¿Cómo se puede preparar el oxígeno? ¿Cuáles son la producción comercial y los usos comerciales del oxígeno? Información sobre distribución de oxígeno.
Producción y usos de oxígeno
Preparación.
El oxígeno se puede preparar en pequeñas cantidades a partir de muchos de varios compuestos en los que se produce en combinación química. En general, uno de los tres métodos se utiliza para aislar pequeñas cantidades de oxígeno con fines de laboratorio o demostración:
(1) La electrólisis del agua a la que se ha agregado una pequeña cantidad de ácido sulfúrico o un álcali proporciona oxígeno de alta pureza liberado en el ánodo (polo positivo). Al mismo tiempo, se libera dos veces el volumen de hidrógeno en el cátodo (polo negativo).
(2) Un método de laboratorio conveniente para la preparación de oxígeno puro es tratar la «oxona» (una forma conveniente de peróxido de sodio) con agua. Este compuesto está preparado especialmente para este propósito.
(3) En condiciones adecuadas, la aplicación de calor hace que el oxígeno se libere de muchos compuestos, incluidos los óxidos de mercurio, plata, oro y platino; peróxidos de hidrógeno, bario, plomo y manganeso; y muchos cloratos, nitratos y bicromatos de potasio y algunos otros metales.
(a) Niter, cuando se enciende, da aproximadamente un tercio de su oxígeno. Priestley obtuvo por primera vez oxígeno impuro por este método en 1771.
(b) Priestley utilizó la ignición del óxido mercúrico el 1 de agosto de 1774 para aislar el primer oxígeno puro registrado.
(c) Calentar dióxido de manganeso era anteriormente uno de los métodos más baratos de preparación comercial de oxígeno. Este fue uno de los métodos utilizados por Scheele.
Producción comercial.
El oxígeno se generó primero para uso comercial mediante el proceso de laboratorio de clorato de potasio. Más tarde, el oxígeno comercial fue producido por el proceso de óxido de bario Brin; y (después de 1895) se obtuvo de la electrólisis del agua. Antes de 1907, la producción de oxígeno comercial era limitada. Se utilizaron pequeñas cantidades para el calentamiento e iluminación de oxiacetileno y oxihidrógeno.
El desarrollo europeo del proceso de aire líquido para producir oxígeno de alta pureza fue pionero de Karl P. G. ton Linde (1842-1934). Este eminente físico de Munich, que diseñó la primera máquina de compresión de amoníaco en 1876, fabricó la primera máquina continua para licuar el aire en 1895. Esta máquina fue la precursora de las industrias actuales de oxígeno, nitrógeno y gas raro. En 1902, Georges Claude de Francia también ideó máquinas, independientemente de Linde, para la licuefacción y la destilación fraccionada del aire.
La primera instalación importante de aire líquido en los Estados Unidos se realizó para Linde Air Products Company en 1907. Este equipo, instalado en Buffalo, N. Y., tenía una capacidad de 750,000 pies cúbicos de oxígeno gaseoso por mes. En 1915 había aproximadamente 50 plantas de oxígeno de tipo licuefacción operando en Europa y 5 en los Estados Unidos. Las plantas de oxígeno ahora se encuentran en todas las regiones industriales de los Estados Unidos y en casi todas las áreas industriales del mundo.
La mayor parte del enorme volumen de oxígeno comercial producido se obtiene del aire por el proceso líquido. Mediante este método físico (el aire no es un compuesto químico) el aire se licua y los componentes principales (nitrógeno y oxígeno) se separan por destilación fraccionada. Además de este proceso, se obtiene una cantidad relativamente pequeña de oxígeno de la electrólisis del agua.
Según la Encuesta de Fabricantes, aproximadamente 2,058,000,000 cu. pies de oxígeno comercial se produjeron en los Estados Unidos en 1923. Para 1939, la producción de oxígeno comercial aumentó a aproximadamente 4,562,000,000 pies cúbicos. ft. Según la Oficina del Censo, aproximadamente 18,495,000,000 cu. pies de oxígeno comercial se produjeron en los Estados Unidos en 1944. En 1966, casi 215,000,000,000 pies cúbicos. ft. fueron producidos. Además, también se fabricaron unas 1,750,000 toneladas cortas de oxígeno de baja pureza (menos del 99.5% de oxígeno). El oxígeno comercial proviene de la destilación del aire líquido y la electrólisis del agua. La producción de oxígeno excede la de cualquier otro gas inorgánico en los Estados Unidos.
Aire líquido.
