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Esta apostila composta por mdulos.
Cada modulo apresentado com mais detalhes e informaes nos anexos
deste curso, para melhor fixao e compreenso do contedo.
Com base nesta apostila e no material de apoio devero ser feitos
por voc os exerccios de fixao.
Bons estudos!
MDULO 1 TRANSMISSO DE CALOR
TERMOMETRIA, CALOMETRIA E TRANSMISSO DE CALOR
Este mdulo de Termologia destinado a alunos do Curso de Formao
de Operadores da NR 13 Vasos de Presso e tem como objetivo
capacit-los a analisar e interpretar os fenmenos fsicos
relacionados a Temperatura, Calor, Princpios e Processos de
transmisso do calor, relacionando-os com exemplos de vaso de
prresso citados.
As noes de quente e frio so intuitivas e dependem de vrios
fatores inerentes ao observador e ao objeto observado. Atravs do
tato, podemos distinguir um corpo quente de um corpo frio, porm com
este mtodo de avaliao no podemos determinar a temperatura de um
corpo, pois a sensao trmica pode ser diferente de uma pessoa para
outra. Trataremos, inicialmente, do conceito de temperatura.
Ao analisarmos microscopicamente um corpo, podemos perceber que
seu estado trmico est intimamente relacionado com o estado de
agitao de suas partculas, ou seja, esta torna-se mais acentuada
medida que o corpo vai sendo aquecido, ou diminui medida que o
corpo vai sendo resfriado. Com base nessa observao, podemos
definir:
Temperatura uma grandeza fsica utilizada para avaliar o estado
de agitao das partculas de um corpo, caracterizando o seu estado
trmico.
Conseqentemente, quando dizemos que um corpo A encontra-se a uma
temperature maior que a de um corpo B, em verdade estamos afirmando
que o nvel de agitao das partculas de A maior que de B. A avaliao
da temperatura de um corpo realizada por um instrumento de medida
chamado de Termmetro.
De um modo geral, quando a temperature de um corpo aumenta, suas
dimenses aumentam e o fenmeno denominado de dilatao trmica,
ocorrendo a contrao trmica quando a sua temperatura diminui.
Podemos entender melhor a dilatao trmica dividindo-a em:
Dilatao linear: trata-se do aumento de comprimento caracterstico
dos corpos. Com o aquecimento, o comprimento de um cabo de ao
aumenta, o dimetro de uma tubulao aumenta, o comprimento de um
trilho de trem aumenta, etc.
Dilatao superficial: trata-se do aumento da rea de superfcie
caracterstica dos corpos. Com o aquecimento, a rea de uma chapa
metlica aumenta, a rea da seco de um cabo de ao aumenta, etc.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos 1
NR 13 - Vasos de Presso
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Dilatao volumtrica: trata-se do aumento de volume dos corpos.
Com o aquecimento, o volume de um parafuso aumenta, o volume de
petrleo aumenta, o volume de um gs aumenta, etc.
FORMAS DE CALOR
A quantidade de energia trmica recebida ou perdida por um corpo
pode provocar uma variao de temperatura ou uma mudana de fase
(estado de agregao molecular). Se ocorrer variao de temperatura, o
calor responsvel por isso chamar-se- calor sensvel. Se ocorrer
mudana de fase, o calor chamar-se- calor latente.
Processos de mudana:
Fuso: passagem de slido para lquido; Solidificao: passagem de
lquido para slido;
Vaporizao: passagem de lquido para vapor;
Condensao: passagem de vapor para lquido;
Sublimao: passagem de slido para vapor ou vapor para slido
(cristalizao).
LEIS GERAIS DE MUDANA
Se a presso for mantida constante, durante a mudana de fase, a
temperature se mantm constante.
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Para uma dada presso, cada substncia tem a sua temperatura de
mudana de fase perfeitamente definida.
Variando a presso, as temperaturas de mudana de fase tambm
variam.
A transmisso do calor pode ocorrer de trs formas distintas:
conduo, conveco e irradiao.
Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma
chama, rapidamente o calor transmitido para a mo. Por outro lado, h
materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais
materiais so chamados isolantes. Como exemplo, podemos citar a
borracha, a l, o isopor e o amianto.
A conveco trmica o processo de transmisso do calor de um local
para o outro pelo deslocamento de matria. Podemos citar dois
exemplos: o forno de ar quente e o aquecedor de gua quente. Se o
material aquecido for forado a se mover por intermdio de uma bomba,
o processo chamado conveco forada; se o faz por causa de diferenas
de densidade, chamado de conveco natural. Todos os corpos emitem
ondas eletromagnticas, cuja intensidade aumenta com a temperatura.
Essas ondas propagam-se no vcuo e dessa maneira que a luz e o calor
so transmitidos do Sol at a Terra. Entre as ondas eletromagnticas,
as principais responsveis pela transmisso do calor so as ondas de
infravermelho. Quando chegamos perto de uma fogueira, uma lmpada
incandescente ou um aquecedor eltrico, sentimos o calor emitido por
essas fontes. Uma parcela desse calor pode vir por conduo atravs do
ar. Porm, essa parcela pequena, pois o ar mau condutor de calor. Na
realidade, a maior parte do calor que recebemos dessa fontes vem
por irradiao de ondas eletromagnticas. De modo semelhante ao que
acontece com a luz, as ondas de calor podem ser refletidas por
superfcies metlicas. por esse motive que a parte interior de uma
garrafa trmica tem paredes espelhadas, para impedir a passage de
calor por irradiao.
Sendo assim, podemos definir irradiao:
Irradiao trmica um processo de transmisso do calor por meio de
ondas eletromagnticas, predominando entre elas, as radiaes
infravermelhas (ondas de calor).
Vcuos denominados parciais so comumente encontrados em nosso
dia-a-dia, como em latas contendo alimentos, em embalagens plsticas
de alimentos, entre as paredes de uma garrafa trmica, em um tubo de
raios catdicos de uma televiso etc.
Existem vrios tipos de bombas de vcuo na indstria e alguns tipos
chegam at mesmo a ser comercializados em lojas. Dependendo do vcuo
que se quer obter, podemos usar vrias bombas, que vo desde uma
simples aspirao de ar para nossos pulmes, por exemplo, ao esvaziar
uma bexiga e criar vcuo em seu interior, at bombas como a de sorpo,
aroots, a turbo molecular, a bomba de difuso, a de sublimao, a
inica e a criognica, apresentadas aqui numa ordem crescente de
poder de criao de vcuo.
MODULO 2 - TROCADORES DE CALOR
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A operao de troca trmica efetuada em equipamentos denominados
genericamente de trocadores de calor. Esta operao bastante
abrangente e vamos nos restringir troca trmica entre dois
fluidos.
Assim sendo, podemos resumir dizendo:
Trocador de calor o dispositivo que efetua a transferncia de
calor de um fluido para outro.
A transferncia de calor pode se efetuar de quatro maneiras
diferentes: pela mistura dos fluidos; pelo contato entre os
fluidos; com armazenagem intermediria; atravs de uma parede que
separa os fluidos quente e frio.
TROCA DE CALOR PELA MISTURA DOS FLUDOS
Um fluido frio em um fluido quente se misturam num recipiente,
atingindo uma temperatura final comum: troca de calor sensvel;
desuperaquecedores de caldeira (desuperheater); condensadores de
contato direto (direct contact condenser); aquecedores da gua de
alimentao em ciclos de potncia regenerativos;
Troca Trmica por Contato entre os Fluidos
Resfriamento da gua torres de resfriamento (cooling tower). O ar
aquecido e umidificado em contato com um spray de gua fria.
Resfriamento e desumidificao de ar (spray dehumidifier). Ar
quente e mido resfriado e desumidificado em contato com spray de
gua fria.
Resfriamento e umidificao da ar (Air washer). Ar seco e quente,
como o existente em climas desrticos, resfriado e umidificado.
Troca trmica atravs de uma parede que separa os fluidos
Neste tipo de trocador, um fluido separado do outro por uma
parede, atravs da qual passa o calor. Este tipo compreende
basicamente os recuperadores, alm dos trocadores de calor com leito
fluidizado. Neste ltimo, uma das superfcies da parede est em
contato com um leito de partculas slidas fluidizadas, como a areia
por exemplo. Coeficiente de pelcula bastante elevados so obtidos do
lado do leito fluidizado.
Eles podem ser classificados quanto :
Utilizao: permutadores; resfriadores / aquecedores;
condensadores; evaporadores; vaporizadores
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Construo: trocadores tipo tubo duplo; trocadores tipo casco e
tubo; trocadores de calor de placas; trocadores de calor com
superficies estendidas; trocador de calor de placas espiraladas;
trocador de calor de lamelas; vasos encamisados; serpentinas;
caixas resfriadoras; resfriadores tipo trombone; trocadores tipo
baioneta; trocador de filme descendente; tubos de calor.
Incrustaes
Existe uma especial ateno, em toda indstria que dispe de
caldeiras de mdia e alta presso, quanto presena de sais dissolvidos
nagua, isto porque eles afetam indesejavelmente as caldeiras,
provocando incrustaes nas paredes internas dos tubos de circulao de
gua.
As incrustaes so causadas pelo calor aplicado (queima de
combustvel), que pode decompor certas substncias dissolvidas na gua
formando produtos insolveis e aderentes ou diminuir a solubilidade
de outras substncias, provocando sua cristalizao sobre a superfcie
do metal. A condutibilidade trmica dessas incrustaes geralmente
muito baixa e estudos comprovam que, em alguns casos, uma incrustao
com apenas 0,1 mm de espessura, poderia causar um perigoso aumento
de temperatura do metal dos tubos.
