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Qumica e Derivados - junho - 200540
f i l t r o d e
m a n g a s
sao de gua ou cido. Por outro lado, problemas de ataques
qumicos, podem ser solucionados pela comparao entre a faixa de
temperatura e composio qumica dos gases fi ltrados e a faixa de
resistncias qumicas dos elementos fi ltrantes.
A ttulo de ilustrao mencionamos os seguintes exemplos da infl
uncia das variveis do processo industrial (vide Fig.1):
1) Um combustvel rico em enxofre pode resultar em gases de
combusto com elevado teor de SO3 (trixido de enxofre) e conseqente
risco de con-densao cida.
2) A duplicao da capacidade pro-dutiva de secagem de minrios /
gros implicar um aumento do teor de gua nos gases fi ltrados,
podendo resultar em condensaes e entupimentos das mangas por
aglomerao excessiva de particulado.
3) No caso de resfriamento de ga-ses quentes sem o uso de
trocador de calor, ou seja, no resfriamento obtido
o longo do estudo e soluo de problemas de centenas de sistemas
de fi ltrao in-dustrial foi possvel agru-par em quatro categorias
as causas de falha:falha na especifi cao do elemento fi ltrante
(vide edio de QD-407, de
agosto de 2002);falha no projeto do sistema (coifas,
tubulao, fi ltro, ventilador, etc.); falha de operao do
sistema;falha de manuteno do sistema.Essas causas3 podem e devem
ser
analisadas sob o aspecto mecnico (dimensionais de chaparias,
vlvulas, velocidades gasosas, etc.) e sob o aspecto qumico
(condensaes, ata-ques qumicos, etc.), este s lembrado quando o fi
ltro entope ou apresenta seus elementos fi ltrantes com um aspecto
apodrecido.
Os fatores que geram essas falhas podem resultar da condensao de
gua ou de cido, assim como podem ser causadas por composies qumicas
gasosas incompatveis com o elemento fi ltrante em uso para dada
faixa de tem-peratura de fi ltrao.
Estas falhas decorrem das caracte-rsticas inerentes ao Processo
Industrial (vide Fig.1).
As causas de origem qumica que levam ao entupimento ou alta
emisso de particulados num fi ltro de mangas podem ser
adequadamente avaliadas por simulao computacional com base em
balanos de massa e de energia. Por exemplo, a determinao do ponto
de orvalho se faz til para soluo dos problemas de entupimento por
conden-
a
Aspectos qumicos dareteno de particuladosE n g . T i t o d e A l
m e i d a P a c h e c o
por entrada de ar ambiente (tambm chamado de ar-falso) ou por
injeo de gua haver, em cada caso, alterao signifi cativa na
composio qumica gasosa, podendo resultar em ataque qumico das
mangas.
4) Se o resfriamento for por ar-falso, preciso observar as
condies atmos-fricas, pois num dia quente e chuvoso o gs resfriado
apresentar as maiores vazes e umidades possveis, ao passo que, num
dia frio e seco, apresentar as menores vazes e umidades
possveis.
5) Se o particulado possui natureza cida ou alcalina, pode
ocorrer ataque do elemento fi ltrante em presena de umidade
condensada, devido libe-rao em equilbrio do cido ou lcali
correspondente.
Para resolver problemas no fi ltro de mangas com base nas
informaes do processo industrial, foi adotada uma metodologia comum
em Engenharia Qumica, a qual consiste na represen-tao do processo
industrial em blocos (volumes de controle), nos quais o que
Fig.1: Variveis do processo industrial com influncia no aspecto
qumico da filtrao.
Tipo e vazo de combustvelCondensaode gua ou
cido
+
Composioqumica dos
gases
Entupimentos
+
Ataquesqumicos
Regime de produo
Regime de resfriamento
Condies atmosfricas
Natureza do particulado
P r o c e s s o i n d u s t r i a l Filtro de mangas
F i l t r o d e m a n g a s
-
2005 - junho - Qumica e Derivados 41
que a curva do Ponto de Orvalho cido defi nida no apenas com
base no teor de umidade dos gases, mas tambm no
teor do gs SO3 (vide Fig.6).Enquanto os gases fi ltrados
estive-
rem abaixo da curva (vide Fig.6), haver condensao de cido
sulfrico. Quando isso acontece, h corroso precoce das partes
metlicas do fi ltro (como chaparias, gaiolas, etc.). Por exemplo,
na Fig.7, possvel observar o esfare-lamento do anel ao-mola de fi
xao da manga por oxidao, resultando em
perda do efeito mola e falha de vedao.
Alm disso, o cido con-densado ataca quimicamente o elemento fi
ltrante. Na Fig.8, em uma primeira anlise, seria pos-svel afi rmar
que houve um forte processo abrasivo. No entanto, ao ser verifi
cada a possibilidade de rasgo manual do elemento fi ltrante, fi cou
caracterizada a ocorrncia de ataque qumico.
Independentemente do agente causador do ataque, o resultado
sempre o mesmo: possibilidade de rasgo manual da manga aps um curto
tempo
de uso. Isso ocorre porque o ataque qumico quebra a cadeia
molecular do material da manga em pequenos pe-
interessa so os dados de entrada e sada de cada bloco. Nessa
metodologia, ba-lanos de massa e de energia aplicados em cada bloco
isoladamente permitem o clculo da vazo, temperatura e compo-sio
qumica gasosa desde o incio do processo at a fi ltrao.
Uma representao simplifi cada in-tegra os 4 blocos tpicos
caracterizados por um processo de queima (caldeira, forno, estufa,
calcinador, etc.), um pro-cesso de produo (moinho, secador, reator
qumico, calcinador, etc.), um processo de resfriamento e um de fi
ltra-o (vide Fig.2).
