÊNIO
Apresenta-se como um gás inerte e, portanto, não participa da nossa respiração. Entretanto, é
um elemento indispensável ao nosso organismo, pois constitui proteínas, bases nitrogenadas que
constituem o DNA e demais moléculas formadoras do nosso corpo. Como o nitrogênio não é
assimilado na respiração, nosso organismo faz a absorção por meio da alimentação (Tolentino, 2015).
Alguns micro-organismos têm a capacidade de fixar o nitrogênio, tornando-o disponível para
absorção pelas plantas (Figura 6), fazendo com que o nitrogênio passe por um ciclo no ambiente.
Essas plantas são a maior fonte de nitrogênio para a alimentação dos animais.
Figura 6 – Ciclo do nitrogênio
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Crédito: Vector Mine/Shutterstock.
Industrialmente, o gás nitrogênio apresenta uma vasta aplicação, principalmente no que diz
respeito ao uso de atmosferas inertes para a ocorrência de reações químicas, ou seja, quimicamente
inativa e que não interfira nas reações, gerando impurezas ou produtos secundários.
De acordo com Tolentino (2015), o nitrogênio líquido é utilizado como gás refrigerante na
indústria de alimentos para o congelamento e transporte. Da mesma forma, é aplicado quando se
deseja chegar a temperaturas muito baixas na indústria química de maneira geral, fornecendo ao
sistema temperaturas de -78°C, em média (Figura 7).
Figura 7 – Aplicações industriais do gás nitrogênio
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Crédito: Polak Photo/Shutterstock; Jody Pellerin/Shutterstock.
O maior uso do gás nitrogênio pela indústria química é na produção de amônia (NH3), por meio
do processo Haber-Bosch equacionado pela reação:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
De acordo com Ribeiro (2013), pelo desenvolvimento desse processo e pela sua industrialização,
os químicos alemães Fritz Haber (1868 – 1934) e Carl Bosch (1874 – 1940) foram laureados com o
Prêmio Nobel de Química, respectivamente, em 1918 e 1931.
A amônia, por sua vez, é utilizada como gás refrigerante na produção de gelo e na manutenção
de baixas temperaturas em diversas indústrias, além de ser matéria-prima para a produção de ácido
nítrico e para a síntese da ureia e de outros fertilizantes.
Assim como a obtenção de gás oxigênio, a obtenção do nitrogênio em larga escala atualmente
se dá pela liquefação seguida da destilação fracionada do ar atmosférico com muita precisão, pois os
gases N2 e O2 apresentam pontos de ebulição muito próximos.
TEMA 3 – FABRICAÇÃO DE ACETILENO
O acetileno é um gás de fórmula molecular C2H2, incolor, de odor desagradável quando
encontrado na forma impura e bastante reativo devido à ligação tripla entre os carbonos existentes
em sua cadeia (Figura 8) e, por esse motivo, sofre polimerização e ciclização facilmente.
Figura 8 – Propriedades físicas do acetileno e fórmulaestrutural
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Crédito: PK Designs/Shutterstock.
De acordo com suas características físico-químicas, trata-se de um gás explosivo se for
armazenado em altas pressões, logo a necessidade de armazenamento em atmosfera inerte e a não
compressão pressões acima de 2 atm, a fim de evitar explosões.
Nas indústrias químicas, o acetileno é produzido a partir da reação do carbureto de cálcio, CaC2,
com água. Segundo Tolentino (2015), o carbureto por sua vez é sintetizado a partir da reação de cal,
CaO, com carvão em fornos elétricos, conforme vemos nas reações a seguir:
CaO(s) + C(s) → CaC2(s) + CO(g)
CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca (OH)2(aq)
A síntese por via úmida utiliza um excesso de água que absorve a energia térmica liberada na
reação e forma uma suspensão de hidróxido de cálcio. Na via seca, é utilizada somente a quantidade
de água necessária para a reação, sendo o pequeno excesso vaporizado pelo calor da reação. Forma-
se nesse processo hidróxido de cálcio finamente dividido. Podemos resumir o processo de obtenção,
purificação e armazenamento do acetileno da Figura 9.
Figura 9 – Produção do etino/acetileno
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Fonte: Tolentino, 2015.
O acetileno é usado como gás combustível em maçaricos em conjunto com o oxigênio para a
soldagem, brasagem e corte de aço. Por sua extrema instabilidade, quando entra em combustão
(Figura 10), gera uma grande quantidade de calor, produzindo chamas cuja temperatura pode atingir
os 3000°C, consumindo grandes quantidades do acetileno produzido no mundo.
Podemos também fazer o uso do acetileno em processos como (Silva et al., 2019):
Endurecimento de grandes peças de aço e datação por rádio carbono.