En el proceso de aire líquido para producir oxígeno, el aire se enfría primero hasta que se licúa parcialmente. El aire líquido se rectifica, hirviendo el nitrógeno y dejando el oxígeno como líquido. El oxígeno se puede extraer del aparato como líquido o como gas, dependiendo del diseño específico de la planta.
Se ha desarrollado una variedad de ciclos para lograr la licuefacción del aire. Algunos usan el efecto Joule-Thompson exclusivamente y otros combinan este principio con el uso de motores de expansión o turbinas. En algunos ciclos también se usa refrigeración externa.
En un ciclo para la producción de oxígeno líquido, el aire se comprime primero de 2,000 a 3,000 libras por pulgada cuadrada. Este aire comprimido se enfría mediante intercambio de calor a contracorriente con gas nitrógeno residual procedente de la columna de fraccionamiento. Después de un poco de enfriamiento, el aire comprimido se divide en dos porciones. Una porción se enfría más y se licua parcialmente por expansión a través de una válvula de estrangulamiento. El aire parcialmente licuado se alimenta a la sección de alta presión de una unidad de destilación fraccionada de doble columna. La segunda porción del aire comprimido se expande en un motor de expansión y también se entrega a la sección de alta presión de la columna de rectificación.
Cualquier ciclo para la producción de oxígeno líquido o gaseoso del aire se puede dividir en tres pasos fundamentales: (1) purificación del aire, (2) licuefacción parcial del aire por refrigeración, (3) separación de oxígeno del nitrógeno por fraccionamiento destilación del aire parcialmente licuado.
Una de las plantas más grandes en los Estados Unidos para la producción de oxígeno líquido de alta pureza (99.5 por ciento) tiene una capacidad de aproximadamente 400 toneladas por día (9,640,00 pies cúbicos equivalentes gaseosos a presión y temperatura estándar).
Si el producto se retira de una planta como líquido o gas, se alimenta a un contenedor de almacenamiento. Este es un tipo de soporte de gas o, en el caso de líquido, un tanque de almacenamiento especial que está suficientemente aislado como para contener un líquido que hierve a casi -300 ° F.
Desde la Segunda Guerra Mundial, ha aumentado la demanda de oxígeno de solo un 95% de pureza para fines químicos y metalúrgicos. En el momento de su construcción en 1946, la unidad individual más grande conocida para producir oxígeno gaseoso de baja pureza en los Estados Unidos podría producir alrededor de 4,800,000 pies cúbicos. pies (aproximadamente 200 toneladas) por día de 90 por ciento de oxígeno de una sola unidad de destilación fraccionada. Desde 1946 se han construido unidades más grandes. El ciclo utilizado para esta unidad fue diseñado para la producción más eficiente de 90 a 95 por ciento de oxígeno.
Electrólisis del agua.
Un proceso utilizado en menor medida para la producción comercial de oxígeno es la separación electrolítica del agua para emitir hidrógeno y oxígeno, ambos como productos gaseosos. Se liberan dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno. Dado que el consumo de energía y otros costos son altos, las instalaciones electrolíticas a gran escala para obtener oxígeno no son prácticas.
Distribución.
El método más antiguo y probablemente más familiar para la distribución de oxígeno es en forma de oxígeno comprimido (gaseoso) en cilindros de acero estándar que contienen 244 pies cúbicos. ft., 122 pies cúbicos pies u 80 pies cúbicos ft. a 2,200 libras por pulgada cuadrada de presión y 70 ° F. El sistema de distribución de cilindros es el único medio práctico de suministro de oxígeno para su uso en puntos temporales o muy dispersos o donde el consumo no es grande o consistente.
Cuando la demanda es mayor de lo que se puede manejar convenientemente con cilindros individuales, los cilindros se agrupan para suministrar la distribución de la tubería para usar puntos. Los receptores de alta presión agrupados y montados en remolques también se usan comúnmente para transportar oxígeno gaseoso a grandes usuarios para suministrar sistemas de distribución de tuberías.
Para satisfacer la creciente demanda de distribución de grandes cantidades, en 1932 se introdujo en los Estados Unidos un método para transportar y almacenar oxígeno de alta pureza en forma líquida. La relación de volumen de oxígeno como líquido en su punto de ebullición y presión normal a gas a temperatura y presión normales es de aproximadamente 1 a 862. El oxígeno líquido se entrega en vagones cisterna o en camión y se almacena como líquido en la propiedad del usuario. Según sea necesario, el oxígeno se convierte en gas y se entrega a puntos de uso a través de un sistema de tuberías.
