Gás industrial - Industrial gas

Um regulador de gás conectado a um cilindro de nitrogênio.

Gases industriais são os materiais gasosos fabricados para uso na indústria . Os principais gases fornecidos são nitrogênio , oxigênio , dióxido de carbono , argônio , hidrogênio , hélio e acetileno , embora muitos outros gases e misturas também estejam disponíveis em cilindros de gás. A indústria produtora desses gases também é conhecida como gás industrial , que também engloba o fornecimento de equipamentos e tecnologia para a produção e utilização dos gases. Sua produção faz parte da indústria química mais ampla (onde os gases industriais são frequentemente vistos como " produtos químicos especiais ").

Os gases industriais são usados ​​em uma ampla gama de indústrias, que incluem petróleo e gás , petroquímica , química , energia , mineração , siderurgia , metais , proteção ambiental , medicina , farmacêutica , biotecnologia , alimentos , água , fertilizantes , energia nuclear , eletrônica e aeroespacial . O gás industrial é vendido a outras empresas industriais; normalmente compreendendo grandes pedidos para clientes industriais corporativos , cobrindo uma gama de tamanhos, desde a construção de uma instalação de processo ou gasoduto até o fornecimento de gás em cilindro.

Alguns negócios em escala comercial são feitos, normalmente por meio de agentes locais vinculados que são fornecidos no atacado . Este negócio abrange a venda ou aluguer de botijões de gás e equipamento associado a comerciantes e ocasionalmente ao público em geral. Isso inclui produtos como balão de hélio , gases de dispensação para barris de cerveja , gases de soldagem e equipamentos de soldagem, GLP e oxigênio médico .

As vendas a retalho do fornecimento de gás em pequena escala não se limitam apenas às empresas de gás industrial ou aos seus agentes. Uma grande variedade de pequenos recipientes de gás transportados manualmente, que podem ser chamados de cilindros, garrafas, cartuchos, cápsulas ou botijões, estão disponíveis para fornecer GLP, butano, propano, dióxido de carbono ou óxido nitroso. Exemplos são carregadores de chantilly , powerlets , campingaz e sodastream .

História inicial dos gases

Soprando ar em uma faísca

O primeiro gás do ambiente natural usado pelos humanos foi quase com certeza o ar, quando se descobriu que soprar ou atiçar o fogo o tornava mais brilhante. Os humanos também usaram os gases quentes do fogo para fumar alimentos e o vapor da água fervente para cozinhar os alimentos.

Bolhas de dióxido de carbono formam uma espuma em líquidos em fermentação, como cerveja

O dióxido de carbono é conhecido desde os tempos antigos como o subproduto da fermentação , particularmente para bebidas , que foi documentado pela primeira vez entre 7.000 e 6.600 aC em Jiahu , China . O gás natural foi usado pelos chineses por volta de 500 aC, quando eles descobriram o potencial de transportar o gás que vazava do solo em dutos de bambu rudimentares até onde era usado para ferver a água do mar. O dióxido de enxofre era usado pelos romanos na produção de vinho, pois havia sido descoberto que acender velas feitas de enxofre em recipientes de vinho vazios os manteria frescos e evitaria que ganhassem um cheiro de vinagre.

A compreensão inicial consistia em evidências empíricas e na protociência da alquimia ; entretanto, com o advento do método científico e da ciência da química , esses gases foram positivamente identificados e compreendidos.

