Atmosferas exotérmicas

Uma atmosfera com gás exotérmico pode prevenir a oxidação da superfície durante o tratamento térmico de metais. Esta coluna mostra como calcular a composição de uma atmosfera exotérmica em cada estágio da preparação e o potencial de oxidação da atmosfera em relação ao ferro. Os detalhes são mostrados na planilha em Excel ExoCalc.xlsx, disponível para download no nosso website www.industrialheating.com/ExoCalc.

A Equação 1 mostra a reação de combustão do metano com menos ar do que o estequiométrico. O valor de X deve ser suficiente para que o calor da reação seja o bastante para manter a temperatura da câmara entre 1.000 e 1.400°C. A evolução do calor produzido para este fim representa o nome de “exotérmico” aplicado a esta classe de atmosferas [1,2].

1

A composição da mistura do gás de combustão pode ser calculada pelo balanço de material mais a constante de equilíbrio da Equação 2, a reação de deslocamento gás-água (WGS – water – gas shift):

2

Geração da Atmosfera Exotérmica

Um gerador de gás exotérmico queima o gás natural (GN) na presença de um catalisador para um estado de quase equilíbrio, consumindo, desse modo, todo o oxigênio e praticamente todo o CH4. O gás quente é temperado por resfriamento para remover a maior parte do vapor de água. A Fig. 1 ilustra o fluxograma. As atmosferas exotérmicas são classificadas como “pobres” quando produzidas em proporções de ar/GN entre cerca de 85% e 95% da estequiométrica, e “ricas” quando a proporção de ar/GN é entre cerca de 50% e 85% da estequiométrica.

Procedimento de Cálculo

O exemplo aqui é para uma atmosfera rica que está queimando metano com 57% de ar estequiométrico (ar/CH4 com razão molar de 5,43) a 1.120°C. O exogás é preparado pela condensação de água do gás quente a 20°C, e então utilizado para recozer um aço a 1.050°C. Aqui se está como calcular a composição da atmosfera do forno e a sua tendência a oxidar o aço.

Primeiro, utilize a base de dados FREED [3] para obter as equações de calor contido, ponto de orvalho, log Kequil e ?H0form das substâncias a 25°C. Este procedimento é o mesmo utilizado nas colunas anteriores “Conceitos de Combustão” [4,5].

Depois, escreva um balanço de material e estabeleça uma relação de equilíbrio. Há quatro incógnitas (M, D, Y e X), então, precisamos de quatro equações. A Equação 1 mostra a estequiometria: M + D = 1, W + Y = 2 e M + 2D + W = 2X = 0,21(5,43) = 1,14. A Equação 2 equilibra as quatro espécies de gás de acordo com o valor de Kequil para o WGS.

A planilha de trabalho ExoCalc, mostra como resolver estas quatro equações para encontrar a composição do gás aquecido a 1.120°C. Resfriando o gás a 20°C (pH2O = 0,0226 atm) são removidos 0,825 moles de água, reduzindo o valor de W para 0,146. O aquecimento do exogás no forno de tratamento térmico reequilibra o gás pelo WGS. A Tabela 1 mostra as composições do gás e do exogás no forno.

A Equação 3 expressa o potencial de oxidação do exogás (pressão parcial de oxigênio ou pO2). A Equação 4 mostra a tendência à oxidação pela pO2 de equilíbrio ferro/wustita. A Tabela 2 indica a situação de oxidação para o gás quente do queimador e as condições do exogás.

3e4

Referências


[1] ASM Committee on Furnace Atmospheres, Furnace Atmospheres and Carbon Control, Metals Park, Ohio [1964].
[2] Neme´nyi, Rezso, Controlled Atmospheres for Heat Treatment, edited by G.H.J. Bennett; [translated from the Hungarian by B. Gebora], Pergamon Press, [1984].
[3] www.thermart.net.
[4] Arthur Morris, “Calculating the Heat of Combustion of Natural Gas,” Industrial Heating, September 2012.
[5] Arthur Morris, “Making a Heat Balance,” Industrial Heating, December 2012.

 

Art Morris
Art Morris
Professor Emérito em Engenharia Metalúrgica no Departamento de Engenharia Metalúrgica da Universidade do Missouri, EUA, onde lecionou por 30 anos. Atualmente, Dr. Morris é cientista chefe da empresa Thermat Software, de San Diego, na Califórnia, EUA. Contribui regularmente com artigos sobre Sistemas de Combustão na revista Industrial Heating

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *