A produção e aplicação de gases industriais como oxigênio e nitrogênio são pilares da indústria moderna, sustentando processos críticos em setores como metalurgia, química, eletrônica e saúde. Para atender à demanda crescente, esses gases são frequentemente armazenados e transportados em estado líquido, a temperaturas extremamente baixas — chegando a –196 °C no caso do nitrogênio. Essa condição impõe desafios únicos à engenharia de sistemas, especialmente no controle seguro do fluxo.
Nesse cenário, as válvulas criogênicas desempenham papel essencial. Elas garantem o bloqueio, a regulagem e o direcionamento dos gases liquefeitos com máxima segurança e precisão, mesmo sob variações térmicas severas. A confiabilidade desses dispositivos é determinante para evitar riscos como vazamentos, congelamento de componentes e falhas estruturais.
Projetar válvulas para aplicações criogênicas exige atenção rigorosa a fatores como seleção de materiais, vedação, geometria interna e resistência mecânica. A contração dos metais em baixas temperaturas, aliada à necessidade de estanqueidade absoluta, torna indispensável o uso de tecnologias avançadas em sedes, hastes e interfaces. Cada detalhe contribui para manter a integridade operacional em processos onde qualquer falha pode comprometer a segurança e a eficiência.
Este artigo explora as características fundamentais das válvulas criogênicas aplicadas à indústria de oxigênio e nitrogênio, destacando por que elas são componentes críticos para a continuidade e confiabilidade das operações em ambientes extremos.
Tipos de válvulas criogênicas utilizadas em plantas de oxigênio e nitrogênio
Em processos criogênicos, cada válvula desempenha uma função específica para garantir controle preciso, segurança operacional e integridade do sistema em temperaturas que podem atingir –196 °C ou até –270 °C em aplicações especiais. A seleção adequada do tipo de válvula depende da função — bloqueio, regulagem ou controle fino — e das características da linha, como diâmetro, pressão e regime de operação.
A seguir, os principais tipos utilizados em plantas de separação, transferência e estocagem de oxigênio e nitrogênio:
Válvula Borboleta Criogênica
Indicada para linhas de grande diâmetro onde se busca leveza, baixo custo e baixa perda de carga. Seu disco central permite manobras rápidas, sendo ideal para operações que exigem abertura e fechamento frequentes.
- Características para serviço criogênico:
- Corpo em aço inoxidável ou aço carbono com tratamento anticorrosivo.
- Sedas resilientes e discos projetados para suportar choque térmico.
- Construção dupla excêntrica para garantir estanqueidade mesmo após ciclos térmicos severos.
Aplicações típicas: sistemas de transferência de líquidos criogênicos e linhas auxiliares em tanques de armazenamento.
Válvula Esfera Criogênica
Preferida para bloqueio rápido e confiável, com giro de 90° e baixíssimo índice de vazamento. É amplamente utilizada em linhas onde a segurança contra congelamento é crítica.
- Características para oxigênio e nitrogênio líquidos:
- Esferas polidas para reduzir atrito e evitar incrustações.
- Haste prolongada com extensão criogênica para manter o atuador fora da zona fria.
- Vedações em PTFE ou compósitos especiais, livres de óleo e graxa para serviço com oxigênio.
Aplicações típicas: válvulas de bloqueio em tanques criogênicos e sistemas de carregamento/descarregamento.
Válvula Gaveta Criogênica
Projetada para isolamento total com mínima perda de carga quando aberta. É indicada para linhas de grande vazão e operações que exigem estanqueidade absoluta.
- Características específicas:
- Corpo e obturador em materiais resistentes à contração térmica.
- Vedação metálica ou elastomérica compatível com baixas temperaturas.
- Extensão criogênica para evitar congelamento da haste.
Aplicações típicas: seções principais de tubulação em plantas de separação de ar e tanques de estocagem.
Válvula Globo Criogênica
Reconhecida pelo controle preciso de vazão, sendo essencial em processos que requerem ajustes graduais. Seu design interno favorece modulação estável mesmo sob variações térmicas extremas.
- Características para serviço criogênico:
- Castelo alongado com isolamento para reduzir a transferência de calor.
- Selo de hastes com metal bellows (fole metálico) para evitar vazamentos e congelamento.
- Conformidade com normas DIN/ANSI e versões para instalação em coldbox.
Aplicações típicas: controle de fluxo em colunas de destilação, sistemas de expansão e regulagem de pressão em plantas de oxigênio e nitrogênio.
Materiais, requisitos técnicos e certificações para válvulas criogênicas
A confiabilidade das válvulas criogênicas começa na escolha dos materiais. Em temperaturas que podem atingir –196 °C (nitrogênio líquido) ou até –270 °C (hélio), a resistência mecânica e a ductilidade tornam-se fatores críticos. Por isso, são utilizados aços inoxidáveis austeníticos (como AISI 316L ou DIN 1.4571), ligas níquel-ferro e, em aplicações super criogênicas, materiais especiais conforme normas ANSI ou DIN. Esses metais mantém integridade estrutural e evitam fragilização sob choques térmicos severos.