Sistemas de Unidades
As dimenses fundamentais so quatro : tempo, comprimento, massa e
temperatura. Unidades so meios de expressar numericamente as
dimenses. Apesar de ter sido adotado internacionalmente o sistema
mtrico de unidades denominado sistema internacional (S.I.), o
sistema ingls e o sistema prtico mtrico ainda so amplamente
utilizados em todo o mundo. Na tabela abaixo esto as unidades
fundamentais para os trs sistemas citados :
SISTEMA TEMPO, t COMPRIMENTO,L MASSA ,m TEMPERATURAS.I.
segundo,s metro,m quilograma,kg Kelvin,kINGLS segundo,s p,ft
libra-massa,lb
Farenheit,o
F MTRICO segundo,s metro,m quilograma,kg
celsius,o
C
Unidades derivadas mais importantes para a transferncia de
calor, mostradas na prxima tabela, so obtidas por meio de definies
relacionadas a leis ou fenmenos fsicos :
Lei de Newton : Fora igual ao produto de massa por acelerao ( F
= m.a ), ento :
1 Newton ( N ) a fora que acelera a massa de 1 Kg a 1 m/s2
Trabalho ( Energia ) tem as dimenses do produto da fora pela
distncia ( = F.x ), ento :
1 Joule ( J ) a energia dispendida por uma fora de 1 N em 1
m
Potncia tem dimenso de trabalho na unidade de tempo ( P = / t ),
ento :
1 Watt ( W ) a potncia dissipada por uma fora de 1 J em 1 s
Unidades derivadas dos sistemas de unidades mais comuns
SISTEMA FORA,F ENEGIA,E POTNCIA,P
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S.I. Newton,N Joule,J Watt,WINGLS libra-fora,lbf lbf-ft (Btu)
Btu/hMTRICO kilograma-fora,kgf kgm (kcal) kcal/h
As unidades mais usuais de energia ( Btu e Kcal ) so baseadas em
fenmenos trmicos, e definidas como :
Btu a energia requerida na forma de calor para elevar a
temperatura de 1lb de gua de
67,5 o
F a 68,5 o
F Kcal a energia requerida na forma de calor para elevar a
temperatura de 1kg de gua de
14,5 o
F a 15,5 o
F
Em relao ao calor transferido, as seguintes unidades que so, em
geral, utilizadas :
&q - fluxo de calor transferido (potncia) : W, Btu/h,
Kcal/h
Q- quantidade de calor transferido (energia) : J, Btu, Kcal
MODULO 3 - TERMODINMICA
A termodinmica a parte da fsica que trata da transformao da
energia trmica em energia mecnica e vice-versa. Seus princpios
dizem respeito a alguns sistemas bem definidos, normalmente uma
quantidade de matria. Um sistema termodinmico aquele que pode
interagir com a sua vizinhana, pelo menos de duas maneiras. Uma
delas , necessariamente, transferncia de calor. Um exemplo usual a
quantidade de gs contida num cilindro com um pisto. A energia pode
ser fornecida a este sistema por conduo de calor, mas tambm possvel
realizar trabalho mecnico sobre ele, pois o pisto exerce uma fora
que pode mover o seu ponto de aplicao.
O funcionamento de uma mquina trmica est associado presena de
uma fonte quente (que fornece calor ao sistema), presena de uma
fonte fria (que retira calor do sistema) e realizao de
trabalho.
Em mquinas trmicas, uma certa quantidade de matria sofre vrios
processos trmicos e mecnicos, como a adio ou a subtrao de calor,
expanso, compresso e mudana de fase. Este material chamado
substncia de trabalho da mquina. Considere, para simplificar, uma
mquina na qual a "substncia de trabalho" seja conduzida atravs de
um processo cclico, isto , uma seqncia de processos, na qual ela
eventualmente volta ao estado original.Nas mquinas a vapor do tipo
de condensao, empregadas na propulso martima, a substncia de
trabalho, a gua pura, usada repetidamente. Ela evaporada nas
caldeiras sob temperatura e presso elevadas, realiza trabalho,
expandindo-se contra um pisto ou numa turbina, condensada pela gua
fria do oceano, sendo, ento, novamente bombeada para as caldeiras.
A substncia refrigerante, num refrigerador caseiro, tambm sofre
transformao cclica.
Motores de combusto interna e locomotivas a vapor no conduzem o
sistema em ciclo, mas possvel analis-los em termos de processos
cclicos que se aproximam de suas operaes reais.
As principais atribuies dadas ao vapor dgua so produtor de
trabalho (para acionamento de turbinas, bombas, compressores,
ventiladores, etc), agente de aquecimento de produtos em tanques e
linhas, agente de arraste em ejetores (para obteno de vcuo nos
condensadores de
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos 6
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turbinas, torre de destilao a vcuo, bombas, etc), agente de
arraste nas torres de fracionamento.
PROCESSO DE VAPORIZAO
Vamos rever alguns conceitos bsicos, para melhor compreenso dos
estados em que um lquido, um vapor e uma mistura de lquido e vapor
possam existir, abordando alguns aspectos relacionados vaporizao da
gua. Suponhamos um cilindro vertical contendo um litro de gua.
Repousando sobre esta gua, h um mbolo que poder ser deslocado sem
atrito, exercendo sobre o contedo uma presso constante. O processo
de vaporizao ocorrer a uma presso constante (presso atmosfrica), no
exemplo a seguir:
CICLO TRMICO
Todo ciclo termodinmico possui uma substncia chamada fluido de
trabalho, que tem como objetivo transformar calor em trabalho.
Basicamente, a instalao trmica a vapor possui 3 elementos
fundamentais, onde ocorrem os processos de transformao do fluido de
trabalho, conforme se segue:
Caldeira: onde a substncia de trabalho a gua, recebe calor dos
gases de combusto (calor de uma fonte quente), pela queima de um
combustvel na fornalha, transformando a gua em vapor. Turbina: onde
o vapor gerado da caldeira expande-se, desde a alta presso da
caldeira at a baixa presso do condensador, realizando um trabalho
de acionamento de uma mquina, o gerador eltrico. Bomba de gua de
alimentao de caldeira: eleva a presso do condensado para reinjetar
na caldeira para novamente ser transformado em vapor,
completando-se o ciclo. A bomba, para pressurizar o condensado,
consome parte do trabalho produzido na turbina.
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MDULO 4 - UNIDADES DE PROCESSO
INTRODUO
Em qualquer indstria, o processo global pode ser desmembrado
numa srie de etapas independentes entre si, caracterizando cada uma
delas uma operao unitria.
O termo operaes unitrias tambm comumente associado a processos
de separao. Entre muitas outras finalidades as operaes unitrias
visam reduzir o tamanho dos slidos a processar, transport-los,
separar componentes de misturas ou aquecer e resfriar slidos e
fluidos. Muitos desses processos tm certos princpios bsicos e
fundamentais em comum. Por exemplo, o mecanismo de difuso ou
transferncia de massa ocorre na secagem, na destilao, evaporao,
cristalizao e muitos outros.
As operaes unitrias so fundamentalmente operaes fsicas, embora
possam envolver excepcionalmente noes qumicas.
Operao Unitria toda a unidade do processo onde os materiais
sofrem alteraes no seu estado fsico ou qumico com base em princpios
fsico/ qumicos comuns.
Os processos mais comuns encontrados na indstria so:
Evaporao: quando se retira um dos componentes na forma de vapor
de uma mistura contendo um soluto no voltil. Processo utilizado na
obteno do sal de cozinha.
Secagem: retirada da umidade de materiais slidos. Secagem de
sementes um exemplo.
Umidificao: o inverso da secagem. Ajusta a quantidade de umidade
em produtos. Aplicada na fabricao de pisos e revestimentos,
tijolos, blocos, telhas.
Destilao: usa a diferena da presso de vapor dos componentes para
separar alguns componentes de uma mistura de vrios componentes
lquidos. Exemplo so as colunas de refino do petrleo.
Absoro: retira componentes de uma mistura gasosa pela ao de um
lquido. Exemplo a remoo de vapores de amnia do ar.
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Separao por membrana: envolve a separao de um soluto de um
liquido pela difuso do liquido para outro lquido atravs de uma
membrana semipermevel. Aplicada na separao de gases, na
dessalinizao da gua ou na hemodilise.
Extrao Lquido-lquido
Neste caso, um soluto removido de uma soluo pelo contato com
outro lquido que relativamente imiscvel com a soluo. Aparece como
alternativa a processos como a destilao de componentes com
volatilidade relativas muito prximas.
Adsoro: na adsoro um componente de uma corrente gasosa removido
pela sua aderncia a uma superfcie slida adsorvente. Um exemplo o
uso do carbono ativado para remoo de traos de compostos orgnicos da
gua.
Troca inica: processo utilizado no tratamento de gua
industrial.
Na gua encontramos:
Ctions Sais de Clcio, Magnsio, Sdio, Potssio, Ferro, Mangans,
Alumnio
nions Bicarbonato, Carbonatos, Sulfatos, Cloretos, Nitratos,
Silicato cido, Silicato
No processo de troca inica, qualquer substncia a ser removida da
soluo (ou a sofrer troca) deve ser ionizvel.
Lixiviao: o processo de extrao de uma substncia de slido atravs
da sua dissoluo num lquido. Na rea ambiental esse conceito de suma
importncia uma vez que permite que substncias adicionadas na
superfcie do solo, possam, por meio do transporte realizado pela
gua, atingir camadas mais profundas do solo ou mesmo atingir a gua
subterrnea.
Cristalizao: uma operao de separao onde, partindo de uma mistura
lquida (soluo ou slido fundido-magma) se obtm cristais de um dos
componentes da mistura, com 100% de pureza. Hoje em dia, a
cristalizao industrial utilizada na produo de sal de cozinha e
acar, de sulfato de sdio e de amnia para a produo de fertilizantes,
na fabricao de carbonato de clcio para as indstrias de pasta e
papel, cermica e de plsticos, na fabricao de compostos para a
indstria de insecticidas e farmacutica, entre muitos outros
processos industriais.
Separaes fsicas (filtrao, centrifugao, peneiramento).
Agitao e mistura: o inverso dos processos de separao.
Emulsificao: a mistura entre dois lquidos imiscveis em que um
deles (a fase dispersa) encontra-se na forma de finos glbulos no
seio do outro lquido (a fase contnua), formando uma mistura estvel.
Exemplos de emulses incluem manteiga e margarina, maionese, caf
expresso e alguns cosmticos.
Desintegrao e separao mecnica.
Transporte hidrulico e pneumtico de slidos.
Fluidizao: processo em que as partculas de um meio perdem peso,
podendo serem mantidas em suspenso, devido passagem de uma corrente
ascendente de um fluido (lquido ou gs). Aplicada em secagem de
minrio e de gros, facilitador de reaes qumicas, etc.
As operaes unitrias so classificadas com base nos fenmenos de
transporte envolvidos:
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Transferncia do momento: ocorre principalmente nas operaes que
envolvem transporte de fluidos tais como agitao, sedimentao e
filtrao;
Transferncia de calor: ocorre nos processos que possuem
envolvimento com trocas de calor entre os materiais tais como
secagem, evaporao, destilao e outros;
Transferncia de massa: ocorre nos processos de destilao, absoro,
extrao lquido-lquido, adsoro, cristalizao e lixiviao.