En general, solo aquellos que consumen alrededor de 1,000,000 o más cu. pies de oxígeno por mes son suministrados por este sistema. Tanques de almacenamiento con una capacidad equivalente a 1,500,000 pies cúbicos. ft. cada uno está instalado para dar suficiente reserva. Cuando se almacena en forma líquida, el oxígeno se mantiene a presión normal y -297 ° F. El aislamiento especialmente diseñado mantiene la evaporación diaria por debajo del 0.5 por ciento de la capacidad. Cualquier evaporación del tanque de almacenamiento también se canaliza al sistema de distribución.
Las ventajas de la distribución de líquidos se pueden realizar para satisfacer demandas de 50,000 pies cúbicos. ft. (2 toneladas) a 1,000,000 cu. ft. (40 toneladas) por mes por una variación del sistema. El oxígeno líquido se lleva al punto de almacenamiento como líquido en un camión cisterna. En ese punto, el equipo del camión lo convierte en forma gaseosa y se carga en tubos receptores en la propiedad del usuario.
La capacidad de un vagón cisterna de ferrocarril es de aproximadamente 6,500 u 8,700 galones de líquido (o el equivalente de aproximadamente 750,000 o 1,000,000 pies cúbicos de oxígeno gaseoso a presión y temperatura estándar). Si se distribuye como gas en el estándar 244 cu. pies cilindros, se requerirían 14 vagones de ferrocarril para transportar los 4,100 cilindros necesarios para contener 1,000,000 pies cúbicos. pies de oxígeno gaseoso comprimido. Los camiones varían de 520 a 2,600 galones de capacidad de oxígeno líquido (equivalentes gaseosos: 60,000 a 300,000 pies cúbicos)
Usos comerciales.
El oxígeno a menudo se usa con sustancias combustibles, como el acetileno o el hidrógeno, para producir una llama extremadamente caliente. Ya en 1895, Henri Chatelier, un químico francés, notó la temperatura muy alta de la llama de oxiacetileno. Sin embargo, hasta 1901, Edmond Fouche no anunció el primer aparato de soldadura y corte que utilizaba esta llama. Cuando el oxígeno y el acetileno se combinan en un aparato adecuado, se produce la temperatura de llama más alta disponible actualmente para la industria: aproximadamente 5,800 a 6,300 ° F. Esta es la única llama de gas lo suficientemente caliente como para fundir todos los metales comerciales.
Siderurgia.-
Si una cosa puede destacarse como el factor más importante en el crecimiento de la industria del oxígeno, probablemente sean los muchos procesos que la disponibilidad de oxígeno a granel de bajo costo ha hecho posible. Los usos del oxígeno en la industria del hierro y el acero, por ejemplo, comienzan con la extracción de mineral de hierro y terminan con la producción de piezas metálicas terminadas. El moderno proceso de Linnz y Donnewitz (LD) produce acero de alta pureza al dirigir chorros de oxígeno puro al hierro fundido en un horno.
Antes de fines de la década de 1940, no era económicamente factible extraer mineral del extremo oriental de la amplia gama de hierro Mesabi en Minnesota. La razón de esto fue la dificultad de perforar el depósito de mineral muy duro y duro. En 1949, se desarrolló el proceso de perforación de chorro para perforar barrenos en el mineral o la roca. Este proceso de llama utiliza oxígeno, combustible y agua para obtener temperaturas y velocidades de gas tan altas que la roca se desintegra. En 1951 se estimó que el proceso de perforación de chorro permitiría extraer de 30 a 40 millones de toneladas de mineral de hierro por año de los lechos duros y macizos de taconita magnética del Mesabi.
Cuando la chatarra y el acero, el arrabio y el hierro caliente del alto horno se cargan en enormes hornos de hogar abierto para fundirlos y refinarlos, a menudo se usa aire enriquecido con oxígeno en lugar del aire ordinario para mantener la combustión. De esta forma, los períodos de fusión y refinación se acortan considerablemente.
Cuando el acero se ha refinado y está listo para laminar o forjar, los defectos superficiales se eliminan mediante un proceso conocido como desapilado, escarpado o acondicionamiento. Este proceso utiliza una boquilla diseñada para suministrar un chorro de oxígeno relativamente grande a baja velocidad. En el acondicionamiento de acero mecanizado, toda la superficie de la palanquilla, la floración o la losa se elimina mediante una máquina escarificadora colocada en la línea de laminación. La máquina puede eliminar una capa delgada que contiene defectos superficiales de uno, dos o cuatro lados simultáneamente y la operación se puede realizar mientras el metal aún está caliente y sin interrumpir la operación de laminado.
Aplicaciones de corte.
