Equipamentos industriais - Estaticos

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2ª edição

EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS

ESTÁTICOS

Curso de Formação de Técnicos de Operação Jr

do Abastecimento


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Índice Introdução 10 Tubulação industrial 11 (a) Tubos 17 (b) Meios de ligação 26 (c) Acessórios de tubulações 29 Tanques, vasos, torres e reatores 56 (a) Tanques 56 (b) Vasos 64 (c) Torres 69 (d) Reatores químicos 76 Trocadores de calor 84 (a) Classificação geral dos trocadores quanto à finalidade 85 (b) Temperatura 86 (c) Tipos construtivos de trocadores de calor 88 (d) Cuidados na operação 99 (e) Manutenção 100 (f) Testes 101 Fornos 102 (a) Classificação quanto à utilização 103 (b) Principais partes de um forno 104 (c) Combustíveis 105 (d) Construção dos fornos 105 (e) Principais tipos de fornos 110 (f) Operação 113 Caldeiras 114 (a) Considerações gerais 114 (b) Transferência de calor na caldeira 156 (c) Combustíveis e combustão 158 (d) Operação de caldeiras 179 (e) Manutenção de caldeiras 205 (f) Prevenções contra explosões e outros riscos 208 Referências Bibliográficas 213


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LISTA DE FIGURAS Tubulação industrial Figura 1 Sistema de tubulações em uma refinaria 11 Figura 2 Classificação das tubulações - tubulações industriais 12 Figura 3 Classificação das tubulações - tubulações para água e vapor 13 Figura 4 Classificação das tubulações - tubulações para ar comprimido e hidrocarbonetos 14 Figura 5 Classificação das tubulações - tubulações para gases e esgotos 15 Figura 6 Classificação das tubulações - tubulações para fluidos diversos 16 Figura 7 Conjunto de tubos 20 Figura 8 Exemplos de dimensões de tubos 21 Figura 9 Tubos de aquecimento 24 Figura 10 Isolamento térmico externo 25 Figura 11 Luva - solda de encaixe 26 Figura 12 Ligações rosqueadas 27 Figura 13 Ligações flangeadas 27 Figura 14 Conexões 31 Figura 15 Válvula de agulha 34 Figura 16 Acionador automático 37 Figura 17 Operação manual e motorizada 43 Figura 18 Alguns tipos de válvulas 46 Figura 19 Classificação dos purgadores 47 Figura 20 Purgadores de bóia 48 Figura 21 Purgadores de panela invertida 49 Figura 22


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Purgador termodinâmico 51 Figura 23 Filtro provisório 52 Figura 24 Filtros permanentes 53 Tanques, vasos, torres e reatores Figura 1 Pátio de tanques 56 Figura 2 Tanques de teto flutuante 59 Figura 3 Parque e tanques - vista geral 62 Figura 4 Tanques de teto fixo 62 Figura 5 Escadas de acesso 63 Figura 6 Tetos fixos e flutuantes 63 Figura 7 Conjuntos de vasos de pressão 64 Figura 8 Vaso horizontal 65 Figura 9 Vaso vertical 66 Figura 10 Vaso cilíndrico horizontal 67 Figura 11 Esfera 68 Figura 12 Vaso cilíndrico horizontal 68 Figura 13 Vaso cilíndrico vertical 68 Figura 14 Torres (1) 69 Figura 15 Torres (2) 71 Figura 16 Pratos ou bandejas 71 Figura 17 Recheios estruturados 73 Figura 18 Recheios randômicos 74 Figura 19 Suporte para recheios 74 Figura 20 Reator de leito fixo 78 Figura 21 Reator batelada 80


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Figura 22 Reator PFR 81 Figura 23 Reator CSTR 82 Figura 24 Série de reatores CSTR 83 Trocadores de calor Figura 1 Conjunto de trocadores de calor (1) 84 Figura 2 Conjunto de trocadores de calor (2) 86 Figura 3 Trocador de calor casco e tubos 88 Figura 4 Exemplo de trocador de calor (casco e tubos) 90 Figura 5 Conjunto de trocadores de calor 91 Figura 6 Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares 96 Figura 7 Resfriadores a ar 97 Figura 8 Trocadores de placas 98 Figura 9 Trocadores espirais 98 Fornos Figura 1 Fornos 105 Caldeiras Figura 1 Fluxo esquemático numa caldeira - água e vapor 115 Figura 2 Fluxo esquemático numa caldeira - ar e gases 115 Figura 3 Caldeira flamotubular 117 Figura 4 Caldeira aquatubular 118 Figura 5 Caldeira elétrica 119 Figura 6 Combustível pulverizado 119 Figura 7 Grelha 120 Figura 8 Leito fluidizado 120 Figura 9


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Ciclo combinado de turbinas a gás 122 Figura 10 Filtros do tubulão superior 123 Figura 11 Feixe tubular 124 Figura 12 Paredes d’água 125 Figura 13 Diferencial de peso específico 125 Figura 14 Superaquecedores 126 Figura 15 Efeito do aumento de carga sobre a temperatura por tipo de superaquecedor 127 Figura 16 Pré-aquecedor tubular 128 Figura 17 Pré-aquecedor regenerativo 129 Figura 18 Disposição dos queimadores 131 Figura 19 Configurações de atomização de óleo por mistura interna 134 Figura 20 Queimador combinado e ângulo da chama 134 Figura 21 Ar primário e secundário 135 Figura 22 Queimador combinado de alta eficiência de recirculação interna 135 Figura 23 Esquema de chama de um queimador com recirculação interna 136 Figura 24 Queimador com recirculação externa 136 Figura 25 Partes de uma caldeira aquatubular 137 Figura 26 Bomba centrifuga de múltiplos estágios 138 Figura 27 Visores de nível 139 Figura 28 Controle de nível 140 Figura 29 Indicadores de pressão 141 Figura 30 Válvula de segurança 142 Figura 31 Válvulas de fechamento rápido 143


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Figura 32 Detectores de chama 144 Figura 33 Piloto 145 Figura 34 Gráfico de viscosidade x temperatura da ASTM 147 Figura 35 Esquema simplificado de um sistema de óleo 149 Figura 36 Soprador retrátil 150 Figura 37 Soprador fixo 150 Figura 38 Válvula globo 151 Figura 39 Válvula gaveta 151 Figura 40 Válvula de retenção 151 Figura 41 Purgadores 152 Figura 42 Filtro de óleo 153 Figura 43 Exemplos de invólucros 156 Figura 44 Tubo de parede d’água 158 Figura 45 Tubo do superaquecedor 158 Figura 46 UPGN 168 Figura 47 Rede de gasodutos brasileiros 169 Figura 48 Moinho vertical 173 Figura 49 Analisador de Orsat 177 Figura 50 Mudança de posição dos maçaricos 184 Figura 51 Fornalhas germinadas 185 Figura 52 Recirculação ou desvio dos gases 185 Figura 53 Controle pelo lado do vapor 186 Figura 54 Controle de pressão na fornalha 187 Figura 55 Regulagem do combustível e do ar de combustão 187 Figura 56


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Lógica do automatismo das caldeiras 188 Figura 57 Controle a três elementos 189 Figura 58 Opacímetro 191 Figura 59 Ciclone 192 Figura 60 Lavador de gases 193 Figura 61 Filtro de manga 193 Figura 62 Precipitador eletrostático 194 Figura 63 Curvas do ponto de orvalho do acido sulfúrico para gases de combustão com teores variando de 9 a 14% de água 197 Figura 64 Controle de emissões nos Estados Unidos 199 Figura 65 Equilíbrio térmico na operação de caldeiras 203


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TABELAS Caldeiras Tabela 1 Temperatura mínima de armazenagem de óleo combustível 146 Tabela 2 Temperatura ideal no bico do queimador 148 Tabela 3 Viscosidades a serem mantidas na sucção da bomba 148 Tabela 4 Poderes caloríficos típicos de alguns óleos combustíveis 160 Tabela 5 Especificações para o óleo diesel 164 Tabela 6 Temperatura de entupimento para o óleo diesel 164 Tabela 7 Viscosidade SSF a 50ºC 165 Tabela 8 Especificações para óleo combustível segundo portaria ANP80/99 166

Tabela 9 Ponto de fluidez dos óleos combustíveis A1 e B1 (ºC ) 166 Tabela 10 Especificações ANP para o gás natural 167 Tabela 11 Especificações do gás de refinaria pela ANP 170 Tabela 12 Análise de alguns carvões Brasileiros 172 Tabela 13 Análise química da lenha 173 Tabela 14 Equipamentos mais utilizados para controle de particulados 192 Tabela 15 Classificação dos métodos de controle das emissões dos óxidos de nitrogênio 196


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[Introdução

Equipamentos estáticos são aqueles que contêm os fluidos, possibilitando o armazenamento, o transporte e a distribuição, a transferência de calor e a realização das diversas operações definidas para os seus processos de trans- formação, tais como: destilação, decantação, reações, etc. São exemplos desses tipos de equipamentos e seus usos:

• tubulações e válvulas - alinhamento de produtos; • fornos e trocadores - aquecimento e evaporação/ condensação/resfriamento; • tanques e vasos - armazenamento, mistura e separação; e • torres e reatores – absorções e reações químicas.


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[Tubulação industrial

As tubulações são usadas como meio de condução de fluidos e são conjuntos de tubos e diversos acessórios, como válvulas, conexões, purgadores de vapor, filtros, etc. A condução de fluidos através de tubulações se deve, em geral, ao fato de que o ponto onde este é armazenado, ou produzido, se encontra distante do ponto onde é utilizado. Um sistema de tubulações e suas classificações podem ser vistos nas figuras a seguir.

Figura 1 – Sistema de tubulações em uma refinaria


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Classificação das tubulações Quanto ao emprego

Tubulações Industriais

Tubulações dentro de instalações industriais

Tubulações fora de instalações industriais

Tubulações de processo

Tubulações de transporte

Tubulações de distribuição

Tubulações de utilidades Adução Distribuição

Tubulações de instrumentação

Tubulações de transmissão hidráulica

Tubulações de drenagem

Transporte Drenagem

Coleta

Figura 2 – Classificação das tubulações – tubulações industriais


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Classificação das tubulações Quanto ao fluido conduzido

Tubulações para água

Água tratada

Água potável

Água de alimentação de

caldeira

Água salgada e outras águas

agressivas

Água de incêndio

Água de irrigação

Água industrial

Tubulações para vapor

Vapor superaquecido Vapor saturado

Vapor exausto

Vapor condensado

Figura 3 – Classificação das tubulações – tubulações para água e vapor


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Tubulações para ar comprimido

Ar comprimido industrial

Ar comprimido de instrumentação

Ar comprimido para usos especiais

Tubulações para hidrocarbonetos

Petróleo cru Produtos

intermediários e finais de petróleo

Produtos petroquímicos

Óleos hidráulicos

Figura 4 – Classificação das tubulações – tubulações para ar comprimido e hidrocarbonetos


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Tubulações para gases

Gás de iluminação

Gás natural

Gases de petróleo, gases de síntese

Gases de alto- forno

Gases Oxigênio especiais

Hidrogênio

CO2

Nitrogênio

Tubulações para esgotos e drenagem

Esgoto pluvial, lama de drenagem

Efluentes industriais (líquidos e gasosos)

Esgoto sanitário

Drenagem de emergência

Figura 5 – Classificação das tubulações – tubulações para gases e esgotos


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Tubulações para fluidos diversos

Produtos alimentares

Bebidas

Xaropes

Tintas Vernizes Solventes Resinas Outros

Ácidos Álcalis

Amônia Álcool Cloro Uréia

Soda Sabões Outros

Misturas refrigerantes

Pasta de papel

Óleos e gorduras

comestíveis

Figura 6 – Classificação das tubulações – tubulações para fluidos diversos

Os tubos que fazem parte das máquinas e equipamentos (caldeiras, fornos, trocadores de calor, bombas e compressores, distribuidores e serpentinas em vasos, etc.) são considerados parte destes e não da tubulação.


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(a) Tubos

Tubos são condutos fechados, na forma de cilindros ocos, destinados, principalmente, ao transporte de fluidos líquidos ou gasosos. Porém, os tubos são usados também para trocar calor (serpentinas de caldeiras, fornos, trocadores de calor, etc.) e para transmitir pressão ou conduzir sinais (instrumentação). Na prática, chamam-se geralmente de “tubos” apenas os dutos rígidos. Os dutos flexíveis são, de forma geral, denominados “tubos flexíveis” ou, mais comumente, “mangueiras”.

(a.1) Materiais para tubos

O material dos tubos deve ser adequado às condições de trabalho que lhes serão impostas. Nesses casos, a experiência assume papel preponderante na identificação dessas condições. As principais condições que influenciam na escolha do material dos tubos são:

· propriedades do fluido transportado: densidade, viscosidade, contaminantes, ataque corrosivo sobre o material, sólidos em suspen- são, gases dissolvidos ou líquidos dispersos, toxidez, explosividade; · agressividade do meio: tubulação aérea, enterrada, ambiente salino; · condições de operação: temperatura e pressão de trabalho e suas variações; · intensidade e natureza dos esforços aplicados: tração, compressão, flexão; · segurança exigida: fluido muito perigoso, não-contaminação do fluido por corrosão do material; e · disponibilidade e custo dos materiais, entre outros.

Nos próximos parágrafos, estão descritos os principais materiais usados na fabricação de tubos, assim como a aplicação dos tubos de cada material e algumas características deles.


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São classificados como tubos metálicos aqueles fabricados com materiais ferrosos e não ferrosos.

Os materiais ferrosos mais usados para tubos são: Aços-carbono São os mais empregados em refinarias por possuírem a melhor relação resistência/custo. Seu uso é generalizado, com exceção dos fluidos muito corrosivos, de temperaturas muito altas ou das muito baixas.

Aços-liga São utilizados em algumas aplicações especiais em que não se empregam os tubos de aço-carbono.

Aços inoxidáveis São utilizados em aplicações com corrosão mais severa que a dos aços-liga.

Ferro fundido São utilizados em ambientes com baixa pressão e poucos esforços mecâni- cos (águas doces e salgadas, esgotos, etc.).

Ferro forjado São utilizados em tubulações secundárias de água, ar comprimido e condensado.

Os materiais não ferrosos são, em geral, mais caros do que o aço-carbono, possuem maior resistência à corrosão e, com algumas exceções, apresentam menor resistência a esforços e a temperaturas elevadas. Os mais encontrados na fabricação de tubos são:

Cobre, latões e cobre-níquel Serpentinas e sistemas de aquecimento e refrigeração.


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Alumínio Sistemas de aquecimento e refrigeração.

Níquel e ligas Meios corrosivos usuais, ácidos diluídos e álcalis quentes.

Metal monel Água salgada, ácidos diluídos e produtos com exigência de não-contaminação.

Chumbo Esgotos, gases, ácido sulfúrico em qualquer concentração, sempre a baixas pressão e temperatura.

Titânio, zircônio Propriedades excelentes e mais leves, porém de preço ainda muito elevado.

Os materiais não-metálicos mais usados na fabricação de tubos são: Materiais plásticos PVC, polietileno, acrílicos, acetato de celulose, epóxi, poliésteres, fenólicos, etc. Aplicações específicas diversas, com baixa resistência à temperatura e à pressão, sendo, muitas vezes, inertes a agentes muito corrosivos.

Cimento-amianto (transite) Muito usados em tubulações para esgotos.

Concreto armado Usados principalmente em tubulações para água e esgoto.

Barro vidrado Usado em tubulações para esgoto.

Elastômeros (borrachas) Diversas aplicações com baixas temperaturas.


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Vidro, cerâmica e porcelanas Aplicações especiais, corrosão severa e pureza absoluta.

Muitas vezes é mais viável usar um material com custo mais baixo no tubo e revesti-lo com algum material que aumente alguma propriedade específica dele, como sua resistência mecânica ou sua resistência à corrosão, por exemplo. Para isso, existem os revestimentos internos e externos usados nos tubos metálicos. Os principais materiais usados em revestimentos de tubos são:

· zinco; · aços-liga e inoxidáveis (clading); · materiais plásticos; · elastômeros (borrachas, ebonite); · asfalto, esmaltes asfálticos; · concretos; · vidro, porcelana; e · isolamento com argamassa refratária.

Podemos ver, na Figura 7 alguns exemplos de tubos.

Figura 7 – Conjunto de tubos


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(a.2) Dimensões comerciais e características dos tubos

Diâmetros nominal e externo Os tubos são fabricados em uma série de diâmetros externos definidos por norma (em polegadas), identificados pelos diâmetros nominais: 1/8", 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", 1", 1 ¼”, 1 ½”, 2", ..., 4", 5", 6", 8", 10", ..., 36"). Até 12" o diâmetro externo é diferente do nominal, e de 14" até 36" o diâmetro externo coincide com o nominal. Para cada diâmetro nominal o diâmetro externo é o mesmo, variando a espessura de parede e, conseqüentemente, o diâmetro interno.

Figura 8 – Exemplos de dimensões de tubos

Espessuras e diâmetro interno Antes da norma, os tubos eram fabricados com as espessuras (ou pesos):

· peso normal (standard – S ou STD); · extra forte (extra strong – XS); e · duplo extra forte (double extra strong – XXS).

Segundo as normas, fabricam-se tubos com várias espessuras de parede, denominadas “séries” (schedule – SCH). Essas séries foram padronizadas em 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160. Quanto maior o SCH,


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maior a espessura e, conseqüentemente, menor o diâmetro interno. Para os aços inoxidáveis, as séries são acrescidas da letra “S”, indo de 5S até 80S.

Fabricação Quanto à fabricação, podemos encontrar dois tipos principais de tubos, sendo eles:

· com costura – são tubos fabricados através de solda, sendo que uma chapa do material do tubo a ser fabricado é dobrada (no formato do tubo) e depois soldada.

· sem costura – são tubos que não possuem solda, sendo fabricados por laminação, por extrusão ou por fundição.

Extremidades · pontas lisas (esquadrejadas); · pontas chanfradas (usadas principalmente para solda de topo); e · pontas rosqueadas (API–5B e ANSI/ASME B.1.20.1).

Outros materiais A tubulação de materiais metálicos não-ferrosos e não-metálicos, ainda hoje, não é largamente empregada, e mesmo a de aço pode ser encontrada no mercado com padronização diferente. Nesses casos, devem ser consultadas as normas aplicáveis e as tabelas dos fabricantes.

(a.3) Aquecimento de tubos

O aquecimento de tubos, assim como o aquecimento dos acessórios da tubulação, tem as seguintes finalidades principais:

· manter ou aumentar as condições de escoamento de líquidos de alta viscosidade ou que se tornem sólidos à temperatura ambiente;

· manter a temperatura do fluido dentro dos limites definidos, nos casos em que se deseja evitar condensação, reações químicas, ou para


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manter as propriedades do fluido (densidade, viscosidade, etc.) dentro de uma especificação; e

· preaquecer as tubulações no início do funcionamento para liquefa- zer depósitos sólidos e evitar choques térmicos de fluidos quentes com a tubulação fria.

O aquecimento pode ser realizado apenas durante a partida da unidade, eventual ou continuamente, dependendo da finalidade. A correta aplicação de isolamento térmico nos trechos aquecidos é fundamental para a eficiên- cia dos sistemas.

Os principais sistemas utilizados para o aquecimento de tubulações são os seguintes:

· tubos de aquecimento (tracing) - O aquecimento pode ser feito com o vapor (steam tracing) ou com outro fluido quente disponível que seja aplicável através de um ou de mais tubos que correm juntamente com a tubulação a ser aquecida. A disposição dos tubos de tracing pode ser paralela à tubulação principal (externa ou internamente) ou enrolada externamente. Veja a Figura 9 a seguir.


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2 TUBOS 3 TUBOS

1 TUBO

TUBOS HORIZONTAIS

TUBOS VERTICAIS

Figura 9 – Tubos de aquecimento

· camisa externa - Neste sistema, o fluido de aquecimento corre em uma tubulação de maior diâmetro, formando uma camisa em torno da tubu- lação a ser aquecida.

· aquecimento elétrico - Neste sistema, são colocados fios elétricos (resistências), paralelamente ou enrolados na tubulação a ser aquecida, por onde passa uma corrente de baixa voltagem e grande intensidade.

Isolamento térmico O isolamento térmico tem como princípio a redução da troca de calor entre o meio ambiente e os equipamentos protegidos na unidade industrial. Sua utilização tem as seguintes finalidades principais:


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· economia de energia empregada no aquecimento ou resfriamento dos fluidos no processo, evitando as perdas de calor de fluidos quentes para o ambiente, ou o aquecimento de fluidos frios pelo ambiente;

· estabilidade operacional, pois o excesso de perdas distribuídas pela planta dificulta o controle das operações;

· proteção pessoal, evitando queimaduras no contato do técnico de operação com a tubulação ou, em algumas situações, para evitar o desconforto da excessiva irradiação de calor;

· proteção das estruturas, evitando eventuais contatos de materiais inflamáveis com as superfícies quentes; e

· evitar condensação de umidade com respingos e corrosão. Observe a Figura 10, a seguir.

Arame galvanizado

Cinta de aço inoxidável

Tubo Calhas pré-moldadas de isolamento

Papel impermeável

Folha de alumínio

Figura 10 – Isolamento térmico externo

Os materiais para isolamento apresentam-se principalmente na forma de pré-moldados (meia circunferência ou especiais), placas, argamassas e man- tas. São constituídos, principalmente, de material à base de amianto pren- sado, cimentos isolantes, sílica de cálcio, lã de rocha, lã de vidro, espumas de diferentes polímeros, entre outros.


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(b) Meios de ligação

Os principais meios de ligação usados para ligar tubos entre si, assim como unir tubos a acessórios de tubulação, estão descritos a seguir:

(b.1) Ligações para solda de topo e para solda de encaixe

É o sistema mais usado para a ligação de tubos, acima de 2", para aços de qualquer tipo e metais não-ferrosos soldáveis, pois garantem estanqueidade. Para a execução das soldas, existem normas que regulamentam o tipo de eletrodo, o tipo de inspeção, o tratamento térmico, etc. Não são desmontáveis, como podemos ver na Figura 11 a seguir.

sobreposto de pescoço rosqueado de encaixe solto

Figura 11 – Luva - solda de encaixe

(b.2) Ligações rosqueadas

É um método de baixo custo e fácil execução. Sua utilização é limitada a tubos de pequenos diâmetros (até 4") e para ligações de baixa pressão. Podem ser desmontadas. Veja a Figura 12.


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(b.3) Ligações flangeadas

Figura 12 – Ligações rosqueadas

As ligações flangeadas compreendem dois flanges, um jogo de parafusos, porcas e uma junta. São empregadas em uma série de situações, em especial por serem facilmente desmontáveis como, por exemplo, na montagem de válvulas, na interligação das tubulações aos equipamentos, nas tubula- ções de aço com revestimento interno, nas extremidades com acessos para limpeza, etc.

Existem diversos tipos de flanges: de pescoço, sobreposto, rosqueado, de encaixe, solto, integral, de anel e cego. Quanto à face, podemos ter: face plana, com ressalto (macho e fêmea) e para juntas e anel. Observe os tipos de flanges na Figura 13 a seguir.

Figura 13 – Ligações flangeadas


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O processo de fabricação ideal para flanges é o forjamento. Porém, devido à dificuldade de obtenção de peças grandes forjadas, os flanges de diâmetros de 10" ou superiores podem ser fabricados por outros processos como, por exemplo, barras dobradas e soldadas em anel.

A norma ANSI/ASME B.16.5 define sete séries de flanges de aços forjados, denominadas de “classes de pressão” (ratings) e designadas pelos números adimensionais 150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1500# e 2500#. Para cada uma dessas classes, tem-se, para cada material, uma cur va de interdependência entre a pressão admissível e a temperatura máxima em que podem ser empregados. Os f langes mais usados em refinaria correspondem às classes 150# e 300#.

As dimensões dos flanges (espessura, número de parafusos, diâmetro externo) variam de acordo com as classes de pressão e são definidas por norma.

Juntas para flanges Nas ligações com flanges, existe uma junta que é o elemento de vedação. O material da junta deverá ser deformável e elástico de modo a compensar as irregularidades das faces dos flanges e garantir uma vedação perfeita. Deverá ser especificado para suportar a agressividade do fluido e as variações de temperatura, de pressão e de esforços a que o flange está sujeito.

Existem diversos tipos de juntas, sendo que as mais comuns nas refinarias são: · não-metálicas

São largamente empregadas para flanges de face plana e com ressalto. Podem ser de borracha, materiais plásticos e papelão hidráulico (com grafite).

· semimetálicas São juntas planas com espiral metálico recheado de amianto. São usadas para fluidos em condições severas, com altas temperaturas e/ou altas pressões.

· metálicas folheadas São juntas com capa metálica plana ou corrugada e enchimento de amianto.


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· metálicas maciças Têm faces planas ou ranhuradas de diferentes metais.

· anéis metálicos Podem ser de seção ovalada ou octogonal.

