Oxígeno

Antecedentes

El oxígeno es uno de los elementos químicos básicos. En su forma más común, el oxígeno es un gas incoloro que se encuentra en el aire. Es uno de los elementos que sustentan la vida en la Tierra y todos los animales lo necesitan. El oxígeno también se utiliza en muchas aplicaciones industriales, comerciales, médicas y científicas. Se utiliza en altos hornos para fabricar acero y es un componente importante en la producción de muchos productos químicos sintéticos, incluidos el amoníaco, los alcoholes y diversos plásticos. El oxígeno y el acetileno se combinan para proporcionar las temperaturas muy altas necesarias para soldar y cortar metales. Cuando el oxígeno se enfría por debajo de -297 ° F (-183 ° C), se convierte en un líquido azul pálido que se utiliza como combustible para cohetes.

El oxígeno es uno de los elementos químicos más abundantes en la Tierra. Aproximadamente la mitad de la corteza terrestre está formada por compuestos químicos que contienen oxígeno y una quinta parte de nuestra atmósfera es oxígeno gaseoso. El cuerpo humano contiene aproximadamente dos tercios de oxígeno. Aunque el oxígeno ha estado presente desde el comienzo de la investigación científica, no fue descubierto y reconocido como un elemento separado hasta 1774 cuando Joseph Priestley de Inglaterra lo aisló calentando óxido de mercurio en un tubo de ensayo invertido con los rayos del sol enfocados. Priestley describió su descubrimiento al científico francés Antoine Lavoisier, quien experimentó más y determinó que era uno de los dos componentes principales del aire. Lavoisier nombró oxígeno al nuevo gas usando las palabras griegas oxys significa amargo o ácido, y genes es decir, producir o formar, porque creía que era una parte esencial de todos los ácidos.

En 1895, Karl Paul Gottfried von Linde de Alemania y William Hampson de Inglaterra desarrollaron de forma independiente un proceso para bajar la temperatura del aire hasta que se licuara. Mediante la destilación cuidadosa del aire líquido, los diversos gases componentes podrían hervirse uno por uno y capturarse. Este proceso se convirtió rápidamente en la principal fuente de oxígeno, nitrógeno y argón de alta calidad.

En 1901, se quemó gas oxígeno comprimido con gas acetileno en la primera demostración de soldadura con oxiacetileno. Esta técnica se convirtió en un método industrial común para soldar y cortar metales.

El primer uso de propulsores de cohetes líquidos se produjo en 1923 cuando Robert Goddard de los Estados Unidos desarrolló un motor de cohete utilizando gasolina como combustible y oxígeno líquido como oxidante. En 1926, voló con éxito un pequeño cohete de combustible líquido a una distancia de 56 m (184 pies) a una velocidad de aproximadamente 97 kph (60 mph).

Después de la Segunda Guerra Mundial, las nuevas tecnologías trajeron mejoras significativas al proceso de separación de aire utilizado para producir oxígeno. Los volúmenes de producción y los niveles de pureza aumentaron mientras que los costos disminuyeron. En 1991, se produjeron más de 470 mil millones de pies cúbicos (13,4 mil millones de metros cúbicos) de oxígeno en los Estados Unidos, lo que lo convirtió en el segundo gas industrial de mayor volumen en uso.

A nivel mundial, las cinco áreas productoras de oxígeno más grandes son Europa Occidental, Rusia (antes URSS), Estados Unidos, Europa del Este y Japón.

Mcatericals sin procesar

El oxígeno se puede producir a partir de varios materiales, utilizando varios métodos diferentes. El método natural más común es la foto-síntesis, en la que las plantas utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono del aire en oxígeno. Esto contrarresta el proceso de respiración, en el que los animales convierten el oxígeno del aire en dióxido de carbono.

El método comercial más común para producir oxígeno es la separación de aire mediante un proceso de destilación criogénica o un proceso de adsorción por oscilación al vacío. El nitrógeno y el argón también se producen separándolos del aire.