DestilaoA destilao o modo de separao baseado no fenmeno de
equilbrio lquido-vapor de misturas. Em termos prticos, quando temos
duas ou mais substncias formando uma mistura lquida, a destilao
pode ser um mtodo adequado para purific-las: basta que tenham
volatilidades razoavelmente diferentes entre si. Um exemplo de
destilao que tem sido feito desde a antigidade a destilao de
bebidas alcolicas. A bebida feita pela condensao dos vapores de
lcool que escapam mediante o aquecimento de um mosto fermentado.
Como o teor alcolico na bebida destilada maior do que aquele no
mosto, caracteriza-se a um processo de purificao.Simplificando: a
destilao o processo no qual duas substncias so separadas atravs do
aquecimento. Ex.: soluo de gua e sal. Aquecendo a soluo, quando a
gua entrar em ebulio e passar pelo condensador, sair como gua
lquida, enquanto o sal ficar no primeiro recipiente. Separando
assim a gua destilada e o sal.O petrleo um exemplo moderno de
mistura que deve passar por vrias etapas de destilao antes de
resultar em produtos realmente teis ao homem: gases (um exemplo o
gs liquefeito de petrleo ou GLP), gasolina, leo diesel, querosene,
asfalto e outros.O uso da destilao como mtodo de separao
disseminou-se pela indstria qumica moderna. Pode-se encontr-la em
quase todos os processos qumicos industriais em fase lquida onde
for necessria uma purificao.
Escoamento das fases lquido e vapor nos pratos da coluna de
destilao
Os vrios obstculos instalados na coluna foram o contato entre o
vapor quente ascendente e o lquido condensado descendente. A inteno
desses obstculos promover vrias etapas de vaporizao e condensao da
matria. Isto nada mais do que uma simulao de sucessivas destilaes
flash. Quanto maior a quantidade de estgios de vaporizao-condensao
e quanto maior a rea de contato entre o lquido e o vapor no
interior da coluna, mais completa a separao e mais purificada a
matria final.
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Ela muito comum em refinarias de petrleo, para extrair diversos
tipos de compostos, como o asfalto, gasolina, gs de cozinha entre
outros. Nestas separaes so empregadas colunas de ao de grande
dimetro, compostas de pratos ou de sees recheadas. Os internos,
sejam pratos, chicanas ou recheios, tem como funo colocar as fases
vapor e lquido em contato, de modo a que ocorra a transferncia de
massa entre elas. Ao longo da coluna, a fase vapor vai se
enriquecendo com os compostos mais volteis, enquanto a fase lquida
se concentra com os compostos mais pesados de maior ponto de
ebulio.
Equilbrio Lquido-Vapor (ELV)Equilbrio lquido-vapor o fenmeno que
ocorre com todo lquido quando mantido em sistema fechado. O lquido
tende a entrar naturalmente em equilbrio termodinmico com o seu
vapor. Quando o sistema no fechado, ocorre o que se chama de
evaporao.
Esse equilbrio termodinmico est relacionado com o movimento
relativo das molculas em relao pelcula (interface) que divide a
fase lquida e a fase vapor. Por causa do efeito da temperatura, as
molculas movimentam-se aleatoriamente umas em relao s outras, e nas
imediaes da interface lquido-vapor no diferente, de forma que a
todo momento h molculas que atravessam a interface, tanto indo da
fase lquido em direo fase vapor como do vapor ao lquido. O
equilbrio lquido-vapor ocorre quando as taxas (isto , a quantidade
por unidade de tempo) das molculas que atravessam a interface em um
sentido (do lquido ao vapor) e no outro (do vapor ao lquido) se
igualam.
O estudo do equilbrio lquido-vapor especialmente importante aos
engenheiros qumicos no processo de anlise e projeto de equipamentos
de destilao.
Tais equipamentos tm a finalidade de separar e purificar duas ou
mais substncias qumicas atravs da concentrao do componente mais
voltil na fase vapor, enquanto o componente menos voltil permanece
preferencialmente na fase lquida.
Quando se trata de separao de misturas, as misturas mais simples
so aquelas homogneas e que tm somente dois componentes. Essas
misturas tambm so chamadas de misturas binrias.
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Existem basicamente duas formas de se representar o equilbrio
lquido-vapor de uma mistura binria:
Diagrama do ponto de bolha e do ponto de orvalho/Diagrama do
equilbrio lquido-vapor
Para misturas com mais de dois componentes, existem representaes
grficas mais elaboradas, tais como diagramas ternrios etc.
Entretanto, quanto maior o nmero de componentes em uma mistura,
mais difcil a representao grfica do mecanismo de separao.
Ponto de bolha e Ponto de Orvalho
Quando consideramos uma mistura binria, por exemplo, existem ali
duas substncias diferentes, com pontos de ebulio diferentes entre
si. Quando se aquece essa mistura, mantida constante a presso, h um
certo momento em que se forma a primeira bolha de vapor. Este ponto
o chamado ponto de bolha da mistura. O aquecimento adicional causar
aumento gradual na temperatura do lquido, diferentemente de uma
substncia pura, na qual a temperatura estaciona nessa etapa de
mudana de fase.
No caso de uma mistura binria, porm, a reduo de temperatura em
certo momento provoca a formao da primeira gota de lquido. Este
ponto chamado de ponto de orvalho da mistura. O resfriamento
adicional do vapor resultar em diminuio gradual na temperatura e no
o seu estacionamento, como seria de se esperar em uma substncia
pura.
Bombas
Um dos Mdulos deste curso especialmente dedicado s bombas, que
so como mquinas operatrizes hidrulicas que conferem energia ao
fluido com a finalidade de transport-lo por escoamento de um ponto
para outro obedecendo as condies do processo. As bombas transformam
o trabalho mecnico que recebem para seu funcionamento em energia.
Elas recebem a energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte
dessa energia ao fluido sob forma de energia de presso, cintica ou
ambas. Isto , elas aumentam a presso do lquido, a velocidade ou
ambas essas grandezas. A relao entre a energia cedida pela bomba ao
lquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o
rendimento da bomba.
Decantao
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A decantao um processo de separao que permite separar misturas
heterogneas.
Utilizada principalmente em diversos sistemas bifsicos como
slido-gua (areia e gua), slido-gs (poeira-gs), lquido-lquido (gua e
leo) e lquido-gs (vapor dgua e ar). Sendo esse processo
fundamentado nas diferenas existentes entre as densidades dos
componentes da mistura, e na espera pela sua decantao. A mistura
colocada em um recipiente de preferncia fechado (no caso de
substncias como gs e vapor e de acordo o interesse do produto da
separao, obrigatoriamente fechado) e espera-se a sedimentao do
componente mais denso. Os decantadores podem ser do tipo
convencional (baixa taxa) ou de escoamento laminar (elementos
tubulares ou de placas) denominados decantadores de alta taxa.
Em uma E.T.A. (Estao de Tratamento de gua) convencional os
decantadores so horizontais simples, geralmente retangulares ou
circulares, que tem boa profundidade e volume, onde retm-se a gua
por longo tempo, o necessrio para a deposio dos flocos. Em alguns
locais pode-se observar decantadores verticais que tem um menor
tempo de reteno da gua, porem necessrio equipamentos como mdulos
tubulares que dificultam a sada dos flocos.
O decantador pode ser dividido em quatro zonas:
Zona de turbilhonamento: a zona situada na entrada da gua;
observa-se nesta zona uma certa agitao onde a localizao das
partculas varivel.
Zona de decantao: Nesta zona no h agitao e as partculas avanam e
descem lentamente.
Zona de ascenso: Os flocos que no alcanam a zona de repouso
seguem o movimento da gua e aumentam a velocidade.
Zona de repouso: onde se acumula o lodo. Esta zona no sofre
influencia da corrente de gua do decantador em condies normais de
operao.
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O decantador deve ser lavado quando a camada de lodo tornar-se
muito espessa, ou quando em processos descontnuos se iniciar a
fermentao. A decantao o preparo para a filtrao, quanto melhor for a
decantao, melhor ser a filtrao. A sada da gua feita junto
superfcie, e comumente por calhas dispostas, formando desenhos
diversos e sobre cujos bordos superiores a gua flui, constituindo
esses bordos autnticos vertedouros.
Secagem
Secagem uma operao de transferncia de massa envolvendo a remoo
de umidade (gua) ou outro solvente de um sistema slido ou
semi-slido. Lquidos podem ser removidos de slidos mecanicamente
atravs de prensas ou centrfugas e por vaporizao trmica[1]. O termo
secagem se refere apenas a este ltimo - a remoo mecnica de umidade
geralmente denominada desidratao mecnica. Da mesma maneira, a
simples evaporao de uma soluo, sem o auxlio de uma corrente de gs
para arrastar a umidade no considerada secagem.
A umidade pode estar presente no slido de diversas maneiras. A
gua pode estar adsorvida nas paredes celulares ou estruturas
slidas, em soluo dentro das clulas ou em pequenos poros dentro do
material. Esta umidade denominada umidade ligada e exerce uma
presso de vapor menor que a presso de vapor da gua lquida pura. A
gua tambm pode estar presente sobre a superfcie do slido, ou em
grandes cavidades dentro do slido, de modo que sua presso de vapor
seja igual presso da gua lquida; essa umidade denominada umidade
no-ligada. Segue abaixo alguns tipos de secadores.
Secadores de bandejas: estes secadores so utilizados quando o
slido precisa ser suportado por bandejas, que por sua vez so
posicionadas dentro de uma cmara fechada. O gs de secagem circulado
pela cmara e passa por entre as bandejas e, eventualmente, atravs
delas (o que aumenta a eficincia da secagem). Alm de ar, outros
agentes secadores podem ser utilizados, como gases inertes (e.g.
Nitrognio) e vapor superaquecido.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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Secadores a Vcuo: secadores a vcuo so semelhantes aos secadores
de bandejas na sua construo. No entanto, duas diferenas bsicas so
notveis: a cmara deve ser hermeticamente fechada e sem circulao de
gs; sem o gs de secagem, calor deve ser fornecido ao material por
outro meio, como conduo atravs do aquecimento dos suportes ou
radiao.
Filtrao
Filtrar consiste em separar mecanicamente as partculas slidas de
uma suspenso lquida com o auxlio de um leito poroso. Quando se fora
a suspenso atravs do leito poroso, o slido da suspenso fica retido
sobre o meio filtrante, formando um depsito que se denomina torta e
cuja espessura vai aumentando no decurso da operao. O lquido que
passa atravs do leito o filtrado.