Dessa forma, com base na concentra-o de gua dos gases, pode ser
obtido o ponto de orvalho da gua, que consiste no limite de
temperatura gasosa acima do qual no ocorre a condensao de gua.
Se os gases fi ltrados forem mantidos a temperaturas abaixo da
curva (vide Fig.3) haver condensao de gua. Essa condensao pode
levar as mangas ao entupimento devido aglomerao ou devido ao
empedrecimento do parti-culado (vide Fig.4).
Se o particulado apresentar pH diferente de 7, seja alcalino, ou
cido, pode ocorrer o ressecamento das fi bras de uma manga de
polister1, por exem-plo, caracterizado pela ocorrncia de
rachaduras, as quais invariavelmente evoluem para rasgos (vide
Fig.5).
Na presena do gs SO3, seja prove-niente da queima de combustveis
com enxofre, seja proveniente do prprio processo produtivo, haver a
reao do gs com a umidade do ar gerando nvoa de cido sulfrico
(H2SO4) em concentrao fumegante. Nesse caso, prevalece o ponto de
orvalho cido, ou seja, o limite de temperatura gasosa aci-ma do
qual no ocorre condensao de cido sulfrico. importante observar
Fig.2: Processos tpicos dos sistemas de filtrao atmosfrica.
Fig.3: Curva do ponto de orvalho da gua
Combustvel
Ar
Matria bruta
Matria processada
Ar-falso ougua-ar
Resfriamento
Gslimpo
Particulado
Fig.4: Efeitos da condensao de gua nas mangas filtrantes.
Fig.5: Ataque qumico da manga de polister.
0,7 0,9 1,5 3 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Vapo
r Sec
o
Vapo
r Con
dens
ado
Pont
o de
orv
alho
, oC
Concentrao de gua, volume %
ProduoFiltroForno
-
Qumica e Derivados - junho - 200542
f i l t r o d e
m a n g a s
daos, diminuindo consideravelmente sua resistncia trao de
ruptura (tipicamente para valores inferiores a 35 daN/5cm). Dessa
forma, para carac-terizao e compreenso dos principais agentes de
ataque qumico em sistemas de despoluio atmosfrica industrial
apresentado o esquema da Fig.9.
Seja proveniente de um processo de secagem ou de combusto, um
elevado teor de gua sob dada temperatura pode causar a hidrlise de
alguns materiais de mangas (tipicamente os polmeros obtidos por
processos de condensao). A etimologia do termo hidro=gua,
lise=separao refora a idia de quebra das molculas por ao da gua;
portan-to hidrlise aquosa redundncia. Por exemplo, mangas de
polister apresen-taro furos e rasgos em menos de seis meses de
operao contnua sob 10% (em volume) de gua a 140oC, devido
hidrlise.
A queima de combustvel com enxofre em sua es-trutura molecular
re-sulta na oxidao do mesmo, formando o gs SO2 (dixido de enxofre),
o qual reage com o oxignio residual dos gases sujos quando a
tem-peratura cai abaixo de 300oC, formando assim o gs SO3. Por sua
vez, devido for-te afi nidade por gua do gs SO3, haver a formao de
cido
sulfrico. Tanto o SO2 em condies secas, como o cido sulfrico,
atacam determinados tipos de materiais de mangas fi ltrantes por
sulfonao.
A formao de cido sulfrico tem um agravante, pois ao reagir com o
metal da gaiola (zinco, ferro, etc.) h liberao do gs hidrognio,
que, por sua vez, tambm ataca a manga fi ltrante.
Em geral, os efeitos deste ataque por hidrogenao antecedem os
efeitos da sulfonao, sendo que, no ataque por hidrogenao possvel
rasgar o elemento fi ltrante somente nas marcas da gaiola, mas no
em outras regies fora destas marcas. Nesse tipo de ataque, na
maioria dos casos, a manga gruda na gaiola de tal forma que preciso
des-peda-la para promover a separao.
Mesmo assim, ainda fi cam algumas fi bras grudadas na gaiola!
Proteger a gaiola com pintura anticida (tipo epxi ou siliconizada),
combinada ou no com o uso de ao-inox, pode auxiliar na soluo desse
problema, pois difi culta o contato cido-metal.
De outro modo, haver formao do gs NO (xido de nitrognio) se a
houver queima de combustveis com nitrognio em sua molcula ou se a
temperatura do forno ultrapassar 800oC, caso em que seria permitida
a reao do nitrognio e oxignio atmosfricos.
Quando a temperatura dos gases cai para menos de 250oC haver
reao deste gs NO com o oxignio residual, gerando ento o NO2 (dixido
de nitro-gnio) que pode atacar determinados
materiais de mangas fi ltrantes por nitra-o.
Por fi m, o prprio oxignio dos gases fi l-trados pode atacar o
elemento fi ltrante por oxidao dependendo da temperatura de fi
l-trao. Por exemplo, mangas feitas de po-lifenilsulfeto
apresen-taram furos e rasgos em menos de um ano de operao contnua
sob 18% em volume de oxignio a 180oC, devido oxidao.
Muitas vezes, quando realizada uma amostragem na chamin para
medi-o da composio qumica dos gases, o resultado expresso Fig.8:
Furos e rasgos precoces por ataque cido da manga filtrante.
Fig.7: Oxidao acelerada por ataque cido.
Fig.6: Curvas do ponto de orvalho cido para concentraes de gua
de 10%, 20% e 30% em volume.