(b.4) Outros tipos de ligação usadas em tubulações industriais

Ligações de ponta e bolsa Tubulações de ferro fundido, barro e concreto.

Ligações para tubos plásticos reforçados Feita com nipples e adesivos especiais.

Ligações de compressão Para tubos de pequeno diâmetro e espessura, metálicos e não-metálicos.

(c) Acessórios de tubulações

Como já foi mencionado, as tubulações são sistemas compostos por tubos e acessórios. Os acessórios desempenham diversas funções na tubulação, incluindo: alterar a direção da tubulação, fazer derivações nestas, alterar as condições do fluxo do fluido (tais como: pressão e vazão), retirar impurezas do fluido, etc. A parte reativa a tubos já foi tratada neste material, faltando agora a parte de acessórios que será abordada a seguir.

(c.1) Conexões

As conexões podem ser classificadas, conforme a sua finalidade, da seguinte forma:


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Fazer mudanças de direção 22½º, 45º, 90º e 180º · curvas de raio longo; · curvas de raio curto; · curvas de redução; · joelhos (elbows); e · joelhos de redução.

Fazer derivações em tubulações · tês de 90º (normais); · tês de 45º; · tês de redução (mudam também o diâmetro); · peças em “Y”; · cruzetas (crosses); · cruzetas de redução; · selas (saddles); · colares (sockolets, weldolets, etc.); e · anéis de reforço.

Fazer mudanças de diâmetro · reduções concêntricas; · reduções excêntricas; e · reduções bucha.

Fazer ligações entre tubos · luvas (couplings); · uniões; · flanges; · nipples; · virolas (para uso com flanges soltos); e · juntas de expansão.


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REDUÇÃO

Fazer o fechamento da extremidade de um tubo · tampões (caps); · bujões (plugs); e · flanges cegos.

Fazer o isolamento de equipamentos e trechos de tubo · raquete; e · figura-oito.

Agora observe a Figura 14 a seguir.

CURVAS DE 90° CAP

CURVAS DE 45° TÊ

CELA

REDUÇÃO CONCÊNTRICA

REDUÇÃO EXCÊNTRICA

CRUZETA

Figura 14 – Conexões


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(c.2) Válvulas

São dispositivos destinados a estabelecer/interromper o fluxo em uma tubula- ção e também a controlá-lo, se desejado. São os acessórios de tubulação mais importantes, merecendo cuidados especiais na sua localização, seleção e especificação, sendo também os mais caros, devendo, por isso, haver o menor número possível ou o estritamente necessário à operação da planta.

Classificação quanto à finalidade e ao tipo:

Válvula de bloqueio São utilizadas apenas para estabelecer/interromper o fluxo (on/off), funcionando completamente abertas ou completamente fechadas. Quando totalmente fechadas, devem garantir o bloqueio do fluxo com um grau de vazamento adequado ao sistema e ao fluido. Quando totalmente abertas, devem promover a mínima restrição à passagem do fluido, sendo quase sempre do mesmo diâmetro nominal da linha e com passagem interna compatível com o diâmetro interno da linha.

Os principais tipos de válvulas de bloqueio são: · válvula gaveta (gate valve); · válvula macho (plug, cock valve); · válvula esfera (ball valve); e · válvula de comporta (slide, blast valve).

Válvulas de controle ou regulagem (control valves) São utilizadas com o objetivo de controlar o fluxo que passa pelo trecho de tubulação onde estão instaladas, podendo trabalhar em qualquer posição de abertura parcial. O fluxo é controlado através da variação da restrição imposta pela válvula à passagem do fluido, por meio da variação da abertura da válvula (área entre o obturador e a sede). Normalmente, apresentam diâmetros menores do que a linha.


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Os principais tipos de válvulas de controle ou regulagem são: · válvula globo (globe valve); · válvula agulha (needle valve); · válvula borboleta (butterfly valve); · válvula diafragma (diaphragm valve); e · válvula de 3 ou 4 vias (three or four way valves).

Válvulas de retenção ou unidirecionais São utilizadas com o objetivo de permitir o fluxo em um único sentido.

Os principais tipos de válvulas unidirecionais são: · válvula de retenção (check valve); · válvula de retenção e fechamento (stop-check valve); e · válvula de pé (foot valve).

Válvulas que controlam a pressão a montante Os principais tipos de válvulas que monitoram a pressão a montante são:

· válvula de segurança e alívio (safety, relief valve); · válvula de excesso de vazão; e · válvula de contrapressão (back-pressure valve).

Válvulas que controlam a pressão a jusante Os principais tipos de válvulas que controlam a pressão a jusante são:

· válvulas redutoras e reguladoras de pressão; e · válvula de quebra-vácuo.

Construção das válvulas O corpo é a parte principal, contendo a sede (área de passagem do fluido) e as extremidades que serão conectadas à tubulação. As válvulas são peças sujeitas à manutenção e, por isso, devem ser, em princípio, facilmente desmontáveis, a não ser quando se exija eliminação absoluta do risco de vazamento. Os meios de ligação para válvulas são os seguintes:


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Extremidades flangeadas Para válvulas maiores que 2" de qualquer material.

Extremidades rosqueadas Para válvulas menores que 4" em tubulações em que não se exija eliminação absoluta do risco de vazamentos.

Extremidades para solda de topo Para válvulas de aço maiores que 2" em serviços com pressões elevadas ou em que se exija eliminação absoluta do risco de vazamentos.

Extremidades para solda de soquete Para válvulas de aço menores que 2" em que a solda de topo é ineficiente. Veja a Figura 15.

Figura 15 – Válvula de agulha

As válvulas com corpo fino, como as guilhotinas, borboletas e algumas de retenção e esfera são montadas entre os flanges da própria tubulação, sendo que os parafusos de união dos flanges podem passar por fora do corpo da válvula (wafer), ou por “orelhas” no entorno do corpo (lug).


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O corpo é normalmente forjado para diâmetros até 2" e fundido para diâme- tros maiores. Pode também ser fabricado por usinagem de barras (para diâmetros pequenos e pressões altas). Pode ser bipartido, encamisado (para a passagem de fluido quente que garante a não-solidificação do fluido no seu interior), ou aletado (para dissipação de calor).

O castelo é montado sobre o corpo e fecha a parte superior deste, suportan- do e interligando as partes móveis que controlam a abertura da válvula: o mecanismo interno e o mecanismo de acionamento.

Tipos de fixação do castelo ao corpo: · rosqueamento direto - corpo e castelo rosqueados. Para válvulas

pequenas e pressão baixa; · rosqueamento por porca solta de união - montagem com sobrepos-

tas. Este tipo de fixação é usado em válvulas pequenas submetidas a altas pressões, porque garante uma melhor vedação do que o rosqueamento dire- to; e

· montagem por parafusos - a base do castelo é aparafusada no corpo (como flanges). Utilizada para válvulas de grande diâmetro onde o sistema de porca solta de união se torna inviável.

O sistema mecânico que permite a válvula alterar as condições de fluxo do fluido que a está atravessando é chamado de “mecanismo interno da válvula”. Existem vários tipos de mecanismos internos, sendo o que , normalmente , diferencia os tipos de válvula. Os mais comuns são compostos de uma haste que se conecta a um obturador na sua extremidade. O obturador se assenta na sede para promover o fechamento, ou se movimenta (sobre ou através da sede), proporcionando a variação da área de passagem do fluido e, com isto, o controle do fluxo.

A haste pode ter um movimento de subida e descida, ou um movimento giratório.


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Outro fator de grande importância em válvulas é o sistema de vedação que elas possuem. Esse sistema é necessário porque a haste atravessa o castelo. O principal sistema utilizado é a caixa de gaxetas convencional, com sobreposta e parafusos, ou com porca de aperto.

Em aplicações específicas em que há uma preocupação maior com vazamentos, pode-se usar engaxetamento de fole ou anéis retentores.

Meios de operação e mecanismos de acionamento de válvulas

Os principais meios de operação são os seguintes:

Operação manual Em uma operação manual, empregam-se volantes e alavancas em válvulas de até 12". Para válvulas maiores, usam-se os sistemas de engrenagem e parafuso sem fim com o objetivo de suavizar a operação.

Em uma operação manual de válvulas situadas fora do alcance do técnico de operação, utilizam-se volantes e alavancas com correntes, ou ainda haste de extensão. Esta última também para válvulas muito quentes ou frias.

Operação motorizada A operação motorizada é empregada para válvulas comandadas a distância (para controle, intertravamento ou em locais perigosos), situadas em posições inacessíveis e muito grandes (que impossibilitam a operação manual). Gradativamente, vem sendo cada vez mais utilizada nas unidades de processo devido ao alto grau de automação exigido atualmente pela indústria do petróleo.

Nos sistemas de operação motorizada hidráulica ou pneumática, a haste da válvula é comandada por um êmbolo ou um diafragma, que está sujeito à pressão de óleo ou ar comprimido. O comando hidráulico é usado quase que somente para válvulas muito grandes. O comando pneumático é o sistema


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mais empregado nas válvulas comandadas por instrumentos automáticos (válvulas de controle). É preciso não confundir as comandadas por instrumentos automáticos com as de operação automática.

Nos sistemas de operação motorizada elétrica, a haste da válvula é comandada por um motor elétrico, acionando o volante da válvula por meio de engrenagens de redução; ou por solenóide, cujo campo magnético movimenta a haste da válvula diretamente por atração. Este último é empregado apenas para pequenas válvulas e acionado por relés elétricos ou instrumentos automáticos.

Operação automática (auto-operadas) Podem ser comandadas pela pressão de molas ou pela pressão do próprio fluido, ou seja, uma conexão na entrada ou na saída da válvula leva o fluido até o sistema do acionador para que estas pressões sejam mantidas no nível ajustado. Observe a Figura 16 a seguir.

Figura 16 – Acionador automático


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Particularidades dos principais tipos de válvulas

Válvula gaveta São as válvulas de uso mais generalizado, por serem baratas, de operação e manutenção simples. Elas são utilizadas principalmente nos ser viços de bloqueio para líquidos em geral (desde que não sejam muito corrosivos ou voláteis), para quaisquer diâmetros e também para o bloqueio de vapor e ar em linhas de diâmetro acima de 8". Em todos esses serviços, as válvulas de gaveta são usadas para qualquer pressão e temperatura. As válvulas gaveta não têm um fechamento absolutamente estanque. Porém, na maioria das aplicações práticas, tal fechamento não é necessário.

O obturador (chamado de “gaveta”) se desloca perpendicularmente ao sentido de escoamento do fluido, bloqueando o orifício da válvula. Quando completamente aberta, a perda de carga causada por este tipo de válvula é desprezível.

Elas devem trabalhar totalmente abertas ou totalmente fechadas, isto é, são válvulas de bloqueio e não de regulagem. Quando parcialmente abertas, causam laminagem da veia fluida acompanhada de cavitação e violenta erosão.

As válvulas gaveta são sempre de fechamento lento, sendo impossível fechá- las instantaneamente. Essa é uma grande vantagem desse tipo de válvula, porque se pode controlar o efeito dos golpes de aríete.

A “gaveta” pode ser em cunha ou paralela. A gaveta em cunha é de melhor qualidade e proporciona um fechamento mais seguro do que a gaveta paralela, embora esta última seja mais simples.

Nessas válvulas, encontramos diferentes sistemas de movimentação da haste, sendo eles:


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· haste ascendente com rosca externa: a haste tem apenas movimen- to de translação, e o volante, preso ao castelo por uma porca fixa, apenas movimento de rotação. A rosca da haste é externa à válvula, estando assim livre do contato com o fluido.

· haste ascendente com rosca interna: é a disposição mais usual em válvulas pequenas e também em válvulas grandes de qualidade inferior. O volante é preso à haste, e a rosca da haste está no castelo. A haste e o volante têm movimentos de translação e rotação.

· haste não-ascendente: a haste e o volante têm apenas movimento de rotação. A haste possui rosca na extremidade da parte de dentro da válvula, a qual gira dentro da rosca da gaveta, proporcionando seu movimento de translação.

As válvulas gaveta apresentam alguns problemas característicos durante sua operação como, por exemplo, em casos de alta pressão, quando a operação destas válvulas torna-se difícil. Para diminuir este problema, podemos usar chaves apropriadas aplicadas ao volante, ou instalar um desvio na válvula. Na abertura ou no fechamento da válvula, utiliza-se o desvio para evitar alto diferencial de pressão na operação.

Outro fator importante nessas válvulas são as gaxetas, que requerem aten- ção especial, visto que tanto a má lubrificação como o aperto demasiado podem acarretar dificuldades na operação. Pouco aperto pode provocar um pequeno vazamento com o uso.

A abertura ou o fechamento total de uma válvula gaveta pode trancá-la na posição, além de que depósitos e defeitos na gaveta ou na sede podem fazer com que a válvula perca a vedação.


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Uma variante da válvula gaveta é a válvula de fecho rápido. Neles, a gaveta é manobrada por uma alavanca externa, fechando-se com um movimento único de alavanca

Válvula globo Nas válvulas globo, o fechamento é feito por meio do obturador em forma de tampão, o qual se move contra o orifício (sede) da válvula. Essas válvulas podem apresentar excelente vedação e trabalhar em qualquer posição inter- mediária, sendo utilizadas como válvulas de controle e regulagem.

Devido à sua forma construtiva, geram mais perda de carga que os outros tipos, mesmo estando totalmente abertas.

Encontramos também válvulas globo com dupla sede, que são válvulas que possuem dois obturadores em forma de tampão na mesma haste, os quais se movem contra duas sedes (dividindo o fluxo na entrada da válvula).

Válvula agulha São as variantes das válvulas globo, onde o tampão é substituído por uma peça cônica fina (denominada “agulha”), com sede também cônica, que permite um controle mais delicado da vazão. É usada em linhas de até 2".

Válvula em “Y” e angular São as variantes das válvulas globo, nas quais o corpo possui um formato de “Y”. Apresentam uma haste a 45° com o corpo e, em conseqüência disso, as perdas de carga ficam bastante reduzidas. Essas válvulas são muito utilizadas para bloqueio e regulagem de vapor. Nas angulares, os bocais de entrada e saída fazem 90° entre si. Permitem


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perdas de cargas menores que a válvula globo comum e evitam o acúmulo de sólidos em suspensão.

Válvula gaiola São as variantes das válvulas globo em que o obturador tem a forma de um copo invertido perfurado (como uma gaiola), o qual se movimenta dentro da passagem da sede. Essas válvulas são empregadas para reduzir cavitação e ruído.

Válvula diafragma Muito usadas para fluidos perigosos, elas fazem o bloqueio através do fechamento de um diafragma flexível sobre a sede. A haste e o sistema de acionamento ficam fora de contato com o fluido. Têm sua utilização limitada pelo material do diafragma.

Válvula macho Nas válvulas macho, o obturador é cônico e possui um furo na vertical. Dessa forma, quando o furo estiver alinhado com a tubulação, a passagem do fluido é permitida. As operações de abertura e fechamento se dão pela rotação em 1/4 de volta da haste, girando o obturador. Esse tipo de válvula é, fundamentalmente, de bloqueio para fechamento rápido. Quando totalmente abertas, a perda de carga é mínima.

São utilizadas, principalmente, nos serviços de bloqueio de gases para qualquer diâmetro, temperatura ou pressão, bem como no bloqueio rápido de vapor e líquidos em geral para pequenos diâmetros e baixas pressões.

Válvula de 3 ou 4 vias São variantes da válvula macho, onde os obturadores têm furos em forma de “T”, “L” ou em cruz, com o corpo de 3 ou 4 bocais para ligação às tubulações. São empregadas para manobras com vários alinhamentos do fluido, simplifi- cando a operação e diminuindo o número de válvulas comuns necessárias.


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É possível conseguir, especialmente em válvulas pequenas, um fechamento absolutamente estanque.

Válvula esfera Definidas como variantes das válvulas macho, o macho cônico é substituído por um obturador esférico, deslizando na sede entre anéis retentores. O obturador comum possui um furo do mesmo diâmetro das conexões da válvula. As vantagens dessas válvulas sobre as de gaveta são o menor tamanho e peso, além de melhor vedação. São bastante empregadas e tam- bém possuem obturadores especiais para funções de controle.

Válvula borboleta As válvulas borboleta possuem um obturador em forma de disco. A opera- ção se dá pela rotação em 1/4 de volta da haste. Quando o disco se posiciona perpendicularmente à tubulação, bloqueia o fluxo. São válvulas de regulagem, mas com construção especial podem ser empregadas como bloqueio. São usadas em tubulações de grande diâmetro, sujeitas a baixas pressões e a temperaturas moderadas, para líquidos e gases, corrosivos e com sólidos em suspensão.

Válvula de controle São válvulas dos tipos adequados para regulagem (globo, borboleta, etc.), com acionamento motorizado (atuadores), usadas em combinação com instrumentos automáticos, os quais as comandam a distância. São utilizadas principalmente em acionadores pneumáticos, existindo uma gama enorme de diferentes tipos de acionadores, que se aplicam a diferentes necessidades.

Válvula de retenção Permitem a passagem de fluido apenas em um sentido, fechando-se automaticamente se houver tendência à inversão no sentido de escoamento, por diferença de pressões exercidas pelo próprio fluido. São, por isso, válvulas de operação automática, usadas, por exemplo, em linhas de recalque de


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bombas em paralelo para evitar o retorno de fluido através das bombas paradas, em linhas de carregamento de tanques para evitar um possível esvaziamento, etc.

Operação manual

Atuadores

Conjunto de válvulas de segurança

Figura 17 – Operação manual e motorizada


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Existem vários tipos de válvulas de retenção, sendo os principais: · válvula de retenção de portinhola - seu fechamento é feito por uma

portinhola articulada, a qual se assenta no orifício da válvula. Essas válvu- las não devem ser usadas em tubulações sujeitas a freqüentes inversões de fluxo devido à tendência a vibrarem fortemente.

· válvula de retenção tipo plug - o fechamento da válvula é semelhante ao da válvula globo e é feito por meio de um tampão cuja haste desliza em uma guia interna. Essa válvula causa perdas de carga muito grandes e, por isso, é pouco usada em linhas de diâmetros acima de 6". Adequada ao trabalho com gases e vapores.

· válvula de retenção de esfera - é semelhante à válvula de retenção tipo plug, havendo, porém, uma esfera em lugar do tampão e da haste. Apresenta fechamento mais rápido e é muito boa para fluidos de alta viscosidade. É fabricada apenas para diâmetros de até 2".

· válvula de retenção “de pé” - tipo especial usado para manter a escorva nas linhas de sucção de bombas. É semelhante à válvula de reten- ção tipo plug.

· válvula de retenção e fechamento - semelhante à válvula globo, com tampão capaz de deslizar sobre a haste. Na posição aberta, funciona como válvula de retenção tipo plug e, na posição fechada, como válvula de bloqueio. Utilizada em linhas de saída de caldeiras.

· válvula de segurança e alívio Controla a pressão a montante, abrindo-se automaticamente quando esta pressão ultrapassa um determinado valor para o qual a válvula foi ajustada. Resumidamente, podemos dizer que a construção dessa válvula é semelhante à da válvula globo angular. O tampão é mantido fechado contra a sede pela ação de uma mola com parafuso de regulagem. Regula-se a tensão da mola de maneira que se tenha a pressão de abertura da válvula desejada.


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A mola pode ser interna, dentro do castelo da válvula, ou externa, preferin- do-se esta última disposição para ser viços com fluidos corrosivos, muito viscosos, ou com gases liquefeitos que possam congelar.

Essas válvulas são chamadas de “válvulas de segurança”, quando destinadas a trabalhar com fluidos compressíveis (vapor, ar, gases), e de “válvulas de alívio”, quando destinadas a trabalhar com fluidos incompressíveis (lí- quidos).

A construção das válvulas de segurança e de alívio é semelhante. Nas de segurança a abertura total da válvula ocorre imediatamente quando o fluido atinge a pressão de ajuste, e o fechamento ocorre repentinamente quando o fluido volta a uma pressão abaixo da pressão de ajuste. Nas de alívio, a abertura é gradual, atingindo o máximo com 110% a 125% da pressão de ajuste.

Elas têm um tratamento diferenciado em relação às válvulas de bloqueio, retenção e controle, pois são instaladas com o objetivo de proteger os equipamentos da unidade de sobrepressões.

Há muitas causas possíveis de sobrepressão (descargas bloqueadas, ruptura de tubos de trocadores, incêndios, etc.), as quais são analisadas durante o projeto.


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Válvula reguladora de pressão (com piloto)

Válvula globo de operção rápida

Válvula reguladora de pressão (automática)

Válvula em “Y” Válvula sem gaxeta Válvula globo de agulha

Válvula globo angular

Válvula globo reto

Válvula de gaveta

Figura 18 – Alguns tipos de válvulas


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(c.3) Purgadores de vapor

Separam e eliminam o condensado formado nas tubulações que transpor- tam vapor. Alguns tipos, devido ao seu princípio de funcionamento, remo- vem também o ar e outros gases não-condensáveis que possam existir na linha, após a remoção do condensado. O aparecimento de condensado em tubulações de vapor pode se dar devido à perda de calor para o meio ambiente, ao arraste de gotículas, à colocação em operação de determinado trecho de tubulação fria ou a trechos de tubulações bloqueadas. Remove-se o condensado existente nas linhas de vapor para:

· conservar a energia do vapor; · evitar vibrações e golpes de ariete nas tubulações, causados pelo

arraste do condensado e pelo encontro do vapor com bolsões de condensado;

· reduzir os efeitos de corrosão e erosão; e · evitar a entrada de condensado em turbinas, porque isso causa

danos irreparáveis em suas palhetas.

Mecânicos Termostáticos Especiais Opera baseado na diferença de densidade da água para o vapor

Opera baseado na diferença de temperatura dos fluidos

Purgadores de bóia Purgadores de expansão metálica

Purgadores termodinâmicos

Purgadores de panela invertida

Purgadores de expansão líquida

Purgadores de impulso

Purgadores de expansão balanceada (fole)

Figura 19 – Classificação dos purgadores


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Particularidades de alguns tipos de purgadores

Purgadores de bóia A saída do condensado é aberta por uma válvula comandada por bóia. Enquanto há condensado, a bóia flutua e abre a saída dele, o qual é expulso pela própria pressão do vapor. Esse purgador tem descarga contínua. Veja a Figura 20 a seguir.

Figura 20 – Purgadores de bóia

Purgadores de panela invertida É o tipo mais usado. Consiste em uma caixa dentro da qual existe uma panela com o fundo para cima, comandando a válvula que fecha a saída do condensado. Para o início da operação, o purgador deve estar cheio de água; a panela fica pousada no fundo, abrindo a válvula, por onde sai o excesso de água. O vapor, quando chega, é lançado dentro da panela, de onde é expulsa a água (que escapa pela saída) até que a quantidade de água dentro da panela, tornando-se pequena, faz com que ela flutue, fechando a válvula de saída. Observe a Figura 21 na página ao lado.

O ar contido na panela sai pelo pequeno furo existente no fundo dela, por onde escapa também um pouco de vapor; o ar acumula-se, então, no topo do purgador, sendo o vapor condensado pela saturação do ambiente. Ao


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chegar mais condensado, a panela enche-se de água, perde flutuação e afunda, abrindo a válvula. A pressão do vapor faz sair o ar acumulado e o condensado até que, diminuída a quantidade de condensado dentro da panela, é restabelecida a flutuação com o fechamento da válvula.

PURGADOR ABERTO Descarga de condensado

ORIFÍCIO

ENTRADA

VÁLVULA (aberta) SAÍDA

PANELA INVERTIDA (afundada)

PURGADOR FECHADO Chegada de vapor

BOLHAS DE VAPOR

ENTRADA

CONDENSADO

VÁLVULA (fechada) SAÍDA


PURGADOR ABERTO Descarga de condensado

VÁLVULA (aberta)

ENTRADA

SAÍDA

CONDENSADO

VAPOR


Figura 21 – Purgadores de panela invertida


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Purgadores de expansão balanceada Consiste em uma caixa com um pequeno fole em seu interior que comanda a válvula de saída do condensado. O fole contém um líquido de ponto de ebulição inferior ao da água. O purgador funciona pela diferença de temperatura que existe sempre, para a mesma pressão, entre o vapor e o condensado.

O vapor, mais quente, vaporiza o líquido dentro do fole, que se dilata, fecha a válvula e impede, portanto, a saída do vapor. O condensado e o ar, como são mais frios, contraem o fole e a válvula se abre. Não pode ser empregado para vapor superaquecido.