Aparelho de Kipp
Lâmpada de carboneto de chama de acetileno

A história da química nos diz que vários gases foram identificados e descobertos ou produzidos pela primeira vez em uma forma relativamente pura durante a Revolução Industrial dos séculos 18 e 19 por notáveis químicos em seus laboratórios . A linha do tempo de descoberta atribuída para vários gases são dióxido de carbono (1754), hidrogênio (1766), nitrogênio (1772), óxido nitroso (1772), oxigênio (1773), amônia (1774), cloro (1774), metano (1776) , sulfeto de hidrogênio (1777), monóxido de carbono (1800), cloreto de hidrogênio (1810), acetileno (1836), hélio (1868), flúor (1886), argônio (1894), criptônio, néon e xenônio (1898) e radônio (1899 )

Dióxido de carbono, hidrogênio, óxido nitroso, oxigênio, amônia, cloro, dióxido de enxofre e gás combustível manufaturado já eram usados ​​durante o século 19, e tinham usos principalmente em alimentos , refrigeração , medicamentos e para iluminação de combustível e gás . Por exemplo, água carbonatada estava sendo feita a partir de 1772 e comercialmente a partir de 1783, o cloro foi usado pela primeira vez para branquear têxteis em 1785 e o óxido nitroso foi usado pela primeira vez para anestesia odontológica em 1844. Nessa época, gases eram frequentemente gerados para uso imediato por reações químicas . Um exemplo notável de gerador é o aparelho Kipps que foi inventado em 1844 e pode ser usado para gerar gases como hidrogênio, sulfeto de hidrogênio , cloro, acetileno e dióxido de carbono por simples reações de evolução de gás . O acetileno foi fabricado comercialmente a partir de 1893 e geradores de acetileno foram usados ​​por volta de 1898 para produzir gás para cozinhar a gás e iluminação a gás , no entanto, a eletricidade tornou-se mais prática para iluminação e uma vez que o GLP foi produzido comercialmente a partir de 1912, o uso de acetileno para cozinhar diminuiu.

Gasogênio vitoriano tardio para produção de água carbonatada

Depois que os gases foram descobertos e produzidos em quantidades modestas, o processo de industrialização estimulou a inovação e a invenção da tecnologia para produzir quantidades maiores desses gases. Desenvolvimentos notáveis ​​na produção industrial de gases incluem a eletrólise da água para produzir hidrogênio (em 1869) e oxigênio (a partir de 1888), o processo Brin para a produção de oxigênio que foi inventado em 1884, o processo de cloroalcalino para produzir cloro em 1892 e o Haber Process para produzir amônia em 1908.

O desenvolvimento de utilizações na refrigeração também possibilitou avanços no condicionamento de ar e na liquefação de gases. O dióxido de carbono foi liquefeito em 1823. O primeiro ciclo de refrigeração por compressão de vapor usando éter foi inventado por Jacob Perkins em 1834 e um ciclo semelhante usando amônia foi inventado em 1873 e outro com dióxido de enxofre em 1876. O oxigênio líquido e o nitrogênio líquido foram os primeiros feito em 1883; O hidrogênio líquido foi feito pela primeira vez em 1898 e o hélio líquido em 1908. O LPG foi feito pela primeira vez em 1910. Uma patente para o LNG foi registrada em 1914, com a primeira produção comercial em 1917.

Embora nenhum evento tenha marcado o início da indústria de gás industrial, muitos diriam que foi a década de 1880, com a construção dos primeiros cilindros de gás de alta pressão . Inicialmente, os cilindros eram usados ​​principalmente para o dióxido de carbono na carbonatação ou distribuição de bebidas. Em 1895, os ciclos de compressão de refrigeração foram desenvolvidos para permitir a liquefação do ar , mais notavelmente por Carl von Linde permitindo maiores quantidades de produção de oxigênio e em 1896 a descoberta de que grandes quantidades de acetileno poderiam ser dissolvidas em acetona e tornadas não explosivas permitiu o engarrafamento seguro de acetileno.

Um uso particularmente importante foi o desenvolvimento de soldagem e corte de metal feito com oxigênio e acetileno a partir do início do século XX. À medida que os processos de produção de outros gases foram desenvolvidos, muitos mais gases passaram a ser vendidos em cilindros, sem a necessidade de um gerador de gás .

