Processos

Processo oxicombustível – Fundamentos

Em termos práticos, pode-se dizer que a atmosfera é composta de 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio. A diferença entre os pontos de ebulição nos diversos gases componentes da atmosfera possibilita obtenção e separação dos gases através da destilação fracionada do ar liquefeito.

Quase todos os elementos combinam com o oxigênio, formando óxidos e liberando energia. As substâncias mais comuns e de maior poder calorífico são os hidrocarbonetos. Um hidrocarboneto é um composto químico em cuja composição aparecem somente os elementos carbono e hidrogênio.

gases combustíveis e comburentes

Salvo duas únicas exceções, que são o hidrogênio puro e o monóxido de carbono, os hidrocarbonetos são os combustíveis que compõem uma das partes necessárias para formar a chama. Combustíveis são os materiais que queimam na presença do ar ou do oxigênio. A outra parte utilizada na obtenção do chama é o comburente. Enquanto os gases combustíveis dão origem à chama, o comburente é o gás que promove a reação de combustão.

A queima ou reação de combustão é uma reação química de oxidação, na qual se desenvolve uma grande quantidade de calor; esse calor é transferido ao material que, em consequência, se aquece.

A razão de se escolher o acetileno (C2H2) como o gás combustível advém do fato de ser o gás que, em combustão na presença de oxigênio, produz a chama considerada como a de mais alta temperatura e de maior concentração de todos os gases combustíveis.

Comparando a reação química de combustão nos diversos gases combustíveis com a do acetileno, encontra- -se menor capacidade de transferência de calor para os gases que exigem mais tempo de aquecimento e, consequentemente, maior consumo de oxigênio; este fato torna a operação de aquecimento ou soldagem mais cara, embora os outros gases combustíveis tenham custo inferior. Assim, a chama a que se vai referir daqui por diante será sempre a chama oxi-acetilênica.

 

gás acetileno

O acetileno (C2H2), composto gasoso de carbono e hidrogênio, é um gás incolor e sem cheiro quando puro. Entretanto, tem na sua forma comercial um cheiro característico, semelhante ao alho, devido a impurezas tais como: fosfina, arsina, sulfeto de hidrogênio e amônia. Sua composição química, C2H2, é a mais simples dos compostos orgânicos, sendo 7,47% de hidrogênio e 92,24% de carbono, em peso.

Devido a ser um gás mais leve que o ar, o acetileno eleva-se na atmosfera, obrigando a construir sistemas de exaustão nos tetos, para evitar o acúmulo de gás que tende a se situar na parte superior dos locais onde é utilizado.

Como outros materiais, o acetileno também tem o seu ponto triplo, em que coexiste nos estados sólido, líquido e gasoso. Isto ocorre nas condições de pressão absoluta de 1,25 bar e temperatura de -82,4°C.

obtenção do acetileno

A obtenção do acetileno para fins industriais se processa a partir docarbeto de cálcio, que é acondicionado em tambores ou latas fechadas de modo a não permitir a entrada de ar ou umidade. Nas fábricas modernas de produção de acetileno, o carbeto de cálcio é acondicionado em contêineres com capacidade de 1 800 a 2 OOOKg.

A produção do acetileno se faz em geradores onde o carbeto de cálcio e a água reagem, produzindo o gás úmido e impuro. A purificação é feita em torres de

purificação com ácido sulfúrico e, em seguida, com soda cáustica. Há outros processos de purificação, tanto mais como menos eficazes, porém este é considerado o de melhor relação custo/benefício para as tecnologias disponíveis atualmente.

chama do acetileno

A oxidação do acetileno, ou seja, a sua combinação com o oxigênio, pode produzir chama com temperatura da ordem de3100°C. O acetileno é um gás cuja combinação, facilmente controlável com o oxigênio, produz chamas de variadas temperaturas. Estas temperaturas dependem, além da relação combustível/comburente, da pressão dos gases, do conteúdo de vapor de água no acetileno e ainda da temperatura ambiente.