Purgadores termodinâmicos Consiste em um disco que trabalha livre dentro de uma pequena câmara, abrindo ou fechando, e bloqueia simultaneamente a entrada de vapor e a saída de condensado. O condensado ou o ar que chega ao purgador é empurrado pelo vapor, levanta o disco e escapa. Quando o vapor chega ao purgador, a princípio também escapa. Mas, logo em seguida, o jato de vapor em alta velocidade, passando por baixo do disco, cria uma zona de baixa pressão e o disco tende a fechar a saída do vapor. Quando o disco começa a abaixar, a pressão do vapor que sai para a câmara acima do disco força então o disco para baixo. Conseqüentemente, o movimento de descida do disco provoca uma redução na seção de saída do vapor, aumentando sua velocidade e a depressão causada. Essa seqüência faz com que o disco desça rapidamente, fechando a saída do vapor. Fechado, o disco fica em equilíbrio (a mesma pressão nas duas faces) até que o vapor retido em cima começa a condensar e a pressão cai e o disco sobe, reiniciando-se o ciclo.

De construção extremamente simples, barata e de baixa manutenção, esse tipo de purgador está sendo empregado cada vez mais para linhas de vapor e de aquecimento, desde que a quantidade de condensado não seja muito grande. Não deve ser usado quando a contrapressão do condensado for maior do que 50% da pressão do vapor, ou quando a pressão do vapor for inferior a

0,7kgf/cm2. Pode ser utilizado para altas pressões e altas temperaturas.


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Figura 22 – Purgador termodinâmico

(c.4) Filtros e outros dispositivos separadores

Os filtros e os dispositivos separadores são usados para retirar, ou separar como o próprio nome diz, elementos indesejáveis que podem estar associados ao fluido conduzido através da tubulação. Elementos como partículas sólidas, por exemplo, podem causar grandes danos a equipamentos, sendo, por isso, necessário separar estes elementos do fluido conduzido.

Filtros Os filtros são também aparelhos separadores destinados a reter corpos estranhos, poeiras e sólidos em suspensão em correntes de líquidos ou gases. Duas classes de filtro são de uso comum em tubulações industriais e são tratados a seguir:

Filtros provisórios Eles são montados entre dois flanges de uma peça (carretel, redução, joe- lho, etc.), próximo ao bocal de entrada do equipamento (bombas, compressores, turbinas, etc.), para evitar que sujeira e corpos estranhos, deixados durante a montagem dos mesmos, penetrem nesses equipamentos quando o sistema for posto em funcionamento. Depois que as tubulações já estiverem em funcionamento normal por algum tempo e, portanto, tiverem sido completamente lavadas pelo próprio fluido circulante, os filtros provisórios deve- rão ser removidos.


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Os filtros provisórios mais comuns são os discos de chapas perfuradas ou os anéis de chapas finas com cesta de tela, como podemos observar tam- bém na Figura 23 a seguir.

Figura 23 – Filtro provisório

Filtros permanentes Os principais casos de emprego dos filtros permanentes envolvem:

· tubulações com fluidos sujos que sempre possam apresentar corpos estranhos;

· tubulações de entrada de instrumentos e equipamentos muito sen- síveis a corpos estranhos;

· casos em que se deseje uma purificação rigorosa e controlada do fluido circulante; e

· tubulações de entrada em estações de medições (EMED) para evitar dúvidas no faturamento.

Consistem geralmente em uma caixa de aço, de ferro fundido ou de bronze, com os bocais para tubulações de entrada e de saída e chicanas que conduzem à veia fluida, no interior da qual são montados os elementos de filtragem (observe a Figura 24). Os tipos de elementos e os materiais de construção


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dos mesmos variam de acordo com as propriedades do fluido circulante e das impurezas, com o grau de filtragem desejado, etc. Conforme o modelo do filtro, os elementos filtrantes podem ter a forma de cestas cilíndricas, cones, discos, cartuchos, etc.

Os tipos mais comuns de elementos filtrantes aplicados para diferentes finalidades são:

· filtragem grosseira de líquidos: grades metálicas, telas metálicas e chapas perfuradas;

· filtragem fina de líquidos: telas finas, feltro, náilon, porcelana, papel, etc; e

· filtragem de gases: palhas metálicas, feltro, camurça, etc.

Figura 24 – Filtros permanentes


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Outros dispositivos separadores Além dos purgadores de vapor, outros dispositivos separadores são também usuais em tubulações industriais. As operações mais comumente efetuadas por esses aparelhos são as seguintes:

· separação de poeiras e sólidos em suspensão em líquidos e gases; · separação de água e/ou óleo em tubos de ar comprimido e de

outros gases; e · separação de ar em tubos de vapor.

Os princípios gerais de funcionamento da maioria desses aparelhos são: flutuação, inércia, capilaridade e absorção. Alguns separadores aproveitam- se, simultaneamente, de mais de um dos fenômenos mencionados.

Os que trabalham por flutuação são semelhantes aos purgadores de bóia, empregados na separação e na eliminação de água e de outros líquidos das tubulações de ar e de gases em geral. Esses separadores são muito usados para a drenagem da água formada em tubulações de ar comprimido e, por isso, denominados às vezes de “purgadores de água”.

Os que trabalham por inércia são destinados a separar líquidos e sólidos em suspensão (inclusive poeiras) em tubulações de gases. Nesses separadores, a corrente de gás carregada de partículas líquidas ou sólidas é obrigada a mudar várias vezes de direção em grande velocidade. Nessas mudanças de direção, as partículas líquidas ou sólidas separam-se por serem mais pesadas (devido à inércia), sendo recolhidas e eliminadas.

Os que trabalham por capilaridade servem principalmente para a coleta e eliminação de ar e de água em tubulações de líquidos leves. Nesses aparelhos, a corrente líquida atravessa elementos de tela fina ou de palhas especiais, onde se formam, por diferença de capilaridade, bolhas de ar ou gotículas de água, as quais são coletadas depois.


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Os que trabalham por absorção são aparelhos no interior dos quais existem substâncias especiais capazes de absorver e reter o material que se deseja separar. A veia fluida atravessa esses elementos, onde a absorção ocorre geralmente por meio de reações químicas. Os elementos absorventes têm uma vida relativamente curta, ao final da qual devem ser substituídos. Alguns desumidificadores funcionam segundo esse princípio.


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[Tanques, vasos, torres e reatores

a) Tanques

Figura 1 – Pátio de tanques

(a.1) Finalidades

Os tanques armazenam os diversos produtos envolvidos na produção em uma unidade de processo da pressão atmosférica até baixas pressões (aproximadamente 15 psig).

Neles são estocadas:


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· Matérias-primas Em grandes quantidades para garantir o suprimento das plantas.

· Produtos intermediários Produtos finais para algumas unidades e matéria-prima para outras são estocados para que não seja necessária a operação conjunta.

· Produtos finais Estocados, esperando distribuição para os consumidores.

Portanto, como podemos observar, os tanques são fundamentais para permitir boa flexibilidade para as operações e garantir a continuidade do processamento de petróleo.

(a.2) Classificação quanto à função

· Tanques de armazenamento - estoque de matérias-primas e produtos acabados à pressão atmosférica.

· Tanques de recebimento - estoque de produtos intermediários. · Tanques de resíduo - armazena produtos fora de especificação ou

provenientes de operações indevidas, aguardando reprocessamento. · Tanques de mistura - usados para obtenção de misturas de produtos,

ou produtos e aditivos, visando ao acerto de especificação.

(a.3) Classificação quanto ao tipo

Os tanques podem ser classificados quanto ao fundo, ao costado e ao teto. Classificação quanto ao tipo de fundo:

· plano; · curvo; · esferoidal; · cônico; · cônico invertido; e · inclinado.


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Classificação quanto ao tipo de costado: · cilíndrico; e · esferoidal.

Classificação quanto ao tipo de teto: · Tanques de teto fixo

Normalmente, possuem uma estrutura de sustentação do teto que varia em função do seu tamanho. Tipos: cônico, curvo, em umbrella (guarda-chuva), esferoidal e semi-esferoidal.

O tipo de teto fixo mais utilizado em refinarias de petróleo é o cônico (voltado para cima com o vértice no centro), sendo utilizado somente para os derivados de petróleo mais pesados (asfalto, parafina, óleo combustível, diesel, etc.) e para produtos químicos (soda cáustica, amônia, etc.).

· Tanques de teto flutuante O teto flutua sobre o produto armazenado, evitando a formação de espaços de vapor.

Existem os seguintes tipos: duplo e com flutuador.

Há uma folga entre o costado e o teto para permitir sua movimentação, que é preenchida pelo selo de vedação, a fim de evitar perdas por evaporação. Os

tanques de teto flutuante são utilizados para armazenamento de produtos com frações leves (petróleo, naftas, gasolinas, etc.).

Obser ve, na foto seguinte, as principais características dos tanques que armazenam os diversos produtos envolvidos na produção em uma unidade de processo.


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Figura 2 – Tanques de teto flutuante

(a.4) Principais acessórios

Respiro Tanques de teto fixo possuem uma conexão no teto, com ou sem válvula, aberta para a atmosfera. Ela evita a formação de vácuo durante as operações de esvaziamento ou de sobrepressão durante as operações de enchimento.

Válvula de pressão e vácuo Ela tem a função de evitar a formação de vácuo, admitindo ar, ou a sobrepressão, liberando os gases. Pode atuar devido a variações de nível durante as operações de enchimento ou esvaziamento, ou a variações de temperatura (aquece-se ao sol e resfria-se à noite). É obrigatória para tanques de teto fixo e opcional para tanques de teto flutuante.


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Alguns tanques pequenos de teto fixo possuem um sistema que evita a formação de vácuo. Esse sistema é usado quando há possibilidade de for- mação de misturas combustíveis dentro do tanque. Normalmente, esses tanques armazenam produtos não-inflamáveis que, no entanto, podem estar contaminados por pequenas quantidades de hidrocarbonetos.

Agitador Ele tem por finalidade movimentar o produto a fim de homogeneizar a temperatura em fluidos aquecidos e a composição, em misturas. Normalmente, a homogeneização é feita pela agitação do produto por meio de pás acopladas a um eixo acionado por motor elétrico (produtos de baixa viscosidade como, por exemplo: gasolina, querosene e óleo diesel).

Para os produtos com alta viscosidade (óleo combustível, asfalto), a homogeneização é realizada por Jet-Mix, que provoca um turbilhamento circular por pressão no interior do tanque.

Funciona a partir da sucção de uma bomba específica com retorno por uma tubulação de descarga ao próprio tanque, onde sofre acentuada redução de diâmetro levemente direcionada para o alto.

Sistema de aquecimento É utilizado para aumentar a fluidez de alguns produtos de petróleo sujeitos ao aumento excessivo da viscosidade ou até mesmo à solidificação em temperatura ambiente. Esse aquecimento é feito através de serpentinas de vapor, feixes tubulares, “baionetas”, etc.

Isolamento térmico Sua finalidade é diminuir a perda de calor nos tanques de produtos aquecidos. Normalmente, em função do alto custo do investimento e da manuten- ção, são isolados apenas os tanques de asfalto e resíduos de vácuo, pois operam em alta temperatura.


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Sistema de medição Esse sistema visa ao controle do nível dos tanques e de outras variáveis importantes como: volume, temperatura, pressão, etc. Os tanques das áre- as de transferência e de estocagem normalmente são dotados de sistemas modernos de medição de nível, como medição por radar, para o controle preciso do inventário de produtos da unidade.

(a.5) Materiais

O material mais empregado na fabricação de tanques de armazenamento é o aço-carbono. O emprego de outros materiais é raro. Contudo, encontram-se tanques de pequeno porte de alumínio e de aço inoxidável, assim como de polímeros especiais para produtos químicos diversos.

Tendo em vista a corrosão atmosférica do aço em ambiente industrial, a corrosão em contato com o fluido armazenado, água acumulada no fundo, etc., os tanques são sempre revestidos externa e internamente com pintura ou películas protetoras adequadas.

(a.6) Diques

A finalidade do dique é conter um possível vazamento grande, com ou sem incêndio, evitando dessa forma que se alastre para outras áreas. Por norma de segurança, todos os tanques destinados a armazenar produto inflamável, tóxico ou químico, são dotados de diques. O volume do dique tem que ser, no mínimo, igual ao do tanque.


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Figura 3 – Parque e tanques - vista geral

Figura 4 – Tanques de teto fixo


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Figura 5 – Escadas de acesso

Figura 6 – Tetos fixos e flutuantes


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(b) Vasos

Figura 7 – Conjuntos de vasos de pressão

(b.1) Finalidades do vaso de pressão:

· separar vapor-líquido; · separar vapor-líquido-líquido; · separar líquido-líquido; · prover tempo de resistência ao processo; · prover tempo de estocagem de carga; e · fazer misturas, reações químicas, etc.

(b.2) Construção

Consistem em um casco cilíndrico fechado nas extremidades por dois tampos, normalmente elipsoidais ou torrisféricos, em posição vertical ou horizontal, mais os seus diversos acessórios. O comprimento e o diâmetro do vaso são determinados em função dos cálculos de separação de fases ou do


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tempo de resistência. Podem ser também esféricos ou elipsoidais, utilizados para armazenamento de gases liquefeitos em alta pressão.

(b.3) Classificação quanto ao tipo e à descrição

Além de sua finalidade, os tipos de vasos são definidos principalmente como verticais e horizontais.

Cilíndricos horizontais São usados como vasos de topo de torres em que temos separação vapor- líquido e vapor-líquido-líquido, como vasos de acumulação, separadores líquido-líquido, vasos de carga, etc.

Cilíndricos verticais São usados para separação vapor-líquido na sucção de compressores, vasos de coleta, vasos de condensado, etc.

(b.4) Acessórios

Observe nas Figuras 8 e 9 a seguir alguns dos acessórios mais comuns dos vasos horizontal e vertical.

Bocal de entrada de carga

Distribuidor

Berço

Bocal de saída de líquido pesado

Bocal de saída de gás Quebra-vórtice Bota

Demister Tubo pescador Bocal de saída de líquido leve

Figura 8 – Vaso horizontal


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Bocal de saída de gás

Demister

Bocal de entrada de carga

Bocal de saída de líquido

Distribuidor

Quebra-vórtice

Figura 9 – Vaso vertical

Distribuidores e tubos pescadores São extensões dos bocais que se projetam para dentro dos vasos. Os primei- ros são instalados nos bocais de carga com o objetivo de reduzir a agitação em função da entrada do líquido. Os tubos pescadores são instalados nos bocais de saída para líquidos leves, na separação vapor-líquido-líquido, a fim de evitar o escoamento do fluido pesado por essa tubulação.

Eliminador de névoa (demister) Consiste em blocos de materiais estruturados como, por exemplo, colmeias, montados antes da retirada de vapor para não permitir a passagem de gotículas de líquido em suspensão, que podem causar erosão e corrosão principalmente em vasos de sucção de compressores.

Bota Consiste em uma seção vertical de menor diâmetro, soldado no fundo de vasos horizontais de separação vapor-líquido-líquido.


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É usada para acumular o fluido pesado quando sua vazão é muito grande em relação à do líquido leve, reduzindo com isso o diâmetro do vaso.

Bocas de visita São bocais em torno de 20" utilizados para dar acesso ao interior do vaso para montagem, inspeção e manutenção.

Outros acessórios Estão sempre presentes bocais auxiliares (para instrumentos diversos, drenos, respiros, de purga com vapor, etc.), quebra-vórtices e suportação (“saias” para vasos verticais e “berços” para horizontais). Podem ser utilizados ainda outros acessórios como: chapas defletoras, chicanas vertedoras, coalescedores, serpentinas ou “baionetas”, etc.

(b.5) Materiais

São normalmente construídos de aço-carbono e também com aços-liga, chapas com revestimento não-metálico e chapas cladeadas (chapa base de aço- carbono ou de baixa liga, com revestimento de ligas especiais). A seleção depende dos fluidos, contaminantes, temperatura e pressão, esforços mecâ- nicos aplicados, etc.

Figura 10 – Vaso cilíndrico horizontal


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Figura 11 – Esfera

Figura 12 – Vaso cilíndrico horizontal

Figura 13 – Vaso cilíndrico vertical


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(c) Torres

As torres, também denominadas “colunas”, servem para realizar destilação, absorção e retificação, extração, reações, etc.

Figura 14 – Torres (1)

(c.1) Construção

Compostas de um casco cilíndrico vertical, fechado nas extremidades superior e inferior por dois tampos, normalmente elipsoidais ou torrisféricos, formando um vaso de pressão vertical, e por seus diversos acessórios, denominados “internos”.

A altura e o diâmetro da torre são determinados em função do volume dos vapores e dos líquidos. Para um melhor entendimento do seu funcionamento e da função dos internos, as torres podem ser divididas em três seções distintas:


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Seção de topo Por onde saem os produtos leves (gases e vapores). Comporta o bocal de saída de vapor, bocal de entrada de refluxo e de seu distribuidor, demisters, entre outros.

Seção intermediária Por onde entra a carga e, conforme o caso, por onde são retirados os produtos intermediários e os refluxos. Comporta os bocais de entrada de carga e de seu distribuidor, bocais de retiradas intermediárias, panelas de retirada total ou parcial, entre outros.

Seção de fundo Por onde saem os produtos pesados. Comporta o volume de controle, bocais de saída para os refer vedores e o retorno, bocais de saída de fundo, de entrada de vapor, entre outros.

(c.2) Classificação quanto ao tipo e à descrição

Além de sua finalidade, os tipos de torres são definidos pelos diferentes “internos”. Os mais importantes referem-se aos elementos responsáveis pela destilação, absorção, etc. Estes promovem, da maneira mais eficiente pos- sível, o contato entre o líquido que desce e o vapor que sobe por toda a extensão da coluna. Logo, temos três classes principais:

· torres de pratos ou bandejas; · torres recheadas; e · torres mistas ou combinadas.


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Figura 15 – Torres (2)

Torre de pratos ou bandejas

No interior da torre são montadas as bandejas ou pratos em número variado e com um espaçamento determinado, de acordo com a função da torre. Os pratos possuem vertedores com as funções de formar um nível de líquido sobre o prato e direcionar o líquido que transborda para o prato abaixo. Na superfície do prato existem dispositivos de passagem para o vapor.

Formam-se assim uma corrente descendente de líquido e outra ascendente de vapor e gases que se cruzam perpendicularmente. O vapor borbulha no meio do líquido, na superfície do prato, promovendo o arraste pelo líquido de substâncias mais pesadas que se condensam.

Figura 16 – Pratos ou bandejas


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Com o gradiente de temperatura na torre, que vai do fundo quente até o topo mais frio, o contato entre gás e líquido, em seqüência, nos diversos pratos, faz com que as frações de hidrocarbonetos mais pesados se condensem nas bandejas do fundo, enquanto as frações mais leves se condensam nas bandejas do topo. Há diversos tipos de pratos ou bandejas, classificados quan- to ao princípio de funcionamento dos dispositivos, os quais proporcionam o contato entre vapor e líquido:

Torre de pratos perfurados Consistem basicamente em uma chapa com furos. Atualmente, não são mais usadas, estando presentes apenas em equipamentos muito antigos.

Torre de pratos com borbulhadores Consistem basicamente em uma chapa com furos sobre os quais são montados os borbulhadores circulares ou retangulares (caps), como pequenas chaminés cobertas. Atualmente, não são mais indicadas, estando presentes apenas em equipamentos antigos e reaproveitados.

Torre de pratos valvulados Contêm furos nos quais são montadas as válvulas (chapas com batentes que guiam e limitam sua abertura) cuja abertura varia com o fluxo de vapor, de maneira a não permitir vazamentos de líquidos. Seu uso é difundido devido a seu baixo custo e ao alto rendimento.

Torre de bandejas gradeadas São encontradas nas torres de extração líquido-líquido em contracorrente. Extração líquido-líquido é a denominação empregada para qualquer opera- ção em que um composto, dissolvido em uma fase líquida, é transferido para outra fase líquida. As bandejas gradeadas, constituídas por células de formato hexagonal, são arranjadas de modo a proporcionar o máximo contato entre a carga e o solvente.


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Torre recheada São torres que contêm, ao invés de bandejas, seções preenchidas com elementos diversos, por isso denominados “recheios” cuja finalidade é prover uma enorme superfície de contato líquido-vapor.

Com o desenvolvimento da tecnologia dos recheios, nos últimos anos as refinarias vêm substituindo seções com bandejas por leitos recheados com a finalidade de reduzir a queda de pressão e aumentar o rendimento do processo.

Recheios (packing) Um bom recheio deve possuir as seguintes características:

· apresentar grande superfície de interface entre líquido e vapor; · ser quimicamente inerte para os fluidos processados; · possuir boa resistência mecânica, a fim de evitar quebras; e · ser de baixo custo.

Os recheios são divididos em dois grupos: estruturados e randômicos (aleatórios).

Recheios estruturados São montados no interior da coluna em blocos, formados por estruturas de chapas, às vezes corrugadas e perfuradas, dobradas e montadas, encaixa- das em diferentes geometrias complexas. Podem ser encontrados em diversos materiais metálicos e não-metálicos. Veja a Figura 17 a seguir.

Figura 17 – Recheios estruturados


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Recheios randômicos São peças de diversas geometrias, das mais simples até as mais complexas, como as em forma de anéis lisos ou recortados, selas, brita, malhas e telas, etc. As peças são colocadas na seção a ser recheada de maneira aleatória até que a seção esteja cheia. Podem ser também metálicos e não-metálicos (inclusive cerâmicos). Veja na Figura 18 as características apontadas no texto.

Figura 18 – Recheios randômicos

Suporte para recheios Telas, pratos perfurados, entre outros, que suportam o recheio, permitindo a troca de líquido e vapor com as seções inferiores. Observe a Figura 19 a seguir.

· Torres combinadas ou mistas Possuem algumas seções com pratos e outras com recheios.

· Outros internos

Figura 19 – Suporte para recheios


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Distribuidores São instalados nas entradas de carga e de refluxos com o objetivo de melhorar a distribuição do líquido sobre as bandejas ou recheio. Para cada geometria de bandejas ou tipos de recheios, existem formas indicadas de distribuidores. Podem ser derivações de tubos perfurados, tubos com bicos aspersores, seqüência de calhas perfuradas, etc.

Eliminador de névoa ou demister Consistem em blocos de materiais estruturados como, por exemplo, colmeias ou aleatórios, como palha de aço, montados antes da retirada de vapor para não permitir ou minimizar a passagem de gotículas de líquido em suspensão, os quais podem causar erosão e corrosão na tubulação e nos equipamentos.

Panelas Têm a finalidade de remover frações líquidas ao longo das seções, promovendo as retiradas intermediárias. Estas retiradas podem ser parciais ou totais.

Panela de retirada total São anteparos transversais como tampos, instalados no interior das torres. Todo o líquido que desce até a panela não transborda para a bandeja inferi- or, mas é sim retirado. Parte do líquido pode ser enviada como produto, e parte, resfriada, retornando à torre na seção inferior. É utilizada quando se necessita controlar bem a vazão e/ou a temperatura da seção abaixo.

Panela de retirada parcial São canaletas ou rebaixos localizados nos pratos, nas centrais ou nas laterais da coluna, e formam um pequeno reservatório. Apenas uma parte do líquido que desce até a panela é retirada como produto ou para refluxo. É utilizada quando não se necessita controlar a vazão e/ou a temperatura da seção abaixo.


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Chaminés São instaladas em panelas de retirada total, permitindo a passagem do vapor da seção inferior para a superior.

Bocas de visita São bocais em torno de 20" utilizados com o propósito de dar acesso ao interior da torre para montagem e manutenção.

Outros acessórios Estão sempre presentes bocais auxiliares (para instrumentos diversos, drenos, vents, de purga com vapor, etc.), quebra-vórtices e “saias” para suportação. Podem ser utilizados outros acessórios como: chapas defletoras, chicanas, serpentinas e “baionetas”, etc.

Materiais São normalmente construídos de aço-carbono e também de aços-liga, chapas com revestimento não-metálico e chapas cladeadas (chapa base de aço- carbono ou de baixa liga, com revestimento de ligas especiais). A seleção depende dos fluidos, dos contaminantes, da temperatura e da pressão, dos esforços mecânicos aplicados, etc.

(d) Reatores químicos

Reatores químicos são dispositivos de processos no qual a transferência de massa, a quantidade de movimento e a energia ocorrem junto a uma reação química, devendo ser conduzidos de uma forma segura e controlável. Nes- ses equipamentos, problemas de fluxo de massa, mistura de reagentes, tempo de residência, controle de temperatura e de pressão, conversão quí- mica, desativação de catalisadores, entre outros fatores, devem ser considerados. Nesse capítulo, abordaremos os princípios de funcionamento dos principais reatores químicos e algumas aplicações nas indústrias de processos, incluindo o balanço de massa para estes equipamentos.


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(d.1) Classificação dos reatores químicos

Os reatores químicos podem ser divididos de várias formas, conforme o ponto de vista do processo adotado. Quanto ao número de fases envolvidas, eles podem ser divididos em dois tipos: homogêneos e heterogêneos.

Reatores homogêneos Nesses reatores, apenas uma fase está presente e contém os produtos e os reagentes, sendo normalmente uma mistura de gases ou de líquidos. O início da reação pode ocorrer logo na mistura dos reagentes, ou estes podem ser levados à temperatura desejada para que a reação inicie.