Tecnologia de produção de gás

Coluna de destilação em uma planta de separação de ar criogênica

As plantas de separação de ar refinam o ar em um processo de separação e, assim, permitem a produção em massa de nitrogênio e argônio , além de oxigênio - esses três geralmente também são produzidos como líquido criogênico . Para atingir as baixas temperaturas de destilação exigidas , uma Unidade de Separação de Ar (ASU) usa um ciclo de refrigeração que opera por meio do efeito Joule-Thomson . Além dos principais gases do ar, a separação do ar também é a única fonte prática para a produção dos raros gases nobres neon , criptônio e xenônio .

As tecnologias criogênicas também permitem a liquefação de gás natural , hidrogênio e hélio . No processamento de gás natural , as tecnologias criogênicas são usadas para remover o nitrogênio do gás natural em uma Unidade de Rejeição de Nitrogênio ; um processo que também pode ser usado para produzir hélio a partir do gás natural, onde os campos de gás natural contêm hélio suficiente para tornar isso econômico. As maiores empresas de gás industrial freqüentemente investem em extensas bibliotecas de patentes em todos os campos de seus negócios, mas particularmente em criogenia.

Gaseificação

A outra tecnologia de produção principal na indústria é a Reforma. A reforma a vapor é um processo químico usado para converter gás natural e vapor em um gás de síntese contendo hidrogênio e monóxido de carbono com dióxido de carbono como subproduto . A oxidação parcial e a reforma autotérmica são processos semelhantes, mas também requerem oxigênio de uma ASU. O gás de síntese é freqüentemente um precursor da síntese química de amônia ou metanol . O dióxido de carbono produzido é um gás ácido e é mais comumente removido por tratamento com amina . Este dióxido de carbono separado pode ser potencialmente sequestrado para um reservatório de captura de carbono ou usado para recuperação avançada de petróleo .

As tecnologias de separação de ar e reforma de hidrogênio são a pedra angular da indústria de gases industriais e também fazem parte das tecnologias necessárias para muitos esquemas de gaseificação de combustível (incluindo IGCC ), cogeração e Fischer-Tropsch de gás para líquidos . O hidrogênio tem muitos métodos de produção e pode ser quase um combustível alternativo neutro em carbono se produzido pela eletrólise da água (assumindo que a eletricidade seja produzida em uma usina nuclear ou outra de baixa pegada de carbono, em vez de reformar o gás natural, que é de longe o método dominante). Um exemplo de deslocamento do uso de hidrocarbonetos é Orkney; consulte economia do hidrogênio para obter mais informações sobre os usos do hidrogênio. hidrogênio líquido é usado pela NASA no ônibus espacial como combustível de foguete .

Um gerador de nitrogênio
Gerador de nitrogênio de membrana

Tecnologias mais simples de separação de gás , como membranas ou peneiras moleculares usadas na adsorção por oscilação de pressão ou adsorção por oscilação de vácuo, também são usadas para produzir gases de ar de baixa pureza em geradores de nitrogênio e plantas de oxigênio . Outros exemplos que produzem quantidades menores de gás são geradores químicos de oxigênio ou concentradores de oxigênio .

Além dos principais gases produzidos pela separação do ar e reforma do gás de síntese, a indústria fornece muitos outros gases. Alguns gases são simplesmente subprodutos de outras indústrias e outros às vezes são comprados de outros produtores químicos maiores, refinados e reembalados; embora alguns tenham seus próprios processos de produção. Exemplos são cloreto de hidrogênio produzido pela queima de hidrogênio em cloro, óxido nitroso produzido por decomposição térmica de nitrato de amônio quando aquecido suavemente, eletrólise para a produção de flúor, cloro e hidrogênio e descarga elétrica de corona para produzir ozônio do ar ou oxigênio.

Serviços e tecnologia relacionados podem ser fornecidos, como vácuo , que geralmente é fornecido em sistemas de gás hospitalar ; ar comprimido purificado ; ou refrigeração . Outro sistema incomum é o gerador de gás inerte . Algumas empresas de gás industrial também podem fornecer produtos químicos relacionados , especialmente líquidos como bromo e óxido de etileno .