Embora o acetileno não seja produzido pela simples combinação do carbono com o hidrogênio, a cadeia de reações químicas necessária à sua formação mostra que, para sua obtenção, o conteúdo calorífico final é maior do que o inicial. Ao decompor-se nos seus elementos, o acetileno libera calor; assim, quando submetido a pressões acima de 2atm, o acetileno explode com violência, o que acontece também quando submetido a choques, centelha ou calor súbito. Quando sob temperaturas acima de 780°C, mesmo sob pressão normal, o acetileno é instável.

limites de explosividade do acetileno

Os limites de explosividade do acetileno nas misturas sob pressão e temperaturas normais são: com o ar, 2,5% para 82% de acetileno em volume; com o oxigênio, 2,0% para 93% de acetileno em volume. A máxima explosividade com o ar ocorre quando se tem 7,7% de acetileno e 92,3% de ar em volume.

emprego do acetileno

Aproximadamente 70% da produção mundial de acetileno é utilizada para a síntese química. O acetileno é matéria-prima para uma série de compostos orgânicos, entre os quais o etanol, o ácido acético, o anídrico acético e a acetona. Estes compostos são aplicados nas indústrias de plásticos, de borracha sintética, de corantes solventes e de produtos farmacêuticos. Os restantes 30% da produção de acetileno são utilizados principalmente para soldagem oxicombustível, corte, tratamento térmico, escarfagem (remoção de trincas, escamas, inclusões e outros defeitos da superfície de semi-acabados) e revestimento de peças metálicas. Uma parcela bastante reduzida é utilizada para fins de iluminação em bóias, faróis e dispositivos similares.

acondicionamento e transporte do acetileno

O acetileno gasoso tende a se decompor com o aumento de pressão e temperatura. Embora em algumas regiões ou pequenas oficinas sejam utilizados velhos geradores de acetileno, a grande maioria das empresas faz uso do acetileno comprimido por ser mais puro e, sob pressão estável, seu risco é reduzido.

Na decomposição em carbono e hidrogênio, há uma grande liberação de calor com caráter explosivo. A pressão máxima para comprimir o gás quando puro é de 1,5kgf/cm2 (15psi, sob 1 atm). Verificou-se porém, que se for dissolvido em líquido e confinado em pequenas cavidades, o acetileno pode sofrer grandes compressões sem perigo. Por isso, os cilindros de acetileno são preenchidos com matéria porosa constituída de uma mistura de carvão, cimento especial e asbestos, ou de silicato de cálcio e asbestos. Nestas condições, o acetileno pode ser comprimido sob pressões da ordem de até 20kgf/cm2.

cilindros de acetileno

As válvulas dos cilindros de acetileno são menos robustas que as de oxigênio, pois são utilizadas menores pressões de trabalho e de armazenagem. Como característica especial, e isto vale para todas as conexões de gás combustível, as roscas para adaptação de mangueiras ou dispositivos de segurança são todas para a esquerda. É comum que estas conexões apresentem pequenos entalhes externos para identificação por parte do usuário.

Os cilindros são dotados de bujões de material fusível para segurança. A parte central destes bujões é constituída de uma liga de estanho e cádmio que funde a uma temperatura de aproximadamente 100°C.

Os cilindros padronizados contêm, normalmente, 5ou 9Kg de acetileno para uso sob pressões de 17,5Kgf/cm2 a 21 °C.

Uma outra característica usual nos cilindros de acetileno é a inexistência de manopla ou volante permanente na válvula. Por segurança, o usuário só deve colocá-la durante o uso do equipamento, e só abrir o necessário para pressurizar o sistema.

O acetileno, em contato com prata, cobre ou mercúrio, sob certas condições, pode formar compostos explosivos, daí a conveniência de seu encanamento em cilindros sempre feitos de aço carbono.

Na utilização do acetileno, devem ser seguidas algumas recomendações, tais como: não ultrapassar a pressão de 20atm; abrir as válvulas lenta e gradativamente para evitar perdas de acetona e riscos para o operador; não deixar esgotar a pressão, nem trabalhar com o cilindro na posição horizontal para evitar a perda de acetona.

O conteúdo de gás num cilindro de acetileno não pode ser avaliado exatamente por pressão, uma vez que a solubilidade da acetona depende muito da temperatura. A quantidade exata de gás é determinada por pesagem. Porém, há uma regra prática que permite um cálculo aproximado da quantidade de gás restante num cilindro: basta multiplicar a pressão do cilindro em bar por seu volume em litros e em seguida multiplicar o resultado por 10. Por exemplo, num cilindro de acetileno de 50 litros de volume, em que o manômetro do cilindro indique a pressão de 10bar, o conteúdo de gás será de aproximadamente: 50 x 10 x 10 = 5000 litros de gás, o que eqüivale a 5Kg.

oxigênio

O oxigênio é o gás utilizado como comburente na chama oxi-acetilênica. É um gás incolor, inodoro e insípido. Ao contrário do acetileno, é um gás que se encontra na atmosfera; seu processo produtivo consiste em separá- lo dos demais componentes da atmosfera.

O oxigênio não pode estar no estado líquido sob temperatura acima de -118,574°C, sob qualquer pressão, mesmo que elevada ao máximo. No entanto, sob temperatura de -118,574°C e sob pressão de 50,43bar, os estados líquido e gasoso do oxigênio coexistem; por isso, diz-se que para o oxigênio, a temperatura crítica é de -118,574°C , e a pressão crítica é 50,43bar.