El oxígeno también se puede producir como resultado de una reacción química en la que el oxígeno se libera de un compuesto químico y se convierte en gas. Este método se utiliza para generar cantidades limitadas de oxígeno para el soporte vital en submarinos, aviones y naves espaciales.

El hidrógeno y el oxígeno se pueden generar pasando una corriente eléctrica a través del agua y recolectando los dos gases a medida que burbujean. Se forma hidrógeno en la terminal negativa y oxígeno en la terminal positiva. Este método se llama electrólisis y produce hidrógeno y oxígeno muy puros. Sin embargo, utiliza una gran cantidad de energía eléctrica y no es económico para una producción de gran volumen.

El
proceso de fabricación

La mayor parte del oxígeno comercial se produce mediante una variación del proceso de destilación criogénica desarrollado originalmente en 1895. Este proceso produce oxígeno con una pureza superior al 99%. Más recientemente, el proceso de adsorción por oscilación por vacío más eficiente en energía se ha utilizado para un número limitado de aplicaciones que no requieren oxígeno con una pureza superior al 90-93%.

Estos son los pasos que se utilizan para producir oxígeno de calidad comercial a partir del aire mediante el proceso de destilación criogénica.

Tratamiento previo

Debido a que este proceso utiliza una sección criogénica extremadamente fría para separar el aire, todas las impurezas que puedan solidificarse, como el vapor de agua, el dióxido de carbono y ciertos hidrocarburos pesados, primero deben eliminarse para evitar que se congelen y obstruyan la tubería criogénica.

Un tubo de ensayo que se dice que contiene el último aliento de Thomas Edison y que se le dio a Henry Ford, y ardiente fan, como recuerdo del hijo de Edison, Charles. (De las colecciones del Museo Henry Ford y Greenfield Village, Dearborn, Michigan.)

Este tubo de ensayo es uno de los artefactos más populares del Museo Henry Ford y Greenfield Village en Dearborn, Michigan. Se dice que contiene el último aliento de Thomas Alva Edison, el gran inventor. Según Charles, el hijo de Edison, había un conjunto de ocho tubos de ensayo vacíos en la mesa junto al lecho de muerte de Edison en 1931. Inmediatamente después de que Edison falleciera, su médico puso varios de los tubos en los labios de Edison para atrapar el dióxido de carbono de sus pulmones desinflados. . Luego, el médico selló cuidadosamente cada tubo con parafina y entregó los tubos a Charles Edison. Charles Edison sabía que el ídolo de Henry Ford era Thomas Edison y le regaló a Ford uno de los tubos como recuerdo. El museo adquirió el tubo después de la muerte de Henry y Clara Ford.

Existe cierta discusión entre los visitantes sobre la cantidad de dióxido de carbono y la cantidad de oxígeno que contiene actualmente el tubo. Algunos preguntan si alguien evacuó el tubo de oxígeno antes de poner el tubo en la boca de Edison (muy poco probable). Si no es así, ¿cuánto del aliento de Edison podría haber en el tubo? Entonces, dicen, ¿contiene dióxido de carbono y oxígeno? No obstante, es un tributo poco convencional a un gran hombre por parte de aquellos que lamentan ver cómo se apaga su luz.

Nancy EV Bryk

• 1 El aire se comprime a aproximadamente 94 psi (650 kPa o 6.5 atm) en un compresor de etapas múltiples. Luego pasa a través de un postenfriador enfriado por agua para condensar el agua. Antes del procesamiento, se pretrata el aire para eliminar las impurezas que obstruirán la tubería criogénica. Una vez pretratado, el aire se somete a destilación fraccionada. En el proceso de destilación fraccionada, los componentes se separan gradualmente en varias etapas. Debido a que todos los procesos de destilación funcionan según el principio de hervir un líquido para separar uno o más de los componentes, se requiere una sección criogénica para proporcionar las temperaturas muy bajas necesarias para licuar los componentes del gas. Una vez que se separa el oxígeno líquido, se purifica y almacena. vapor, y el agua condensada se elimina en un separador de agua.
• 2 El aire pasa a través de un adsorbedor de tamiz molecular. El adsorbedor contiene adsorbentes de tipo zeolita y gel de sílice, que atrapan el dióxido de carbono, los hidrocarburos más pesados ​​y cualquier rastro restante de vapor de agua. Periódicamente, el adsorbedor se limpia con un chorro de agua para eliminar las impurezas atrapadas. Esto generalmente requiere dos adsorbedores que operen en paralelo, de modo que uno pueda continuar procesando el flujo de aire mientras el otro se limpia.

Separación

El aire se separa en sus componentes principales (nitrógeno, oxígeno y argón) mediante un proceso de destilación conocido como destilación fraccionada. A veces, este nombre se abrevia a fraccionamiento, y las estructuras verticales utilizadas para realizar esta separación se denominan columnas de fraccionamiento. En el proceso de destilación fraccionada, los componentes se separan gradualmente en varias etapas. En cada etapa se aumenta el nivel de concentración, o fracción, de cada componente hasta que se completa la separación.

Debido a que todos los procesos de destilación funcionan según el principio de hervir un líquido para separar uno o más de los componentes, se requiere una sección criogénica para proporcionar las temperaturas muy bajas necesarias para licuar los componentes del gas.

• 3 La corriente de aire pretratada se divide. Una pequeña parte del aire se desvía a través de un compresor, donde se aumenta su presión. Luego se enfría y se deja expandir hasta casi la presión atmosférica. Esta expansión enfría rápidamente el aire, que se inyecta en la sección criogénica para proporcionar las temperaturas frías necesarias para el funcionamiento.
• 4 La corriente principal de aire pasa a través de un lado de un par de intercambiadores de calor de aletas de placas que operan en serie, mientras que el oxígeno y el nitrógeno muy fríos de la sección criogénica pasan por el otro lado. La corriente de aire entrante se enfría, mientras que el oxígeno y el nitrógeno se calientan. En algunas operaciones, el aire se puede enfriar haciéndolo pasar a través de una válvula de expansión en lugar del segundo intercambiador de calor. En cualquier caso, la temperatura del aire se reduce hasta el punto en que el oxígeno, que tiene el punto de ebullición más alto, comienza a licuarse.
• 5 La corriente de aire, ahora en parte líquido y en parte gas, entra en la base de la columna de fraccionamiento de alta presión. A medida que el aire sube por la columna, pierde calor adicional. El oxígeno continúa licuándose, formando una mezcla rica en oxígeno en la parte inferior de la columna, mientras que la mayor parte del nitrógeno y el argón fluyen hacia la parte superior en forma de vapor.
• 6 La mezcla de oxígeno líquido, llamada oxígeno líquido crudo, se extrae del fondo de la columna de fraccionamiento inferior y se enfría más en el subenfriador. Se permite que parte de esta corriente se expanda hasta casi la presión atmosférica y se alimenta a la columna de fraccionamiento de baja presión. A medida que el oxígeno líquido crudo desciende por la columna, la mayor parte del nitrógeno y el argón restantes se separan, dejando un 99,5% de oxígeno puro en la parte inferior de la columna.
• 7 Mientras tanto, el vapor de nitrógeno / argón de la parte superior de la columna de alta presión se enfría más en el subenfriador. Se permite que el vapor mixto se expanda hasta casi la presión atmosférica y se alimenta a la parte superior de la columna de fraccionamiento de baja presión. El nitrógeno, que tiene el punto de ebullición más bajo, se convierte primero en gas y sale por la parte superior de la columna como nitrógeno puro al 99,995%.
• 8 El argón, que tiene un punto de ebullición entre el oxígeno y el nitrógeno, permanece en forma de vapor y comienza a hundirse cuando el nitrógeno se evapora. A medida que el vapor de argón alcanza un punto de aproximadamente dos tercios del camino hacia abajo de la columna, la concentración de argón alcanza su máximo de aproximadamente 7-12% y se extrae a una tercera columna de fraccionamiento, donde se recircula y refina aún más. El producto final es una corriente de argón crudo que contiene 93-96% de argón, 2-5% de oxígeno y el resto nitrógeno con trazas de otros gases.