Distribuição de gás

Modo de fornecimento de gás

Trailer de tubo de hidrogênio comprimido

A maioria dos materiais gasosos à temperatura e pressão ambientes são fornecidos como gás comprimido. Um compressor de gás é usado para comprimir o gás em vasos de pressão de armazenamento (como botijões de gás , botijões de gás ou reboques de tubos ) por meio de sistemas de tubulação . Os cilindros de gás são de longe o armazenamento de gás mais comum e um grande número é produzido em uma instalação de "enchimento de cilindros" .

Porém, nem todos os gases industriais são fornecidos na fase gasosa . Alguns gases são vapores que podem ser liquefeitos à temperatura ambiente apenas sob pressão , portanto, também podem ser fornecidos na forma líquida em um recipiente apropriado. Essa mudança de fase também torna esses gases úteis como refrigerantes ambientais e os gases industriais mais significativos com essa propriedade são amônia (R717), propano (R290), butano (R600) e dióxido de enxofre (R764). O cloro também tem essa propriedade, mas é muito tóxico, corrosivo e reativo para ter sido usado como refrigerante. Alguns outros gases apresentam essa mudança de fase se a temperatura ambiente estiver baixa o suficiente; isto inclui etileno (R1150), dióxido de carbono (R744), etano (R170), óxido nitroso (R744A) e hexafluoreto de enxofre ; entretanto, estes só podem ser liquefeitos sob pressão se mantidos abaixo de suas temperaturas críticas, que são 9 ° C para C 2 H 4  ; 31 ° C para o CO 2  ; 32 ° C para C 2 H 6  ; 36 ° C para N 2 O; 45 ° C para SF 6 . Todas essas substâncias também são fornecidas como um gás (não um vapor) na pressão de 200 bar em um cilindro de gás porque essa pressão está acima de sua pressão crítica .

Os gases permanentes (aqueles com temperatura crítica abaixo da ambiente) só podem ser fornecidos na forma líquida se também forem resfriados. Todos os gases podem ser potencialmente usados ​​como refrigerantes em torno das temperaturas nas quais são líquidos; por exemplo, nitrogênio (R728) e metano (R50) são usados ​​como refrigerante em temperaturas criogênicas.

Excepcionalmente, o dióxido de carbono pode ser produzido como um sólido frio conhecido como gelo seco , que sublima à medida que aquece em condições ambientais. As propriedades do dióxido de carbono são tais que não pode ser líquido a uma pressão abaixo de seu ponto triplo de 5,1 bar.

O acetileno também é fornecido de forma diferente. Por ser tão instável e explosivo, ele é fornecido como um gás dissolvido em acetona dentro de uma massa embalada em um cilindro. O acetileno também é o único outro gás industrial comum que sublima à pressão atmosférica.

Entrega de gás

Inventário de gabinete de gás de fotos

Os principais gases industriais podem ser produzidos a granel e entregues aos clientes por dutos , mas também podem ser embalados e transportados.

A maioria dos gases é vendida em cilindros de gás e alguns vendidos como líquido em recipientes apropriados (por exemplo, Dewars ) ou como líquido a granel entregue por caminhão. A indústria originalmente fornecia gases em cilindros para evitar a necessidade de geração local de gás; mas para grandes clientes, como siderúrgicas ou refinarias de petróleo , uma grande planta de produção de gás pode ser construída nas proximidades (normalmente chamada de instalação "no local") para evitar o uso de um grande número de cilindros distribuidos juntos . Alternativamente, uma empresa de gás industrial pode fornecer a planta e o equipamento para produzir o gás, em vez do próprio gás. Uma empresa de gás industrial também pode se oferecer para atuar como operadora de planta sob um contrato de operação e manutenção de uma instalação de gases para um cliente, uma vez que geralmente tem a experiência de operar tais instalações para a produção ou manuseio de gases para si mesma.