A filtrao pode ser dividida em duas categorias: filtrao por
formao de torta e filtrao por profundidade. A filtrao por formao de
torta pode ser subdividida em operao de centrifugao e operao PVG
(presso, vcuo e gravidade). Na filtrao por formao de torta, as
partculas em suspenso na lama param na superfcie do meio filtrante
enquanto h passagem do fluido. Na filtrao por profundidade as
partculas so capturadas nos interstcios do slido e no h formao de
torta na superfcie do meio.
A seguir alguns tipos de filtros:
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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Filtros de Cartucho
Filtros de Mesa
Os Filtros de Mesa pertencem ao grupo de alimentao pelo topo,
foram introduzidos no incio dos anos 40, e eram bastante pequenos e
de concepo simples. Sua limitao principal estava na zona de
descarga uma vez que o bolo ficava contido em uma borda fixa e
arranjos especiais de selagem tinham que ser providenciados para
evitar o derrame de salmoura na circunferncia da mesa.
Outro problema era que o fino resduo remanescente entre o rolo e
a superfcie da mesa era desalojado por aplicao de um sopro na parte
de trs, mas no removido da superfcie da cela de passagem. Assim,
conforme alcanava a zona de alimentao ela era misturado com a polpa
nova, sem o pano ser lavado. Isto causava progressivo entupimento
do meio, repercutindo na taxa de filtrao e requerendo paradas
freqentes da operao para lavagem do pano.
Como a demanda para mais rea e processamentos mais altos subiram
nos anos 60's os filtros de Mesa e os filtros de Panela Inclinada
foram redesenhados e melhorados desde que a tecnologia de borracha
estava impossibilitada a atender as exigncias de rea de filtrao dos
Filtros de Correias Horizontais.
Filtros de Tambor Rotativo
Consta de um tambor cilndrico horizontal, que gira a baixa
velocidade, parcialmente submerso na suspenso a filtrar. A
superfcie externa do tambor feita de tela ou metal perfurado sobre
a qual fixada a lona filtrante. O cilindro dividido num certo nmero
de setores por meio de parties radiais com o comprimento do tambor.
Ligando estas parties h um outro cilindro interno de chapa
comum.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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Os Filtros de Vela, como todos os filtros de presso, operam em
ciclos descontnuos e podem ser encontrados em linhas de processos
de tratamento de dixido de titnio, gs de chamin, clarificao de
salmoura, lama vermelha, argila de porcelana, qumica fina e muitas
outras aplicaes que requerem uma filtrao eficiente de torta, com
baixa umidade, ou alto grau de polimento.
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Filtro de tambor rotativo tipo descarga com raspador
Filtros Prensa
O Filtro Prensa consiste em uma cabea e seguidor que contm entre
si um pacote de placas retangulares verticais que so apoiadas pelo
lado ou sobre vigas. A cabea serve como um extremo fixo no qual os
tubos de alimentao e filtrado so conectados e o seguidor move-se ao
longo das vigas e comprime as placas juntas durante o ciclo de
filtrao por um mecanismo hidrulico ou mecnico.
Cada placa revestida com um pano filtrante em ambos os lados e,
uma vez apertadas lado a lado, elas formam uma srie de cmaras que
dependem do nmero de placas. As placas geralmente tm uma porta de
alimentao central que atravessa toda a extenso do filtro prensa, de
forma que todas as cmaras do conjunto de placas esto
interconectadas.
Reologia
A palavra reologia vem do grego rheo= fluxo logos= estudo, sendo
sugerido pela primeira vez por Bingham e Crawford, para descrever o
fluxo, no caso de materiais lquidos e deformao, no caso de
materiais slidos. (MARTIN, A. Physical Pharmacy. 1993).
o ramo da fsica que estuda a viscosidade, plasticidade,
elasticidade e o escoamento da matria, ou seja, um estudo das
mudanas na forma e no fluxo de um material, englobando todas estas
variantes. Podemos ento concluir que a cincia responsvel pelos
estudos do fluxo e deformaes decorrentes deste fluxo, envolvendo a
frico do fluido.
Esta frico ocorre internamente no material, onde uma camada de
fluido possui uma certa resistncia ao se deslocar sobre outra. Tudo
isto envolve uma complexidade de fatores. O tamanho e geometria de
cadeia um exemplo possvel. Enquanto temos os solventes que possuem
uma viscosidade desprezvel, temos tambm as resinas, com uma
viscosidade elevada,
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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graas ao tamanho de sua cadeia polimerizada. Ambos so compostos
orgnicos, mas seus comportamentos so totalmente diferentes.
Viscosidade Aparente: aquela medida em um nico ponto e atravs de
cisalhamento constante. expressa por unidades de Poise ou
centiPoise (mPa/s). Utilizada na leitura de viscosidade de fluidos
pseudo-plsticos. Viscosmetros: Brookfield, Haake.
Viscosidade Cinemtica: aquela medida por um sistema de geometria
que utiliza-se da gravidade para sua obteno de medida. Medida por
copos, tem como mtodo a contagem, atravs de um cronmetro, do tempo
gasto para o fluido escorrer pelo orifcio inferior destes
copos.
Viscosidade Absoluta: aquela que medida por um sistema de
geometria que no sofre influncia da gravidade para a obteno desta
medida.
HIDRODINMICA
Tipos de escoamento
O escoamento de um fluido pode ser estacionrio ou variado.
Diz-se que um escoamento estacionrio quando em qualquer ponto da
corrente, toda partcula que por ele passar, tem aproximadamente a
mesma velocidade e a mesma trajetria. J no escoamento variado, a
trajetria e velocidade da partcula no so constante.
Vazo
Define-se vazo (Q) de um conduto ao quociente do volume do
fluido (V) que se escoa atravs de uma seo transversal qualquer pelo
intervalo de tempo considerado (t):
Q=V/t
A vazo pode ser apresentada tambm em funo da velocidade de
escoamento: V = A.v.t sendo:
A = rea ; v = velocidade
A = .r2
Fazendo a substituio temos: Q= A.v.t /t
Portanto: Q= A.v
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NR 13 - Vasos de Presso
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Em escoamento por orifcios, a velocidade dada por: v = 2.g.h
Equao da continuidade
A vazo do fluxo de um lquido a mesma em qualquer ponto da
tubulao, portanto teremos a seguinte equao:
A1.v1 = A2.v2
Maior rea menor velocidade
Menor rea maior velocidade.
MDULO 5 - BOAS PRTICAS DE FABRICAO E CONTROLE - PROCESSOS
INDUSTRIAIS
BOAS PRTICAS DE FABRICAO E CONTROLE (BPF & C ) ou GMP (GOOD
MANUFACTURING PRACTICE) so um conjunto de procedimentos e prticas
que visam a padronizao e controle de mtodos de fabricao,condies de
instalaes, equipamentos e respectiva conservao ,critrios de
segurana e meio ambiente,controle de matrias-primas,processos de
fabricao, embalagem , armazenamento e a distribuio de produtos
saneantes domissanitrios , produtos de higiene pessoal , cosmticos,
perfumes alimentcios e medicamentos e seus intermedirios .
Teve seu incio em 1963 ,nos EUA com a publicao de uma norma que
estabelecia requisitos especiais para a fabricao de medicamentos
,em razo de diversas ocorrncias no seu uso com considervel prejuzo
para a sade pblica ,devido a problemas com sua qualidade
resultantes por contaminaes diversas por falta dos devidos cuidados
,substituio de substncias , e troca acidental por falta de
dentificao,entre outras causas.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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A IMPORTNCIA DAS BOAS PRTICAS DE FABRICAO
Estabelecem o que deve ser feito para evitar que um medicamento
seja produzido sem a qualidade requerida .Cada pas pode ,segundo os
seus recursos ,adequados procedimentos para dar cumprimento as
exigncias das BPF .
O objetivo principal diminuir os riscos durante toda a produo
dos produtos que no pode ser evitada completamente durante o
controle do produto final .esses riscos so : contaminao cruzada ,
contaminao por partculas estranhas , troca ou mistura de
produtos,erros de rotulagem .
Embora tenha sido adotado inicialmente na produo de medicamentos
,a exigncia do cumprimento das BPF E C ,foi logo estendida a
fabricao de todos produtos de interesse a Sade pblica ,visando
garantir a segurana e confiabilidade no uso de todos os tipos de
substncias que entram em contato direto com o organismo humano e/ou
animais domsticos ,seja no contato com a pele ,olhos ,cabelos
,trato respiratrio e digestivo .Para isso , existem normas da
vigilncia sanitria ,que se aplicam aos diversos tipos de empresas
que de alguma forma estejam envolvidas com esses produtos ,essas
normas so compulsrias , sendo prevista sanes no caso de
descumprimento.
Atualmente ,a adoo das BPF e C est despertando o interesse tambm
de outras indstrias diferentes das acima citadas,no sujeitas a
fiscalizao da ANVISA ,isto pelos muitos benefcios que elas podem
obter em termos gerais, seja na qualidade ,produtividade , uso de
recursos ,segurana e meio ambiente e a confiabilidade do produto no
mercado .
BOAS PRATICAS DE FABRICAO E CONTROLE BPF & C
As normas que estabelecem as BPF e C ,envolvem requisitos
fundamentais que vo desde as instalaes da indstria ,passando por
rigorosas aes de higiene pessoal e limpeza do local de
trabalho,tais como lavagem correta de mos ,utilizao adequada de
uniformes ,disposio correta de todo o material utilizado nos
banheiros e o uso de sanitizantes ,at a descrio detalhada ,por
escrito dos procedimentos envolvidos no processamento e controle do
produto.As BPF e C tem por fundamento a excluso e remoo ,ou a
inibio e destruio de microrganismos indesejveis e a excluso e remoo
de materiais estranhos .