Reatores heterogêneos Nesses reatores temos a presença de duas ou mais fases, sendo comum as misturas líquido-líquido, líquido-gás, líquido-sólido e gás-sólido. Quando a reação química envolve uma fase sólida, normalmente esta aparece na forma de um catalisador e o produto desejado resultará da catálise de um ou mais reagentes na fase líquida ou gasosa. Os reatores heterogêneos nos quais a fase sólida permanece imóvel enquanto a fase fluida passa pela superfície do sólido, são chamados de “reatores de leito fixo”. Estes representam uma grande parcela dos reatores heterogêneos existentes atualmente na indústria, com destaque para a produção de amônia, ácido nítrico, ácido sulfúrico, na indústria da borracha, polímeros, na síntese do metanol, entre muitas outras aplicações encontradas. Algumas das desvantagens dos reatores de leito fixo estão no controle de temperatura do sistema, na repo- sição do catalisador desativado e na formação de caminhos preferenciais pelo leito, que pode ser compensada pela obtenção de alta conversão de reagentes em produtos. Em alguns reatores heterogêneos o leito não permanece imóvel durante a operação, mas segue o princípio do leito fluidizado. Estes conseguem eliminar a maioria dos problemas existentes na operação com leito fixo, como a ausência de caminhos preferenciais, os pequenos gradientes de temperatura e a maior transferência de massa entre o fluido e


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o sólido, além da reposição do catalisador, a qual pode ser feita via arraste. Entretanto, apresentam a desvantagem de maiores custos de compressão ou bombeamento, visto que a perda de carga é maior, comparativamente ao leito fixo, e as perdas de catalisador por arraste são significativamente maiores.

Figura 20 – Reator de leito fixo


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Também podemos dividir os reatores químicos em duas categorias, conforme o regime de operação: reatores contínuos e descontínuos.

Reatores descontínuos O reator descontínuo, também chamado de “reator batelada”, caracteriza-se por não haver, durante a reação química, a alimentação de reagentes ou a retirada de produtos. O balanço de massa para um dado componente i, nesse tipo de reator, visto que não há fluxos pelas fronteiras do sistema, será:

Nesse reator, os reagentes são pré-misturados e a reação é conduzida por um período de tempo especificado (a batelada), após o qual a mistura reacional é removida e pode ser conduzida para processos específicos de separação dos produtos dos reagentes. O reator, quando a reação é realizada na fase gasosa, pode ser construído para operar a volume constante ou a pressão constante, sendo que no primeiro todas as paredes do reator são rígidas, enquanto que no segundo o equipamento pode dispor de um pistão móvel.

Esse equipamento possui a vantagem de apresentar grandes conversões de reagentes em produtos, baixo custo e simplicidade de operação, sendo flexível quanto à quantidade de cada batelada e versátil para vários tipos de reações. Entretanto, possui a desvantagem de produção em pequena escala, custos por unidade de operação elevados e grande quantidade de mão-de-obra. Os reatores descontínuos são normalmente utilizados na indústria farmacêutica, de alimentos, de fertilizantes, entre outras.


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Figura 21 – Reator batelada

Reatores contínuos Os reatores contínuos são reatores de grande capacidade, nos quais existe alimentação de produto e retirada de reagentes durante a reação química. São empregados quando alta produção é exigida, sendo bastante utilizados nas indústrias de processos. Basicamente, os reatores contínuos são divididos em dois tipos: PFR e CSTR.

· Reator PFR O reator PFR, sigla para Plug Flow Reactor, ou reator tubular de fluxo pistonado, consiste de um tubo cilíndrico onde a alimentação dos reagentes (normalmente gasosos) é feita por uma extremidade e a retirada dos produtos é feita pela outra (Fig. 22). A reação química ocorre durante todo o trajeto do reator, sendo os perfis de velocidade da mistura reacional de grande importância para o controle de temperatura no reator e da conver- são dos reagentes.


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Figura 22 – Reator PFR

O balanço de massa para um dado componente i neste tipo de reator, considerando a entrada de reagentes e a saída de produtos, será:

A modelagem matemática do comportamento de variáveis como concentra- ção, temperatura e pressão, ao longo do reator, pode ser realizada de várias maneiras, de acordo com a precisão requerida. Um dos métodos mais simples é considerar que a concentração dos componentes e a temperatura do sistema variam apenas axialmente, sendo assumidas as médias da concen- tração e da temperatura ao longo do raio do reator. As maiores vantagens desse tipo de reator residem na simplicidade de manutenção, visto que não há partes móveis no equipamento, nem altas conversões de reagentes em produtos, já que os reagentes, por não estarem em contato com os produtos, não sofrem a diluição destes durante a reação. As desvantagens residem no alto investimento inicial, na mão-de-obra especializada e no controle de temperatura do reator.

· Reator CSTR Outro modelo de reator contínuo bastante utilizado industrialmente é o CSTR, sigla para Continous Stirred Tank Reactor – ou reator contínuo de tanque agitado. Nesse equipamento a alimentação dos reagentes, normalmente na


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fase líquida, é feita pelo topo, enquanto que a retirada de produtos ocorre na base do reator, como indica a Figura 23 a seguir.

Figura 23 – Reator CSTR

O balanço de massa para um dado componente i, nesse tipo de reator, visto que este equipamento é normalmente operado em estado estacionário – ou seja, sem variação espacial das propriedades com o tempo – e assumindo que o tanque é perfeitamente agitado, sendo a concentração de saída de produtos constante, sem acumulação, será:

Pode-se aumentar a eficiência da conversão de reagentes em produtos fazendo uma associação em série de reatores CSTR, sendo a corrente de saída de um dos reatores a corrente de alimentação do reator subseqüente. Os reatores CSTR permitem uma maior facilidade no controle de temperatura; entretanto, possuem desvantagens quanto a conversão por unidade de volume comparativamente aos reatores PFR, além de custo inicial maior e produtos menos homogêneos.


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Figura 24 – Série de reatores CSTR

Classificação quanto às condições de temperatura Os reatores acima descritos normalmente irão apresentar uma elevação de temperatura (no caso de reações exotérmicas) ou um abaixamento de temperatura (no caso de reações endotérmicas) ao longo da reação química. Assim, se o equipamento operar de tal forma que não haja troca de calor da reação com o meio externo, diz-se que o reator opera adiabaticamente. Por outro lado, se o equipamento dispuser de meios para que o calor da reação seja completamente transferido para o meio externo, diz-se que o reator opera isotermicamente. O primeiro caso, em que são empregados isolamen- tos térmicos ao longo do reator para minimizar a troca de calor, é utilizado quando o aumento ou abaixamento de temperatura permite maior conver- sões de reagentes em produtos, desde que não comprometa a segurança do processo, além de simplificar o equacionamento do projeto do equipamento. No segundo caso, podem ser utilizadas camisas de troca térmica, serpentinas, ou uma combinação de ambas ao longo do reator, de forma a garantir que a temperatura permaneça constante ao longo da reação. Na prática, devido à dificuldade de realizar um controle eficiente da temperatura na maioria dos reatores em operação nas indústrias de processos, as operações são realizadas não isotermicamente.


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[Trocadores de calor

Os trocadores de calor são equipamentos em que dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica. Esta troca térmica é empregada para atender às necessidades do processo e/ou econo- mizar a energia que seria perdida para o ambiente. No processo de troca térmica pode haver ou não mudança de fase (condensação ou evaporação) dos fluidos envolvidos.

Figura 1 – Conjunto de trocadores de calor (1)


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(a) Classificação geral dos trocadores quanto à finalidade

(a.1) Trocadores para aquecimento

Aquecedor ou preaquecedor (heater, preheater) Aquece um fluido do processo, recebendo calor sensível normalmente de vapor d’água, ou de outro fluido quente disponível. Pode haver ou não condensação do fluido quente.

Refervedor (reboiler) Vaporiza um líquido, recebendo calor normalmente de vapor d’água, ou de outro fluido quente disponível.

Opera em conjunto com torres de processamento, vaporizando parte dos seus produtos de fundo.

Gerador de vapor (steam generator) Gera vapor d’água, recebendo calor de outro fluido quente disponível no processo.

(a.2) Trocadores para resfriamento

Resfriador (cooler) Resfria fluidos do processo, cedendo calor para água.

Condensador (condenser) Condensa vapores, cedendo calor para água. É empregado para recuperação de vapores de colunas de destilação, bem como para condensação do vapor exausto de turbinas, reduzindo a pressão de descarga das mesmas.


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(a.3) Trocador ou intercambiador (exchanger)

Troca calor entre dois fluidos de processo. Aproveita a energia de um fluido que precisa ser resfriado e a transfere para outro que necessita ser aquecido, reduzindo perdas e melhorando o rendimento energético da unidade.

(b) Temperatura

A diferença de temperatura entre dois pontos cria a força motriz necessária para a transferência do calor. Os gráficos da Figura 2 ilustram o comportamento da temperatura em função do comprimento do sistema de tubos concêntricos, onde em ambos os sistemas o fluido que escoa no tubo externo é resfriado e o fluido que escoa no tubo interno é aquecido.

Na Figura 2 (esquerda), temos nas extremidades os fluidos escoando na mesma direção, porém em sentidos opostos. Dizemos que esses fluidos estão escoando em “contracorrente” (counterflow). Já na Figura 2 (direita), os fluidos também escoam na mesma direção, porém agora também estão escoando no mesmo sentido de fluxo. Esse escoamento é chamado de “paralelo”.

Figura 2 – Conjunto de trocadores de calor (2)


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2

Nos gráficos das Figuras, está representada a variação da temperatura nos tubos, onde a temperatura de entrada e de saída do tubo interno é simbolizada por t1 e t2,, respectivamente, e no tubo externo é simbolizada por T1 e T , respectivamente. Podemos ver que ambos os fluidos de cada sistema de tubos sofrem variações de temperatura que não são lineares. O valor (T – t ) em cada ponto assume valores diferentes.

Como queremos utilizar sempre um coeficiente global de troca térmica constante ao longo de todo o comprimento da tubulação no cálculo da troca de calor, temos:

Q = UA(ΔT)

onde: Q: calor trocado entre fluidos; U: coeficiente global de troca térmica; A: área efetiva de troca térmica; e ΔT: variação de temperatura

não podemos apenas fazer a média aritmética da variação (T – t ). Utiliza- se então um conceito chamado de “média logarítmica da diferença da temperatura” (MLTD), onde:

ΔT = MLTD = (T1 - t2) - (T2 - t1)

In (T1 - t2) (T2 - t1)

onde os símbolos das temperaturas são os mesmos utilizados nas Figuras 1 e 2. Desse modo, a equação original Q = UA (ΔT) passa a ser:

Q = U x A x (MLTD)


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(c) Tipos construtivos de trocadores de calor

Os trocadores de calor em unidades de processo, notadamente refinarias, devem atender a exigências de grandes vazões dos fluidos e/ou condições severas de temperatura e pressão. Os tipos mais utilizados são:

· casco e tubos; · trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares; · resfriadores a ar; · trocadores de placas; e · trocadores espirais.

Na escolha dos tipos de trocador entram fatores como características dos fluidos, custo, facilidade de manutenção e a experiência do projetista. Ape- nas alguns dos tipos (e subtipos) apresentados são amplamente utilizados. Os de casco e de tubos são o principal tipo de trocador encontrado em refinarias e serão tratados com mais detalhes. Observe a Figura 3 a seguir.

Figura 3 – Trocador de calor casco e tubos


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(c.1) Casco e tubos (shell and tube)

Descrição geral Resumidamente, consiste em um casco que contém no seu interior um feixe de tubos. Um dos fluidos passa pelo casco (fluido do lado casco) e o outro pelo feixe de tubos (fluido do lado tubos), sendo a troca térmica realizada através das paredes dos tubos do feixe.

Partes principais

Feixe de tubos É um conjunto de tubos presos por suas extremidades a duas placas denominadas “espelhos”. O feixe atravessa chapas metálicas chamadas de “chicanas”, colocadas espaçadamente entre os espelhos e fixadas por tiran- tes, visando evitar a flexão dos tubos e melhorar a troca térmica, o que aumenta o tempo de residência e a turbulência do fluido que passa no casco.

Os tubos são fabricados de diversas ligas de materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos. Podem ser dos seguintes tipos:

Lisos São os mais usados, de 3/4" a 2" e espessuras BWG.

Aletados Para aplicações específicas.


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Cabeçote anterior

Conexão para medição de temperatura ou pressão

Tubos Chicanas

Anel intermediário

Desaeração

Gaxeta

Espelho fixo

Conexão para medição de temperatura ou pressão

Suporte Dreno

Parede do casco

Espelho móvel

Cabeçote posterior

Dreno

Figura 4 – Exemplo de trocador de calor (casco e tubos)


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Feixe tubular desmontável, com

apenas uma gaxeta. Trocador de

calor para ser usado como

resfriador ou preaquecedor para

todas as finalidades.


gaxeta dupla. Uso como tipo N,

com melhor separação entre os dois

meios de transferência de calor.


tubos em forma de U. Usado para

preaquecimento ou resfriamento de

líquidos.


cabeçote flutuante, para máximas

seguranças operacionais e melhores

condições de manutenção. Cons-

trução conforme Norma Tema.

Feixe tubular fixo, usado quando

existirem gases puros e líquidos nas

superfícies externas dos tubos.

Figura 5 – Conjunto de trocadores de calor


92

Tubos dobrados em U Para uso com cabeçotes de retorno. Deseja-se obter o maior número possí- vel de tubos na seção do casco e, ao mesmo tempo, prover espaço para a passagem do fluido no casco. A disposição dos tubos no feixe pode ser:

· passo triangular – melhora a troca, mas só é usado para fluidos limpos; e

· passo quadrado – usado em refinarias devido à facilidade de limpeza externa.

As chicanas podem ser de três tipos: · de orifícios anulares; · tipo disco e anel; e · segmentadas.

Casco e cabeçotes O casco, normalmente cilíndrico, é o invólucro do trocador, envolvendo o feixe de tubos e o fluido que passa por fora desses (do lado casco).

O casco é fechado nas extremidades pelos cabeçotes, os quais formam com os espelhos câmaras de entrada e saída do fluido do lado tubos. Os cabeçotes são denominados “estacionário” e de “retorno”, pois o fluido do lado tubos pode ter mais de uma passagem, indo e voltando pelo feixe, tendo um dos cabeçotes a função de promover o retorno do fluido.

Quando os dois fluidos percorrem o trocador na mesma direção, diz-se que estão em paralelo, e quando em direções opostas, diz-se que estão em contracorrente. Esse último é o fluxo normalmente utilizado.

No fluxo em contracorrente, a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor temperatura do fluido quente, o que não pode ocorrer no fluxo em paralelo. O casco pode ser construído a partir de tubos com até 24" de diâmetro nominal, ou de chapas calandradas e soldadas a partir de 13" de diâmetro. Fabricados normalmente em aço-carbono, também podem ser fei-


93

tos em aço-liga e ligas de alumínio, quando de tubo, e em aço-liga, ligas de níquel e ligas de cobre, quando de chapa.

O casco possui dois ou mais bocais para entrada e saída do fluido do lado casco, e os cabeçotes têm bocais para entrada e saída do fluido do lado tubos. Se um dos cabeçotes é de retorno, então este não possui bocal. Os bocais de entrada e saída ficam no cabeçote estacionário.

Classificação geral dos trocadores casco e tubos

A Tema (Tubular Exchanger Manufactures Association) publica normas para projeto e construção de trocadores de casco e tubo. Essas especificações servem para três classes de trocadores:

Classe R Para condições severas de processamento de petróleo e produtos químicos. Esses são serviços rigorosos em que se deseja obter segurança e durabilidade.

Classe C Para condições moderadas de operação, tendo em vista a máxima economia e o mínimo tamanho, condizentes com as necessidades de serviço.

Classe A Para condições severas de temperatura e fluidos altamente corrosivos.

Os trocadores são classificados pela Tema de acordo com a forma dos cabeçotes e do casco. A determinação das formas, a indicação do diâmetro nominal do casco e o comprimento dos tubos caracterizam um trocador. Tipos de cabeçote estacionário:

· A - tampo e carretel removíveis; · B - tampo boleado;


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· C - feixe de tubos removíveis e carretel integrado ao espelho e tampo removível; e

· D - especial para alta pressão.

Tipos de casco: · E - uma passagem; · F - duas passagens com defletor longitudinal; · G - fluxo dividido por defletor; · H - fluxo duplamente dividido por defletores; · J - fluxo dividido; e · K - caldeira (kettle).

Tipos de cabeçote de retorno: · L - espelho fixo igual ao cabeçote estacionário A; · M - espelho fixo igual ao cabeçote estacionário B; · N - espelho fixo igual ao cabeçote estacionário C; · P - cabeçote flutuante engaxetado externamente; · S - cabeçote flutuante com anel bipartido; · T - cabeçote flutuante com tampo preso no espelho; · U - tubo em U; e · W - cabeçote flutuante engaxetado internamente.

Os tipos A e B podem ser retirados sem que seja necessário mexer no resto do equipamento, o que não acontece com C e D. Os tipos A e C permitem a inspeção dos tubos sem a remoção de todo o cabeçote, o que não acontece com o tipo B. O tipo C é solidário ao feixe de tubos. Em refinarias, os cascos do tipo E são os mais comuns. Os de fluxo dividido (G, H e J) são usados para diminuir a perda de carga do fluido no casco. E os de tipo K são muito utilizados como refervedores e refrigeradores. Os cabeçotes flutuantes ou para tubos em U (S, T e U) são utilizados para grandes diferenciais de temperatura. Os de cabeçotes de retorno engaxetados (P e W) não são usados em refinarias.


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Escolha do fluido Não há regras fixas que estabeleçam que tipo de fluido deve passar pelos

tubos. A escolha do fluido que passa pelos tubos ou pelo casco deve atender às melhores condições para o processo, menor custo de construção e à

facilidade de manutenção.

De maneira geral, passam pelos tubos:

Fluidos mais sujos Com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores, etc. É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que do casco.

Fluidos mais corrosivos É mais econômico usar tubos resistentes à corrosão do que um casco com a mesma propriedade. Da mesma forma, é mais fácil substituir tubos furados do que o casco.

Fluidos com maior pressão Porque o casco tem menor resistência em virtude do seu maior diâmetro.

Fluidos menos viscosos A menos que a perda da pressão deva ser muito baixa.

Água de resfriamento Facilidade de limpeza.

Fluidos de menor vazão volumétrica Em vista de o casco oferecer mais espaço.

Entre líquidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos aqueles de maior pressão e maior temperatura.


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(c.2) Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares

Consiste na montagem de dois tubos concêntricos. Um fluido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel formado entre os dois tubos. Geralmente o tubo interno é aletado e são montadas seqüências de trechos retos em série, unidos por cur vas em U. Usado para vazões menores. Veja na Figura 6 algumas das características apontadas no texto que você acabou de ler.

Figura 6 – Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares


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(c.3) Resfriadores a ar

Consistem em serpentinas de tubos com aletas transversais e coletores nas duas extremidades dos tubos. O ar de refrigeração é suprido por um ou mais ventiladores, soprado (forçado) ou sugado (induzido) na ascendente, passando pelo feixe montado na horizontal. O conjunto é instalado em uma estrutura ou sobre a ponte de tubulação (pipe-rack). Veja na Figura 7 como são os resfriadores a ar.

Figura 7 – Resfriadores a ar

(c.4) Trocadores de placas

Consistem em um conjunto de placas corrugadas montadas em série com gaxetas. Os fluidos trocam calo r, passando em contracorrente, alternadamente, pela seqüência de placas. Têm grande eficiência na troca térmica. (Figura 8)


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Coluna de suporte

Placa de pressão

Barramento inferior

Barramento superior Conjunto de placas

Placa de estrutura

Figura 8 – Trocadores de placas

(c.5) Trocadores espirais

Consistem em duas longas chapas lisas enroladas em torno de canais centrais, criando dois canais espirais concêntricos. O fluido quente entra por um canal central, percorrendo um dos canais elípticos até a saída na periferia do casco. O fluido frio entra pela periferia do casco, percorrendo o outro canal elíptico até a saída no último canal central, trocando calor em contracorrente. Muito usados para fluidos viscosos ou sujos como asfalto. Veja a Figura 9 a seguir.

Figura 9 – Trocadores espirais


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(d) Cuidados na operação

Na partida, entra primeiro o fluido mais frio. Se o fluido mais frio está ligeiramente quente, deixa-se o mesmo então entrar de forma lenta. Quanto mais quente o fluido, mais lenta deve ser a sua penetração no trocador de calor. Na parada, bloqueia-se primeiramente a entrada do fluido mais quente. Se isso não for observado, podem ocorrer vazamentos nos tubos.

Tanto na partida como na parada, os trocadores de calor devem ser aquecidos ou resfriados lentamente. Isso é particularmente importante quando as temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido à alta temperatura pode provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e deformação do feixe.

Falhas no suprimento de água para um resfriador podem trazer sérias conse- qüências. Quando o fluido a resfriar é muito quente, a interrupção da água provoca um grande aquecimento do equipamento. Se a água voltar então a circular, haverá um resfriamento brusco do trocador. Essa mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas.

Permutador sujo e condições de operação diferentes daquelas para as quais o permutador de calor foi projetado provocam perda de eficiência na troca térmica.

Deve-se sempre drenar a água de um refervedor ou aquecedor para evitar o fenômeno chamado “martelo hidráulico”, que ocorre conforme descrito a seguir. Suponha que haja água acumulada nos tubos do refervedor. Abrindo- se a válvula do vapor d’água, este vai conduzir a água, a uma grande velocidade, até encontrar um obstáculo, onde provoca um violento choque. Esse impacto severo, o martelo hidráulico, pode causar ruptura do material.


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(e) Manutenção

A eficiência do trocador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação são acumulados, dentro e fora dos tubos, depósitos de sais, oxi- dação, coque, areia, pó de coque, folhas, fibras vegetais, camadas de graxa, corpo de microorganismos, etc., prejudicando grandemente a troca de calor e a perda de carga do fluido.

O trocador de calor, que durante a operação diminui sua eficiência, deve ser inspecionado e limpo durante a parada da unidade, ou mesmo imediatamente, caso seja possível.

(e.1) Principais processos de limpeza

Limpeza por água em contracorrente Para condensadores e resfriadores que utilizam água salgada não tratada como fluido refrigerante. O processo consiste em inverter o fluxo d’água nos tubos com o equipamento em operação, possibilitando a remoção dos detritos presos aos tubos, através de dreno apropriado.

Limpeza por vapor (steam out) O trocador de calor é retirado de operação sem ser desmontado. Alinha-se vapor pelo casco e pelos tubos de forma a entrar por um respiro e carregar a sujeira por um dreno. Esse método é eficiente para remover camadas de graxa ou depósitos nos tubos e no casco do trocador.

Limpeza química Consiste na circulação, em circuito fechado, de uma solução ácida adicio- nada de um inibidor de corrosão. A solução desagrega os resíduos, e o inibidor impede o ataque do metal pela solução. Após a limpeza, é feita a neutralização mediante tratamento com uma solução alcalina fraca seguido de abundante circulação de água.


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Limpeza mecânica O pessoal de manutenção desmonta os carretéis. Camadas de graxa, lama e sedimentos podem ser removidos dos tubos por meio de arames, escovas, ou jatos d’água. Se os tubos estão entupidos por sedimentos muito agregados, então são usadas máquinas perfuratrizes. Estas constam, essencialmente, de um eixo metálico que, girando dentro dos tubos, expulsa os detritos.

(f) Testes

Após a parada para inspeção e manutenção dos trocadores de calor, há necessidade de submetê-los a teste de pressão a fim de verificar a resistência mecânica das juntas soldadas, da mandrilagem dos tubos nos espelhos e a estanqueidade dos dispositivos de vedação.

Os testes de pressão podem ser efetuados com água (hidrostático). Quando isso não for possível, poderá ser feito o teste pneumático. As pressões de teste são definidas pelo código ASME. O casco e o feixe deverão ser testados separadamente.

No teste do casco, poderão, em geral, ser localizados os seguintes vazamentos:

· mandrilagem dos tubos; · junta entre casco e espelho fixo; · tubos; e · casco e suas conexões.

O teste do feixe permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes pontos: · junta da tampa do carretel; · junta entre carretel e espelho fixo; · junta da tampa flutuante; e · carretel, sua tampa e conexões.


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[Fornos

Os fornos têm a finalidade de fornecer o calor produzido pela queima de combustíveis ao fluido que circula numa serpentina de tubos em seu interior. São equipamentos de grande importância técnica nas refinarias e nas indústrias petroquímicas, pois a utilização de chama proveniente da queima de combustíveis ainda é a melhor maneira de se fornecer a grande quantidade de energia necessária para elevar grandes vazões de fluido a altas temperaturas, viabilizando as operações de destilação e de craqueamento, entre outras.