175
165
155
145
135
1255 10 50 150
175
165
155
145
135
1255 10 50 150
175
165
155
145
135
1255 10 50 150
Pont
o de
orv
alho
ci
do, O
C
Pont
o de
orv
alho
ci
do, O
C
Pont
o de
orv
alho
ci
do, O
C
Concentrao de SO3 nos gases, ppm Concentrao de SO3 nos gases,
ppm Concentrao de SO3 nos gases, ppm
20% vol. H2O
10% vol. H2O
30% vol. H2O
20% vol. H2O
10% vol. H2O
-
2005 - junho - Qumica e Derivados 43
em SOx, ou seja, teor de SO2 + SO3, e NOx, ou seja, teor de NO +
NO2. Entretanto, isso difi culta a avaliao de qual elemento fi
l-trante pode ser utili-zado, porque, como pode ser verifi cado na
Fig.9, o que interessa so suas quantidades em separado e no a sua
mistura.
Na Fig.10a so exemplifi cadas algu-mas faixas de resis-tncia
qumica dos principais plsticos utilizados para con-feco de mangas
fi ltrantes.
Atravs da iden-tifi cao da condio de cada ataque qumico na
Fig.10a possvel verifi car os parmetros que devem ser levados em
considerao: tipo de agente qu-mico, sua concentrao, temperatura e
durao de ataque qumico. Sob as condies especifi cadas, os grfi cos
apresentam o percentual da resistncia mecnica original obtida aps o
ataque qumico.
A seguir ser investigada a infl un-cia no aspecto qumico da fi
ltrao de alguns parmetros de processo (vide Fig.1) em casos reais,
referentes a
Fig.9: Tipos e origens dos agentes de ataque qumico.
Combustvel + O2
Ataca a mangaHIDROGENAO
Produo
Ar + O2
Ataca a gaiolaOXIDAO
Ataca a gaiolaHIDRLISE
Ataca a gaiolaOXIDAO CIDA
Ataca a mangaSULFONAO
Ataca a mangaSULFONAO
Ataca a mangaNITRAO
Ataca a mangaOXIDAO
5% vol. SO395% vol. SO2
90% vol. NO
10% vol. NO2
H2O
SO2
NO
O2
H2SO4
Temp.< 300oC
Temp.< 250oC
SOSOSO
OAtaca a gaiola
Temperatura de trabalho de mangas filtrantes
Polipropileno (PP)Acrl ico (PAC)Acrl ico (PAN)
Polister (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)
Poliamida aromtica (PA-Ar)Poli imida aromtica (PL-Ar, P84)
Politetrafluoreti leno (PTFE, Teflon)
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Temperatura, oC
Fig.10a: Resistncia qumica de mangas para baixa temperatura
(esquerda) e alta temperatura (direita)
H2SO4 / 10% / 60OC / 24hH2SO4 / 10% / 60
OC / 24h
% vol. H2O (90OC / ph=7)
NaOH / 10% 75OC / 72h
HNO3 /10% / 60OC / 24H
HCI / 10% / 60OC / 24h HCI / 10% /
60OC / 24h% vol. H2O (90OC / ph=7)
NaOH / 10% / 75OC / 72h
HNO3 /10% / 60OC / 24H
Polipropileno (PP)Polister (PS)Acrlico (PAC)Acrlico (PAN)
Polifenilsulfeto (PPS, Ryton, Procon)Poliamida aromtica (PA-ar,
Nomex, Conex)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)Politetrafluoretileno
(PTFE)
Polipropileno (PP)Polister (PS)Polister (PS)Acrlico
(PAC)Polister (PS)Acrlico (PAC)Acrlico (PAN)Acrlico (PAN)Acrlico
(PAN) Politetrafluoretileno (PTFE)
Polifenilsulfeto (PPS, Ryton, Procon)Poliamida aromtica (PA-ar,
Nomex, Conex)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex, Conex)Poliimida
aromtica (PI-Ar, P84)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex,
Conex)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)Politetrafluoretileno
(PTFE)Politetrafluoretileno (PTFE)Poliimida aromtica (PI-Ar,
P84)
Fig.10b: Comparativo entre as temperaturas de trabalho de
diferentes materiais filtrantes1.
HCI / 10% /
C / ph=7)
NaOH / 10% / C / 72h
HNO3 /10% / 60OC / 24H
C / ph=7)C / ph=7)606060
60HNO60
10080
60
4020
0
100
80
60
40
20
0
HNO3 /10% / /10% / 60OC / 24HC / 24H
606060
0000
1001001001001001008080
60
-
Qumica e Derivados - junho - 200544
f i l t r o d e
m a n g a s
Fig.12: Resultados de simulao para resfriamento por
ar-falso.
Relao ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimenses 154x3658
mm.Concentraes de O2 e H2O esto em vol.%; a concentrao de SO2 est
em ppm.
Resultados obtidos pelo software Proteus simulador de filtrao
industrial.
Polister hidrlise!Acrlico queima!
Nomex sulfonao!Polifenilsulfeto
Polifenilsulfeto Oxidao
Poliimida aromtica -com adio contnua
50 kg/h Ca(OH)2
R e s f r i a m e n t o p o r A r - f a l s o ( 4 0 oC , 7 0 % U
R )Temp. Orv. cido O2 H2O SO2 Vazo, m
3/h Qde. Especificao
120oC 113oC 16,4 6,2 274 54042 391 Risco de condensao
130oC 114oC 16,0 6,4 309 49232 356
140oC 116oC 15,5 6,5 344 45382 328
150oC 117oC 15,1 6,7 379 42232 305
160oC 118oC 14,6 6,8 415 39606 286
170oC 119oC 14,2 7,0 450 37383 270
180oC 120oC 13,7 7,1 486 35477 257
190oC 121oC 13,3 7,3 522 33825 245
200oC 122oC 12,8 7,5 558 32379 234
Fig.10c: Comparativo entre os preos mltiplos do polister para
diferentes materiais filtrantes1.