Um processo de fabricao devidamente organizado e ordenado dentro
dos princpios estabelecidos pelas BPF & C ,facilita a gesto de
sua fabricao em toda a cadeia de produo,permitindo a identificao de
falhas operacionais ou administrativas,que possam ocorrer durante o
processo produtivo,facilitando e otimizando os custos de
correo,reduzindo ou eliminando os prejuzos operacionais que possam
prejudicar e contribuir para inviabilizar o negcio . IMPLANTAO DAS
BOAS PRTICAS DE FABRICAO E CONTROLE
A implantao prev a avaliao do ambiente de trabalho e das pessoas
envolvidas nos processos produtivos ,analisando basicamente os
procedimentos de higiene no mbito do estabelecimento e todos os
cuidados de natureza sanitria adjacentes e determinantes para a
integridade de alimentos, medicamentos, cosmticos e produtos de
higiene pessoal ;esta avaliao feita por meio de listas de
verificaes. Para uma anlise mais objetiva ,os parmetros de
verificao so selecionados criteriosamente e agrupados em sees para
serem avaliados
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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,por exemplo : estrutura fsica do estabelecimento,higiene
pessoal ,operacional,ambiental e tcnicas de manipulao indiretas e
diretas que so disponibilizados aos produtos . Em seguida,com base
nos resultados dessa lista ,um comit dever analisar e montar um
plano de ao para a correo das no conformidades encontradas ( itens
em desacordo com a legislao sanitria ) no caso de produtos de
interesse a sade ,ou normas internas em outros casos .Depois
,baseado em um plano de ao a equipe elabora as instrues de
trabalho- (I T) e os procedimentos operacionais - ( PO ) ,
incluindo os procedimentos padres de higiene operacional ( PPHO)
,no caso de produtos de interesse a sade ,necessrios e tambem as
planilhas de controle ,formando-se os documentos do manual de Boas
prticas,documento que deve retratar a realidade da empresa e
facilitar a implementao deste sistema . Esta avaliao inicial tem
por objetivo principal o levantamento da situao atual da empresa
quanto ao cumprimento dos requisitos fundamentais do programa
;nesta etapa so definidos os documentos, registros e
responsabilidades,sendo ento sistematizadas as instrues e os
procedimentos operacionais , bem como estabelecido o programa de
treinamento ,dando-se assim o incio a implementao do programa de
fato .
INSTRUES DE TRABALHO ( I T ) A instruo de trabalho um documento
elaborado a partir de documentos de referncia ,como normas e
legislaes; fornece informaes detalhadas aos colaboradores sobre
como desempenhar tarefas especficas, preparar formulrios, e outras
tarefas num departamento ,dando a descrio passo-a- passo .Todas as
tarefas ,sejam elas simples ou complexas devem ser documentadas na
forma dessas instrues ,devendo estar disponvel no local onde
realizada a tarefa .Deve ter uma estrutura formal ,contendo ttulo
,cdigo , reviso e n de pginas,apresentando no seu final os nomes de
quem elaborou ,verificou e aprovou a instruo .Ela deve descrever o
modo real como so executados os trabalhos , para isso bom que seja
elaborada em conjunto com as pessoas envolvidas na prtica do dia-a
dia , de modo a padronizar todas as aes dentro da empresa .
PROCEDIMENTOS OPERACIONAL PADRO ( P O P ) um documento bsico para o
planejamento e controle do processo prpriamente dito ; ele define o
processo de fabricao de um produto ou a execuo de um servio , as
caractersticas da qualidade e at mesmo os parmetros de controle . O
estabelecimento ,cumprimento ou manuteno e melhoria dos padres
permitem a instituio consolidar um processo de melhoria contnua.O
POP um compromisso documentado, utilizado em comum e repetidas
vezes por todos os envolvidos ,sendo o instrumento que indica a
meta ( fim ) e os procedimentos ( meios) para a execuo dos
trabalhos,de modo que cada um tenha condies de assumir a
responsabilidade pelos resultados de seu trabalho .Toda operao
visando a obteno de um produto, dever obedecer seu respectivo POP ,
o qual dever conter : objetivos do procedimento,resultados
esperados,campo de aplicao ,equipamentos necessrios para a execuo
,responsveis pela execuo e pelo controle,procedimentos de controle
,aes corretivas ,planilhas de controle e parmetro aplicveis ,
especificaes . O POP ,tambm deve ser aprovado ,datado e assinado
pelo responsvel tcnico ,responsvel pela operao ,responsvel legal
e/ou proprietrio do estabelecimento ,firmando o compromisso de
implementao,monitoramento,avaliao,registro e manuteno dos mesmos.
Tambm se especifica em cada POP ,a freqncia das operaes,nome ,cargo
e/ou funo dos responsveis pelas operaes .No POP ,quando aplicvel
deve constar os materiais necessrios para a realizao das operaes
,bem como os EPI,s requeridos, e a qualificao dos funcionrios para
a execuo das operaes .a implementao dos POPs deve ser monitoradas
periodicamente de modo a garantir a finalidade pretendida,sendo
adotadas medidas corretivas em casos de desvios .
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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PROCEDIMENTOS PADRES DE HIGIENE OPERACIONAL ( PPHO ) So
procedimentos descritos ,desenvolvidos, implantados e monitorizados
,visando estabelecer a forma rotineira pela qual o estabelecimento
industrial evitar a contaminao direta ou cruzada e a adulterao do
produto,preservando sua qual e integridade por meio da higiene
antes ,durante e depois das operaes industriais . O seu objetivo
padronizar as operaes de limpeza e sanitizaes em todas as etapas do
processo ,de forma a assegurar adequado padro higinico das
instalaes,dos equipamentos e utenslios . um programa necessrio e
imprescindvel ,tendo sua implementao facilitada pelas IT.
MODULO 6 - SISTEMA DE AR COMPRIMIDO
Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido
desempenham papel fundamental na produo e representam parcela
expressiva do consumo energtico da instalao. Entretanto,nem sempre
estas instalaes recebem os cuidados devidos, passando a ser uma
fonte constante de desperdcios.
Instalaes
Um sistema de ar comprimido corretamente projetado ir
proporcionar maior confiabilidade e eficincia nas ferramentas
pneumticas, bem como diminuir os custos com energia. Esse sistema
compreende trs componentes principais: o compressor, a rede de
distribuio e os pontos de consumo.
Compressores
So as mquinas que produzem o ar comprimido,os quais se
classificam em dois grupos bsicos segundo o princpio de
funcionamento;vrios fatores influenciam a escolha de um compressor:
vazo, presso e qualidade requerida do ar. Assim temos os
compressores de: deslocamento positivo :alternativos (pisto)
,rotativos (palhetas,roots,parafusos ), os quais operam segundo o
princpio de compresso direta ou seja pela reduo do volume do ar
aprisionado em uma cmara at a sua descarga; dinmicos: operam pelo
princpio da acelerao do ar imprimida por rotores em alta rotao,os
quais podem ser do tipo centrfugo ou axial ,desta forma o ar
arremessado para a periferia e depois para difusores ,onde grande
parte da energia cintica convertida em energia de presso.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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Para assegurar a operao confivel do compressor, o ar aspirado
deve ser limpo e no conter poeira, fuligem ou partculas slidas,
pois caso contrrio, esses poluentes ficaro em suspenso no leo
lubrificante ocasionando desgaste excessivo dos cilindros, anis dos
pistes, mancais, etc. e conseqentemente aumentando os custos de
manuteno. Assim, deve-se evitar que a casa dos compressores fique
localizada perto de chamins, caldeiras, fornos ou equipamentos de
jatos de areia. Sua localizao ideal prxima dos principais pontos de
consumo do ar, visando reduo no custo da tubulao e menor perda de
presso. Outro aspecto importante para assegurar a aspirao de um ar
limpo a instalao no compressor de um filtro de admisso de ar (no
mnimo a 2 metros acima do solo e 2,5 metros de distncia de qualquer
parede);devem ser instalados diretamente na entrada do
compressor.
Em linhas de aspirao muito longas, poder haver condensao de gua
e nesse caso, aconselha-se o uso de separadores de umidade antes do
cilindro. No caso de vrias mquinas deve-se usar de preferncia, um
duto para cada uma.
Em relao a tubulao de descarga do ar, esta deve ser de dimetro
igual ou superior ao da sada do compressor e ser a mais curta
possvel at o resfriador posterior ou ao reservatrio pulmo. Um
compressor de ar deve ter necessariamente um sistema de regulagem
de capacidade de tal ordem que adapte sua produo as condies de
consumo. Os tipos bsicos para compressores de deslocamento positivo
so:
a) Parada e partida O motor eltrico que aciona o compressor
desligado quando a presso do reservatrio atinge um determinado
valor. Geralmente utilizado em compressores pequenos e servio
intermitente.
b) Velocidade constante O motor eltrico que aciona o compressor
permanece sempre ligado. Quando a presso do reservatrio atinge
determinado valor pr-fixado, a vlvula de aspirao ser deslocada e
permanecer aberta. A partir desse momento, todo ar aspirado ser
descarregado pela vlvula.
c) Duplo controle Permite operar o compressor dos dois modos
(Parada/Partida e Velocidade Constante) por intermdio de uma chave
seletora. Recomendada para casos de consumo irregular com picos de
demanda por um certo perodo e longos perodos de pouca ou nenhuma
utilizao de ar comprimido. Atualmente os sistemas de controle dos
compressores utilizam a tecnologia dos inversores de freqncia.
Desse modo, a velocidade do motor eltrico continuamente ajustada
dependendo da demanda de ar, resultando em considervel economia de
energia. Isso elimina a necessidade de alterar o controle para
"partida" e "parada" ou ento promover uma atuao na vlvula de
suco.
Resfriador Posterior ou after-cooler
O ar aspirado pelo compressor contm um determinado teor de
umidade. Posteriormente, a medida em que o ar comprimido se
resfriar na linha de distribuio, a umidade se condensar na tubulao,
provocando corroso, alm de ser extremamente indesejvel em certas
aplicaes como a pintura, transporte pneumtico e na vida til das
ferramentas. Desse modo, aps a compresso, torna-se necessrio reter
o vapor dgua existente no ar. Isso ser feito no resfriador
posterior que reduzir a temperatura do ar comprimido a uma
temperatura inferior a da linha de distribuio e conseqentemente
condensar esse vapor dgua. Junto a esse resfriador existir um
separador de condensado onde a umidade do ar ser retirada manual ou
automaticamente. O melhor local para o resfriamento diretamente
junto ao orifcio de sada do ar. O sistema mais simples para os
resfriadores posteriores o de casco e tubos, onde o ar passa atravs
dos tubos
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
23
NR 13 - Vasos de Presso
-
em sentido contrrio ao percorrido pela gua (a queda de presso em
um resfriador posterior relativamente pequena). Reservatrio
Pulmo
Uma instalao de ar comprimido normalmente equipada com um ou
mais reservatrios de ar que tm pr funes: armazenar o ar comprimido
para consumo; equalizar as presses das linhas de consumo; eliminar
umidade do ar. Sua capacidade deve ser de 6 a 10 vezes a capacidade
do compressor pr segundo;deve ser instalado fora da casa dos
compressores e preferencialmente na sombra.Todo reservatrio deve
possuir vlvulas de segurana, manmetro e termmetro. Outra questo que
os resfriadores posteriores e separadores de condensado, obtm uma
eficincia na reteno da umidade em torno de 80-90%. O restante
acompanha o ar comprimido at o reservatrio, onde a velocidade
consideravelmente reduzida fazendo com que a maior parte dos
condensados residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o
fundo deste. Assim muito importante a existncia de uma tubulao de
dreno na parte mais baixa do reservatrio a fim de permitir a
retirada dessa gua (cerca de 5% retirada neste estgio).