De toda a energia consumida por uma unidade média, 75% a 80% são obtidos por meio de queima de derivados combustíveis nos fornos e caldeiras.

São também equipamentos de grande importância econômica, pois os fornos de aquecimento, por exemplo, representam cerca de 20% do investimento total em uma unidade de destilação e, no caso dos fornos reatores, essa parcela é bem maior, pois se constituem em um dos principais equipamentos de suas unidades. Devem ser contabilizados também os custos dos combustíveis.

Cabe destacar a necessidade, cada vez mais acentuada, de melhor projetar e operar os fornos, tendo em vista os crescentes custos dos combustíveis consumidos, as necessidades de redução das emissões de gases poluentes e, ainda, a necessidade de manter a operação dos fornos segura.


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(a) Classificação quanto à utilização

(a.1) Fornos de aquecimento

· Preaquecedores de carga de torres fracionadas: são bastante comuns em unidades de processos. A carga, usualmente líquida, é preaquecida em trocadores de calor a fim de se obter o melhor rendimento térmico da unidade, saindo do forno parcialmente vaporizada.

· Refervedores de torres fracionadas: o fluido sai do fundo da torre de destilação, circula pelo forno e retorna à torre parcialmente vaporizado e ligeiramente aquecido. Refervedores são encontrados em refinarias de petróleo, por exemplo, nas torres de pré-flash.

· Aquecedores de carga de reatores: elevam a temperatura da carga ao nível necessário para que ocorra a reação química em um reator a jusante do forno. Nesse caso, enquadram-se, por exemplo, os fornos existentes em unidades de reforma catalítica e hidrocraqueamento.

(a.2) Fornos reatores

Nessa categoria de fornos, estão aqueles em cujas serpentinas ocorrem reações químicas. Geralmente, esses fornos são especialmente projetados em função de cada aplicação, e seus projetistas procuram patenteá-los. Constituem-se em equipamentos de alto custo e tecnologia sofisticada. Exemplos:

· Reformadores para unidades de hidrogênio e amônia: a carga, geralmente gás natural ou nafta, reage com vapor d’água, nos tubos do reformador, produzindo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono.

· Fornos de pirólise: a carga consiste principalmente em hidrocarbonetos saturados, que são aquecidos a altas temperaturas e baixas pressões, produzindo hidrocarbonetos insaturados como etileno, propileno, butadieno, etc.


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(b) Principais partes de um forno

Devido à diversidade de aplicações e à especificidade requerida por cada uma, principalmente em função das diferentes cargas, cada forno tem um projeto específico para sua aplicação (algumas empresas possuem produtos standard para casos especiais). Isso acarreta muitas variações no leiaute, no projeto e no aspecto construtivo dos fornos.

(b.1) Câmara de combustão

É a seção onde se processa a queima do combustível.

(b.2) Seção de radiação

É praticamente a mesma seção de combustão, onde os tubos são diretamente expostos à radiação da chama.

(b.3) Seção de convecção

Nessa seção, os tubos não são diretamente expostos à radiação da chama. Entram em contato com os gases quentes vindos da câmara de combustão. Por ser menos quente que a anterior, é a seção de entrada de carga.

Em alguns projetos, para aproveitar o calor remanescente dos gases, no topo dessa seção são instaladas serpentinas de preaquecedores de ar, de combustíveis, de vapor ou de fluidos para outros fins.

(b.4) Serpentina

Compreende o conjunto de tubos consecutivos através dos quais o fluido passa dentro do forno nas seções de radiação e convecção. O número de passes pode ser diferente para cada seção.


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(b.5) Chaminé

Montada sobre a câmara de combustão, é a parte responsável pela tiragem e descarga dos gases.

(c) Combustíveis

Em refinarias, normalmente se utilizam como combustíveis os fluidos disponíveis como os gases das unidades de craqueamento ou o resíduo de vácuo, preferencialmente frações de baixo valor comercial. São usados também combustíveis comprados de fornecedores como o diesel e o gás natural. Os fornos podem ser classificados quanto ao combustível queimado: a óleo, a gás ou ambos.

(d) Construção dos fornos

Observe a Figura 1 abaixo.

Figura 1 - Fornos


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(d.1) Estrutura e carcaça metálica

Ela sustenta todo o peso do forno (refratários, serpentinas, chaminés, acessórios, etc.) e ainda os esforços devidos aos ventos. Observa-se que a estrutura não está sujeita às altas temperaturas dos gases de combustão, sendo protegida pelos refratários.

As chapas que formam a carcaça metálica apóiam-se na estrutura, servem para sustentar os refratários e para garantir a estanqueidade do forno, não permitido a entrada do ar. Elas geralmente são formadas por chapas de aço carbono de 3/16" ou 1/4" e de perfis diversos.

(d.2) Refratários

Finalidades · irradiar o calor não absorvido pelos tubos de volta para dentro da

câmara, evitando perdas de calor para o exterior; e · isolar a câmara de combustão dos elementos estruturais e evitar

que os gases de combustão atinjam as chapas da carcaça metálica, onde se condensariam, formando ácidos corrosivos (contêm compostos de enxofre).

Propriedades requeridas · capacidade de resistir a altas temperaturas; · resistência mecânica elevada; · resistência a choques térmicos e mecânicos (não trincar e perder

massa); · resistência à erosão; e · resistência a ataques químicos de ácidos, bases, metais, etc., que

podem ser encontrados nos gases de combustão de óleos combustíveis.

Principais tipos de materiais refratários e isolantes · tijolos refratários (paredes, teto e ao redor dos queimadores); e · argamassa ou concretos refratários (piso e dutos).


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(d.3) Serpentina

Constitui-se de vários tubos interligados entre si por meio de cur vas e de cabeçotes. Pode ter vários passes, ou seja, o fluxo do produto pode ser

dividido em duas ou mais tubulações de passagens independentes. O número de passes pode ser diferente em cada seção e normalmente são distribuídos

nas seções, dividindo-as em áreas.

Partes da serpentina

Tubos Os tubos são geralmente colocados próximo às paredes laterais e ao teto da câmara de combustão. Quanto ao arranjo, na seção de radiação procura-se espaçar os tubos para obter uma boa distribuição do calor; na seção de convecção, procura-se aproximar os tubos de maneira a obter uma alta velocidade dos gases e, portanto, uma troca térmica mais eficiente.

Eles podem ser lisos e aletados ou pinados, fabricados de aço-carbono, aço-liga, cromo ou aço inoxidável. Os diâmetros dos tubos de convecção são, geralmente, menores que os de radiação.

Tipos de tubos

Tubos de radiação Os tubos da seção de radiação são sempre lisos, pois a utilização de tubos aletados em uma seção em que as taxas de transmissão de calor são elevadas provocaria a formação de pontos quentes nos tubos e acarretaria a falha prematura do material.

Tubos de convecção Os tubos da seção de convecção são geralmente aletados ou pinados e têm a finalidade de aumentar a área de contato do tubo com os gases quentes.


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No Brasil, devido à utilização de óleos combustíveis pesados, a escolha recai nos tubos pinados, que apresentam menor tendência a reter cinzas em relação aos aletados. As duas primeiras filas de tubos de convecção são sempre lisas por estarem sujeitas, também, à troca de calor por radiação. Os tubos que formam essas duas primeiras filas são denominados “tubos de proteção” ou “tubos-escudo”.

Curvas e cabeçotes de retorno A utilização de cabeçotes de retorno mandrilados tem por finalidade a aplicação de limpeza mecânica interna aos tubos dos fornos que trabalham com fluidos sujeitos a grande incrustação e coqueamento. A utilização de cabeçotes de retorno requer que estes sejam instalados externamente à câmara de combustão para evitar altos fluxos de calor. A caixa que contém os cabeçotes é denominada “caixa de cabeçotes”.

A limpeza através de vapor d’água e ar permite usar curvas de retorno, de custo bem mais baixo que o cabeçote. Essas cur vas são colocadas nas extremidades dos tubos. Quando se utilizam curvas de retorno, elas podem localizar-se dentro da câmara. Na seção de convecção, recomenda-se a instalação de cabeçotes e curvas de retorno externamente à câmara e em caixas de cabeçotes. Quando colocados internamente, favorecem a formação de caminhos preferenciais para os gases de combustão.

Suportes dos tubos Eles são projetados para suportar os pesos dos tubos e do fluido, e os esforços devidos à dilatação térmica e ao gradiente de temperatura ao longo de sua altura. São normalmente fabricados de ligas de cromo (Cr) e níquel (Ni), chamadas de “aços refratários”.

Os suportes não são resfriados, como ocorre nos tubos que são “resfriados” pelo fluido em escoamento. Por isso, são normalmente revestidos com argamassa refratária. As serpentinas verticais são simplesmente suportadas pelo topo e guiadas por pinos soldados às curvas de retorno e ao fundo.


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(d.4) Chaminé

A chaminé tem como finalidade lançar os gases de combustão a uma altura tal que provoque a dispersão dos mesmos e/ou os direcione para outros acessórios, visando o aproveitamento do calor remanescente, o tratamento e o envio para a atmosfera, etc. Tem como propósito ainda fornecer a tiragem necessária, isto é, permitir que, por diferença de densidades, os gases subam e succionem o ar para a combustão, mantendo todo o forno com pressões levemente negativas a fim de evitar fugas de gases pelas paredes, o que poderia aquecer a estrutura do forno.

O ajuste do perfil de tiragem do forno é feito pelo “abafador ” (damper) instalado na saída da chaminé. É uma peça basculante que abre e fecha a passagem como uma válvula. A tiragem é definida como o fluxo de gases que atravessam o forno (gerando uma perda de carga e, conseqüente, queda de pressão em cada seção do forno). Quando a própria chaminé consegue vencer as perdas de carga e garantir o fluxo, este processo é denominado “tiragem natural”. Quando a chaminé não é suficiente, instalam-se sopradores de ar, sendo o processo denominado de “tiragem forçada”.

(d.5) Sistemas de alimentação

É composto pelos sistemas de distribuição (anéis), de gás combustível, de óleo combustível, de vapor de atomização, além do anel de vapor de abafamento (para purga do forno) e dos dutos e sopradores de ar no caso da tiragem forçada. As pressões de fornecimento do óleo e do gás devem ser constantes.

(d.6) Queimadores

Em linhas gerais, possuem maçaricos para óleo, para gás, ou para ambos (chamados de “combinados”, pois queimam óleo, gás ou os dois simultaneamente).


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O “bloco refratário” é um conjunto isolante de forma circular no interior do qual a chama dos maçaricos se projeta para o interior da câmara.

A admissão de ar pode ser primária e/ou secundária.

O “maçarico a gás” recebe o gás e o distribui por um anel, saindo pelos tubos de gás.

O “maçarico a óleo” atomiza o óleo e o direciona. Ele é formado por: · caneta - dois tubos concêntricos que conduzem o óleo e o vapor

para o atomizador; · atomizador - câmara onde o óleo é dispersado pelo vapor; · bicos, de óleo e de gás - orientam as misturas combustíveis e

distribuem o formato da chama; e · piloto - são maçaricos a gás de baixa capacidade que fazem a

ignição dos maçaricos principais e evitam seu apagamento.

(d.7) Sopradores de fuligem

Durante a operação do forno, verificam-se depósitos de fuligem nos tubos, principalmente os aletados e pinados, resultantes da queima do óleo combustível (enxofre, vanádio, sódio e cinzas). Essa fuligem tem de ser retirada, pois atua como um isolante e pode causar corrosão.

Os sopradores de fuligem executam a limpeza, incidindo jatos de vapor d’água entre os tubos. Essa limpeza deve ser efetuada periodicamente.

(e) Principais tipos de fornos

A principal classificação dos fornos é baseada na posição dos tubos nas seções e na forma da carcaça metálica externa.


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Quanto ao formato básico da carcaça, os fornos podem ser: · cilíndricos; e · caixas.

Quanto à posição das serpentinas nas seções, os fornos podem ser: · horizontal - os tubos das serpentinas nas seções de radiação e

convecção são montados na horizontal; · vertical - os tubos das serpentinas nas seções de radiação e

convecção são montados na vertical; e · misto - os tubos das serpentinas na seção de radiação são montados

na vertical e na seção de convecção, na horizontal.

Os fornos verticais exigem menor área para construção e, em geral, levam a um menor investimento.

(e.1) Cilindro vertical sem seção de convecção

Nesse tipo de forno, os tubos são posicionados verticalmente ao longo da câmara de combustão de formato cilíndrico. Os queimadores são posicionados no piso do forno. São fornos de baixa eficiência e de baixo custo.

Atualmente, estes fornos (chamados “all radiant”) têm pequena aplicação devido à sua baixa eficiência, contrapondo-se aos altos preços do petróleo. No entanto, podem ser utilizados em serviços de operação esporádica como fornos de partida.

(e.2) Cilindro vertical com seção de convecção horizontal

Esses tipos de fornos possuem as seções de radiação e convecção. Na seção de radiação, os tubos são dispostos verticalmente ao longo da câmara de combustão. Na seção de convecção, eles são arranjados horizontalmente e posicionados acima da câmara de combustão. Essa configuração permite um projeto econômico e altamente eficiente com um mínimo de área de construção.


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(e.3) Cabine com tubos horizontais

Nesse tipo, enquadra-se a grande quantidade de fornos de aquecimento da atualidade. Os tubos são arranjados horizontalmente tanto na câmara de combustão, quanto no teto inclinado e na seção de convecção. Os queimadores podem ser colocados no piso ou nas paredes verticais não- cobertas pelos tubos.

Esse é um projeto econômico, com alta eficiência e bastante comum em unidades de processos, principalmente na destilação de petróleo.

(e.4) Caixa com câmaras de combustão independentes

Nesse tipo, os tubos da seção de radiação são arranjados horizontalmente ao longo das paredes laterais e dos tetos das duas câmaras de combustão. A zona de convecção fica situada na parte superior, ficando os tubos também na posição horizontal. A parede divisória permite um controle de combustão independente das câmaras. Os queimadores são posicionados no piso do forno. É também um projeto econômico e com alta eficiência.

(e.5) Caixa com queimadores nas paredes

Nesse tipo, os tubos da seção de radiação são arranjados horizontalmente ao longo das paredes laterais e do teto da câmara de combustão. Os tubos da seção de convecção são também horizontais e posicionados acima da câmara de combustão. Os queimadores são montados nas paredes laterais não-cobertas pelos tubos.


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(e.6) Cabine com altar

Ele é igual ao de cabine com tubos horizontais, porém possui uma parede divisória de refratários (altar), a qual separa a câmara de combustão em duas células independentes, e permite, assim, melhorar a distribuição de calor ao longo da altura da câmara de combustão, bem como controlar individualmente cada célula. Os queimadores podem ser colocados nas paredes ou no piso, sempre inclinados para o altar.

(f) Operação

Devido aos motivos já apresentados, procedimentos de trabalho (partida, parada, manutenção) e de segurança muito rigorosos devem ser seguidos na operação dos fornos. Os queimadores podem apresentar uma série de problemas que devem ser prontamente sanados, tais como:

· gás - maçarico apagando, capacidade insuficiente, péssima condi- ção de chama, retorno de chama, pulsação de chama, etc.; e

· óleo - gotejamento, dificuldades de ignição, depósitos de coque no bico do maçarico, fumaça excessiva etc.

Alguns exemplos de precauções operacionais · Vazão baixa ou queda de vazão temporária ou permanente são

causadoras da maioria dos casos de ruptura de tubos. · Queima excessiva e sobrecargas associadas a excesso de ar são

causadoras de danos em tubos e na estrutura. · Combustão retardada ou secundária, causada por queima incompleta,

pode superaquecer os materiais. · Falhas no suprimento de combustível aos maçaricos e acumulação

de vapores de hidrocarbonetos durante as paradas são as principais causas de incêndios e explosões.


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[Caldeiras

(a) Considerações gerais

Caldeiras são geradores de vapor constituídos por um conjunto de equipamentos que transformam água líquida em vapor à pressão acima da atmos- férica, numa temperatura igual ou maior do que a temperatura de saturação nessa pressão, mediante calor obtido da queima de um combustível.

A NR-13 é a norma do Ministério do Trabalho que regula a operação de caldeiras. Para efeito desta norma as caldeiras são classificadas em três categorias:

· Pressão igual ou superior a 19,98kgf/cm2. · Pressão igual ou inferior a 5,99kgf/cm2 e volume igual ou inferior a 100L. · Todas as outras não enquadradas nas outras categorias.

As caldeiras podem ser classificadas em diversos tipos, segundo as seguintes características: pressão, posição relativa dos gases e da água, combus- tível utilizado, posicionamento dos tubos e tipo de fornalha. Neste capítulo, nos deteremos mais especificamente nas caldeiras aquotubulares, uma vez que são as mais usadas por grandes indústrias.

O funcionamento de uma caldeira compreende dois fluxos submetidos ao calor da queima de um combustível: o fluxo de ar e gases e o fluxo de água e vapor. Esses fluxos para uma caldeira aquotubular estão representados esquematicamente nas Figuras 1 e 2 a seguir.


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Figura 1 – Fluxo esquemático numa caldeira - água e vapor

Figura 2 – Fluxo esquemático numa caldeira - ar e gases


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(a.1) Tipos de caldeiras e utilizações

As caldeiras podem ser classificadas segundo diversos critérios, além dos usados na NR-13 e citados anteriormente.

Quanto à localização relativa da água e dos gases: · flamotubulares; e · aquotubulares.

Quanto à energia empregada para o aquecimento: · elétricas; · caldeira à combustível sólido; · caldeira à combustível liquido; · caldeira à combustível gasoso; e · caldeira de recuperação.

Quanto à montagem: · pré-montadas (compactas); e · montadas no campo.

Quanto à pressão: · alta - 60 kgf/cm2 e acima; · média - 22 a 39kgf/cm2; e · baixa - 6 a 16kgf/cm2 .

Caldeiras flamotubulares

São aquelas em que os gases quentes da combustão fluem através da parte interna dos tubos e a água, por sua vez, banha estes tubos. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passes dos gases quentes através do mesmo. Esse tipo de caldeira pode ser vertical ou horizontal, com fornalhas externas ou internas. A grande vantagem dessa caldeira é o custo de aquisição e manutenção baixo.


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No entanto, este tipo de caldeira é inadequado para produzir grande quantidade de vapor, pressões elevadas e vapor superaquecido - o que exigiria arranjos especiais -, assim, ela é utilizada somente em pequenas indústrias, hotéis, restaurantes e sistemas de aquecimento.

Figura 3 – Caldeira flamotubular

Caldeiras aquatubulares

São aquelas em que, dentro de um tambor, os gases de combustão envolvem os tubos onde a água circula internamente. Essas caldeiras podem ser de circulação natural ou forçada, de um ou mais tambores, de tubos retos ou curvos. São unidades que operam em médias e altas pressões e com grandes capacidades. São util izadas em usinas de grande porte e termoelétricas.


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Figura 4 – Caldeira aquatubular

Caldeiras elétricas

Uma caldeira elétrica é constituída de um vaso de pressão contendo água e resistências elétricas imersas nesta água. A corrente elétrica ao atravessar a água encontra resistência e desprende calor (efeito Joule), vaporizando a água contida no vaso. Essas caldeiras se subdividem em: (1) resistência (baixa pressão e capacidade); (2) eletrodo submerso; e (3) jatos d’água (alta pressão e capacidade).

São bastante utilizadas em saunas, hotéis e restaurantes. A grande vantagem desse tipo de caldeira é a não emissão de gases e a sua desvantagem é o custo mais alto da energia elétrica.


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Figura 5 – Caldeira elétrica

Caldeiras a combustíveis sólidos

São caldeiras que utilizam combustível sólido, principalmente devido ao fato de estarem situadas em uma região onde esse tipo de combustível é abundante. São exemplos deste tipo as caldeiras a carvão, lenha e bagaço de cana. Essas caldeiras se diferenciam das outras pela sua fornalha, as quais podem ser projetadas para queima de combustível pulverizado, queima em grelha ou em leito fluidizado. São caldeiras que geram grande quantidade de rejeitos, exigindo, portanto medidas ambientais preventivas para o descarte e/ou reutilização dos rejeito.

Figura 6 – Combustível pulverizado


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Figura 7 – Grelha

Figura 8 – Leito fluidizado


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Caldeiras a combustível líquido

São caldeiras que trabalham com combustíveis derivados de petróleo como o óleo combustível e o diesel. Em razão de o combustível ser de fácil transporte, pode estar localizada em qualquer lugar. Para atingir a viscosidade correta para a queima e uma chama estável, o óleo necessita de aquecimento prévio e nebulização, nesta ordem. Por este motivo, a queima de óleo exige um tanque para armazenagem, um sistema de bombeamento e um sistema de aquecimento. A desvantagem desse tipo de queima é a possibilidade de corrosão nas partes frias da caldeira e a poluição atmosfé- rica causada pelos contaminantes presentes no óleo. Representam a maioria das caldeiras instaladas hoje em dia.

Caldeiras à gás

Pode ser utilizado o gás natural, o GLP, o gás de refinaria, o gás de cidade (Rio e São Paulo) e gases residuais de processo. Por ser um combustível que gera baixo nível de poluentes, não causa corrosão nas partes frias do equipamento. Por não necessitar de área de armazenamento, tem elevado rendimento energético. Pela disponibilidade de gás natural, que tem aumentado nos últimos anos, este tipo de caldeira tem sido preferida atualmente.

Caldeiras de recuperação

São caldeiras que aproveitam o calor sensível dos gases quentes residuais de processos industriais. Exemplos: caldeira de CO nas refinarias, ciclos combinados em turbinas a gás, nas fabricas de ácido sulfúrico para baixar a temperatura do SO até as condições exigidas pelo processo.


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Figura 9 – Ciclo combinado de turbinas a gás

(a.2) Partes de uma caldeira aquotubular

Tubulão superior (tambor de vapor)

É um tambor localizado na parte superior da caldeira, onde a água está em equilíbrio com o vapor saturado na temperatura de saturação correspondente à pressão do vapor. Recebe água de alimentação que é distribuída pelos feixes de tubos que saem do tubulão, para ser aquecida e transformada em vapor. O número de tambores é variável, mas por motivo de segurança a tendência é ter-se caldeiras com número cada vez menor de tambores.

Internos No interior do tubulão, há filtros de vapor constituídos de chapas corrugadas ou chicanas e ciclones dispostos ao longo do tubulão por onde passa o vapor saturado para o superaquecedor. Têm a finalidade de reter partículas líquidas ou sólidas arrastadas pelo vapor.


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Figura 10 – Filtros do tubulão superior

Purga de superfície Normalmente, são injetados produtos químicos no tubulão para tratamento da água da caldeira. Parte da água concentrada é removida com o objetivo de reduzir o teor de sais ou sólidos nela dissolvidos.

Tubulão inferior (tambor de lama)

É um tambor localizado na parte inferior da caldeira, de dimensões menores que o tubulão superior, cheio com água. Além de distribuir a água aquecida para ser transformada em vapor, tem como finalidade principal concentrar sólidos de densidade elevada, eventualmente contidos na água.

Purga de fundo Reduz a quantidade de sólidos e sais que se depositam em forma de lama acumulada no tubulão inferior. Recomenda-se a extração ou purga de fundo com a caldeira operando em baixa carga ou fora de operação a fim de se evitar problemas na circulação da água.


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Injeção de químicos Em algumas caldeiras são injetados produtos químicos para tratamento da água nesse tubulão. Para isto, normalmente, são utilizadas bombas alternativas capazes de vencer a pressão de operação do tubulão.

Feixe tubular

É um feixe de tubos interligando os tubulões superior e inferior. A troca de calor proveniente da câmara de combustão se dá por convecção. Os tubos de descida, contendo água, são chamados de downcomer e os de subida, contendo água e vapor, são chamados de risers. Estes feixes podem ser retos ou curvos e com fluxo de gases através deles de uma ou mais passagens.

Figura 11 – Feixe tubular

Paredes d’água

São paredes formadas por tubos aletados que também interligam os tubulões. Essas paredes formam um espaço vazio que chamamos de “fornalha”, onde é realizada a queima.


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Figura 12 – Paredes d’água

Circulação A circulação nas paredes e nos feixes pode ser de dois tipos: (1) natural, quando ocorre por diferença de peso especifico entre o liquido e o vapor ou; (2) forçada, quando é introduzida uma bomba no circuito. A diferença de peso específico entre líquido e vapor tende a ser tanto menor quanto maior for a pressão de operação. Na pressão critica (225,6kgf/cm2 – 374,1ºC) não há diferença entre as fases líquida e vapor. A circulação forçada só é usada em caldeiras de altíssima pressão (acima de 180kgf/cm2), onde a circulação natural fica prejudicada em função da pequena diferença entre os pesos específicos do líquido e do vapor. Normalmente, caldeiras com circu- lação forçada dispensam a instalação de tubulões.