1 litro de oxigênio liquido vaporizado até a temperatura de 21°C e pressão de latm, transforma-se em 0,8662m3 de oxigênio gasoso.

obtenção do oxigênio

O oxigênio pode ser obtido por reações químicas, por eletrólise da água e por liqüefação do ar. O primeiro processo é empregado em equipamentos para minibrasagens. O oxigênio obtido a partir da liqüefação do ar tem uma pureza de 99,6%, e é utilizado principalmente no processo de oxicorte, uma vez que queda de pureza causará diminuição da velocidade de corte.

acondicionamento e transporte do oxigênio

O oxigênio é comprimido e enviado aos distribuidores na forma líquida ou gasosa. É acondicionado em cilindros de aço padronizados. Estes cilindros são feitos de aço-cromo-molibdênio, sem costura e com paredes de 6 a 7mm de espessura.

cilindros de oxigênio

Os cilindros podem ser fabricados de duas diferentes formas: por puncionamento e por forjamento. No puncionamento, parte-se de um disco metálico de grande espessura, repuxado para formar o cilindro, que ficará com a parede constante. A outra extremidade é fechada por forjamento. No forjamento, parte-se de um tubo sem costura, forjado nas duas extremidades. Uma será obturada e a outra receberá o registro. Em ambos os casos, os cilindros devem ser submetidos a tratamento térmico.

Os cilindros têm, geralmente, a capacidade de 40 litros de oxigênio líquido sob pressão de 150Kgf/cm2. Para determinar a quantidade de gás num cilindro, basta multiplicar a capacidade do cilindro em litros de água pela pressão em bar, que é indicada no manômetro do regulador. Por exemplo, um cilindro com volume de 50 litros cujo manômetro indica 140Kgf/cm2, o cálculo é: 50 x 140 = 7000 litros, ou seja, 7m3 de gás. É importante observar que no caso de cestas com mais de um cilindro, a quantidade final em m3 deve ser multiplicada pela quantidade de cilindros existentes na cesta.

Os cilindros têm marcas de identidade, ou seja, identificação do construtor, ano e número de fabricação, volume interior e pressão de prova. Além disto, devem também estar identificadas as chamadas marcas de serviço, que são: nome do gás, pressão máxima de carga e datas dos testes.

A afinidade do oxigênio com os hidrocarbonetos, de uma forma geral, faz surgir o perigo de combustão espontânea. Por isto deve-se evitar o contato com óleos e graxas. Não é permitido lubrificar as válvulas, conexões ou qualquer outra parte que tenha contato direto com o gás. Cada cilindro é equipado com uma válvula especificamente desenhada para operar sob alta pressão, normalmente construída de latão forjado. Quando em uso, a válvula deve ser aberta até o fim, de forma que não haja possíveis vazamentos na rosca. O volante de abertura e fechamento é mantido na válvula.

a cada cinco anos, os cilindros devem ser submetidos a testes hidrostáticos, com pressões da ordem de uma vez e meia a pressão de serviço

 

Para proteger a válvula, utiliza-se uma tampa de proteção, roscada no gargalo do cilindro e conhecida como capacete. Sempre que o cilindro não estiver em uso, esta tampa deverá ser mantida em seu lugar.

Em instalações de elevado consumo, pode-se optar por trabalhar com oxigênio líquido. O oxigênio retirado líquido das colunas é transportado e estocado na forma líquida em tanques criogênicos. Para sua posterior utilização será necessário um evaporador; dois tipos de evaporadores podem ser utilizados: evaporadores

quentes, onde o líquido, ao se vaporizar, permanece sob uma pressão de 150 a 200atm e evaporadores frios, que conservam o oxigênio no estado líquido durante todo o tempo. Utilizam-se paredes duplas com vácuo e isolante em pó. A pressão máxima no interior destes tanques é de 20atm.

Para fazer uma comparação entre a utilização do oxigênio líquido e do gasoso, vale a pena observar os cálculos que podem ser feitos. Por exemplo, para transportar 2500m3 de oxigênio no estado gasoso, cada cilindro de 80Kg em aço transportará 10m3 de gás; portanto, serão necessários 20000kg de cilindros e 3500Kg de gás; para transportar 2500m3 de oxigênio no estado líquido, cada litro de oxigênio líquido, pesando 1,141 kg, fornece 0,85m3 de gás. Os 2500m3 pesam 3320Kg mais 2000Kg do recipiente.