Vazamentos
Os vazamentos merecem uma ateno especial, pois desperdiam grande
quantidade de energia. Na prtica impossvel eliminar totalmente os
vazamentos de um sistema, no entanto ele no deve exceder a 5% da
capacidade instalada.
Temperatura do ar aspirado
A temperatura de suco do ar que ser aspirado pelo compressor um
aspecto muito importante, pois quanto mais quente o ar, menor o
rendimento da instalao. Para cada 4C de acrscimo na temperatura do
ar aspirado, o compressor consumir 1% a mais de potncia para
entregar o ar nas mesmas condies. Este aumento de temperatura
diminui a massa especfica do ar (massa de ar contida numa unidade
de volume) em cerca de 1%, resultando tambm 1% a mais no volume.
Para satisfazer essa condio necessrio captar o ar fora da casa dos
compressores.
MDULO 7 VASOS DE PRESSO
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
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Os produtos qumicos e petroqumicos a partir dos quais o homem
obtm energia, matria-prima para a elaborao de compostos, etc., no
so encontrados na natureza na forma como precisam ser consumidos ou
utilizados. Para chegar s suas caractersticas de consumo, o produto
que o homem explorou e extraiu da natureza precisa sofrer na
indstria uma srie de processamentos, transformaes e estocagem at a
sua utilizao. Na indstria, o processamento e estocagem de muitos
produtos so feitos a presses maiores ou menores que a atmosfrica.
Dessa maneira, so empregados recipientes fechados e com resistncia
para suportar presses no seu corpo, assim como temperaturas que
extrapolam o ambiente. Esses equipamentos, denominados "vasos de
presso", por operarem normalmente sujeitos a presso e/ou
temperaturas elevadas, so considerados equipamentos de alto risco,
por conterem grande quantidade de energia acumulada no seu
interior.
A faixa de variao de presses e de temperatura de trabalho dos
vasos de presso 2
muito extensa. Existem vasos de presso trabalhando desde o vcuo
absoluto at cerca de 4.000Kg/cm (~ 400Mpa), e desde prximo zero
absoluto at temperaturas da ordem de 1500C. Os vasos de presso
podem ter grandes dimenses e pesos, havendo alguns com mais de 60m
de comprimento de outros com mais de 200t de peso.
DEFINIO
O nome vaso de presso designa genericamente todos os recipientes
estanques, de qualquer tipo, dimenses, formato ou finalidade,
capazes de conter um fluido pressurizado. Dentro de uma definio to
abrangente inclui-se uma enorme variedade de equipamentos, desde
uma simples panela de presso de cozinha at os mais sofisticados
reatores nucleares.
APLICAES
Os vasos de presso so todos os reservatrios destinados ao
armazenamento e processamento (transformaes fsicas ou qumicas) de
lquidos e gases sob presso ou sujeitos a vcuo total ou parcial.
Os vasos de presso so empregados em trs condies distintas:
Armazenamento de gases sob presso: os gases so armazenados sob
presso para que se possa ter um grande peso em um volume
relativamente pequeno. Acumulao intermediria de lquidos e gases:
isto ocorre em sistemas onde necessria armazenagem de lquidos ou
gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos
diversos. Processamento de gases e lquidos: Inmeros processos de
transformao em lquidos e gases precisam ser efetuados sob
presso.
A construo de um vaso de presso envolve uma srie de cuidados
especiais relacionados a seu projeto, fabricao, montagem e testes.
Isto porque um vaso de presso representa:
Grande risco: Normalmente opera com grandes presses e
temperaturas elevadas. Alto investimento: E um equipamento de custo
unitrio elevado. Continuidade Operacional: Deve-se operar por um
mximo perodo possvel em condies de segurana, sem a necessidade de
parar o equipamento para manuteno, reduzindo os custos
operacionais.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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NR 13 - Vasos de Presso
-
CLASSIFICAO DOS VASOS DE PRESSO
Quanto a funo: Podemos fazer a seguinte classificao dos vasos de
presso:
Vasos no sujeitos a Chama: Vasos de armazenamento e de
acumulao
Torres de destilao fracionadora, retificadora, absorvedora e
etc. Reatores diversos
Esferas de Armazenamento de gases Permutadores de calor
Vasos sujeitos a chama Caldeiras Fornos
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
26
-
Quanto a presso de operao Os vasos podem ser classificados
quanto a sua presso de operao em:
Vasos atmosfricos 0 a 0,5psig 0 a 0, 035kg/cm2
0 a 0,33 ATM
Vasos de baixa presso 0,5 a 15psig 0,033 a 1,054kg/cm2
0,033 a 0,1020 ATM
Vasos de alta presso 15 a 3000psig 1,054 a 210,81kg/cm2
1,020 a 204,07 ATM
Quanto a posio de instalao (dimenso em relao do solo)
Baseando-se na posio em que essas trs dimenses esto em relao ao
solo, podemos classificar os vasos de presso como mostrado a
seguir:
Cilndrico Vertical: DI e DE, paralelos em relao ao solo e CET,
perpendicular ao solo. Cilndrico inclinado: DE, Dl, CET, inclinados
em relao ao solo: Cilndrico horizontal: DE, DI perpendiculares ao
solo e CET, paralelo ao solo. Esfrico: Quando a dimenso CET no pode
ser definida.
O comprimento entre tangentes (CET) o comprimento total do corpo
cilndrico, ou a soma dos comprimentos dos corpos cilndricos e
cnicos sucessivos. As linhas de tangncia, que limitam o comprimento
entre tangentes, so linhas traadas prximo a ambos os extremos do
casco, na tangncia entre o corpo cilndrico e os tampos de
fechamento. As figuras abaixo ilustram os tipos de vasos de
presso:
A) Cilndrico Vertical C) Cilndrico Inclinado
B) Cilndrico Vertical Modificado
DESCRIO A variedade de tipos e detalhes de peas internas em
vasos de presso muito grande, dependendo essencialmente do servio
para o qual o vaso se destina.
Todas as peas internas que devem ser desmontveis (grades,
bandejas, distribuidores, defletores, extratores de nvoa, etc.)
devem ser obrigatoriamente subdivididas em sees, de tal maneira que
cada seo possa passar com facilidade atravs das bocas de visita dos
vasos.
Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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Treinamento de Segurana na Operao de Unidades de Processos
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Classificao dos vasos de presso
Componentes estruturais
Casco
O casco dos vasos de presso tem sempre o formato de uma
superfcie de revoluo. Quase todos
os vasos, com raras excees, tem o casco com uma das trs formas
bsicas: cilndricas,
cnicas e esfricas, ou combinaes dessas formas ( Figuras tipo de
vasos de presso).
Tampos
So peas de fechamento dos cascos cilndricos dos vasos de presso.
Os tampos podem ter
vrios formatos, dos quais os mais usuais so os seguintes:
semi-elpticos, toro-esfricos,
cnicos, hemisfrico e planos. A escolha do tipo de tampo funo de
determinados fatores,
como por exemplo:
Exigncia de Servio. Dimetro. Presso de Operao.
-
A seguir, as figuras ilustram os tipos mais comuns de
tampos:
Abertura e Reforos
Todos os vasos de presso tm sempre vrias aberturas com diversas
finalidades.
Bocais So as aberturas feitas nos vasos para:
Ligao com tubulaes de entrada e sada de produto. Instalao de
vlvulas de segurana. Instalao de instrumentos, drenos e
respiros.
Abaixo, seguem exemplos de instalao de bocais:
Bocas de Visita
So as portas de acesso ao interior dos vasos. Na maioria dos
casos as bocas de visita so
construdas de modo similar a um bocal flangeado, sendo a tampa
um flange cego.
-
Reforos
So componentes colocados nas aberturas de dimetro maior, de
forma a compensar a perda de
massa resistente dessas aberturas.
Podem ainda existir aberturas para permitir a ligao entre o
corpo do vaso e outras panes do mesmo vaso; por exemplo, ligao a
potes de drenagem.
Suportes Existem vrios tipos de estruturas de suporte, tanto
para vasos verticais como para horizontais. A maioria dos vasos
horizontais so suportados em dois beros (selas), sendo que para
permitir a dilatao do vaso, em um dos beros os furos para os
chumbadores so ovalados. Os vasos verticais so usualmente
sustentados por uma "saia" de chapa, embora vasos verticais de
pequenas dimenses possam tambm ser sustentados em sapatas ou
colunas. As torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia
de suporte deve ter um trecho com 1000mm de comprimento a partir da
ligao com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes
casos:
temperatura de projeto abaixo de 10C; temperatura de projeto
acima de 250C; Servios com Hidrognio; Vasos de aos-liga, aos
inoxidveis e materiais no ferrosos.
As esferas para armazenagem de gases so sustentadas por colunas,
soldadas ao casco aproximadamente na linha do equador da esfera.
Abaixo, as figuras mostram alguns tipos de suportaes de vasos de
presso:
-
Torres Os processos de destilao simples e redestilao, so
demorados e onerosos, especialmente em
se tratando de uma mistura de mais de dois componentes como no
caso do petrleo. Para eliminar esse inconveniente as indstrias usam
denominados torres ou colunas, que permitem, em uma nica operao
realizar todas as destilaes e redestilaes necessrias.
As torres normalmente servem para separar ou absorver
componentes de misturas lquidas e gasosas. Esta separao pode ser
feita por meio da destilao, da tambm o nome de torre destilao.
Absoro feita em torres absorvedoras, com finalidade de separar
produtos indesejveis no produto final.
Existem duas grandes classes de torres: torres de pratos e
torres recheadas. Na primeira, o contato entre as fases feito em
estgios. Na segunda, o contato contnuo.
Torres de Pratos
A torre de pratos composta de uma carcaa cilndrica vertical,
comumente denominada de casco,
no interior do qual so montados os diversos pratos. Estes, tambm
conhecidos como bandejas, so geralmente separados por distancias
iguais. Os produtos vaporizados sobem na torre atravs das bandejas,
por aberturas para tal destinadas, descendo o liquido por outras
aberturas em contracorrente com o vapor que sobe. Veremos seguir os
principais tipos de bandejas usados na indstria petroqumica.