Figura 13 – Diferencial de peso específico


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Superaquecedor

São superfícies de troca de calor que têm o objetivo de elevar o grau de superaquecimento do vapor saturado, visando aumentar a disponibilidade de energia contida no mesmo. Os tubos são convenientemente espaçados para que os gases de combustão circulem entre eles. Estes tubos devem ser de aço especial para resistir a altas temperaturas.

Tipos Os superaquecedores podem ser drenáveis ou não drenáveis. Podem ser ainda de convecção, radiação ou mistos conforme a zona de transferência de calor em que se encontrem. Os superaquecedores convectivos são normalmente instalados no trajeto dos gases de combustão e protegidos da incidência da chama direta. Os superaquecedores radiantes são normalmente instalados no topo da câmara de combustão. Nos superaquecedores radiantes, a temperatura tende a diminuir com o aumento da carga da caldeira. O contrário ocorre com os superaquecedores convectivos. Superaquecedores mistos são adotados para que não sejam tão afetados pelas variações de carga das caldeiras. Em algumas instalações, os superaquecedores são divididos em módulos ou está- gios de modo a simplificar a construção e facilitar a manutenção e o controle de temperatura do vapor.

Figura 14 – Superaquecedores


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Misto

Convectivo

Radiante

20 40 60 80 100

Carga (%)

Figura 15 – Efeito do aumento de carga sobre a temperatura por tipo de superaquecedor

Pré-aquecedores de ar a gases de combustão

São equipamentos que elevam a temperatura do ar para a combustão aproveitando os gases quentes que saem da caldeira aumentando assim a sua eficiência. A instalação dos pré-aquecedores reduz a temperatura de saída dos gases de combustão para valores mínimos. O limite desse valor está associado à possibilidade de formação de ácido sulfúrico proveniente do enxofre contido no combustível (em combinação com a umidade presente no ar), o que poderia causar rápida corrosão do metal. Os pré-aquecedores apresentam como vantagens: um menor excesso de ar, um aumento da eficiência da combustão e um aumento da temperatura de equilíbrio na fornalha, possibilitando maiores taxas de transferência de calor. Como desvantagens temos a possibilidade de ignição dos depósitos dos produtos de combustão, a necessidade de grandes superfícies de troca de calor devido a baixa condutividade do ar e dos gases de combustão, a exigência de maior


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potência para tiragem da caldeira devido a elevada perda de carga e a possibilidade de vazamento de gases devido a corrosão.

Tipos:

Tubulares Constituídos de um feixe tubular fixado em espelho e inserido em um invólu- cro metálico integrante da caldeira.

Regenerativos Constituídos de um motor de baixa rotação que faz girar um rotor inteira- mente metálico contendo um material de enchimento. O enchimento é cons- tituído por cestas contendo malha metálica, possuindo a função de trans- portador de calor. Em cada giro completo o conjunto recebe calor dos gases quentes e cede calor ao ar frio.

Saída de gases frios Entrada de ar

frio by pass

Saída de ar quente

Entrada de gases quentes

Fluxo contra corrente

de três passes

Figura 16 – Pré-aquecedor tubular


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Figura 17 – Pré-aquecedor regenerativo

Pré-aquecedores de ar a vapor

Têm a função de impedir que o ar chegue muito frio no pré-aquecedor de ar a gases de combustão causando a queda da temperatura para aquém do ponto de orvalho dos gases de combustão e conseqüente corrosão.

Pré-aquecedores de água de alimentação

Têm a função de elevar a temperatura da água próxima à temperatura de saturação para evitar possíveis tensões nos metais, queda de pressão no tubulão e aumento no rendimento da caldeira.

Tipos: São dois tipos, normalmente utilizados em série: (1) aquecimento com o uso do calor sensível dos gases de combustão – economizadores; e (2) aquecimento a vapor. Os economizadores ficam situados logo após a saída dos gases da caldeira, isto é, após o feixe tubular. Exigem grandes superfícies de troca de calor devido à temperatura baixa dos gases e seu baixo coeficiente de troca térmica. Apresentam as seguintes desvantagens: não devem ser operados com cargas baixas devido ao aumento da possibili-


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dade da ação corrosiva; acumulam maior quantidade de fuligem devido a maior perda de carga; e exigem que a temperatura da entrada da água de alimentação não deva ser inferior à temperatura do ponto de orvalho dos gases de combustão. O pré-aquecedor a vapor tem justamente a função de não permitir que a água chegue muito fria ao economizador. Algumas caldeiras não permitem a operação sem este preaquecimento.

Fornalha

Também chamada de câmara de combustão, é a parte da caldeira onde ocorre a combustão propriamente dita. De acordo com o tipo de combustível a ser queimado, as fornalhas podem ser classificadas em: (1) queima em suspensão; (2) queima em grelhas ou; (3) queima em leito fluidizado. As fornalhas de queima em suspensão têm aplicação mais abrangente, por permitirem a queima de óleo, carvão ou gás. As fornalhas com grelha ou leito fluidizado são usadas em unidades pequenas e projetadas apenas para combustíveis sólidos. As fornalhas para queima em suspensão são projetadas com um ou mais queimadores e com uma câmara com volume compatível com o tipo e quantidade de combustível que se deseja queimar.

Queimadores são equipamentos instalados na fornalha, destinados a promover a combustão do óleo, gás ou carvão pulverizado. De acordo com a posição dos queimadores, os principais tipos de fornalha são: (1) queima frontal, onde os queimadores são horizontais, colocados em uma das paredes da fornalha; (2) queima tangencial, onde os queimadores são horizontais, localizados nos vértices da fornalha; (3) queima vertical, onde os queimadores são verticais, localizados na parte superior ou piso da fornalha. Conforme a tiragem, forçada ou induzida, a fornalha pode ter pressão positiva ou negativa.


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Figura 18 – Disposição dos queimadores

Queimadores

São equipamentos destinados a introduzir continuamente o combustível e o ar dentro da fornalha, mantendo a combustão dentro de parâmetros neces- sários. O queimador é composto de registro e maçarico. Os registros regu- lam a quantidade de ar para os maçaricos dando forma à chama, proporcionando a queima completa e impedindo a incidência da mesma nos refratá- rios, tubos e suportes. O ar para os queimadores se divide em: (1) ar primário, que se mistura ao combustível antes da queima e; (2) ar secundá- rio, que se mistura ao combustível dentro da fornalha. O maçarico é o elemento que se destina a receber o combustível e atomizá-lo (dividir o combustível líquido em gotículas finas ou névoa). Há maçaricos para óleo combustível, diesel, gás, carvão pulverizado, entre outros. Os queimadores para gás combustível se dividem em: aspirantes e de queima direta. Os mais utilizados são os queimadores de queima direta, onde o gás é injetado,


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puro, diretamente na zona de combustão, através de bicos com furos de pequeno diâmetro. Esses bicos se distribuem ao redor do bloco refratário, em número variável, podendo chegar a oito ou mais bicos por queimador. Existem queimadores para um só combustível e queimadores combinados que podem queimar um ou mais combustíveis juntos. Alguns autores não recomendam a queima simultânea devido às diferentes exigências de ar para cada combustível, o que dificulta a regulagem da chama. Segundo esses autores, quando queimar apenas óleo em um queimador óleo/gás, os controles de ar secundário deverão permanecer fechados.

A atomização do combustível é conseguida através de um agente pulverizante que pode ser de pulverização mecânica, a vapor ou a ar. A pulverização mecânica requer alta pressão e baixa viscosidade no bico do maçarico. A pulverização a vapor requer vapor superaquecido e pressão de vapor ligeiramente maior que a pressão do óleo. Normalmente, é instalado um controlador de pressão diferencial (óleo/vapor) para garantir, durante todo o tempo, o diferencial de pressão pretendido. O vapor tem a vantagem de manter a temperatura do óleo, contribuindo assim para manutenção da viscosidade ideal de queima. A atomização a vapor pode ser de mistura externa, onde a mistura óleo/vapor se dá fora do maçarico, ou de mistura interna, onde a mistura óleo/vapor se dá dentro do queimador em uma câmara de mistura. O primeiro tipo só é usado para pequenas vazões de óleo. A atomização a ar é usada somente para combustíveis de baixa viscosidade.

O bloco refratário é um conjunto de tijolos de forma circular localizado na entrada da fornalha onde a chama do maçarico se projeta. O bloco refratário tem a função de manter a mistura homogênea, criar uma zona de alta temperatura através da irradiação do calor, facilitando a combustão e mantendo a forma da chama. A posição da lança do queimador em relação a esse bloco refratário deve ser de tal forma que o cone de óleo pulverizado, já em combustão, deva ser praticamente tangente ao bloco. O posicionamento errado da lança leva ao gotejamento e ao acumulo de óleo não queimado na fornalha, ocasionando uma situação de alto risco.


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Os queimadores devem possuir uma boa razão de redução de queima, ou turn-down ratio que é a medida de flexibilidade de variação de carga do queimador ou, ainda, a razão entre a liberação máxima e mínima de calor. Uma razão de 3/1 significa que o queimador é capaz de operar no máximo com até 3 vezes a sua capacidade mínima de liberação de calor. Os maçaricos a gás têm esta medida bem maior que os maçaricos a óleo.

Outros conceitos importantes são o “retorno de chama”, fenômeno que ocorre quando a velocidade de propagação da chama é maior que a velocidade de saída da mistura ar/combustível, fazendo com que a chama venha a ocorrer dentro do queimador, e não na distância projetada (normalmente em cargas baixas). O “deslocamento da chama”, fenômeno contrário do retorno, isto é, que ocorre quando a velocidade da mistura combustível/ar é muito maior do que a de propagação da chama, causando um afastamento da mesma (normalmente em cargas altas).

Finalmente, existem os queimadores de alta eficiência, que foram desenvolvidos visando queimar combustíveis pesados com baixo teor de excesso de ar e baixo nível de NOx. Esses queimadores têm, ainda, uma alta razão de redução de capacidade e alta capacidade de liberação de calor. Esses queimadores podem ser divididos em queimadores com recirculação interna e externa. Os queimadores com recirculação interna se caracterizam por terem um escoamento rotativo turbulento na chama de maneira que ocorre o retorno de parte dos gases de combustão no interior da mesma. Nos demais, a recirculação é feita captando esses gases da câmara de combustão e retornado-os para o queimador.


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óleo

vapor vapor

óleo vapor

óleo

óleo óleo

vaporvapor óleo

óleo

Tipo P Tipo Y

Figura 19 – Configurações de atomização de óleo por mistura interna

Bloco refratário secundário

Registro de ar Secundário

Queimador de gás

Entrada de gás Lança de óleo

Entradas de óleo combustível e fluído de atomização

piso do forno

gás piloto

Bloco primário

Registro de ar primário

Entrada de gás piloto Manopla de atarrachar a lança

Figura 20 – Queimador combinado e ângulo da chama


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Figura 21 – Ar primário e secundário

Figura 22 – Queimador combinado de alta eficiência de recirculação interna


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Figura 23 – Esquema de chama de um queimador com recirculação interna

Figura 24 – Queimador com recirculação externa


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gás

chaminé

2

1 12 10 3

16 4 11 15

5 17 7 6

Caldeira Aquotubular 1.Água de Alimentação 2.Vapor Superaquecido 3.Superaquecedor primário 4.Superaquecedor secundário 5. Queimador 6.Queimador 7.Visor da Chama 8.Boca de visita 9.Soprador de fuligem 10.Soprador de fuligem 11.Soprador de fuligem 12.Tubulão de vapor 13.Tubulão de água 14.Visor da chama 15.Boca de visita 16.Boca de visita 17.Boca de visita

13 9 8

Figura 25 – Partes de uma caldeira aquatubular

(a.3) Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira

Dispositivo de água de alimentação

Injetores Utilizam o próprio vapor da caldeira como meio de impulsão da água. São usados em instalações pequenas ou como alimentador de emergência nas grandes instalações.

Bombas de Alimentação Podem ser de dois tipos, abaixo apresentadas.

Alternativas Permitem acionadores de diferentes fontes de energia. Sua vazão é limitada a 50t/h. Apresentam, como inconveniente, a possibilidade de arraste de óleo lubrificante.


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Centrífugas São bombas de alta pressão, múltiplos estágios, recalcando de um tanque com pressão positiva (normalmente desaerador), recirculação em caso de baixas vazões e descarga em um coletor com pressão superior à pressão no tubulão da caldeira. A capacidade dessa bomba deve ser tal que lhe permita atender com folga a capacidade máxima da caldeira. Por sua importância, qualquer falha pode representar a parada da caldeira. Assim, normalmente é utilizada mais de uma bomba com diferentes acionadores.

Figura 26 – Bomba centrifuga de múltiplos estágios

Visores de nível

Equipamento baseado no principio dos vasos comunicantes, que permite ao técnico de operação observar diretamente o nível de água da caldeira. É de tal importância que a NR-13 não permite a operação de uma caldeira sem visor de nível. São redundantes, possuindo válvulas de bloqueio e drenagem para que um deles possa ser liberado para manutenção.


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Figura 27 – Visores de nível

Sistema de controle de nível

Este controle é feito variando a água de alimentação da caldeira. Existem vários tipos de controle de nível. Alguns deles muito simples, como o que somente liga a bomba de água de alimentação (sistema de bóia) ou abre a válvula de alimentação (sistema de eletrodos) quando o nível cai. Esses tipos de controle só funcionam em instalações com vazão de vapor muito baixa. Em instalações de médio e grande porte, é comum o uso de transmis- sores de pressão diferencial com transdutores e instrumentação (controladores) pneumática ou elétrica.

Esses controladores, por sua vez, irão atuar na válvula de admissão de água.


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Figura 28 – Controle de nível

Indicadores de pressão

Os indicadores de pressão, também chamados manômetros, são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores. A NR-13 não permite a operação sem um instrumento que indique a pressão de vapor. O sistema de alimentação de combustível é controlado em função da pressão na caldeira. Toda caldeira tem uma pressão de trabalho normal e uma pressão máxima de trabalho admitida (PMTA) ou permitida (PMTP). Essa pressão é o maior valor de pressão compatível com o código de proje- to, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. A NR-13 exige que a PMTA definida para cada caldeira não seja ultrapassada.


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Figura 29 – Indicadores de pressão

Dispositivos de segurança

Fusível térmico Também chamado “fusível tampão”, consiste de um parafuso com um furo no centro preenchido com uma liga de metal de baixo ponto de fusão. Quando a temperatura aumenta, ocorre a fusão do material provocando o escape de vapor pelo orifício, o que causa um barulho intenso.

Válvulas de segurança São válvulas calibradas para abrir a uma pressão definida evitando sobre- pressões perigosas na caldeira. A NR-13 exige que as válvulas de segurança abram a uma pressão igual ou inferior a PMTA e no caso de caldeiras com superfície de aquecimento superior a 47m2, estas devem possuir duas válvu- las de segurança. Nesse caso, é permitido um acréscimo de pressão durante a descarga, ficando as duas válvulas abertas de no máximo 6% da PMTA. Normalmente, quando em número de duas por caldeira, uma no tubulão e


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outra na saída de vapor da caldeira, as válvulas devem abrir numa seqüên- cia pré-determinada. Isso evita a falta de fluxo no superaquecedor, o que danificaria o mesmo.

Figura 30 – Válvula de segurança

Intertravamento São dispositivos destinados a proteger a caldeira e o sistema em caso de alguma anormalidade. Atuam normalmente apagando a caldeira. Utilizam elementos sensores e relés. O elemento final de proteção são as válvulas de combustível. As proteções são necessárias devido, por exemplo, aos seguintes fatos: · nível baixo; · pressão baixa nos combustíveis; · baixa vazão de ar; · alta temperatura do vapor na entrada do desuperaquecedor; · falha de chama; e · parada dos ventiladores.


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Válvulas de fechamento rápido, operadas por intertravamento: São válvulas mantidas abertas, ou fechadas, quando determinadas condições são satis- feitas. Faltando uma destas condições, por meio de um sinal elétrico, esta válvula irá fechar ou abrir. No projeto dessas válvulas, é previsto que, em caso de falta total de energia, a válvula vá para a posição mais segura.

Figura 31 – Válvulas de fechamento rápido

Detectores de chama São dispositivos sensibilizados pela luz da chama do queimador. Quando esta chama se apaga, o detector desencadeia, automaticamente, uma série de operações visando a segurança da caldeira. Fechar a válvula de combus- tível para aquele queimador, por exemplo, é a mais usual. O princípio de funcionamento desses detectores consiste na emissão de fótons durante a combustão, que percorrem uma distância suficiente para atingir uma super- fície fotossensível. O resultado obtido altera o fluxo de elétrons do sensor cujo sinal é amplificado para operar um relé.

Existem três tipos de detectores óticos: (1) os sensores de luz; (2) os sensores infravermelhos e; (3) os sensores ultravioleta. Os sensores ultravioleta apresentam maiores vantagens em relação aos outros, tais como: são adequados a todos os combustíveis, não são influenciados por refratário incandescentes e se adaptam a todos os queimadores.


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2

Figura 32 – Detectores de chama

Analisadores Hoje, a tendência é dispormos todos os analisadores em linha. Estes analisadores possuem tempo de resposta curta e indicação contínua. Os analisadores de O mais usados são os paramagnéticos e os de óxido de zircônio. Os analisadores de CO e CO2 baseiam-se na absorção dos raios infravermelhos por estes gases. São exemplos de analisadores: · O2 – excesso de ar nos gases de combustão (teste de Orsat); · CO – gases de combustão; · CO2 - gases de combustão; · pH – água da caldeira; · condutividade – água da caldeira; · sílica – água da caldeira.

Dispositivos auxiliares

Pilotos São equipamentos destinados a acender o queimador principal. São queimadores de dimensões reduzidas com combustível de fácil ignição. Fun- cionam com gás combustível ou GLP e um ignitor para produzir o faiscamento para o acendimento do piloto. Esse ignitor consiste em dois eletrodos onde é estabelecida uma diferença de potencial (aproximadamente 10.000 volts), que forma um arco voltaico que será a fonte de ignição.


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Figura 33 – Piloto

Desaeradores São equipamentos de dupla função. Além de aquecerem a água na entrada da caldeira, promovem a remoção dos gases dissolvidos, nocivos às partes sob pressão. Esse processo é realizado ao fazer a água passar em contracorrente com um fluxo de vapor que aquece a água e os gases nela contidos. Por serem mais voláteis, esses gases são arrastados junto com o vapor para a atmosfera.

Sistema de óleo

Para manter as condições adequadas para o transporte e queima do óleo, o sistema é composto por:

Tanque de óleo Para armazenamento do óleo a ser consumido. Conforme o óleo a ser queimado, esse tanque deve ter um sistema de aquecimento, para que o óleo mantenha suas características. Um cuidado especial deve ser tomado com tanques que trabalhem com temperatura superior a 100ºC para evitar o


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Viscosidade a 50ºC (SSF)

600 900

2.400 10.000

300.000 1.000.000

Faixa de temperatura mínima no tanque (oC)

52-65 57-67 65-75 75-85

110-120 130-140

arraste de água para o interior do tanque, o que ocasionaria a instantânea vaporização da água. A água, ao vaporizar na pressão atmosférica, aumenta o seu volume em 1700 vezes, o que pode ocasionar a explosão do tanque. Outro cuidado diz respeito à temperatura máxima a que o tanque pode ser submetido. Essa temperatura é de 180ºC. Acima dela, ocorre a formação de sulfeto de ferro no costado do tanque. Quando o tanque está esvaziando, há a entrada de ar em seu no interior, ocasionando o risco da combustão espontânea do sulfeto, o que pode gerar a explosão do tanque. Quando for impossível manter o tanque abaixo de 180ºC, faz-se necessário providenciar uma selagem com gás inerte acima do líquido.

Tabela 1 – Temperatura mínima de armazenagem de óleo combustível

Tipo de óleo

1A/1B 2A/2B 3A/3B 4A/4B 7A/70B 8A/8B

Permutadores de óleo Para que o óleo tenha a viscosidade necessária para a queima, é necessário aquecê-lo a uma determinada temperatura. A faixa ideal de viscosidade, quando se usa vapor ou ar como atomização, é de 32 a 64cSt no bico do queimador (150 a 300SSU). O mais indicado é obter, através de análise de laboratório, duas viscosidades diferentes e, traçando a curva de viscosidade em gráfico apropriado, localizar nela o valor de viscosidade recomendado pelo fabricante e a temperatura ideal para a queima.


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Figura 34 – Gráfico de viscosidade x temperatura da ASTM

Caso não seja possível obter a viscosidade ideal de queima, especificada pelo fabricante, pode-se usar as temperaturas da Tabela 2 para queimadores com nebulização a vapor ou a ar.


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Faixa de temperatura

113-124ºC 120-131ºC 136-143ºC 152-165ºC 190-200ºC 200-221ºC 300-320ºC

Tabela 2 – Temperatura ideal no bico do queimador

Tipo de óleo

1A/1B 2A/2B 3A/3B 4A/4B 7A/7B 8A/8B 9A/9B

Bombas de óleo Usadas para manter o suprimento de óleo para os maçaricos. Devem ser mais de uma e com acionamento diferenciado. Quando temos mais de uma caldeira, devemos ter um circuito fechado com controle de pressão através de retorno para tanque ou sucção da bomba. A viscosidade do óleo deve ser a indicada na Tabela 3 para manter um bombeamento ideal.

Tabela 3 - Viscosidades a serem mantidas na sucção da bomba

Característica do bombeamento

Bombeamento possível

Bombeamento fácil

Viscosidade em SSU

5.000 – 10.000 2.000 – 5.000

Viscosidade em cSt

1.100 – 2.150 400 – 1.100


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Figura 35 – Esquema simplificado de um sistema de óleo

Sopradores de fuligem São aparelhos destinados a remover a fuligem depositada nos tubos durante a operação normal da caldeira. Essa fuligem, ao se depositar sobre os tubos, atua como isolante provocando sensível queda de transmissão de calor. Os sopradores de fuligem, também conhecidos como ramonadores, são divididos em fixos e retráteis e são constituídos basicamente de um tubo perfurado conectado a uma rede de vapor. A esse tubo é impressa uma rotação lenta, e nos casos dos ramonadores retráteis, também um deslocamento longitudinal. O vapor que escapa em alta velocidade pelos furos varre a zona do feixe tubular arrastando a fuligem.


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Figura 36 – Soprador retrátil

Figura 37 – Soprador fixo

Válvulas e acessórios de tubulações

Válvulas de bloqueio Servem para interromper o fluxo nas tubulações. As mais usadas em caldeiras são: retenção, globo e gaveta. As válvulas de retenção têm a finalidade de impedir o retorno do fluxo. Algumas caldeiras usam válvulas globo-reten- ção na saída da caldeira. Elas permitem a vazão de todo vapor produzido pela caldeira, embora, manualmente, totalmente aberta (globo), só permi- tam a passagem do vapor quando a pressão da caldeira for ligeiramente superior à do coletor de saída (retenção). Outras caldeiras usam válvulas com acionamento motorizado na saída da caldeira e no superaquecedor. Elas são usadas na partida e na parada da caldeira.


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A válvula de purga de superfície, situada no tubulão superior, e a válvula de purga de fundo, situada no tubulão inferior, possuem bloqueios duplos em série, onde a primeira válvula (mais próxima do tubulão) opera totalmente aberta ou fechada, sendo na segunda, então, feito o controle. No caso da purga de fundo, a válvula de controle é uma válvula de ação rápida. Também merecem destaque as válvulas vent, situadas em diversos pontos da caldeira. Também são muito usuais as válvulas operadas por intertravamento.

Figura 38 – Válvula globo e Figura 39 – Válvula gaveta

Figura 40 – Válvula de retenção


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Válvulas de controle Nas caldeiras, as principais válvulas de controle são as pneumáticas, operadas da sala de controle. Essas válvulas controlam: a água de alimentação, a temperatura do vapor, os combustíveis, o vapor de atomização e o ar para a combustão (dampers). São também válvulas de controle as válvulas motorizadas de partida da caldeira (tubulão e superaquecedor) e as válvulas de purga de superfície no tubulão superior e de purga de fundo no tubulão inferior.

Purgadores São dispositivos automáticos que têm a finalidade de eliminar o condensado que se forma nas linhas de vapor e nos equipamentos de aquecimento sem deixar escapar vapor. Lembramos que seu funcionamento é muito importante, pois se o mesmo não estiver funcionando, pode acumular condensado e ocasionar martelo hidráulico. Isso pode danificar as linhas e equipamentos. Ainda, se o purgador estiver dando passagem direta de vapor, estaremos perdendo rendimento no ciclo térmico, pois a maior troca térmica ocorre quando há mudança de estado.

PURGADOR BIMETÁLICO

Figura 41 – Purgadores


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Filtros São acessórios destinados a reter quaisquer tipos de impurezas presentes no fluido. Usados em linhas de óleo e antes de purgadores para evitar entupimentos.

TAMPA

ENTRADA

SAÍDA

CESTA DE TELA

DRENO

Figura 42 – Filtro de óleo

Juntas de expansão São acessórios destinados a absor ver total ou parcialmente as dilatações térmicas das tubulações.