1 6 11 16 21 26 1 6 11 16 21 26
Preo relativo entre mangas filtrantes (polister = 1)
Polipropileno (PP)Acrl ico (PAC)Acrl ico (PAN)
Polister (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)
Poliamida aromtica (PA-Ar)Poli imida aromtica (PL-ar, P84)
Politetrafluoreti leno (PTFE)
Fig.11: Caracterizao da consulta tcnica referente ao Caso Prtico
1.
Resfriamento
Particulado
Gslimpo
leo
Ar
Ar falso (40oC, 70% UR) ougua-ar (40oC, 81% peso H2O
Dados fornecidos:11320 Nm3/h a 280oC
O2 = 9% vol.H2O = 8,8% vol.SO2 = 853 ppmSO3 = 4,2 ppm
Questes:Qual resfriamento econmico?Vazo e temperatura do gs?
Quantidade e tipo de mangas?
FiltroForno
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2005 - junho - Qumica e Derivados 45
consultas realizadas por fabricantes de equipamentos de
despoluio e usurios de filtros de mangas.
Para tanto, foi utilizado o softwa-re Proteus - Simulador de
Filtrao Industrial, verso 2.4, para anlise da viabilidade do
projeto do filtro de man-gas, especificao dos elementos
fil-trantes, assim como das condies ope-racionais timas atravs da
utilizao. Trata-se do primeiro simulador nacional para projeto e
avaliao de sistemas de filtrao englobando a fsico-qumica do
processo industrial de gerao de particulados. Elaborado pelo autor
deste texto, direcionado para pesquisa e de-
senvolvimento de novas tecnologias filtrantes, reenge-nharia de
equipa-mentos falhos3, determinao de condies opera-cionais timas e
projeto completo desses sistemas.
1 Caso prtico O cliente in-formou a com-posio, vazo e
temperatura dos
gases provenientes da queima de leo, havendo a possibilidade de
resfriar os gases quentes tanto por ar-falso a 40oC e 70% de
umidade relativa, como pela injeo de gua a 40oC nebulizada com ar
comprimido tal que, a concentrao fosse 81% peso de gua (vide
Fig.11).
Algumas questes foram levanta-das:
1) Qual o mtodo de resfriamento econmico, ou seja, ser a adio de
ar-falso ou a adio de gua o mtodo que permitir a menor vazo gasosa,
tal que o filtro de mangas seja o menor possvel (mais acessvel
economicamente)?
2) Qual a faixa de temperatura tal que possam ser utilizadas as
mangas no material mais econmico sob uma Fig.13: Resultados de
simulao para resfriamento por nebulizao de gua.
Relao ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimenses 154x3658
mm.Concentraes de O2 e H2O esto em vol.%; a concentrao de SO2 est
em ppm.
Resultados obtidos pelo software Proteus simulador de filtrao
industrial.
Condensao cida
Risco condensao
Polifenilsulfeto
Poliimida aromtica + 50 kg/h de Ca(OH)2
Resfriamento por gua-ar comprimido (40oC, 81% peso H2O)Temp.
Orv. cido O2 H2O SO2 Vazo, m
3/h Qde. Especificao
120oC 134oC 8,3 17,6 758 22248 161
130oC 134oC 8,3 17,0 764 22484 162
140oC 133oC 8,4 16,5 770 22711 164
150oC 133oC 8,4 15,9 776 22930 166
160oC 133oC 8,5 15,4 782 23141 167
170oC 132oC 8,5 14,8 788 23345 169
180oC 132oC 8,6 14,3 794 23540 170
190oC 132oC 8,6 13,7 800 23729 171
200oC 131oC 8,6 13,2 806 23910 173
Fig.14: Relao de custo-benefcio para o sistema de filtrao com
base no mtodo de resfriamento.
200oC -
190oC -
180oC -
170oC -
160oC -
150oC -
140oC -
130oC -
120oC -
- 200oC
- 190oC
- 180oC
- 170oC
- 160oC
- 150oC
- 140oC
- 130oC
- 120oC
290 mangas deP84
R$ 159.000,00com neutralizao
360 mangasPolifenilsulfetoR$ 119.000,00
No recomendvel
170 mangasPolifenilsulfetoR$ 56.000,00
No recomendvel
175 mangas de P84R$ 96.000,00
com neutralizao
Ar-falso gua-ar
Comparao entre alternativas
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Qumica e Derivados - junho - 200546
f i l t r o d e
m a n g a s
para Simulao Dinmica do Processo Industrial. A estratgia de
simulao foi adotar uma temperatura para o gs resfriado (gs mistura)
e verificar a composio, ponto de orvalho cido e vazo resultante
(vide Fig.12).
A concentrao de O2 e H2O est em porcentagem volumtrica, ou seja,
6,2% em volume equivale dizer que existem 6,2 m3 de gua (lquida ou
gasosa) para cada 100 m3 de gs. Da mesma forma, a
operao normal por, pelo menos, dois anos, ou seja, sem
condensaes ou ataques qumicos?
3) Qual a rea filtrante necessria para filtrao sob a vazo
resultante da soma das vazes do gs quente e do gs de resfriamento
na temperatura escolhi-da para operao Ideal?
Para soluo destas questes foi implementada a metodologia
anterior-mente citada com o Simulador Proteus
concentrao de SO2 est em ppm (par-tes por milho em volume), ou
seja, 274 ppm equivale dizer que h 274 mililitros de SO2 para cada
1m
3 de gs.Tendo em vista que o Ponto de
Orvalho cido (113oC) inferior temperatura de operao (120oC),
te-oricamente no deveria ocorrer a con-densao de cido. Contudo,
deve ser lembrado que as paredes da tubulao, filtro e ventilador no
esto a 120oC, mas a uma temperatura muito inferior, dependendo da
temperatura ambiente. Por isso, tem sido verificado e utilizado com
sucesso, para inibir condensaes, o critrio de adotar uma
temperatura de trabalho de, pelo menos, 20oC acima do ponto de
orvalho cido para sistemas isolados termicamente e de, pelo menos,
30oC acima do ponto de orvalho cido para sistemas no isolados.