A figura a seguir, mostra o esquema de funcionamento de uma
torre de pratos:
Pratos perfurados
Neste tipo de pratos os borbulhadores so substitudos por
orifcios, os quais esto dimensionados
de maneira a permitir a passagem dos vapores no sentido
ascendente, sem deixar o lquido passar para baixo, isto calculado
nas condies de projeto. Desta maneira o seu funcionamento fica
amarrado s vazes de liquido e vapor prximas das de projeto.
-
Este equipamento apesar de oferecer bom fracionamento possui as
seguintes desvantagens:
A queda de presso por prato mais varivel nas oscilaes das cargas
de vapor que nas
de borbulhamento e isto, claro, reduz a flexibilidade
operacional. Se, por algum motivo a carga de vapor parar
momentaneamente, o nvel liquido dos pratos desaparecer, pois
escorre pelos furos, fato que torna mais demorado o seu retorno
operao normal.
Abaixo, segue ilustrao do esquema de funcionamento de pratos
perfurados:
Chicanas Este tipo de torre no empregado nos casos em que se
deseja uma boa separao. So normalmente usadas em vasos, como
retificadoras ou evaporadores, e em sistema que possuem altas
cargas de vapor e liquido. Em certos casos pode-se instalar 3 a 5
chicanas em torres de borbulhamento onde a carga de vapor
extremamente alta.
Abaixo, segue ilustrao de uma torre com chicanas:
Torres com recheio
So semelhantes, externamente, s torres de prato, sendo que no
interior, em lugar de pratos
so
-
colocados um ou mais tipos de recheios, cuja finalidade prover
uma grande rea que, em operao, funciona como superfcie de contato
entre liquido e vapor. Da mesma forma que nas torres de prato os
vapores so ascendentes e o liquido entra pela parte superior e
distribudo homogeneamente sobre o leito de recheio.
Assim temos uma carga liquida descendente que contm algum
ingrediente capaz de absorver as impurezas da carga de vapor que
entra lateralmente na parte inferior da torre.
O contato do liquido com o vapor obtido atravs do refluxo que
escoa pelas superfcies do material do enchimento, dos quais os mais
usados so selas cermicas, pedra britada. Atualmente tem aparecido
outros tipos de elementos de contato tais como anis "Pall", e grade
"Glitsch" que proporcionam aumento significativo na rea de contato
e na eficincia.
As desvantagens dessas torres em relao as de borbulhadores
so:
de difcil limpeza, sendo necessrio retirar os materiais de
enchimento. Pode segregar as cargas, isto , o lquido descer por um
lado e o vapor subir pelo outro. Neste caso, desde que no haja bom
contato entre lquido-vapor, a separao ser deficiente.
Partes principais das torres recheadas
Distribuidor de liquido - importante que seja uniforme o fluxo
de liquido atravs do recheio da torre. O lquido introduzido no topo
por borrifadores, pratos de borrifamento ou tubos perfurados.
Recheio - os recheios mais comumente usados so: anis de
Rasching, anis divididos internamente, selas de Berl, telas em
varias camadas e l de ao, etc.
Suporte de recheio - o suporte do recheio deve ser robusto, a
fim de resistir ao peso do mesmo e os esforos resultantes da
circulao dos produtos durante a operao. Entretanto, deve ser tambm
uma grande rea livre a fim de permitir facilmente a circulao do
lquido de modo a no causar inundao da torre. Os tipos mais usados
so: grades de ao placas perfuradas de cermica, placas de ao
perfuradas, varias camadas de tela de aberturas grandes ou anis de
recheio grandes.
Abaixo, segue ilustrao de um equipamento com recheio:
-
NOES SOBRE PROJETOS DE VASOS DE PRESSO
a) Presso de operao
a presso no topo de um vaso em posio de operao normal. A presso
de operao no dever exceder Presso Mxima Admissvel de Trabalho (
PMTA ) e ser mantida a um nvel relativamente inferior ao valor de
abertura do dispositivo de alvio de presso ( Vlvula de segurana ou
de alivio ).
b) Temperatura de operao
Para um determinado componente de um vaso de presso e para uma
certa condio de operao, a temperatura de operao ser a temperatura
da sua superfcie metlica.
c) Presso de projeto
a presso utilizada na determinao da espessura mnima permissvel
ou das caractersticas fsicas das diferentes partes de um vaso de
presso.
A presso de projeto dever ser estabelecida considerando-se a
condio mais severa de presso e temperatura simultnea. Deve-se
considerar a mxima diferena de presso entre o interior e o
exterior.
d) Temperatura de projeto
a temperatura correspondente presso de projeto. A temperatura de
projeto de um vaso de presso est baseada na temperatura real da
parede do vaso, levando-se em considerao o efeito de isolamento
trmico interno, resfriamento pela atmosfera, etc. Ocorrendo variaes
cclicas de temperatura para uma presso aproximadamente constante, a
temperatura de projeto ser a mxima temperatura alcanada. A
temperatura da superfcie metlica no dever
-
exceder aos valores listados nas tabelas de tenses admissveis do
material em considerao.
e) Presso Mxima Admissvel de Trabalho
A Presso Mxima Admissvel de Trabalho ( PMTA ) pode se referir a
cada uma das partes de um vaso, ou ao vaso considerado como um
todo.
A PMTA de cada parte de um vaso a presso que causa na parte em
questo uma tenso mxima igual a tenso admissvel do material na
temperatura de operao correspondente parte considerada. Essas
presses so calculadas pelas frmulas dadas na mesma norma de projeto
adotada para o clculo do vaso. Pela definio do cdigo ASME, Seo
VIII, Diviso 1 (pargrafo UG - 98), o clculo da PMTA deve ser feito
em funo das espessuras corrodas, descontando-se portanto a sobre
espessura para a corroso que houver.
A norma acima citada define a PMTA do vaso todo como sendo "o
maior valor permissvel para presso, medida no topo do vaso, na sua
posio normal de trabalho, na temperatura correspondente presso
considerada, tomando-se o vaso com a espessura corroda". Essa
presso ser portanto a presso que causa, na parte mais frgil do
vaso, uma tenso igual tenso admissvel do material, ou, em outras
palavras, ser o menor dos valores das PMTA, das diversas partes do
vaso, corrigidas do efeito da coluna hidrosttica do liquido
contido.
Um acrscimo de espessura deve ser considerado sempre que houver
perda sensvel de espessura da chapa no processo de conformao das
partes do vaso, como ocorre, por exemplo, nos tampos elpticos,
toriesfricos e hemisfricos, fabricados por prensagem ou processo
semelhante. Para os corpos cilndricos e cnicos, onde h apenas
trabalho de calandragem, a perda de espessura desprezvel, e o
acrscimo de espessura no precisa ser considerado.
A PMTA do vaso ( ou de suas partes ) pode ser calculada para
diversas temperaturas, e portanto em funo de diferentes valores da
tenso admissvel, e tambm para varias condies do vaso. Alm da PMTA
para o vaso corrodo e em operao, usual calcular-se tambm para o
vaso novo e frio, em funo das espessuras e da tenso admissvel do
material para a temperatura ambiente. Como os valores das PMTA so
diferentes entre si, necessrio sempre referir a que temperatura e
espessura corresponde um determinado valor da PMTA de um vaso.
f) Espessura de parede de um vaso
Espessura Mnima: o valor determinado com as formulas constantes
no cdigo de projeto do vaso, considerando-se a presso e temperatura
de projeto, sem adicionar a sobre-espessura de corroso.
Sobre-espessura de corroso: o valor determinado com base na corroso
prevista e na vida til especificada no projeto do vaso. Como regra
geral, quando a taxa de corroso for superior a 0,3mm/ano ou quando
a sobre-espessura para corroso prevista for maior que 6mm,
recomenda- se que seja usado outro material de maior resistncia a
corroso. Quando houver um revestimento anticorrosivo no se deve
usar sobre-espessura para corroso. Espessura de Projeto: a soma da
espessura mnima e da sobre-espessura para corroso. Espessura
Nominal: o valor da espessura de projeto adicionado a quantia
necessria para compensar as perdas na conformao e para ajustar a
espessura de projeto a uma espessura normal de mercado. Assim., a
espessura nominal ser sempre maior ou igual a espessura do
projeto.
SELEO DE MATERIAIS DE CONFECES DOS VASOS DE PRESSO
-
Na grande maioria utilizamos o ao carbono, para condies de altas
temperaturas aos liga e materiais especiais. Quando o ao carbono no
resiste a corroso ou eroso, ou ainda, quando pode causar contaminao
ao produto, so utilizados outras ligas, ou revestimentos de
materiais mais resistentes, metlicos ou no metlicos que so
aplicados sobre o ao carbono afim de diminuir custos. Os
revestimentos metlicos podem ser:
Clad - o revestimento integra a chapa, no havendo praticamente
descontinuidade. obtido por colaminao ou soldagem por exploso.
Revestimento no-integrais "linning"- so tiras metlicas que so
soldadas ao vaso em apenas algumas regies; existe portanto uma
descontinuidade muito grande entre o revestimento e o metal base.
Os revestimentos no metlicos mais comuns so: borracha, grafite,
terflon e vidro.
Revestimento por deposio de solda - esses revestimentos
consistem, como o prprio nome indica, na deposio direta de solda do
material de revestimento sobre o metal-base, no interior do
equipamento durante a fabricao do mesmo.
RAZES PARA INSPEO
As razes principais pelas quais os vasos de presso no sujeitos a
chama tem que ser inspecionados so as seguintes:
Verificar se ocorre deteriorao e/ou avaria em que extenso e at
que ponto pode afetar a estrutura do equipamento, a fim de que se
possa ter certeza de que o mesmo opera dentro das condies de
segurana indispensveis; Garantir, num alto nvel de probabilidade, a
continuidade da operao atravs de um eficiente programa de manuteno
preventiva; Evitar perdas decorrentes de uma parada de emergncia em
consequncia de ruptura do vaso. Vale ressaltar que estas perdas
podem ser excessivamente altas; Reduzir os custos de manuteno e
operao; Manter elevado o rendimento global da unidade;
MDULO 8 TROCADORES DE CALOR
-
TROCADORES DE CALOR
Definio
Trocador de calor o dispositivo usado para realizar o processo
da troca trmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este
processo comum em muitas aplicaes da Engenharia. Podemos utiliz-los
no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de
ar, na produo de energia, na recuperao de calor e no processo
qumico. Em virtude das muitas aplicaes importantes, a pesquisa e o
desenvolvimento dos trocadores de calor tm uma longa histria, mas
ainda hoje busca-se aperfeioar o projeto e o desempenho de
trocadores, baseada na crescente preocupao pela conservao de
energia.
Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular
constituem o grosso do equipamento de transferncia de calor com
ausncia de chama, nas instalaes de processos qumicos.
Os mais comuns so os trocadores de calor em que um fluido se
encontra separado do outro por meio de uma parede, atravs da qual o
calor se escoa, estes tipos de trocadores so chamados
recuperadores. Existem vrias formas destes equipamentos, variando
do simples tubo dentro de outro, at os condensadores e evaporadores
de superfcie complexa. Entre estes extremos, existe um vasto
conjunto de trocadores de calor comuns tubulares. Essas unidades so
largamente utilizadas, devido possibilidade de serem construdas com
grande superfcie de transferncia, em um volume relativamente
pequeno, alm de possibilitar a fabricao com ligas metlicas
resistentes corroso e, so apropriados para o aquecimento,
resfriamento, evaporao ou condensao de qualquer fluido.
O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em
trs partes principais:
Anlise Trmica - se preocupa, principalmente, com a determinao da
rea necessria transferncia de calor para dadas condies de
temperaturas e escoamentos dos fluidos.
Projeto Mecnico Preliminar envolve consideraes sobre as
temperaturas e presses de operao, as caractersticas de corroso de
um ou de ambos os fluidos, as expanses trmicas relativas e tenses
trmicas e, a relao de troca de calor.
Projeto de Fabricao requer a translao das caractersticas fsicas
e dimenses em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo
(seleo dos materiais, selos, involucros e arranjo mecnico timos) ,
e os procedimentos na fabricao devem ser especificados.
Para atingir a mxima economia, a maioria das indstrias adota
linhas padres de trocadores de calor. Os padres estabelecem os
dimetros dos tubos e as relaes de presses promovendo a utilizao de
desenhos e procedimentos de fabricao padres. A padronizao no
significa entretanto, que os trocadores possam ser retirados da
prateleira, porque as necessidades de servio so as mais variadas. O
engenheiro especialista em instalaes de trocadores de calor em
unidades de energia e mtodos de instalao, solicitado frequentemente
para selecionar a unidade de troca de calor adequada a uma aplicao
particular. A seleo requer uma anlise trmica, para determinar se
uma unidade padro (que mais barata!) de tamanho e geometria
especificados, pode preencher os requisitos de aquecimento ou
resfriamento de um dado fluido, com uma razo especificada, neste
tipo de anlise deve ser levado em conta, no que diz respeito ao
custo, a vida do
-
equipamento, facilidade de limpeza e espao necessrio, alm de
estar em conformidade com os requisitos dos cdigos de segurana da
ASME.
Equipamento
O equipamento de transferncia de calor pode ser identificado
pelo tipo ou pela funo. Quase todo tipo de unidade pode ser usado
para efetuar qualquer ou todas estas funes, abaixo, a Ilustrao
mostra as principais definies dos equipamentos de troca trmica.
Os principais tipos de trocadores de calor multitubulares
so:
Permutadores com espelho flutuante. Tipo AES (a) Permutadores
com espelho fixo. Tipo BEM (b), o tipo mais usado que
qualquer outro.
Permutadores com cabeote flutuante e gaxeta externa. Tipo AEP
(c) Permutadores de calor com tubo em U. Tipo CFU (d) Permutadores
do tipo refervedor com espelho flutuante e removvel pelo
carretel. Tipo AKT (e)
Permutadores com cabeotes e tampas removveis. Tipo AJW (f)
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Ilustrao Tipos de Trocadores
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Ilustrao - Classificao de trocadores tipo casco e tubo
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Ilustrao Principais Tipos e Partes de um trocador Tubular
TIPOS DE TROCADORES
Classificao quanto utilizao
Os trocadores de calor so designados por termos correspondentes
s modificaes que realizam nas condies de temperatura ou estado
fsico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com
dois fluidos de processo, prevalece, se possvel, a designao
correspondente ao servio mais importante. Atravs deste critrio, os
trocadores de calor so classificados como:
resfriador (cooler) resfria um lquido ou gs por meio de gua, ar
ou salmoura;
refrigerador (chiller) resfria tambm um fluido de processo
atravs da evaporao de um fluido refrigerante, como amnia, propano
ou hidrocarbonetos clorofluorados;
condensador (condenser) retira calor de um vapor at a sua
condensao parcial ou total, podendo inclusive sub-resfriar um
lquido condensado. O termo condensador de superfcie, aplica-se ao
condensador de vapor exausto de turbinas e mquinas de ciclos
trmicos;
Aquecedor (heater) aquece o fluido de processo, utilizando, em
geral, vapor dgua ou fluido trmico;
Vaporizador (vaporizer) cede calor ao fluido de processo,
vaporizando-o total ou parcialmente atravs de circulao natural ou
forada. O termo refervedor (reboiler) aplica-se ao vaporizador que
opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido
processado. O termo gerador de vapor (steam generator) aplicase ao
vaporizador que gera vapor dgua, aproveitando calor excedente de um
fluido de processo;
Evaporador (evaporator) promove concentrao de uma soluo pela
evaporao do lquido, de menor ponto de ebulio.
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Classificao quanto forma construtiva
Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube) Equipamentos
constitudos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um
casco, normalmente cilndrico, circulando um dos fluidos
externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos. Os
componentes principais dos trocadores tipo casco e tubo so
representados pelo cabeote de entrada, casco, feixe de tubos e
cabeote de retorno ou sada.
Trocadores especiais Em face das inmeras aplicaes especficas dos
trocadores de calor, so encontradas vrias formas construtivas que
no se enquadram nas caracterizaes comuns (casco e tubo, tubo duplo,
serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos
regenerativos, economizadores, etc). Para estes tipos, atribuda a
classificao de ESPECIAIS, dada a sua peculiaridade de construo, em
decorrncia da aplicao.
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Ilustrao - Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco
e um passe nos tubos (Contracorrente).
Ilustrao - Trocador de Calor de Casco e Tubos
Ilustrao - Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco
e um passe nos tubos (Contracorrente)
O tipo mais comum de trocador de calor mostrado abaixo:
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Ilustrao Diagrama de um trocador de calor de correntes opostas
de simples tubo no interior de outro tubo
Consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que
forma a carcaa de tal arranjo. Um dos fluidos escoa dentro do tubo
interno e outro atravs do espao anular entre os dois tubos, uma vez
que ambas as correntes de fluidos atravessam o trocador apenas uma
vez, chamamos tal arranjo de trocador de calor de passo-simples. Se
ambos os fluidos escoam na mesma direo, o trocador chamado do tipo
correntes paralelas; se os fluidos se movem em direes opostas, o
trocador do tipo correntes opostas. A diferena de temperatura entre
o fluido quente e o frio, em geral varia ao longo do tubo e, a razo
de transferncia de calor variar de seo para seo. Para determinar a
razo de transferncia de calor deve-se usar, desta forma, uma
diferena de temperatura mdia apropriada.
Quando os dois fluidos que escoam ao longo da superfcie de troca
de calor se movem com ngulos retos entre si, o trocador de calor
denominado do tipo correntes cruzadas. Trs arranjos distintos,
deste tipo de trocador so possveis:
Caso 1 cada um dos fluidos no se misturam ao passar atravs do
trocador e, desta forma, as temperaturas dos fluidos na sada do
trocador no so uniformes, apresentando-se mais quente em um lado do
que no outro. O aquecedor do tipo placa plana, projetado para ser
utilizado como regenerador, utilizando a energia dos gases de
descarga de uma turbina ou um radiador de automovel, aproxima-se
deste tipo de trocador, e o vemos abaixo.
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Ilustrao - Tipo Placa
Caso 2 um dos fluidos no se mistura e outro perfeitamente
misturado ao atravessar o trocador. A temperatura do fluido
misturado ser uniforme em cada seo e, somente variar na direo do
escoamento. Um exemplo deste tipo o aquecedor de ar de corrente
cruzada, mostrado esquematicamente abaixo. O ar que escoa atravs de
uma bancada de tubos misturado, enquanto que os gases no interior
dos tubos esto confinados e, desta forma, no se misturam.
Ilustrao Aquecedor de Corrente cruzada
Caso 3 ambos os fluidos so misturados enquanto escoam atravs do
trocador, isto , a temperatura de ambos os fluidos ser uniforme ao
longo da seo e variar apenas na direo do escoamento.
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Para aumentar a rea da superfcie de troca de calor, por unidade
de volume, a maioria dos trocadores de calor comerciais apresenta
mais de um passe atravs dos tubos e, o fluido que escoa por fora
dos tubos, guiado em zigue-zague por meio de defletores. A Ilustrao
- Trs tipos de defletores mostra a seo transversal de um trocador
com dois passes de tubos e defletores transversais no nico passe do
fluido que escoa entre a carcaa e os tubos. Os defletores so do
tipo de segmento. Este e outros tipos de defletores esto mostrados
na mesma figura. Em um trocador de calor com defletores, a
configurao do escoamento do lado da carcaa bastante complexa. Como
se v pelas setas, parte do tempo o escoamento perpendicular ao tubo
e na outra parte paralelo.
O trocador, ilustrado na Ilustrao - Trs tipos de defletores, tem
as placas de tubos fixos em cada extremidade e aqueles so soldados
ou expandidos nas placas. Este tipo de construo tem menor custo
inicial mas, pode ser usado somente para pequenas diferenas de
temperatura entre o fluido quente e o frio porque, nenhum
provimento feito para evitar as tenses trmicas devido expanso
diferencial entre os tubos e a carcaa. Outra desvantagem consiste
na no remoo do feixe de tubos para a limpeza. Estes inconvenientes
podem ser contornados pela modificao do projeto bsico conforme
mostra a Ilustrao . Neste arranjo uma placa de tubos fixa, mas a
outra aparafusada a uma tampa flutuante que permite o movimento
relativo entre o feixe de tubos e a carcaa.
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Ilustrao - Trs tipos de defletores
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Ilustrao - Detalhes de um trocador de calor
Outros tipos de trocadores de calor para lquidos e gases so
:
Tubos duplo so sustados a muito temo, principalmente quando as
velocidades de fluxo so baixas e as faixas de temperaturas so
altas. Estes segmentos de tubos duplos so
-
bem adaptados ao pequeno dimetro, pois possibilitam o uso de
pequenos flanges de sees com paredes delgadas, em comparao com o
equipamento convencional multitubulado.
Ilustrao Trocador Casco e Tubo
Trocadores com raspagem interna - este tipo de trocador tem um
elemento rotativo munido de lminas raspadoras montadas em molas,
para raspagem da superfcie interna. Os trocadores c