Tubulações Em um sistema de caldeiras temos linhas para água de alimentação, óleo combustível, gás, condensado, vapor e drenagem. Essas linhas têm os mais diversos diâmetros e devem ser identificadas no limite de bateria. As linhas de água, óleo, vapor e condensado devem ser isoladas para evitar a perda de calor para o ambiente. Além do isolamento, as linhas de óleo exigem o tracejamento com vapor, ou elétrico, para garantir a circulação e a viscosidade no bico do queimador. As linhas de vapor exigem ainda cur vas de dilatação e purgadores nos pontos baixos para evitar os golpes de aríete. As linhas de drenagem servem para reaproveitamento de vapor em um tanque de expansão ou concentrar essas drenagens em um só lugar com o objetivo de controlar o meio ambiente. As linhas de condensado retornam para reaproveitamento do mesmo.


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Tiragem

Para que haja combustão, é necessário que se tenha um fluxo contínuo de ar na fornalha e uma contínua saída de gases na chaminé passando através da zona de convecção. A diferença de pressão entre a fornalha e a chaminé produz a tiragem. A tiragem pode ser classificada em:

Tiragem natural Produzida pela diferença de densidade entre os gases quentes e o ar frio. Essa diferença de densidade é provocada pela chaminé, ou melhor, pela

diferença de pressão entre a base e o topo da chaminé em função da diferen- ça de temperatura dos gases de combustão. Esse tipo de tiragem promove

uma pressão negativa na fornalha.

Tiragem mecânica forçada Consiste de um ventilador localizado à montante da caldeira, insuflando o ar de combustão para a fornalha. Esse tipo de tiragem promove uma pres- são positiva na fornalha.

Tiragem mecânica induzida Consiste de um exaustor localizado à jusante da caldeira, na base da cha- miné, para retirada dos gases de combustão e para o envio desses gases para a atmosfera através da chaminé. Esse tipo de tiragem promove uma pressão negativa na fornalha.

Tiragem mecânica balanceada Consiste de dois ventiladores, um a montante e outro a jusante da caldeira. Esse tipo de tiragem promove uma pequena depressão na fornalha.

Chaminés Podem ser construídas de chapa de aço carbono ou alvenaria. Devem ser projetadas em função: (1) da quantidade e da velocidade dos gases que


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passarão através dela; (2) da temperatura na base e no topo e; (3) da pressão atmosférica local. Atualmente, as chaminés têm dupla função: auxi- liam o processo de tiragem e ajudam a dispersar partículas sólidas e gases nocivos à saúde e ao meio ambiente. Outro cuidado a ser tomado no projeto e operação de chaminés é a queda de temperatura abaixo do ponto de orvalho dos gases e a possível formação de ácido no seu interior. As chami- nés podem ser projetadas para atender uma ou mais caldeiras.

Ventiladores e exaustores Os ventiladores e exaustores devem ser projetados para vencer todas as perdas de carga do circuito dos gases e ainda prover pressão necessária para a tiragem. Por sua importância - sua parada leva à parada da caldeira - os ventiladores e exaustores devem ser duplos ou no mínimo com acionadores de fontes diferentes.

Invólucros de caldeiras Todas as caldeiras contém um invólucro externo com as seguintes funções: (1) fechar o circuito dos gases de combustão; (2) proporcionar a orientação dos gases através das superfícies de aquecimento e; (3) isolar o meio ambiente das altas temperaturas do interior da caldeira. Os invólucros podem ser de alvenaria refratária ou comum, de material isolante ou de cobertura metálica. Os materiais para alvenaria são tijolos, placas, concreto ou argamassa. Os materiais isolantes são lã de rocha, lã de vidro e materiais isolantes a base de asbestos ou diatomitas e silicato de cálcio. Como cober- turas metálicas temos as chapas de aço doce e perfilados duplo T, U ou L.

Os fatores que governam a seleção dos materiais e a forma construtiva são: (1) as temperaturas de algumas partes da caldeira; (2) a dilatação das partes metálicas e alvenarias; (3) a ação das escorias dos combustíveis; (4) a ação da fuligem ou cinza arrastada; (5) o efeito de eventuais explosões na câmara de combustão; (6) as perdas de irradiação através das paredes; (7) o efeito das vibrações causadas pela pulsação da chama; (8) a ação corrosiva dos gases; (9) a vedação; e (10) a amarração.


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Figura 43 – Exemplos de invólucros

(b) Transferência de calor na caldeira

Numa caldeira, o calor originado da queima de um combustível é transferido para a água e para vapor pelos três processos de transferência de calor: condução, convecção e radiação.

· Condução do tubo para a água ou para o vapor; · convecção dos gases para os tubos; · radiação da chama para os tubos.

A transferência depende de fatores como: temperatura da chama e dos gases, turbulência e choque dos gases com os tubos, acumulação de fuligem fora dos tubos, condutibilidade térmica do material, incrustações no interior do tubo, turbulência da água e do vapor no interior do tubo.

A condução ocorre na superfície do tubo e depende do diferencial de temperatura entre os gases e a água ou o vapor e da condutividade do filme de água e de gases, ou vapor e gases, que aderem à parede interna e externa do


157

tubo. O calor deverá ser transferido para a água (no feixe tubular e economizador) ou para o vapor (no superaquecedor) através do filme de gases, da parede do tubo e do filme de água ou vapor. No caso de termos água (ou mistura de água e vapor) no interior do tubo, a alta condutividade do calor do filme de água em relação à da parede do tubo e do filme de gás, determina uma grande queda de temperatura fora do tubo e mantém a temperatura externa do tubo relativamente baixa. No caso de termos vapor ou ar no interior do tubo, a pouca condutividade do filme dos dois lados do tubo determina uma menor queda de temperatura fora do tubo ocasionando alta temperatura do metal. Ver Figuras 44 e 45. Por esse motivo, os tubos do superaquecedor são construídos de aço de ligas mais resistentes à temperatura. A convecção ocorre no superaquecedor de convecção, no feixe tubular, no economizador e nos pré-aquecedores de ar a gases de combus- tão. Ela pode ser natural, quando ocorre por diferença de densidade ou forçada, com a introdução de uma bomba ou ventilador no circuito. A radi- ação ocorre na fornalha e parte do superaquecedor de radiação e depende da temperatura da fornalha. Esta varia principalmente em função da carga de vapor, do excesso de ar e do ajuste dos queimadores.

O coeficiente de película é uma medida de calor por unidade de superfície e unidade de diferença de temperatura. Ele indica a velocidade de transmissão de calor de um fluido. A magnitude do coeficiente de película do ar e dos gases é muito baixa em relação à água.


158

Figura 44 – Tubo de parede d’água e Figura 45 – Tubo do superaquecedor

(c) Combustíveis e combustão

(c.1) Combustíveis

Combustível é toda a substância que, combinada quimicamente com outra, principalmente com o oxigênio, produz uma reação com desprendimento de calor (reação exotérmica).

Composição química

A composição química é o conteúdo, em percentagem de massa ou de volume, dos elementos que formam o combustível, tais como: carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), oxigênio (O), nitrogênio (N), cinzas e umidade. A


159

composição química constitui a base para análise dos processos de com- bustão. Conhecendo a composição química, podemos determinar o ar ne- cessário para queima, a quantidade de gases gerada, a entalpia, o poder calorífico e o impacto ambiental da queima. A composição química pode ser dada em base úmida (considerando a umidade) ou base seca (após secagem), conforme o método de análise.

Propriedades de um combustível

Algumas propriedades são comuns a todos os combustíveis enquanto outras são específicas. Entre as propriedades comuns estão o poder calorífico, o teor de enxofre e o de nitrogênio.

Poder calorífico É a quantidade de calor liberado pela queima total de uma unidade de massa (1kg) ou de volume (1Nm3) de um combustível. A unidade empregada é kcal/kg ou kcal/Nm3. O volume é o relativo às condições normais, por isso, a unidade está expressa em Nm3. Existem dois diferentes tipos de poder calorífico: o superior, que considera o calor latente de vaporização da água (formada em função do hidrogênio) contida neste combustível e o inferior, que não considera esse calor. Na prática, adota-se o poder calorífico inferior nos cálculos de combustão, porque a temperatura de saída dos gases de combustão normalmente é maior que a temperatura de condensação do vapor à pressão atmosférica. Logo, a água permanece na forma de vapor e o seu calor latente de vaporização não pode ser recuperado.


160

Poder calorífico superior (kcal/kg)

10.200 + ou - 100 10.100 + ou - 100 10.050 + ou - 50 10.000 + ou - 50 9.950 + ou - 50

Poder calorífico inferior (kcal/kg)

9.650 9.550 9.500 9.450 9.400

3

x

Tabela 4 – Poderes caloríficos típicos de alguns óleos combustíveis

Tipo de óleo

1A 2A 3A 4A 7A

Enxofre e ponto de orvalho A presença de enxofre no combustível é responsável por sérios problemas de corrosão nas partes mais frias da caldeira. A queima de um combustível contendo enxofre tem como produto da combustão SO . Este, reagindo com o vapor d’água presente nos gases de combustão pode formar H2SO4 que, estando na sua forma gasosa, é pouco agressivo. No entanto, se a temperatura nas partes mais frias da caldeira (pré-aquecedores a gás de combustão e economizadores) for suficientemente baixa a ponto de permitir sua condensação, ele pode atacar violentamente a superfície metálica. A temperatura em que se inicia a condensação depende do teor de enxofre do com- bustível e do excesso de ar utilizado na queima. A essa temperatura dá-se o nome de “ponto de orvalho”. Para se evitar esta corrosão, somos obrigados a trabalhar com eficiência menor, uma vez que os gases de combustão têm que ser liberados para a atmosfera com temperaturas de 130 a 170ºC. O teor de enxofre também pode influenciar na qualidade do produto que se está produzindo. Na indústria da cerâmica, por exemplo, o teor de enxofre do combustível afeta a coloração do produto.

Nitrogênio Os óleos contendo compostos de nitrogênio são queimados formando No , que tem efeitos similares aos já descritos do enxofre.


161

Propriedades dos combustíveis líquidos

Viscosidade É a resistência ao escoamento. É necessário saber a viscosidade de um óleo combustível para se determinar a temperatura ideal de trabalho para o tipo de queimador e atomizador empregados na caldeira. A viscosidade ideal é definida pelo fabricante dos queimadores e determinada através de gráficos. As unidades de viscosidade são SSF e SSU.

Ponto de fulgor Informa a volatilidade e a inflamabilidade do produto, muito importante para uma avaliação quanto à segurança na armazenagem e operação do sistema.

Vanádio e sódio O sódio é proveniente da água salgada da jazida de petróleo que não foi totalmente eliminado na dessalgação ou da soda injetada na unidade de destilação para controle de corrosão. A presença do vanádio é substancial- mente prejudicial, principalmente quando está presente o elemento sódio, formando os vanadatos de sódio que agem agressivamente nos superaquecedores. O vanádio é responsável pela corrosão nas partes mais quentes da caldeira. Quanto maior o excesso de ar, maior será a formação destes produtos. O vanádio catalisa a formação de SO3 nos gases de com- bustão levando à formação de ácido sulfúrico. Os metais presentes no com- bustível, na queima, se transformam em óxidos e saem na forma de cinzas. A associação nas cinzas dos óxidos de sódio e vanádio pode formar compostos de baixo ponto de fusão que, ao se fundirem, podem se depositar sobre os tubos e paredes refratárias causando intensa corrosão nos metais e danos ao refratário.

Água e sedimentos Os sedimentos são formados por finos de catalisador provenientes da unidade de craqueamento. O excesso de sedimentos poderá causar entupimento


162

nos filtros e nos queimadores, incrustação em linhas e equipamentos, ero- são nos bicos dos queimadores e nos rotores de bombas e particulados para a atmosfera. A água pode ser responsável por corrosão nos tanques de estocagem e de linhas e pela produção de fagulhas na fornalha da caldeira.

Propriedades dos combustíveis gasosos

Densidade relativa É a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão. O GLP é mais pesado que o ar e tende a se acumular no piso. O gás natural por ser mais leve que o ar e tende a se dispersar com maior facilidade.

Massa molecular aparente Massa de 1 mol da mistura gasosa, levando-se em consideração a contri- buição de seus componentes individuais.

Relação gás/ar É a relação volumétrica entre a quantidade de gás e a quantidade de ar utilizada na combustão, nas mesmas condições de pressão e de temperatura. É um parâmetro importante para se determinar como está a mistura, se com falta de ar, com excesso de ar ou na relação estequiométrica teórica.

Velocidade da chama É a velocidade com que a chama se propaga na mistura comburente/com- bustível. É um parâmetro que varia de acordo com o tipo de combustível e que se apresenta desde um máximo, quando a mistura estiver com sua relação próxima da estequiométrica e com leve excesso de comburente, até um mínimo, quando a chama desaparece por falta ou excesso de combustí- vel ou comburente.


163

2

Limites de inflamabilidade O limite máximo (superior) de inflamabilidade do gás natural é de 15% em volume de gás no ar atmosférico e o limite mínimo (inferior) é de 5%, sendo sua temperatura de ignição da ordem de 750ºC. Desse modo, os estreitos limites de inflamabilidade associados a sua alta temperatura de ignição fazem com que riscos de explosões, nos casos de vazamento de gás natural, sejam bastante limitados.

Índice de Wobbe É o parâmetro mais importante para os combustíveis gasosos serem intercambiáveis, relacionando o poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa (DR) do combustível. Se o índice de Wobbe de um combustível substituto é significantemente diferente do combustível de projeto, o queimador deve ser modificado. Obser ve que o número de Wobbe tem a ver com a quantidade de energia por volume que é possível passar por determinado orifício para uma queda de pressão correspondente. Assim, se dois combus- tíveis gasosos forem fornecidos com a mesma pressão e tiverem o mesmo índice de Wobbe, a potência fornecida será a mesma para os dois combustí- veis. A grande maioria dos sistemas de combustão de gases de aplicação industrial requer que os gases tenham o mesmo índice de Wobbe e a relação PCI/VT (poder calorífico inferior sobre o volume total) iguais para que possam ser intercambiáveis. A relação PCI/VT representa a razão entre o poder calorífico de um gás e o volume de gases de combustão gerados (N2,CO2 e H O) pela queima estequiométrica.

Tipos de combustíveis

Os combustíveis podem ser naturais ou artificiais, sólidos, líquidos ou gasosos. São exemplos de combustível sólido: o carvão, a lenha e o bagaço de cana. São exemplos de combustível liquido: o óleo combustível, o diesel, o querosene, a gasolina, o resíduo de vácuo e o álcool. São exemplos de combustível gasoso: o gás natural, o GLP, o gás de refinaria e o gás CO.


164

Valores especificados por tipo de óleo

Característica

Tipo A

Tipo B

Tipo C

Tipo D

Enxofre % massa Max.

1,0 0,50 0,30 0,20

Óleo diesel O óleo diesel é bastante utilizado em pequenas instalações devido à facilidade de manuseio e de transporte. Os diversos tipos de diesel são equiva- lentes exceto no que se refere ao teor de enxofre e ao ponto de entupimento. Estas diferenças podem ser importantes para atender a exigências ambientais locais.

Tabela 5 – Especificações para o óleo diesel

Tabela 6 – Temperatura de entupimento para o óleo diesel

Mês Temperaturas

de entupimento (oC)

Dez, Jan, Fev e Mar

13

Abr, Out e Nov

11

Mai, Jun, Jul, Ago e Set

7

Óleo combustível Os óleos combustíveis são produzidos a partir de uma mistura de resíduo de vácuo, ou resíduo asfáltico, mais diluentes. A partir de 1987, os óleos combustíveis no Brasil foram divididos em dois grandes grupos: o grupo A (óleo com teor de enxofre maior que 1%) e o grupo B (óleo com teor de enxofre menor ou igual a 1%). Cada um desses grupos se divide em 9 tipos de óleo de acordo com sua viscosidade.


165

Tabela 7 - Viscosidade SSF a 50ºC

Viscosidade SSF a 50ºC

Óleo tipo A Alto teor de enxofre

Óleo tipo B Baixo teor de

enxofre

600

1A

2B

900

2A

2B

2.400 3A

3B

10.000

4A

4B

30.000

5A

5B

80.000

6A

6B

300.000

7A

7B

1.000.000

8A

8B

Acima de 1.000.000

9A

9B

A partir de 1999, a ANP estabeleceu (através da portaria 80/99) a existên- cia formal de apenas quatro tipos de óleo combustível, sendo dois de baixo teor de enxofre (1%) e dois de alto teor (2,5%). Além disto, estabeleceu que somente poderão ser utilizados óleos de baixo teor de enxofre (<1%), nas seguintes regiões metropolitanas: São Paulo e Baixada Santista, Belo Hori- zonte, Rio de Janeiro, Porto Alegre e Curitiba. Nas demais regiões o teor de enxofre máximo deve ser de 2,5%. Entretanto mediante acordo entre consu- midor e fornecedor e concordância do órgão ambiental local, a portaria permite um teor de enxofre de até 4% e viscosidades diferentes das especificadas. Na prática, os 9 tipos de óleo permanecem existindo apenas com seus teores de enxofre enquadrados dentro da nova legislação.


166

Estados Dez. a Mar Abr. Out e Nov

Mai. a Set

Acre, Alagoas, Amapá, Amazonas, Bahia, Ceara, Fernando de Noronha, Maranhão, Mato Grosso, Paraíba,Pará,Pernambuco, Piauí, Rio Grande do Norte, Rondônia, Roraima,Sergipe, Tocantins

27

27

24

Distrito Federal, Espírito Santo, Goiás, Minas Gerais, Rio de Janeiro

27

24

21

Mato Grosso do Sul e SãoPaulo

24

21

18

Paraná, Rio Grande do Sul, Santa Catarina

21

18

15

Tabela 8 – Especificações para óleo combustível segundo portaria ANP80/99

Característica Unidade Tipo A1

Tipo A2

Tipo B1 Tipo B2

Viscosidade cinemática a 60º, máx.

mm2/s (cSt)

620

960

620 960

Viscosidade SSF a 50ºC, máx.

SSF 600 900 600 900

Enxofre, máx. % massa 2,5 2,5 1,0 1,0 Água e sedimentos % vol. 2,0 2,0 2,0 2,0

Ponto de fulgor, min.

ºC 66 66 66 66

Densidade anotar anotar anotar anotar Vanádio, máx. mg/kg 200 200 200 200

Tabela 9 – Ponto de fluidez dos óleos combustíveis A1 e B1 (ºC )


167

Grupos

Características

UnidadeB (baixo) M (médio) A (alto)

Poder calorífico sup.

kcal/m3 8.000 a 9.000

8.000 a 10.200

10.000 a 12.500

Densidade em relação ao ar

------ 0,54 a 0,60

0,54 a 0,60

0,54 a 0,60

Gás sulfídrico (H2S), máx.

3

20

20

20

Enxofre (H2S e mercaptídico), máx.

mg/m3

80

80

80

Dióxido de carbono (CO2), máx.

% vol.

2

2

2

Inertes, máx. % vol. 4 4 4

Oxigênio, máx. % vol.

0,5

0,5

0,5

Ponto de orvalho de água, máx.

ºC

- 45

- 45

- 45

As distribuidoras devem ser consultadas para saber quais óleos combustí- veis estão disponíveis em cada região. Quanto menor o teor de enxofre e menor a viscosidade, maior o custo do óleo combustível.

Gás natural O gás natural é composto basicamente por metano (80 a 90%), etano (5 a 10%) e outros gases em menores proporções (propanos, butanos, pentanos, hexanos, gás carbônico, nitrogênio e gases raros).

Tabela 10 – Especificações ANP para o gás natural

mg/m


168

O gás natural, antes de ser enviado aos consumidores, é processado nas chamadas UPGNs – unidades de processamento de gás natural. A função dessas unidades é retirar do gás suas frações condensáveis (GLP, nafta leve e água), pois a presença dessas frações no produto final poderiam causar efeitos catastróficos ao chegarem nos queimadores dos consumidores. A água, se presente, pode levar a formação de hidratos, que são compostos sólidos formados pela combinação de moléculas de água com os componentes do gás (metano, etano e gás sulfidrico). Os hidratos podem causar a obstrução de tubulações, válvulas e equipamentos. O gás natural passa também por unidades de secagem e dessulfurização para remoção de água e contaminantes.

Figura 46 – UPGN

No estado gasoso, o transporte do gás natural é feito por meio de dutos. Os principais gasodutos terrestres brasileiros são os que ligam as regiões pro- dutoras do nordeste às principais cidades do Nordeste, a Bacia de Campos


169

x

a São Paulo, Rio de Janeiro e Belo Horizonte, o gasoduto proveniente da Bolívia chegando até Porto Alegre e o gasoduto da Argentina chegando até Uruguaiana (Usina Termelétrica de Uruguaiana da AES). Existem também vários outros projetados.

Figura 47 – Rede de gasodutos brasileiros

O manuseio do gás natural requer alguns cuidados, pois ele é inodoro, incolor, inflamável e asfixiante, quando aspirado em altas concentrações. Para facilitar a identificação de qualquer vazamento, compostos a base de enxofre são adicionados ao gás em concentrações suficientes para lhe dar um cheiro marcante, num processo conhecido como odorização. O gás natural é um excelente combustível, pois praticamente não contém compostos sulfurados, demanda excesso de ar muito baixo, queima com baixa emissão de NO e de particulados (cinzas). Além disto, exige menor investimento em armazenamento, menor custo de manutenção (menos corrosão), proporciona rápida dispersão de vazamentos e tem elevado rendimento energético.


170

Gás de refinaria É um produto proveniente das unidades de craqueamento, previamente tratado para remoção de H2S e compostos sulfurados. Normalmente, é consumido no próprio ambiente da refinaria. Esse gás não se liquefaz totalmente à temperatura ambiente. As diferenças desse gás em relação ao gás natural são a forte presença de hidrogênio e compostos olefínicos.

Tabela 11 – Especificações do gás de refinaria pela ANP

Composição

% volume

Hidrogênio

32,5 ± 20,0

Metano 27,5 ± 15,0 Etano + eteno 25,5 ± 15,0

Propano + propeno 4,0 ± 2,0 Butanos + butenos 2,5 ± 1,0

Pentanos + pentenos + pesados 0,5 ± 0,5 Nitrogênio + dióxido de carbono 5,0 ± 3,0 Oxigênio 0,5 ± 0,5 Monóxido de carbono 1,5 ± 1,0 Gás sulfídrico 0,5 ± 0,5 Água 0,5 ± 0,5

Gás de cidade O gás de cidade é o gás canalizado que, no Brasil, é distribuído apenas nas cidades do Rio de Janeiro e de São Paulo. É também chamado de gás de rua. No passado, esse gás era produzido a partir do carvão mineral. Esse processo foi abandonado devido ao seu alto custo e aos problemas de poluição ambiental que acarretavam junto às fábricas de gás. Em seu lugar, foram implantados geradores de gás a partir de nafta, sendo o gás distribu- ído pelas mesmas redes de tubulações já existentes. Como o gás de cidade


171

tem alto teor de monóxido de carbono - altamente venenoso e perigoso mesmo porque é inodoro -, é fundamental que ele seja odorizado de forma a prevenir acidentes e se detectar eventuais vazamentos.

Carvões minerais brasileiros Substância mineral, rica em carbono, contendo ainda menores quantidades de oxigênio, enxofre e nitrogênio. É a segunda fonte de energia primária mais utilizada no mundo, logo depois do petróleo. Na indústria, pode ser usado como combustível nas centrais termelétricas ou como redutor (para a produ- ção de ferro gusa) nas siderúrgicas. Atualmente, os carvões minerais produzidos no Brasil são todos do tipo carvão vapor ou combustível. O carvão é fruto de um processo geológico, onde durante milhares de anos substâncias orgânicas foram decompondo-se pela ação de microorganismos. O resultado desse processo é uma substância rica em carbono. O carvão nacional caracteriza-se por um baixo poder calorífico e elevado teor de cinzas e enxofre, variando de acordo com a mina onde é explorado. A presença desses componentes não é desejada por implicarem numa série de inconvenientes de ordem ecológica ou material, tais como a corrosão e a poluição pelo enxofre, prejuízo à troca térmica e poluição pela emissão de cinzas.

Em termos gerais, a combustão do carvão implica na emissão de fuligem, óxidos sulfurosos, metais tóxicos e compostos orgânicos carcinogênicos, necessitando-se, portanto, de métodos de controle ambiental para a sua utilização. A quantidade de enxofre do carvão tal e como extraído da jazida varia entre 0,5% e 8%. Esses car vões normalmente são laváveis, o que possibilita a redução das cinzas e do enxofre. A jazida de Candiota, no Rio Grande do Sul, é a maior do país. Seu carvão apresenta reduzida lavabilidade, sendo consumido pulverizado, com teores de ordem de 53% de cinzas e 1,58% de enxofre. O principal uso do carvão mineral nacional é a geração de energia elétrica. Outros usos menos significativos ocorrem nas indústrias de siderurgia, cimento, petroquímica, celulose, cerâmica e de alimentos.