Como sempre, se for atingida uma temperatura na chamin acima do
ponto de orvalho cido, tambm podem ser evitados danos no
ventilador, chamin, filtro, etc. Por este motivo, muitas ve-zes, a
temperatura do gs monitorada tanto na entrada do filtro (para
evitar ultrapassar a temperatura de trabalho das mangas vide
Fig.10b), como na chamin (para evitar condensaes).
Para a faixa de 130 a 150oC, pos-svel verificar que o polister
(PES) no pode ser escolhido devido ao elevado teor de gua nos
gases, caso em que ocor-reria a hidrlise do material1. Embora a
manga de acrlico tipo poliacrilonitrila copolmero (PAC) resista
perfeitamente a esse teor de umidade, sua temperatura de trabalho
de apenas 115oC, portanto ela queimaria/encolheria a 150oC. J as
mangas em poliamida aromtica ou m-aramida (cujos nomes comerciais
podem ser Nomex, Conex, etc.) resistem perfeitamente temperatura e
umidade indicadas, mas o teor de SO2 est acima do seu limite
operacional, desaconse-lhando o seu uso no caso.
A manga escolhida foi a de polifenil-sulfeto (cujos nomes
comerciais podem ser Ryton, Procon, etc.), pelo fato de suas faixas
de resistncia qumica apresenta-rem limites superiores aos limites
das faixas de concentraes de composio qumica deste gs.
Quando se examina a faixa de 160C a 200oC, verifica-se teor de
oxignio excessivo para o polifenilsulfeto, uma Fig.16: Resultados
de simulao para os 6 cenrios de operao possveis.
Madeira accia (20% peso H2O)1560 kg/h (bu)PCI 3296 kcal/kg
leo 2A469 kg/h (bs)3,2% peso S
Gs natural396 kg/h (bs)
T = 125oCTorv = 71oCH2O = 31% vol.SO2 = 0 ppm
T = 130oCTac = 167oCH2O = 22% vol.SO2 = 1662 ppm
T= 125oCTorv= 69oCH2O = 29% vol.SO2 = 0 ppm
18700 m3/hAcrlico (PAN)
11022 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO
12930 m3/hAcrlico (PAN)
T = 125oCTorv = 71oCH2O = 31% vol.SO2 = 0 ppm
T = 130oCTac = 169oCH2O = 29% vol.SO2 = 1504 ppm
T= 125oCTorv= 71oCH2O = 35% vol.SO2 = 0 ppm
18400 m3/hAcrlico (PAN)
13457 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO
15560 m3/hAcrlico (PAN)
A v a l i a o d a v i a b i l i d a d e t c n i c a
Fig.15: Caracterizao da consulta tcnica referente ao caso prtico
n 2.
Madeira accia (20% peso H2O) Cenrio 1 Cenrio 41560 kg/h (bu)-
PCI 3296 kcal/kg leo 2A Cenrio 2 Cenrio 5(469 kg/h - 3,2% peso de
S)
Gs natural (396 kg/h) Cenrio 3 Cenrio 6
CombustvelProduo de cinzas 4,5 ton/h
(umidade inicial 20% peso)9,5 ton/h
(umidade inicial 10% peso)
Questes:Qual combustvel mais econmico (madeira, leo ou gs
natural)?
Vazo e temperatura do gs?Quantidade e especificao das
mangas?
Qual a influncia das condies da matria-prima?
Cinza mida(10 a 20% peso de H2O)
Cinza seca(0% peso de H2O)
Gslimpo
Par ticuladoCombustvel
Ar650OC
130OC
Combustvel
Produo de cinzas
4,5 ton/h(umidade inicial 20% peso)
9,5 ton/h(umidade inicial 10% peso)
SecadorFiltroForno
-
2005 - junho - Qumica e Derivados 47
vez que nessa temperatura a reao de oxidao se apresenta
vigorosa. O uso de manga em poliimida aromtica (cujo nome comercial
P84) tambm no seria possvel devido ao elevado teor de SO2. Contudo,
com a utilizao do artifcio de neutralizao qumica2, no caso, com
hidrxido de clcio (cal hi-dratada), foi possvel reduzir no apenas o
teor de SO2, mas tambm o ponto de orvalho cido.
Conforme verifi cado na Fig.6, o ponto
de orvalho cido aumenta com o aumento da umidade. Isso pode ser
constatado no valor deste ponto a 120oC quando utili-zado o
resfriamento por ar-falso (113oC) e quando utilizado resfriamento
por injeo de gua (134oC) (vide Fig.13).
A faixa de operao de 120C a 140oC no recomendada devido ao risco
condensao de cido conforme as razes j explicadas anteriormente
(vide Fig.13). Contudo, como os gases de combusto possuem baixo
teor de
Fig.18: Caracterizao da consulta tcnica referente ao caso prtico
3.
Fig.17: Relao de custo-benefcio para o sistema de filtrao com
base no tipo de combustvel.
Madeira accia 1560 kg/h (bu)
leo 2A469 kg/h (bs)
Gs natural396 kg/h (bs)
160 mangas de acrlico (PAN)16 vlvulas 11/2 + 1 economizador
20
120 mangas polifenilsulfeto12 vlvulas 11/2 + 1 economizador
12
130 mangas de acrlico (PAN)13 vlvulas 11/2 + economizador 20
RS 22.980,00
R$ 34.910,00
R$ 19.280,00
A v a l i a o d a v i a b i l i d a d e e c o n m i c a
Relao Ar-pano = 1,3 m/min Dimenses das mangas 160 x 3000
mmResultados obtidos pelo software Proteus Simulador de Filtrao
Industrial.