Síntese de muitos compostos orgânicos, como o etanal (aldeído acético) que é o ponto de
partida para a fabricação de borrachas sintéticas; a acrilonitrila, importante na fabricação de
materiais acrílicos; o acetato de vinila, empregado na produção do poliacetato de vinila (cola
branca, PVA); e o cloreto de vinila, utilizado na fabricação de policloreto de vinila (PVC).
Figura 10 – Combustão do etino/acetileno no processo de solda
Crédito: Sunshinyday/Shutterstock.
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TEMA 4 – PRODUÇÃO DE GÁS CARBÔNICO
O dióxido de carbono, também chamado de gás carbônico, é essencial para a manutenção da
vida na Terra e é obtido a partir da combustão completa de compostos que contêm carbono.
O gás carbônico é responsável pela manutenção da vida na terra, pois sua concentração na
atmosfera é responsável pelo efeito estufa, que mantém a temperatura média ideal para que exista
vida. Da mesma forma, é por meio da reação química desse gás realizada por alguns organismos,
conhecida como fotossíntese (Figura 11), que o O2 é produzido, bem como a glicose.
Figura 11 – Fotossíntese
Crédito: GraphicsRF.com/Shutterstock.
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Percebemos, entretanto, que além de ser liberados na respiração de seres vivos, o CO2 também
pode ser liberado e produzido por outros meios: pelos motores de automóveis e diversos processos
industriais. De acordo com Tolentino (2015), algumas empresas realizam a captura do gás a título de
diminuir a emissão deste e reutilizar em processos da própria indústria ou comercializar.
As aplicações industriais do gás carbônico variam entre:
Indústria alimentícia: congelamento e conservação de alimentos; gaseificação de bebidas.
Ramo hospitalar: análise sanguínea, junto com outros gases.
Fabricação de extintores de incêndio e em tubulações e cilindros de armazenagem de materiais
inflamáveis.
Tratamento de efluentes alcalinos.
Metalurgia e siderurgia: soldagem de metais.
TEMA 5 – FABRICAÇÃO DE MONÓXIDO DE CARBONO
O monóxido de carbono, CO, é produzido por meio da combustão incompleta de compostos
orgânicos, e esta ocorre quando não há quantidade suficiente de oxigênio para a formação de CO2
(Tolentino, 2015). O monóxido apresenta elevada toxicidade e, se inalado em grande quantidade,
pode causar a morte por asfixia (Figura 12).
Figura 12 – Intoxicação por monóxido de carbono
Crédito: Pepermpron/Shutterstock.
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Podemos verificar a produção industrial do monóxido de carbono feita por meio da reforma
catalítica a vapor do carvão ou do metano e outros hidrocarbonetos com vapor d’água (Tolentino,
2015). A mistura de gases produzida é chamada de gás de síntese. A produção mais eficiente que
utiliza esse método encontra-se nas indústrias petroquímicas. As reações de produção do monóxido
são descritas a seguir:
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)
Grande parte do monóxido de carbono produzido é utilizado na síntese de compostos orgânicos
como o ácido acético e o anidrido acético pela indústria de compostos químicos.
NA PRÁTICA
Vamos examinar as aplicações e a demanda de uso dos gases industriais.
Discussão
Suas aplicações se dão em diversos setores industriais, como nas indústrias de petróleo e gás,
siderúrgicas, eletrônicas, automobilísticas, químicas, alimentícias, farmacêuticas, de borrachas e
plásticos, papel e celulose, entre outras (Tolentino, 2015), como sintetizamos no Quadro 1.
Quadro 1 – Demandas industriais de gases
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Fonte: Tolentino, 2015.
FINALIZANDO
Nesta etapa, conhecemos os diferentes tipos de gases e suas demandas na indústria química e
demais ramos. Conhecemos o processo principal de obtenção dos gases N2 e O2, conhecido como
liquefação e destilação fracionada do ar atmosférico e dos gases acetileno, CO2 e CO, que ocorrem
por vias de processos químicos.
Compreendemos, ainda, que a produção de gases industriais corresponde a uma importante
parcela da indústria química, responsável por abastecer diversos setores, como hospitalar, de
alimentos, metalurgia, siderurgia, entre outros.
REFERÊNCIAS
RIBEIRO, D. Processo de Haber-Bosch. Revista de Ciência Elementar, v. 1, n. 1, out-dez 2013.
Disponível em:
<https://www.fc.up.pt/pessoas/jfgomes/pdf/vol_1_num_1_26_art_processoHaberBosch.pdf>. Acesso
em: 8 jul. 2022.
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SILVA, C. S. P. et al. Gases industriais: transporte, manuseio, cuidados e análise de risco.
Pesquisa e Ação, v. 5, n. 2, jun. 2019. Disponível em:
<https://revistas.brazcubas.br/index.php/pesquisa/article/view/680/717>. Acesso em: 8 jul. 2022.
TOLENTINO, N. M. de C. Processos Químicos Industriais: matérias-primas, técnicas de
produção e métodos de controle de corrosão. São Paulo: Érica, 2015.