Outro aspecto essencial é a compensação da contração térmica. Projetos criogênicos incorporam:
- Castelo alongado com seção isolante, para reduzir a transferência de calor e proteger o sistema de vedação.
- Hastes estendidas e tolerâncias ajustadas, prevenindo deformações e congelamento.
- Sedes reforçadas e vedações em PTFE ou foles metálicos, garantindo estanqueidade mesmo após ciclos térmicos extremos
A integridade estrutural é validada por ensaios de impacto a frio, testes de estanqueidade e verificação da compatibilidade química dos materiais com oxigênio e outros gases. Para serviço com oxigênio líquido, é obrigatório que os componentes sejam livres de óleo e graxa, seguindo rigorosos procedimentos de limpeza.
Em se tratando de normas, as válvulas criogênicas devem atender a padrões internacionais que asseguram desempenho e segurança:
- ISO 21011 – requisitos para válvulas em sistemas de gases liquefeitos.
- BS 6364 – especificações para válvulas criogênicas, incluindo testes de baixa temperatura.
- EN 12300 e diretrizes dos fabricantes para aplicações super criogênicas (abaixo de –196 °C), que definem materiais, altura total e procedimentos de montagem.
- Certificações adicionais, como PED 2014/68/EU para equipamentos sob pressão, e auditorias de fabricantes, garantem conformidade com requisitos de projeto e operação.
- ANSI/ISA‑75.27.01‑2024, critérios para testes de vazamento de sede em válvulas de controle, garantindo conformidade e segurança em aplicações criogênicas e de baixa temperatura.
Aplicações das válvulas criogênicas na indústria de oxigênio e nitrogênio
As válvulas criogênicas são componentes indispensáveis em processos que envolvem separação, compressão, liquefação, armazenagem e distribuição de gases industriais. Sua função vai além do simples bloqueio: elas asseguram controle preciso de pressão, vazão e temperatura, garantindo segurança e estabilidade em ambientes onde as temperaturas podem atingir –196 °C ou menos.
A seguir, as aplicações mais relevantes:
Plantas de separação de ar (ASU)
Nas unidades de separação de ar, as válvulas criogênicas desempenham papel essencial no controle do fluxo de ar comprimido e dos gases separados em suas diferentes fases. Dentro do cold box, elas regulam a expansão pelo efeito Joule-Thomson, estabilizam as colunas de retificação e mantêm o equilíbrio térmico necessário para a separação dos componentes do ar. Essas válvulas, geralmente do tipo top-entry, são projetadas com conexões soldadas e limpeza para oxigênio, permitindo manutenção sem a necessidade de abrir a estrutura isolada.
Fora do cold box, as chamadas “field valves” também são fundamentais. Elas controlam linhas de alimentação, extração e transferência, garantindo que os produtos como oxigênio, nitrogênio e argônio sejam direcionados com segurança para sistemas de armazenamento, vaporização ou distribuição. Além disso, essas válvulas asseguram proteção contra retorno de fluxo, evitam contaminações e contribuem para manter a pureza dos gases, preservando a estabilidade operacional da planta.
Manuseio, estocagem e transferência de gases liquefeitos
Durante o transporte e armazenamento de oxigênio e nitrogênio líquidos, as válvulas criogênicas asseguram isolamento confiável e evitam perdas de produto. Em tanques criogênicos com isolamento a vácuo, elas garantem estanqueidade mesmo sob ciclos repetidos de operação. Nas operações de carregamento e descarregamento entre caminhões, tanques estacionários e linhas de processo, essas válvulas controlam a expansão térmica e realizam alívio seguro de pressão, prevenindo sobrepressão e danos estruturais. Fora das áreas isoladas, as field valves desempenham papel essencial no controle das linhas de transferência, assegurando segurança e eficiência durante toda a movimentação dos líquidos.
Sistemas de alívio e proteção contra sobrepressão
As plantas de oxigênio e nitrogênio exigem válvulas criogênicas dedicadas ao alívio seguro de pressão, atuando automaticamente quando os limites operacionais são ultrapassados. Essa função é indispensável para evitar falhas em colunas de destilação, tubulações e tanques, protegendo a integridade mecânica do sistema. Além de atender às normas internacionais, essas válvulas são projetadas para operar de forma confiável em condições extremas, garantindo que qualquer excesso de pressão seja dissipado sem comprometer a segurança da planta.