Alguns materiais são perigosos para uso como gás; por exemplo, o flúor é altamente reativo e a química industrial que requer flúor costuma usar fluoreto de hidrogênio (ou ácido fluorídrico ). Outra abordagem para superar a reatividade do gás é gerar o gás como e quando necessário, o que é feito, por exemplo, com o ozônio .

As opções de entrega são, portanto, geração local de gás, dutos , transporte a granel ( caminhão , trem , navio ) e gases embalados em cilindros de gás ou outros contêineres.

Os gases líquidos a granel são frequentemente transferidos para os tanques de armazenamento do usuário final . Cilindros de gás (e recipientes contendo gás líquido) são freqüentemente usados ​​por usuários finais para seus próprios sistemas de distribuição de pequena escala. Os cilindros de gases tóxicos ou inflamáveis ​​são freqüentemente armazenados pelos usuários finais em gabinetes de gás para proteção contra incêndio externo ou de qualquer vazamento.

O que define um gás industrial

Gás industrial é um grupo de materiais fabricados especificamente para uso na indústria e também gasosos à temperatura e pressão ambientes. Eles são os produtos químicos que pode ser um gás elementar ou um composto químico que seja orgânico ou inorgânico , e tendem a ser de baixo peso molecular moléculas. Eles também podem ser uma mistura de gases individuais. Eles têm valor como produto químico; seja como matéria - prima , no aprimoramento do processo, como um produto final útil ou para um uso específico; em oposição a ter valor como um combustível "simples" .

O termo “gases industriais” às vezes é definido de forma restrita apenas como os principais gases vendidos, que são: nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio, hidrogênio, acetileno e hélio. Muitos nomes são dados a gases fora desta lista principal pelas diferentes empresas de gases industriais, mas geralmente os gases se enquadram nas categorias "gases especiais", " gases medicinais ", " gases combustíveis " ou " gases refrigerantes ". No entanto, os gases também podem ser conhecidos pelos seus usos ou indústrias a que servem, portanto, "gases de soldagem" ou " gases respiratórios ", etc .; ou por sua fonte, como em "gases do ar"; ou pelo seu modo de fornecimento como em "gases embalados". Os principais gases também podem ser denominados "gases a granel" ou "gases de tonelagem".

Em princípio, qualquer gás ou mistura de gás vendido pela "indústria de gases industriais" provavelmente tem algum uso industrial e pode ser denominado um "gás industrial". Na prática, os "gases industriais" são provavelmente um composto puro ou uma mistura de composição química precisa , embalado ou em pequenas quantidades, mas com alta pureza ou feito sob medida para um uso específico (por exemplo, oxiacetileno ). As listas dos gases mais significativos estão listadas em "Os Gases" abaixo.

Há casos em que um gás geralmente não é denominado "gás industrial"; principalmente quando o gás é processado para uso posterior de sua energia, em vez de fabricado para uso como substância ou preparação química.

A indústria de petróleo e gás é vista como distinta. Portanto, embora seja verdade que o gás natural é um "gás" usado na "indústria" - muitas vezes como combustível, às vezes como matéria-prima, e nesse sentido genérico é um "gás industrial"; este termo não é geralmente usado por empresas industriais para hidrocarbonetos produzidos pela indústria de petróleo diretamente de recursos naturais ou em uma refinaria de petróleo . Materiais como LPG e LNG são misturas complexas, muitas vezes sem uma composição química precisa, que muitas vezes também muda durante o armazenamento.

A indústria petroquímica também é vista como distinta. Portanto, os produtos petroquímicos (produtos químicos derivados do petróleo ), como o etileno, também geralmente não são descritos como "gases industriais".

Às vezes, a indústria química é considerada distinta dos gases industriais; portanto, materiais como amônia e cloro podem ser considerados " produtos químicos " (especialmente se fornecidos na forma líquida) em vez de ou às vezes também como "gases industriais".