El principio del acondicionamiento de acero con oxígeno y otras aplicaciones de corte es fundamentalmente simple. Cuando se calienta a la temperatura de encendido, el hierro o el acero se pueden cortar (quemar) con un chorro de oxígeno puro. Con este proceso, el hierro o el acero pueden moldearse bajo un control estricto. Las tolerancias de Yie pulgadas se mantienen fácilmente. Al introducir un polvo rico en hierro en la corriente de oxígeno de corte, el corte de oxiacetileno se ha ampliado aún más, de modo que se puede utilizar de manera efectiva para cortar acero inoxidable y hierro fundido. Mientras que las secciones de chatarra que eran demasiado pesadas para manipular se habían descartado enterrándolas en vertederos de escoria, ahora se cortan cientos de miles de toneladas de chatarra de acero y hierro que se cortan fácil y económicamente y se recuperan como chatarra de fusión pesada. Las piezas de hasta seis pies de grosor se pueden cortar con precisión a una velocidad de dos a tres pulgadas por minuto.
El corte de oxiacetileno mediante sopletes manuales o mecánicos es indispensable para la industria de los Estados Unidos. Este método de cortar y moldear placas, barras y losas de acero ha demostrado ser más eficiente que los métodos anteriores para realizar muchas operaciones de corte y recorte. También ha sido un factor clave en la creación de nuevas técnicas para la fabricación de acero. Con un aparato adecuado, la llama de oxiacetileno puede realizar corte en línea recta, corte en círculo, corte de forma de 20 a 40 láminas de acero apiladas, y biselar o ranurar los bordes de la placa de acero en preparación para la soldadura. El corte de oxiacetileno también es útil para reparar y recuperar equipos viejos y desgastados.
Aplicaciones de soldadura.
La producción, fabricación y reparación de metales, como se conoce hoy en día, sería imposible sin los procesos de oxiacetileno. La soldadura de oxiacetileno permite la fabricación de muchas estructuras y piezas que no se pudieron construir antes de desarrollar la soldadura. La soldadura también ha proporcionado un medio para reparar estructuras rotas o dañadas con grandes ahorros en tiempo y dinero. Con el soplete de oxiacetileno se puede unir prácticamente cualquier metal, similar o diferente, de modo que la soldadura sea tan fuerte como el metal base. Existen muchas aplicaciones estrechamente relacionadas para la llama de oxiacetileno.
Aplicaciones de calefacción. –
El endurecimiento por llama de oxiacetileno se usa para impartir una carcasa dura y resistente al desgaste para templar piezas de acero y hierro endurecidas. La llama de oxiacetileno se puede usar también para recocer piezas metálicas después de soldar o cortar.
La imprimación con llama utiliza el calor rápido de las llamas de oxiacetileno para eliminar las escamas sueltas, el óxido y la humedad de la superficie del acero antes de pintar.
Los sopletes de oxiacetileno proporcionan una fuente conveniente de calor controlable para operaciones de doblado, enderezado o conformado en aceros. Otro proceso, la hilatura con llama, utiliza la llama de oxiacetileno y una herramienta de conformación para dar forma a la tubería. Este proceso es especialmente efectivo para hacer cierres finales.
Medicamento.-
El oxígeno suministrado para soldar y cortar tiene una pureza del 99,5 por ciento. Este mismo oxígeno es utilizado por los hospitales para la terapia de oxígeno. Los pacientes que sufren de falta de oxígeno reciben cualquier concentración requerida de oxígeno, hasta el 99.5 por ciento, por medio de un catéter nasal, mascarilla u oxígeno. Para proporcionar concentraciones adecuadas para necesidades específicas, los reguladores especiales reductores de presión controlan el flujo de oxígeno.
Los pacientes que sufren de asfixia, asma, enfermedades pulmonares, enfermedades cardíacas y anemia a menudo son tratados con concentraciones de oxígeno. El oxígeno a menudo se prescribe como parte del tratamiento postoperatorio estándar también. Se ha encontrado que los pacientes que respiran oxígeno adicional por un corto tiempo después de una operación con frecuencia se sienten más cómodos.
El aviador que vuela a gran altitud tiene dificultades para obtener suficiente oxígeno del «aire delgado» de la atmósfera rarificada. En tales casos, a menos que la cabina o cabina del avión esté presurizada, necesita oxígeno adicional. El oxígeno de los cilindros también se usa en submarinos para reemplazar el oxígeno consumido por la tripulación.
Ingeniería de cohetes.
Uno de los usos más recientes del oxígeno comercial, y uno que promete ser de creciente importancia en los años venideros, es en el campo de la propulsión de cohetes y chorros. Se iniciaron experimentos en este campo antes de 1929. En la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló una bomba de cohete de oxígeno y alcohol líquido. La ingeniería de cohetes depende del uso de oxígeno líquido como oxidante principal del combustible del cohete.