Linhas de purga e inertização
Antes da partida dos sistemas, válvulas criogênicas controlam a purga e a inertização com nitrogênio gasoso, assegurando que as linhas estejam livres de umidade e contaminantes. Esse procedimento é fundamental para evitar congelamento interno e misturas indesejadas que poderiam comprometer a qualidade do oxigênio e do nitrogênio produzidos. Fora do cold box, as field valves também são utilizadas para direcionar fluxos de purga e garantir que todo o sistema esteja preparado para operação segura e estável.
Sistemas de vaporização
Nos processos de vaporização, válvulas criogênicas modulam a transição do estado líquido para gasoso, mantendo fluxos seguros e controlados. Essa operação é crítica para evitar choques térmicos e quedas bruscas de temperatura, que poderiam afetar a integridade do sistema. As válvulas asseguram que a conversão ocorra de forma gradual, permitindo que o gás seja disponibilizado com pressão e vazão adequadas para as etapas subsequentes do processo.
Distribuição e envase de cilindros
Em unidades de enchimento, válvulas criogênicas controlam o fluxo para manifolds, coletores e linhas de envase, garantindo precisão e evitando perdas de produto. A vedação confiável dessas válvulas é essencial para prevenir vazamentos durante o enchimento, assegurando a segurança dos operadores e a integridade dos cilindros. As field valves são amplamente empregadas nessa etapa, pois permitem ajustes rápidos e seguros em ambientes externos ao cold box.
Sistemas de recirculação criogênica
Em processos que utilizam recirculação para estabilizar pressões e temperaturas, válvulas criogênicas robustas controlam o retorno do líquido dentro do sistema, evitando variações abruptas de fluxo. Essa atuação contribui para manter a estabilidade térmica e aumentar a eficiência energética da planta, reduzindo perdas e garantindo operação uniforme. Fora do cold box, as field valves complementam essa função, regulando o equilíbrio entre diferentes circuitos e assegurando que o processo ocorra sem interrupções.
Outras aplicações estratégicas
Além das funções tradicionais, válvulas criogênicas também são aplicadas em:
- Controle em turbinas de expansão (turbo expanders)
Atuam como backup ou regulagem fina durante partida, parada ou contingência, garantindo estabilidade térmica quando o turbo expansor não está operando. - Sistemas de pré-purificação (PPU)
Controlam fluxo para unidades de adsorção, removendo CO₂, H₂O e hidrocarbonetos antes do cold box, prevenindo congelamento. - Bypass e equalização em trocadores de calor
Regulam desvios para otimizar troca térmica e evitar sobrecarga em colunas de retificação. - Linhas de drenagem e despressurização
Permitem drenagem segura de líquidos residuais e despressurização controlada antes de manutenção. - Controle de pureza e mistura
Ajustam fluxos para atender diferentes especificações (ex.: oxigênio medicinal vs. industrial). - Proteção contra retorno em compressores e bombas
Válvulas de retenção criogênicas evitam refluxo, protegendo equipamentos contra danos. - Aplicações downstream
Fornecimento controlado de gases ultra puros para processos químicos, metalúrgicos e eletrônicos.
Boas práticas de segurança e manutenção para operações com válvulas criogênicas
Aqui está a versão revisada e mais técnica do texto, mantendo a estrutura contínua e eliminando referências a fabricantes, exceto Samson:
Boas práticas de segurança e manutenção para válvulas criogênicas
Evitar choque térmico em válvulas criogênicas é uma medida fundamental para preservar a integridade estrutural e garantir a operação segura. O resfriamento gradual antes do contato com líquidos a temperaturas extremamente baixas reduz tensões internas e minimiza riscos de fratura por contração diferencial. A abertura controlada complementa esse cuidado, estabilizando o fluxo e permitindo que os componentes atinjam equilíbrio térmico de forma progressiva. Para aplicações criogênicas, recomenda-se seguir protocolos de cooldown com pré-resfriamento e introdução incremental do fluido, conforme diretrizes técnicas da Samson.
Após a estabilização térmica, é indispensável realizar inspeções periódicas, incluindo análise visual e física da haste, corpo, vedações e regiões sujeitas a congelamento. A presença de gelo excessivo ou localizado pode indicar falhas no isolamento ou vazamento de vapor. A detecção precoce de fissuras, desgaste da sede ou afrouxamento de flanges é essencial para evitar vazamentos internos ou externos e manter a estanqueidade operacional.
O aprisionamento de líquido em cavidades internas representa um risco crítico, pois o nitrogênio líquido pode expandir até aproximadamente 696 vezes ao vaporizar, gerando pressões capazes de romper o corpo da válvula. Para mitigar esse risco, as válvulas devem incorporar orifícios de alívio no obturador ou sedes com mecanismo de alívio de cavidade, permitindo a dissipação controlada da pressão para o lado pressurizado (normalmente à montante da válvula).