No caso de utilização em cilindros, deve-se sempre lembrar que, apesar de sua construção robusta, o cilindro de oxigênio nada mais é do que um vaso de pressão. Por isso, deve ser manejado cuidadosamente e transportado em carrinhos. Deve-se evitar o uso de guinchos magnéticos, talhas com correntes ou qualquer outro meio que possa fazer com que o manuseio do cilindro não seja feito em condições de segurança.

chama

Sempre que acontece uma reação química entre gases com aparecimento de luz e calor, a zona em que se processa esta reação é denominada chama.

Os fatores que controlam a chama dentro de um mesmo maçarico são o tamanho e a forma longitudinal do orifício. As pressões do acetileno e do oxigênio são as quantidades relativas na mistura destes dois gases que se queimam no bico do maçarico.

chama oxi-acetilênica

Quando há queima completa do acetileno no ar, o oxigênio do ar combina-se com o acetileno, formando o gás carbônico e o vapor de água (2 C7H2 + 5 02 => 4 CO? + 2 H20 + calor). Como se pode verificar, para haver a queima completa de acetileno, são necessários 2,5 volumes de oxigênio para 1 volume de acetileno.

No ar atmosférico há quatro vezes mais nitrogênio do que oxigênio e ainda outros gases em pequenos percentuais. Desde que estes gases não entrem na reação, apenas serão aquecidos por ela, o que causará uma diminuição na temperatura da chama.

Se houvesse oxigênio puro num volume duas vezes e meia vezes maior, como seria o ideal para a chama de soldagem, obter-se-ia uma chama de temperatura mais elevada, porém este tipo de chama é comercialmente inviável. O tipo de chama que se emprega é a que se alimenta com um volume de oxigênio para cada volume de acetileno, deixando os outros 1,5 volumes para serem fornecidos pelo próprio ar atmosférico que envolve a chama.

reações da chama oxi-acetilênica

A chama é produzida por duas reações: a reação primária e a secundária. A reação primária é a de maior temperatura e é representada na chama pelo cone interno. É a reação que se processa com os gases fornecidos pelos cilindros de oxigênio e acetileno. A reação secundária é a representada pela parte externa da chama, também conhecida como envoltório; é a reação do monóxido de carbono resultante da reação primária com o hidrogênio, também resultante da reação primária na presença do oxigênio do ar.

tipos de chama oxi-acetilênica

Os tipos de chama oxi-acetilênica variam em consequência das proporções de oxigênio e acetileno que produzem. Basicamente existem três tipos: neutra, redutora ou carburante e oxidante. As diferentes zonas são definidas pela intensidade e coloração da luz.

chama neutra ou normal

A chama neutra ou normal é a chama de maior utilização para o processo de soldagem oxicombustível. Esta chama é resultante da mistura de acetileno e oxigênio em partes iguais, daí a origem do nome de neutra; apresenta duas zonas bem definidas, que são o cone e o envoltório. A chama neutra é de particular importância para o soldador, não só por seu uso em soldagem e corte, como também por fornecer uma base para regulagem de outros tipos de chamas. Esta chama pode atingir temperaturas da ordem de 3100°C. É recomendada para soldagem de ferros fundidos, aços, alguns bronzes, cobre, latão, níquel, metal monel, enchimentos e revestimentos com bronze.

chama redutora ou carburante

A chama redutora ou carburante é a chama resultante da mistura de acetileno com oxigênio, com um excesso de acetileno. Nesta chama, as três regiões apresentam-se bem distintas: cone, envoltório e o véu. O véu apresenta-se muito brilhante e este brilho é devido a partículas de carbono incandescentes sob alta temperatura

O comprimento da franja determinará a quantidade de acetileno em excesso na chama.

A chama redutora é utilizada para soldagem de aços-liga ao cromo e ao níquel, alumínio e magnésio. Atinge a temperatura de 3020°C, e pode ser também empregada para depósitos de materiais duros como “stellite”. Esta chama não é recomendada para a soldagem de aços carbono, pois causa juntas porosas e quebradiças.

chama oxidante

A chama oxidante é a chama resultante da mistura de acetileno com oxigênio, com um excesso de oxigênio. Esta chama pode atingir uma temperatura de 3150°C. Apresenta em seu visual duas zonas bem distintas: o cone e o envoltório. Uma outra característica deste tipo de chama é o som sibilante emitido pelo bico.

A chama oxidante é utilizada principalmente para soldagem de materiais que contenham zinco em sua composição química, como por exemplo o latão. Na soldagem deste material, o zinco é oxidado na superfície da poça, onde a camada de óxido resultante vai inibir posteriores reações. Com a chama normal, o zinco se volatiliza continuamente e é oxidado na atmosfera.

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997

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