Questes:H risco de condensaes nos dutos e nas mangas?
Vazo e temperatura do gs no filtro?Quantidade e especificao das
mangas?
Qual a influncia das condies atmosfricas
Secador granito82000 m3/h a 195oC21% vol. H2O25 ppm de SO3
Ensacadeiras16000 m3/h, ambiente
Dados fornecidos:Condies ambientesTemperatura: 15 a 35OCUmidade:
55 a 100% UR
Elevador de canecas46000 m3/h a 160OC2% vol. H2O Britador
6200 m3/h, ambiente
Ar
GLP
Granito mido
Granito seco
Ramais A, B, D de despoeiramento
Ramal C deprocesso
Gs limpo
Par ticulado
FiltroJ1
J2 J3Dados fornecidos:Condies ambientesTemperatura: 15 a
35Umidade: 55 a 100% UR
Britador
A
C
B
47
SecadorFiltroForno
Ramais A, B, D de despoeiramento
Ramal C deprocesso
Gs Gs limpolimpo
Par ticuladoPar ticulado
Filtro
A
D
-
Qumica e Derivados - junho - 200548
f i l t r o d e
m a n g a s
oxignio e utilizado apenas 19% em peso de ar para nebulizao da
gua de resfriamento, o teor resultante de oxig-nio baixo,
permitindo assim, o uso de mangas de polifenilsulfeto at a
tempe-ratura limite de operao (180oC).
Na faixa de 190C a 200oC, foi ne-cessrio usar a mesma soluo
adotada para as mangas em poliimida aromtica (P84) no caso
anterior.
O estudo autoriza as seguintes con-cluses:
Para cada faixa de temperatura, foi escolhida a maior vazo,
tendo sido divi-dida pela relao ar-pano para obteno da rea fi
ltrante total correspondente. A razo entre a rea fi ltrante total e
a rea
para somente ento ser possvel uma tomada de deciso defi
nitiva.
2 Caso prtico O cliente informou apenas quais os combustveis que
po-deriam ser utilizados para secagem de cinzas, as quais, por sua
vez, poderiam ser recebidas entre dois extremos de umidade,
alterando signifi cativamente a produo de cinzas secas. As
temperatu-ras aps o forno e aps o secador foram defi nidas com base
em sistemas similares de mesma tecnologia, conforme informa-do pelo
prprio cliente (vide Fig.15).
Algumas questes precisavam ser resolvidas:
1) Qual o combustvel econmico, ou seja, qual material (madeira,
gs ou leo) permitir a menor vazo gasosa, tal que o fi ltro de
mangas seja o menor possvel?
2) Qual o material das mangas mais econmico sob uma operao
normal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem condensaes ou ataques
qumicos?
3) Qual a rea fi ltrante necessria para operar sob a vazo
resultante da soma das vazes do gs de combusto e do gs de
proveniente da secagem?
4) Qual a infl uncia da umidade da matria-prima no desempenho do
fi ltro de mangas, ou seja, quando a umidade for mxima, deve-se
esperar o entupi-mento do fi ltro devido condensao de umidade?
A resoluo dessas questes usou a mesma metodologia do caso
ante-rior associada ao software Proteus 2.4 para Simulao Dinmica do
Processo Industrial. A estratgia adotada foi a de realizar a
simulao da composio gasosa, temperatura e vazo dos gases de
combusto acrescidos dos gases da secagem para cada um dos seis
cenrios possveis (vide Fig.16).
Foram considerados os consumos de combustvel, tal que fosse
liberado o mesmo montante calrico necessrio e sufi ciente para
secagem em escala industrial das cinzas midas. A produ-o de cinzas
citada refere-se s cinzas secas at uma umidade prxima de 0% em
peso.
Nos cenrios nos quais h queima de madeira ou gs natural no so
esperadas condensaes, porque o ponto de orvalho da gua est muito
abaixo da temperatura de operao. Porm, o elevado teor de
Fig.19: Resultados de simulao para os dois cenrios possveis.
Fig.20: Resultados de simulao para os dois cenrios possveis aps
otimizao da tubulao.
AB
C
D
J1J2 J3
Avaliao das condensaes nos dutos e no filtro
160
155
150
145
140
135J1 J2 J3
Temperatura do gsTemperatura do gs
Ponto de orvalho cido
155157
151
149
139138
Tem
pera
tura
, OC
Condio 35OC - 100%UR
Juno de tubulao
160
155
150
145
140
135J1 J2 J3
Temperatura do gs
Ponto de orvalho cido
Temperatura do gs
Ponto de orvalho cido
147
152
146
138
144
136
Tem
pera
tura
, OC
Condio 15OC - 55%UR
Juno de tubulao
de uma manga corresponde ao total de mangas adequado para a fi
ltrao.
Na Fig.14 possvel observar que a combinao de faixa de
temperatura e mtodo de resfriamento que gerasse o menor nmero de
mangas (fi ltro mais econmico) com o material de mangas menos
oneroso (vide Fig.10c) correspon-de quela indicada pelo quadro em
desta-que: 170 mangas em polifenilsulfeto.