A manutenção da temperatura adequada na região da haste é outro ponto essencial para garantir o desempenho das vedações. Esse controle é obtido por meio de castelos estendidos, que criam uma “barreira” isolante, e pelo posicionamento preferencialmente vertical da haste, reduzindo o risco de travamento por congelamento ou vazamentos externos.
Durante a operação, a manutenção preventiva deve incluir ajuste periódico da gaxeta e substituição programada de vedações em PTFE, material que sofre degradação acelerada sob esforços criogênicos. Também é necessário verificar a capacidade de alívio, inspecionar atuadores e realizar testes de estanqueidade conforme normas internacionais, como BS 6364, ISO 28921 e ANSI/ISA‑75.27.01‑2024.
Para aplicações com oxigênio líquido, a compatibilidade deve ser rigorosamente avaliada, e a limpeza seguir padrões como ASTM G93 e CGA G‑4.1, assegurando a completa remoção de óleos, graxas e contaminantes orgânicos que possam causar ignição espontânea. Além disso, o registro sistemático do histórico operacional e das intervenções, conforme procedimentos padronizados baseados na ISO 21011, garante rastreabilidade e uniformidade, aumentando a confiabilidade do sistema.
A adoção dessas práticas, aliada à seleção adequada de materiais e à aplicação de protocolos rigorosos, reduz a incidência de falhas, prolonga a vida útil dos componentes e assegura a segurança das operações com válvulas criogênicas em processos de alta criticidade.
Como escolher válvulas criogênicas adequadas
A seleção de válvulas criogênicas exige uma abordagem criteriosa, pois envolve condições extremas de temperatura e requisitos rigorosos de segurança e confiabilidade. O primeiro passo é avaliar o desempenho esperado, a repetibilidade e a capacidade de vedação. Esses fatores determinam como a válvula responderá às variações térmicas e mecânicas, influenciando diretamente sua vida útil e a estabilidade do processo.
Em seguida, é fundamental compatibilizar a válvula com os parâmetros reais de operação: pressão de linha, tipo de fluido, faixa de temperatura e requisitos de automação. Cada aplicação demanda materiais e geometrias específicas para garantir eficiência, minimizar riscos de cavitação e evitar falhas prematuras. Normas internacionais, como EN ISO 15848-1, estabelecem critérios para baixas emissões fugitivas e comportamento sob ciclos térmicos, reforçando a necessidade de conformidade técnica.
Outro ponto crítico é a análise do histórico e da competência do fabricante. Empresas consagradas, com presença global e investimento contínuo em pesquisa e desenvolvimento como a SAMSON, oferecem profundo conhecimento técnico e ferramentas avançadas de cálculo, capazes de prever fenômenos como cavitação, flashing, vibração excessiva e desgaste prematuro. Essa expertise reduz significativamente o risco de erros na seleção e dimensionamento, assegurando confiabilidade e desempenho a longo prazo.
Por fim, o suporte técnico especializado atua como elo entre especificação e operação. Equipes experientes orientam na escolha de materiais, dimensões, testes e certificações adequadas à planta e às condições de trabalho. Esse acompanhamento garante que a solução atenda não apenas aos requisitos normativos, mas também às expectativas de segurança, eficiência e durabilidade.
Soluções da SAMSON para sistemas criogênicos
A SAMSON oferece soluções de automação industrial projetadas para atender às rigorosas demandas da indústria de oxigênio e nitrogênio, incluindo aplicações criogênicas que exigem precisão, robustez e segurança operacional. Nossos equipamentos garantem desempenho confiável mesmo sob temperaturas extremamente baixas, chegando a –270 °C.
O portfólio inclui válvulas de controle, reguladores auto-operados, medidores e acessórios, permitindo a construção de sistemas completos e alinhados às normas para processos críticos. A engenharia aplicada prioriza vedação eficiente, seleção adequada de materiais e operação precisa em ambientes severos.
Principais produtos para aplicações criogênicas:
- Válvulas criogênicas (Tipos 3248, 3246, 3598 e 3241)
Desenvolvidas para uso em cold-box, disponíveis em versões globo, angulares ou três vias conforme DIN ou ANSI. Destacam-se pelo design top-entry, vedação por fole metálico e seções isolantes para minimizar perdas térmicas e evitar formação de gelo. - Reguladores auto-operados (Série 2357 e Tipo 2040)
Reguladores para pressurização e válvulas de excesso de pressão, projetados para manter a pressão ideal em tanques e garantir segurança em condições extremas (até 40 bar e –196 °C). Incluem funções de segurança e versões para gases ultra puros. - Medidores da Série Media (Media 5, 05 e 7)
Soluções para medição de nível, pressão diferencial e vazão, com design modular e possibilidade de integração a sistemas de monitoramento remoto.
Se você busca válvulas de controle, reguladores e sistemas de medição para processos criogênicos, conheça as soluções da SAMSON e descubra como nossas tecnologias podem elevar o desempenho e a segurança da sua operação.