Purificante

El oxígeno en la parte inferior de la columna de baja presión tiene una pureza aproximada del 99,5%. Las unidades de destilación criogénica más nuevas están diseñadas para recuperar más argón de la columna de baja presión, y esto mejora la pureza del oxígeno a aproximadamente un 99,8%.

• 9 Si se necesita una mayor pureza, se pueden agregar una o más columnas de fraccionamiento adicionales junto con la columna de baja presión para refinar aún más el producto de oxígeno. En algunos casos, el oxígeno también se puede pasar sobre un catalizador para oxidar los hidrocarburos. Este proceso produce dióxido de carbono y vapor de agua, que luego se capturan y eliminan.

Distribución

Aproximadamente el 80-90% del oxígeno producido en los Estados Unidos se distribuye a los usuarios finales en gasoductos de plantas de separación de aire cercanas. En algunas partes del país, una extensa red de gasoductos sirve a muchos usuarios finales en un área de cientos de millas (kilómetros). El gas se comprime a aproximadamente 500 psi (3,4 MPa o 34 atm) y fluye a través de tuberías de 4 a 12 pulgadas (10 a 30 cm) de diámetro. La mayor parte del oxígeno restante se distribuye en remolques cisterna aislados o vagones cisterna de ferrocarril como oxígeno líquido.

• 10 Si se va a licuar el oxígeno, este proceso generalmente se realiza dentro de la columna de fraccionamiento de baja presión de la planta de separación de aire. El nitrógeno de la parte superior de la columna de baja presión se comprime, enfría y expande para licuar el nitrógeno. Esta corriente de nitrógeno líquido se retroalimenta luego a la columna de baja presión para proporcionar el enfriamiento adicional necesario para licuar el oxígeno a medida que desciende al fondo de la columna.
• 11 Debido a que el oxígeno líquido tiene un alto punto de ebullición, hierve rápidamente y rara vez se envía a más de 500 millas (800 km). Se transporta en grandes cisternas aisladas. El cuerpo del tanque está construido con dos carcasas y el aire se evacua entre la carcasa interior y exterior para retardar la pérdida de calor. El espacio de vacío se llena con un material aislante semisólido para detener aún más el flujo de calor desde el exterior.

Control de calidad

La Asociación de Gas Comprimido establece estándares de clasificación tanto para el oxígeno gaseoso como para el oxígeno líquido en función de la cantidad y el tipo de impurezas presentes. Los grados de gas se denominan Tipo I y van desde A, que tiene una pureza del 99,0%, hasta F, que tiene una pureza del 99,995%. Los grados líquidos se denominan Tipo II y también varían de A a F, aunque los tipos y cantidades de impurezas permitidas en los grados líquidos son diferentes a los de los grados gaseosos. Tipo I Grado B y Grado C y Tipo II Grado C tienen una pureza del 99,5% y son los grados de oxígeno más comúnmente producidos. Se utilizan en la fabricación de acero y en la fabricación de productos químicos sintéticos.

El funcionamiento de las unidades de separación de aire por destilación criogénica se supervisa mediante instrumentos automáticos y, a menudo, utiliza controles informáticos. Como resultado, su producción es de calidad constante. El muestreo y el análisis periódicos del producto final garantizan que se cumplan los estándares de pureza.

El futuro

En enero de 1998, Estados Unidos puso en órbita el satélite Lunar Prospector alrededor de la luna. Entre sus muchas tareas, este satélite escaneará la superficie de la luna en busca de indicios de agua. Los científicos esperan que, si se encuentran cantidades suficientes de agua, se podría utilizar para producir gases de hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis, utilizando energía solar para generar electricidad. El hidrógeno podría usarse como combustible y el oxígeno podría usarse para proporcionar soporte vital a las colonias lunares. Otro plan consiste en extraer oxígeno de compuestos químicos en el suelo lunar utilizando un horno de energía solar para generar calor.