O fornecimento de gás em pequena escala de contêineres transportados à mão às vezes não é considerado gás industrial, pois seu uso é considerado pessoal em vez de industrial; e os fornecedores nem sempre são especialistas em gás.

Essas demarcações são baseadas em limites percebidos dessas indústrias (embora na prática haja alguma sobreposição), e uma definição científica exata é difícil. Para ilustrar a "sobreposição" entre os setores:

O gás combustível manufaturado (como o gás de cidade ) teria sido historicamente considerado um gás industrial. A Syngas é frequentemente considerada uma petroquímica; embora sua produção seja uma tecnologia central de gases industriais. Da mesma forma, projetos de aproveitamento de gás de aterro ou biogás , esquemas de conversão de resíduos em energia , bem como produção de hidrogênio, todos exibem tecnologias sobrepostas.

O hélio é um gás industrial, embora sua fonte seja o processamento de gás natural.

Qualquer gás provavelmente será considerado um gás industrial se for colocado em um cilindro de gás (exceto talvez se for usado como combustível)

O propano seria considerado um gás industrial quando usado como refrigerante, mas não quando usado como refrigerante na produção de GNL, embora esta seja uma tecnologia de sobreposição.

Gases

Gases elementares

Gases elementares na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson

Os elementos químicos conhecidos que são, ou podem ser obtidos de recursos naturais (sem transmutação ) e que são gasosos são hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor, cloro, mais os gases nobres; e são coletivamente referidos pelos químicos como "gases elementares". Esses elementos são todos primordiais, exceto o gás nobre radônio, que é um radioisótopo traço que ocorre naturalmente, uma vez que todos os isótopos são nuclídeos radiogênicos de decaimento radioativo . Esses elementos são todos não metais .

( Os elementos sintéticos não têm relevância para a indústria de gás industrial; no entanto, para fins científicos, observe que foi sugerido, mas não cientificamente comprovado, que os elementos metálicos 112 ( Copernicium ) e 114 ( Flerovium ) são gases.)

Os elementos que são moléculas homonucleares estáveis ​​de dois átomos na temperatura e pressão padrão (STP), são hidrogênio (H 2 ), nitrogênio (N 2 ) e oxigênio (O 2 ), mais os halogênios flúor (F 2 ) e cloro (Cl 2 ) Os gases nobres são todos monoatômicos .

Na indústria de gases industriais, o termo "gases elementares" (ou às vezes, com menos precisão, "gases moleculares") é usado para distinguir esses gases de moléculas que também são compostos químicos .

O radônio é quimicamente estável, mas é radioativo e não possui um isótopo estável . Seu isótopo mais estável , 222 Rn , tem meia-vida de 3,8 dias. Seu uso se deve à sua radioatividade, e não à sua química, e requer manuseio especializado fora das normas da indústria de gás industrial. No entanto, pode ser produzido como um subproduto do processamento de minérios uraníferos . O radônio é um traço de material radioativo de ocorrência natural (NORM) encontrado no ar processado em uma ASU.

O cloro é o único gás elementar que é tecnicamente um vapor, uma vez que o STP está abaixo de sua temperatura crítica ; enquanto o bromo e o mercúrio são líquidos em STP e, portanto, seu vapor existe em equilíbrio com seu líquido em STP.

Outros gases industriais comuns

Esta lista mostra os outros gases mais comuns vendidos por empresas de gás industrial.

Existem muitas misturas de gases possíveis.

Gases liquefeitos importantes

Dewar sendo preenchido com LIN do tanque de armazenamento

Esta lista mostra os gases liquefeitos mais importantes:

Aplicações de gás industrial

Uma tocha de corte é usada para cortar um tubo de aço.

Os usos de gases industriais são diversos.

A seguir está uma pequena lista de áreas de uso:

Empresas

Veja também

Referências

links externos