Embora o custo do investimento somente de mangas fi ltrantes
esteja indi-cado, o qual proporcional ao custo do fi ltro +
ventilador, uma anlise completa deve levar em considerao o custo
total do investimento, manuteno e opera-o de cada sistema de
resfriamento,
185
175
165
155
145
135
Temperatura do gs
150
157
178
141 139 138
Tem
pera
tura
, OC
Condio 35OC - 100%UR
J1 J2 J3
Ponto de orvalho cido
Juno de tubulao
Temperatura do gs
150
157
178
Ponto de orvalho cido141 139 138
185
175
165
155
145
135
Condio 15OC - 55%UR
Temperatura do gs
Ponto de orvalho cido
178
Temperatura do gs
Ponto de orvalho cido
178
J1 J2 J3Juno de tubulao
152144
138136
141
Tem
pera
tura
, OC
Soluo da condensao no dutoA
B
C
D
J1 J2 J3
-
2005 - junho - Qumica e Derivados 49
umidade defi ne a utilizao de mangas em acrlico tipo
poliacrilonitrila homo-polmero (PAN) ou a indicao de man-
gas em polifenilsulfeto. Como o acrlico mais barato que o
polifenilsulfeto, ele foi o escolhido (vide Fig.10c).
Contudo, devido ao elevado teor de enxofre no leo, os gases
resultantes de sua queima apresentaram ponto de orvalho cido
(167/169oC) muito acima da temperatura de operao (130oC). Devido ao
fato de no ser recomendvel a operao contnua de um sistema de fi
ltrao sob condensao de cido sulfrico, foi utilizado o artifcio da
neutralizao qumica dos gases cidos atravs da adio de p alcalino2,
no caso, a cal virgem (xido de clcio) para baixar o ponto de
orvalho cido para valores aceitveis.
possvel observar pequena infl u-ncia na vazo total dos gases
tanto na condio produtiva de maior, como de menor umidade inicial
de cinzas. Assim como no caso prtico anterior, foi calculada a rea
fi ltrante total pela razo da vazo pela relao ar-pano e, sem
seguida, foi calculado o total de
mangas pela razo da rea fi ltrante total pela rea fi ltrante de
uma manga.
possvel concluir que:Os resultados obtidos so demons-
trados na Fig.17, onde so apresentados no apenas os custos das
mangas, mas tambm os custos das vlvulas solenides e de seu
controlador tipo economizador (limpeza por demanda de presso).
possvel verifi car que a opo de 130 mangas em poliacrilonitrila
homo-polmero (PAN) apresentou o menor custo de investimento.
O custo do fi ltro de mangas ser proporcional ao nmero de
vlvulas e mangas, uma vez que, foi adotada a mesma relao ar-pano e
que as mangas possuem as mesmas dimenses para cada cenrio.
Obviamente, a deciso fi nal dever levar em considerao o custo do
con-sumo de combustvel, custo do sistema de neutralizao e da cal
virgem, custo de aquisio, operao e manuteno do
Vazo 161770 / 161140 m3/h
Temperatura 150 / 144 OC
Umidade 10,0 / 9,3 % vol.
Mangas 1380 mangas de Polifenilsulfeto
Temperatura 150 / 144 OC
Umidade 10,0 / 9,3 % vol.
Mangas 1380 mangas de
Dimensionamento do filtroe especificao das mangas
Relao ar-pano de 1,3 m/min Dimenses das mangas 160 x 3000
mmProteus Simulador de Filtrao Industrial
Fig. 21: Dimensionamento do sistema de filtrao e rede de dutos
com base nas condies ambientais.
-
Qumica e Derivados - junho - 200550
f i l t r o d e
m a n g a s
O AUTORTito de Almeida Pacheco formado em Engenharia Qumica pela
UFRGS tendo se especializado em Simulao Computacional aplicada para
o Projeto e Avaliao Dinmica de Sistemas de Despoeiramento
Industrial. Foi respons-vel pela Engenharia da Renner Txtil Ltda.
desde 1997, atividade que integrou
as funes de engenharia de aplicao e assistncia tc-nica. Tem
larga experincia em avaliao de processos industriais exis-tentes
para so-luo de proble-mas e tambm na avaliao de plantas
indus-triais futuras
para especificao e dimensionamento completo dos sistemas de
despoeiramen-to a serem adquiridos. Contatos por:
[email protected]
condensaes ou ataques qumicos?3) Qual a rea filtrante
necessria
para filtrao sob a vazo resultante da soma das vazes do gs de
cada coifa de captao?
4) So esperadas dificuldades ope-racionais no filtro de mangas?
Como resolver eventual problema?
Mais uma vez, foi usada a metodolo-gia de Simulao Dinmica de
Processos Industriais atravs do software Proteus 2.4. A estratgia
de simulao foi a de calcular a temperatura e o ponto de orva-lho
dos gases em cada juno (J1, J2 e J3) tanto para um dia quente e
chuvoso (35oC e 100%UR), como para um dia frio e seco (15oC e
55%UR) (vide Fig.19).
possvel concluir que h risco de condensao de cido na juno J1 num
dia quente e chuvoso, e h certeza de condensao de cido sulfrico num
dia frio e seco, uma vez que, o ponto de orvalho cido est acima da
temperatura de operao, obtida pela mistura dos gases de cada coifa
nas temperaturas indicadas na Fig.18.
Desta forma, esperado o entupi-mento da tubulao devido
condensa-o, conforme j verificado em dezenas de casos similares.
Nesse caso, haveria a incrustao de material (granito + sulfato de
ferro ou zinco) com diminui-o da rea de passagem gasosa. Com a
constrio do dimetro de passagem do gs na tubulao, a velocidade de
transporte pneumtico poderia facil-mente subir de 18 a 20 m/s para
30 m/s ou mais, situao na qual, o particulado facilmente poderia
causar abraso na prxima curva ou mudana de direo da dutovia. Com
isso, poderiam ocorrer furos nos tubos seja pela abraso do
ex-cessivo fluxo gasoso, seja pela corroso cida destes tubos.
Para resolver este problema, foi sugerida uma reorganizao do
layout da rede de tubulaes (vide Fig.20).
possvel observar que o problema de condensao cida na juno J1 foi
adequadamente resolvido, pois a tem-peratura do gs no local est bem
acima do seu ponto de orvalho cido. Porm, dada a proximidade dessas
temperaturas na juno J3, onde h entrada dos gases no filtro de
mangas, recomendvel a instalao de isolamento trmico a partir da
juno J2 at a chamin.
possvel concluir que:
forno adequado para cada combustvel.
3 Caso prtico Nesse caso, o cliente informou, desde logo, as
temperaturas, vazes e composies qumicas gasosas em cada coifa de
captao. Porm, duas coifas captam ar ambiente. Como a tem-peratura
do ar ambiente varia de 15C a 35oC e sua umidade de 55% a 100% de
umidade relativa ao longo do ano, poder haver influncias das
condies ambientais no desempenho do sistema de filtrao (vide
Fig.18).
Nesse sistema, so apresentados os blocos destacados pelo
pontilhado vermelho atravs de uma planta baixa com a localizao das
coifas de captao e do filtro de mangas.
Questes a resolver:1) Tendo em vista a captao de ar
ambiente, h possibilidade de condensa-o de umidade e entupimento
dos dutos ou do filtro em algum momento ao longo da operao?
2) Qual material das mangas ser mais econmico sob uma operao
nor-mal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem
Carlos A. Silva
mailto:[email protected]
-
2005 - junho - Qumica e Derivados 51
1 Artigo: Como obter o rendimento mximo do filtro de mangas
oferece maiores detalhamentos sobre especificao de elemen-tos
filtrantes. Este artigo foi atualizado com base em artigo homnimo
do mesmo autor publicado e apresentado no V Congresso Brasileiro de
Cimento Portland ABCP - em Novembro de 1999 Belo Horizonte/MG. Uma
verso atualizada foi publicada na Revista Qumica e Derivados n 407,
de agosto de 2002.
2 Artigo: Lavagem seca do SO2 atravs de filtros de mangas traz
mais informaes sobre a tcnica de neutralizao qumica de gases cidos.
Foi publicado e apresentado no I Congresso Interamericano da
Qualidade do Ar - ABES - em Julho de 2003 ULBRA/RS.
3 Artigo: Como fazer uma avaliao de Sistemas de Despoeiramento
descreve a metodologia tima para identificao e soluo dos problemas
tpicos em filtrao industrial seca. Este artigo foi publicado na
edio no14 da Revista Meio Filtrante.
(http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detail&id=158)
No foi verificada diferena signi-ficativa entre os dados
simulados de vazo e temperatura gasosa para os ce-nrios
quente-chuvoso e frio-seco, pos-sibilitando assim, a seleo da mesma
especificao e quantidade de mangas filtrantes sem majoraes
tcnicas.
Devido ao fato da temperatura e umi-dade serem relativamente
elevadas, foi selecionada a manga em polifenilsulfeto em quantidade
tal que respeite a relao ar-pano indicada para o dimensional de
mangas originalmente solicitado pelo cliente (vide Fig.21).
Concluses complementares A ava-liao do aspecto qumico da filtrao
indispensvel nas investigaes de falhas de projetos ou de soluo de
problemas crnicos de sistemas de filtrao, seja por entupimento,
seja por alta emisso de p devido ao ataque qumico dos elementos
filtrantes. No entanto, fortemente recomendvel a avaliao
concomitante do aspecto me-cnico, como por exemplo, a eficincia do
sistema de limpeza3.
Ao longo dos trs casos prticos foi exemplificada a realidade
observada junto maioria dos usurios de filtros quanto s
caractersticas dos gases filtrados como: vazo, temperatura e
composio qumica na entrada do filtro de mangas. Sem esses dados,
o
dimensionamento do equipamento e a especificao do material do
elemento filtrante tornam-se tecnicamente invi-veis, ou, no mnimo,
pouco confiveis. Alm disso, tem sido observado que muitos
questionrios sobre o sistema de filtrao, envidados por usurios,
apresentavam dados omissos, contradi-trios, quando no absurdos.
A tecnologia de Simulao Dinmica de Processos Industriais foi
desenvol-vida para viabilizar a soluo destes problemas no cotidiano
da atividade de consultoria industrial. Incorporada no software
Proteus 2.4, ela permite identi-ficar as condies operacionais do
filtro de mangas a partir dos dados do processo industrial de
domnio do usurio.
Isso no invalida, mesmo assim, a necessidade de realizar
amostragens da chamin ou da entrada do filtro para caracterizao da
vazo, temperatura e composio qumica gasosa para iden-tificao, pelo
menos, de um cenrio operacional. Vale a analogia: enquanto as
amostragens constituem uma fotogra-fia do processo industrial, a
simulao computacional apresenta um filme deste processo industrial.
Obviamente, as amostragens so extremamente teis para ajuste fino do
modelo matemtico protagonizado no procedimento de si-mulao
computacional. Dessa forma, com o uso da simulao possvel ava-
liar adequadamente o aspecto qumico da filtrao, permitindo a
identificao precoce de problemas, determinao de garantias de
performance confiveis e soluo de problemas que por outro mtodo no
tenham sido possveis.
Leitura de apoio mencionada no texto:
- 4 - ARTIGO - ASPECTOS QUMICOS DA RETENO DE PARTICULADOS - 12p4
- ARTIGO - ASPECTOS QUMICOS DA RETENO DE PARTICULADOS - 12pF1-5B -
APRESENTAO VORTEX CONSULTORIA INDUSTRIAL - 1pF1-6A - APRESENTAO
VORTEX CONSULTORIA INDUSTRIAL - 3p