172

Tabela 12 – Análise de alguns carvões Brasileiros

Origem do carvão

Propriedades Candiota (RS) Charqueadas

(RS) Leão (RS) Vapor (SC) Paraná (PR)

PCS (kcal/kg)

2.600- 3.200 3.100 4.300 3.800 - 4.500 7.100 -7.280

Umidade (%) 12 - 17 6,4 - 6,8 5,5 5 - 7 5,8 - 13,6

Voláteis (%) 19,3 - 23,0 19,0 - 22,7 25,6 20,0 - 23,7 26,4 - 36,4 Carb. Fixo (%)

27,5 - 28,4 27,5 - 30,8 34,8 37,7 - 42,1 49,8 - 60,4

Cinzas (%) 50,1 - 52,6 46,5 - 53,3 39,6 35,4 - 44,0 9,1-13,8 Enxofre (%) 0,7 - 2,9 0,7 - 0,8 2,6 2,9 - 3,6 3,3 - 6,0

Normalmente, o carvão para ser queimado em fornos e caldeiras deve ser pulverizado. Para tanto, os moinhos mais recomendados são os moinhos verticais, de rolos, de pneu-na-pista ou de bola-na-pista. É importante que a moagem se faça em atmosfera inerte de modo a não haver risco de explo- sões, uma vez que o pó de carvão suspenso no ar é uma mistura altamente perigosa. Por atmosfera inerte entenda-se uma atmosfera em que a concen- tração de oxigênio seja menor que 8% em volume. Essa atmosfera poderá ser obtida através de um gerador de gás inerte, onde se queima um combus- tível qualquer – que pode, inclusive, ser o próprio carvão – com controle da quantidade de ar usado, de forma a se garantir o teor final de oxigênio em menos de 8%. Uma outra possibilidade é utilizar gases de combustão efluentes do processo da indústria, desde que o teor de oxigênio desses gases esteja abaixo – de forma permanente e segura – do limite citado. Naturalmente, é também fundamental que o carvão esteja seco, ou que seja seco durante a moagem por meio do gás inerte quente que também tem a função de arrastar o pó para o sistema de ciclone de classificação sobre o moinho. Se o carvão não estiver convenientemente seco, seu pó tenderá agarrar nas tubulações e silos, trazendo grandes problemas operacionais.


173

Ventoinha Difusor

Saída de ar e de material

Lãminas do ventilador classificador

Alimentador Martelos moentes ou outros elementos

Entrada de Ar

Figura 48 – Moinho vertical

Lenha A lenha é ainda bastante utilizada como combustível de caldeira no Brasil. A produção de lenha depende de um grande número de fatores: terreno, clima, espécie de arvores e manejo de florestas. Uma análise química ele- mentar típica é a mostrada na tabela abaixo.

Tabela 13 – Análise química da lenha

Componente

% massa

Carbono

49,7

Oxigênio 42,3 Hidrogênio 5,8

Nitrogenio 1,4 Enxofre 0,1

Cinzas 0,8 Matéria volátil

82,2

Carbono fixo 17,0


174

A massa especifica da madeira é função da umidade, da espécie da planta e de sua idade. Para se evitar a combustão espontânea em pilhas de cavacos de madeira, recomenda-se que as mesmas não ultrapassem os 18m de altura. A capacidade térmica das lenhas varia de 0,45 a 0,65kcal/kgºC. O poder calorífico inferior da madeira pode ser calculado segundo a seguinte equação:

PCI= 4756 – 53,418 (% umidade), onde o PCI é dado em kcal/kg

A lenha é um combustível que não proporciona temperaturas de combustão tão altas como os óleos combustíveis e os gases. Para se usar lenha em caldeiras é necessário no mínimo picá-las.


175

(c.2) Combustão

A combustão é definida como a combinação rápida do oxigênio com os elementos combustíveis, produzindo luz e calor. As reações químicas que ocorrem na combustão são muito complexas, fugindo do objetivo deste curso. A título de exemplo podemos dizer que a reação do carbono com o oxigênio é a seguinte:

C + ½ O2

CO +

2407kcal/kg

CO + ½ O2 CO2 + 5693kcal/kg C + O2 CO2 + 8100kcal/kg

As fórmulas a seguir podem ser usadas de forma prática para determinação do volume de ar teórico (estequiométrico), necessário para cada kg de determinado combustível.

Em peso:

mtar =11,5C + 34,8 (H-O/8) + 4,35S

Em volume:

vtar = 8,85C + 26,65 (H-O/8) + 3,33S


176

Onde:

mtar = massa teórica de ar vtar = volume teórico de ar C = % de C no combustível

H = % de H2 no combustível O = % de O2 no combustível S = % de S no combustível

Para que possamos ter certeza que todo combustível introduzido na fornalha seja totalmente queimado, é necessário um excesso de ar além do estequiométrico. Para isto, basta aplicarmos ao resultado das fórmulas acima a porcentagem de ar desejada. Lembramos que a composição do ar é a seguinte:

Em peso Em volume

O2 23% 21%

N2 77% 79%

Portanto, cada 1% de excesso de O2 é igual a 5% de excesso de ar em volume, aproximadamente. Os excessos de ar a serem adotados irão depender dos modelos de queimadores usados, bem como dos combustíveis considerados. Em termos gerais, entretanto, podemos dizer que os gases queimam com excessos de ar variando de 0 a 10%, os combustíveis líquidos com excessos de 0 a 18% e os combustíveis sólidos com excessos de 12% a 50%.


177

O acompanhamento dos gases de combustão é feito por meio de analisadores contínuos de oxigênio nos gases de combustão ou por meio de análise de Orsat. O analisador de Orsat é usado para determinar a porcentagem de CO , O e CO. Esse aparelho consiste na passagem dos gases através de

2 2

soluções distintas com propriedade de absorver CO2, O2 e CO.

Figura 49 – Analisador de Orsat

A eficiência da combustão é obtida através de alguns fatores operacionais como: excesso de ar, atomização perfeita, análise dos gases, aspecto da chama, aspecto dos gases na saída da chaminé, pré-aquecimento do ar de combustão, pré-aquecimento do combustível liquido para obtenção da viscosidade ideal e controle de tiragem.

Relação H/C é a razão ponderal hidrogênio/carbono de um dado combustí- vel. É um fator importante para indicar a qualidade do combustível em termos de queima. Quanto maior a relação H/C, melhor o combustível para a queima. São considerados bons para a queima os combustíveis que pos- suírem uma relação H/C e” 0,2. O óleo combustível tem uma relação H/C = 0,31, e o gás de refinaria uma relação H/C = 0,28.


178

T g

T

m

= T + m g

ar

c

g

Temperatura de chama A temperatura de chama pode ser muito útil na comparação entre combustí- veis para uma dada necessidade de calor e temperatura. Assim, por exemplo, a temperatura de chama de um gás de médio poder calorífico (4.300kcal/ kg) é mais alta que a temperatura de chama de óleo combustível derivado de petróleo (9 500kcal/kg), mostrando que a análise pura e simples dos poderes caloríficos não retrata o desempenho do combustível. A expressão que nos permite calcular a temperatura de chama, facilmente dedutível por um balanço de energia, é a seguinte:

chama

ar c x PCI / (m x Cp )

Onde:

Tchama = temperatura da chama, K = temperatura de entrada do ar de combustão, K

PCI = poder calorífico inferior, kJ/kg = massa do combustível queimado, kg/s

mg = massa dos gases de combustão, kg/s Cp = calor específico dos gases de combustão, kJ/(kg.K)

Inflamabilidade de gases A menor concentração de gás ou de vapor combustível, em ar ou em oxigê- nio, que consegue estabelecer uma combustão auto-sustentada, é chamada de “limite inferior de inflamabilidade”. Já a maior concentração de gás ou de vapor combustível que consegue manter a combustão, sem a contribuição de uma fonte externa de calo r, é chamada de “l imite superior de inflamabilidade”. Os termos limites de inflamabilidade e limites de explosividade significam exatamente a mesma coisa.


179

Um gás ou um vapor combustível misturado com ar ou oxigênio não entra em combustão se sua concentração for muito baixa ou muito alta. Isto é, se a mistura combustível-ar está muito pobre (abaixo do limite inferior de inflamabilidade) ou muito rica (acima do limite superior de inflamabilidade), não ocorre a queima. A queima só acontece se a mistura combustível- comburente estiver dentro da faixa delimitada pelos dois limites citados.

É interessante chamar a atenção para o fato de que a energia liberada pela reação de queima é mínima nas concentrações próximas aos limites de inflamabilidade e máxima na composição estequiométrica. De um modo geral os limites de inflamabilidade são determinados a 20ºC e 100kPa (1,02kgf/cm2).

(d) Operação de caldeiras

(d.1) Partida e parada

Partida da caldeira

Inspeção Esta fase consiste em: · verificar se todos os mancais, caixas de redução e válvulas estão limpos e engraxados; · verificar se os internos do tubulão estão devidamente fixados e os tubos estão desobstruídos; · verificar se os ventiladores e bombas estão livres de qualquer detrito, como estopas, paus e ferramentas;


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· verificar se os drenos e vents estão abrindo e fechando perfeitamente e estão livres para fazer as descargas necessárias; · verificar se os abafadores e controladores de circulação de gases abrem e fecham perfeitamente e se correspondem perfeitamente as marcas de aberto e fechado; · verificar se a água de refrigeração de mancais das bombas está circulando em quantidade suficiente; · verificar as juntas de todas as portinholas; · verificar se os alarmes funcionam quando acionados; · verificar se todos os instrumentos estão conectados e prontos para opera- ção; · operar todos os controles, tanto remotos como locais, a fim de verificar seu perfeito funcionamento; e · operar bombas e ventiladores para verificar suas condições.

Teste pneumático Este teste consiste em detectar vazamentos na parte de ar e gases da caldeira, tanto internos quanto externos. É feito com os ventiladores ligados e utilizando-se o velho método da espuma de sabão.

Enchimento O enchimento deve ser feito com água de qualidade, o mais próxima possí- vel da exigida para o serviço normal. A diferença de temperatura dessa água e a temperatura dos tubulões não deve ser muita alta para evitar tensões.

Teste hidrostático Este teste é feito para detectar vazamentos na parte de água da caldeira. Deve ser feito antes da primeira operação da caldeira, após a mesma ter sofrido reparos ou em intervalos especificados durante sua vida útil. Antes do teste, deve-se bloquear e grampear as válvulas de segurança. Todos os vents devem ser mantidos abertos. A caldeira deve ser cheia completamente e os vents devem ser bloqueados à medida que pelos mesmos sai água. Uma vez completamente cheia, eleva-se a pressão através da bomba de


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alimentação até a pressão de teste estabelecida. Nessa condição, examina- se detalhadamente a caldeira quanto a vazamentos. Se o teste for positivo, inicia-se o condicionamento da caldeira para acendimento. A água usada para o teste deve ser completamente drenada das partes que não são destinadas a contê-la em operação normal (superaquecedores). Os grampos das válvulas de segurança devem ser removidos. O nível do tubulão deve ser drenado até o nível normal de operação.

Secagem do refratário Quando se trata de caldeira nova ou que tenha sido submetida a reparos na fornalha, antes de colocá-la em operação normal, é necessário fazer a secagem dos tijolos refratários e isolantes. Esse procedimento é feito elevando- se lenta e gradativamente a temperatura da fornalha. Inicialmente, com ar aquecido e, após com o equipamento de combustão da própria caldeira, fazendo-se rodízio entre os queimadores para que o calor seja distribuído uniformemente dentro da fornalha. Durante esse período, os vents devem permanecer abertos. O período de secagem pode variar consideravelmente sendo determinado após exame da unidade. O boiling-out ou fervura quími- ca, processo de limpeza dos tubos da caldeira, normalmente realizado em caldeiras novas, pode ser levado a efeito simultaneamente com a secagem do refratário. Nesse caso, já no enchimento da caldeira, devem se adicionados os produtos químicos necessários.

Cuidados na partida Para a partida deve-se dar preferência a um combustível com baixo teor de enxofre (gás combustível, por exemplo) para evitar a condensação dos gases e formação de ácido que pode ser perigoso. Pelo mesmo motivo, procurar manter a temperatura dos gases de combustão acima do ponto de orvalho do combustível utilizado. O nível do tubulão deve ser regulado no nível normal de operação ou um pouco abaixo. O superaquecedor em nenhum momento deve ficar sem fluxo o que ocasionaria superaquecimento no mesmo. Superaquecedores protegidos por parede de água devem partir cheios de água até atingirmos uma pressão em que seja garantido o fluxo através do


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mesmo. O aquecimento deve ser lento e uniforme. Para isso, adota-se o rodízio dos queimadores em operação. Um gradiente de pressurização, esta- belecido para cada caldeira, deve ser rigorosamente seguido. O controle desse gradiente é feito através do controle da queima e do fluxo através das válvulas de partida ou vents. Procurar evitar a reposição de água enquanto a temperatura no tubulão não for igual ou superior a temperatura da água de alimentação na entrada para evitar quedas de pressão e tensões térmicas no tubulão. Após ser atingida esta temperatura no tubulão, pode-se alinhar a controladora de nível para reposição, se necessário.

Teste das válvulas de segurança O teste das válvulas de segurança deve ser feito antes de colocar a caldeira em linha para ter certeza que as mesmas abram a pressões determinadas. Geralmente, a válvula do superaquecedor é regulada para abrir antes da válvula do tubulão, a fim de manter sempre um fluxo no superaquecedor e evitar que o mesmo seja danificado por superaquecimento. Portanto, é preciso grampear a válvula do superaquecedor para que a do tubulão seja testada.

Colocação da caldeira em linha Supondo que já exista outra caldeira em operação, os coletores de saída da caldeira devem ser previamente drenados e aquecidos. O acendimento dos queimadores com os quais a caldeira irá operar deve ser providenciado. A válvula de saída da caldeira, normalmente motorizada, deve ser aberta ao mesmo tempo em que se fecha a válvula de partida do superaquecedor. Se a válvula de saída da caldeira for do tipo retenção, ela abrirá automaticamente à medida que a pressão à montante da mesma for aumentando em função do fechamento da válvula de partida. A partir deste momento, os controladores de nível, temperatura e combustão podem ser automatizados.


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Parada da caldeira

A caldeira deve ser retirada de operação a intervalos regulares para inspe- ção, limpeza e reparos. Antes da parada da caldeira, deve ser feita uma ramonagem completa com o objetivo de eliminar depósitos de fuligem. Su- pondo que exista outra caldeira no sistema, a carga da caldeira que vai parar deve ser gradativamente reduzida até atingir-se a pressão de combus- tível mínima no maçarico, quando então será apagada. Se a caldeira estiver queimando um óleo pesado, aproveitar esta oportunidade para lavar as linhas de óleo e os maçaricos primeiramente com um combustível mais leve (normalmente diesel) e, após, com vapor. Logo que o combustível tenha sido apagado, a caldeira deverá ser abafada (ventiladores parados e dampers fechados) de forma a permitir que a caldeira esfrie tão devagar e uniformemente quanto possível. O aceleramento da despressurização através de drenos e vents e o esfriamento através da passagem de grandes quantidades de ar frio devem ser evitados para impedir tensões desnecessárias. A válvula de saída deve ser fechada. Quando a pressão cair a 2kg/cm2, os vents do tubulão deverão ser abertos para evitar a formação de vácuo dentro da caldeira devido a condensação total do vapor. A caldeira não deverá ser esvaziada até que a fornalha atinja a temperatura em que um homem possa entrar e permanecer dentro. Se a caldeira tiver que ser liberada para manu- tenção, providenciar remoção dos maçaricos, bloqueio e raqueteamento das linhas e abertura das bocas de visita.

(d.2) Regulagem e controle

Temperatura

Tem por objetivo manter o valor constante de temperatura do vapor na saída da caldeira. Os fatores operacionais que afetam o grau de superaquecimento do vapor são:


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· excesso de ar – Quanto maior o excesso de ar, maior a temperatura do vapor nos superaquecedores de convecção, pois o excesso de ar reduz o calor e aumenta a velocidade dos gases na fornalha. Isso diminui a vapori- zação e, conseqüentemente, aumenta o calor disponível por unidade de massa de vapor no superaquecedor de convecção. Nos superaquecedores de radiação, há diminuição na temperatura do vapor face a menor temperatura da chama provocada pelo excesso de ar. · temperatura da água de alimentação - O aumento da temperatura da água de alimentação diminui o grau de superaquecimento porque o combustível diminuirá, diminuindo o tamanho da chama e a vazão de vapor. · tipo de combustível – Nos superaquecedores de radiação, quanto maior a queima de gás em relação ao óleo, menor a temperatura de vapor devido a presença de água nos gases de combustão em função da maior porcentagem de hidrogênio no gás. Já nos superaquecedores de convecção, o grau de superaquecimento aumenta devido a maior vazão dos gases, face a necessidade de maior relação ar/combustível. · posição dos maçaricos – Mudando a posição dos maçaricos em relação ao superaquecedor, principalmente nos superaquecedores de radiação, consegue-se a variação do grau de superaquecimento.

Figura 50 – Mudança de posição dos maçaricos


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· fuligem na superfície externa do superaquecedor – O depósito de fuligem na superfície externa do superaquecedor dificulta a troca térmica causando a redução da temperatura do vapor.

O controle da temperatura do vapor pode ser feito pelo lado dos gases ou pelo lado do vapor. O controle pelo lado dos gases pode ser feito através de fornalhas germinadas, da posição dos maçaricos ou pela recirculação ou desvio dos gases.

Figura 51 – Fornalhas germinadas

Figura 52 – Recirculação ou desvio dos gases


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Pelo lado do vapor, o controle de temperatura pode ser feito através de injeção de água ou pelo by pass de parte ou de todo vapor em trocadores de calor. O controle de temperatura por injeção de água pode ser feito com água de alimentação ou com vapor saturado condensado. Pode ainda ser feito entre estágios do superaquecedor ou na saída de vapor da caldeira. A utili- zação de vapor saturado condensado tem a vantagem de não adicionar contaminantes ao vapor (sílica), e a utilização do controle entre estágios do superaquecedor traz a vantagem de evitar o arraste de água em razão da necessidade da passagem do vapor pelo segundo estágio. O equipamento util izado para controle de temperatura nesse caso é chamado de “desuperaquecedor ” ou “atemperador ”. O controle de temperatura por permutador também tem a vantagem de não adicionar contaminantes.

Figura 53 – Controle pelo lado do vapor


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Pressão na fornalha

Tem o objetivo de controlar a pressão na fornalha e o fluxo de ar e de gases através dos elementos de troca de calor da caldeira. Esse controle pode ser feito na entrada do ar ou na saída dos gases.

Figura 54 – Controle de pressão na fornalha

Fornecimento de energia

Figura 55 – Regulagem do combustível e do ar de combustão


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Um controlador de pressão ajusta a queima de modo a manter constante a pressão na saída da caldeira. Os dispositivos de controle objetivam manter o queimador sob condições ideais de operação, regulando pressão e vazão do combustível ou do ar de combustão. Os dispositivos de segurança devem impedir eventuais danos aos equipamentos e técnicos de operação envolvidos. Para controle de combustão, diferentes sistemas são utilizados, tais como: · funcionamento sob carga constante, ligando ou desligando em torno de um nível médio de demanda térmica; · funcionamento fixo em carga máxima, em carga mínima, ou sem carga; · funcionamento sob carga variável e contínua entre dois níveis, máximo e mínimo, de demanda térmica.

Alguns sistemas podem operar controlando a pressão do vapor ou a vazão na saída da caldeira. Quando o sistema opera com várias caldeiras por pressão é possível estabelecer qual caldeira ira responder mais rapidamente a uma variação na pressão. As caldeiras de queima mista (óleo e gás) normalmente têm um arranjo que permite a queima prioritária do gás dispo- nível. Algumas caldeiras são ajustadas para só permitir o aumento da vazão de óleo ou gás depois de aumentado o ar. No caso de decréscimo da carga, primeiro cortam o óleo, depois o ar (ar rico).

Figura 56 – Lógica do automatismo das caldeiras


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Controle de nível de água

O controle de nível pode ser de um elemento para caldeiras menores e de dois ou três elementos para caldeiras maiores. O controle a três elementos considera o nível no tubulão, a vazão de vapor e a vazão de água. Esse controle permite uma antecipação no controle de nível.

Figura 57 – Controle a três elementos

Dois sinais compõem o controle de nível: o sinal de nível no tubulão e o sinal de vazão de vapor. Esses dois sinais processados originam um terceiro que será o set-point do controlador de água de alimentação. O sinal de vazão de vapor tem o objetivo de antecipar uma correção para que o nível da caldeira não caia.


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2

Controle de poluentes

Os principais poluentes originados da queima de combustíveis orgânicos são: · material particulado; · óxidos de enxofre (SO2 e SO3); · monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO ); · óxidos de nitrogênio.

As quantidades desses poluentes dependerão dos combustíveis usados, dos modelos dos equipamentos de queima, do seu estado de conservação e das condições de operação desses equipamentos.

Material particulado É a denominação genérica de fumaça, fuligem e cinzas. Fuligem são pequenas partículas de carbono, parcialmente oxidado isoladas ou impregnadas com cinzas resultantes da combustão do restante do combustível. As partí- culas de carbono existente na fuligem são cenosferas resultantes do craqueamento térmico do combustível que não tiveram tempo ou oxigênio suficiente para completar a queima. A fuligem é o que podemos chamar de “fumaça preta”. A emissão de particulados é diretamente proporcional ao teor de asfaltenos do combustível. A quantidade de fuligem produzida pode ser grandemente reduzida com a otimização da atomização e ajuste do ar para queima. As cinzas são formadas pelos resíduos inorgânicos deixados na queima completa do combustível. Os componentes mais comuns para o óleo combustível são: sódio, vanádio, sílica, magnésio, níquel, cálcio, ferro e cobre.

Um tipo especial de particulado é a chamada “fuligem ácida”, que se constitui numa mistura de cinzas com produtos de corrosão das partes metálicas de fornos e caldeiras impregnadas de acido sulfúrico condensado dos gases de combustão. Essa fuligem originará a chamada “chuva ácida”. O uso de queimadores em mau estado, a atomização e a viscosidade erradas são


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fatores que originam alta emissão de particulados.

Para se monitorar a emissão de particulados de forma continua, usa-se aparelhos denominados opacímetros. Esses aparelhos medem a opacidade dos gases que saem pela chaminé. Funcionam da seguinte forma: um feixe de luz cruza os gases da chaminé e é detectado do outro lado por um sensor. A corrente gerada no detector é proporcional à luz visível transmitida atra- vés dos gases. Esses aparelhos devem ser protegidos contra a deposição de partículas e da condensação de gases ácidos através de ar de limpeza injetado continuamente nos dutos da instalação da fonte e do sensor.

FONTE LUMINOSA

DETETOR

Figura 58 – Opacímetro

A resolução nº 8 do CONAMA fixa como limite máximo de densidade colorimétrica 20%, equivalente à Escala de Ringelmann nº1, exceto na operação de ramonagem e na partida do equipamento.


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Força de separação

Gravitacional

Centrífuga

Inercial, difusional e direta

Eletrostática

Interceptação direta

Tabela 14 – Equipamentos mais utilizados para controle de particulados

Separador

Câmaras de sedimentação

Separadores ciclônicos

Lavadores de gás

Precipitador eletrostático

Filtro de manga

Figura 59 – Ciclone


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Figura 60 – Lavador de gases

Figura 61 – Filtro de manga


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Figura 62 – Precipitador eletrostático

A resolução nº 8 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) fixa como limite máximo de partículas totais 350 gramas por milhão de quilocalorias (para óleo combustível) e 1.500 gramas por milhão de quilocaloria (para car vão mineral).

Monóxido de carbono O monóxido de carbono é um gás inodoro e sem cor, formado na combustão incompleta de qualquer combustível contendo carbono. É um gás altamente tóxico. Seu limite de tolerância é de apenas 39cm3/m3 de ar. A concentração de CO nos gases de combustão depende da temperatura dos gases e do excesso de ar na combustão. Baixos teores de excesso de ar levam a altos teores de CO. Pequenas câmaras de combustão tendem a apresentar um teor de CO maior que grandes câmaras de combustão devido à velocidade de reação do CO a CO2 (lenta) e ao tempo de residência dos gases na câmara de combustão. Existem aparelhos destinados a medir o CO nos gases de combustão.


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3

Óxidos de nitrogênio Os óxidos de nitrogênio podem ser formados a partir do nitrogênio do com- bustível e a partir do nitrogênio do ar. A partir do nitrogênio do ar, eles podem ser térmicos ou rápidos. A concentração dos óxidos de nitrogênio térmico cresce linearmente com o acréscimo da concentração do oxigênio atômico e exponencialmente com a temperatura da chama. Os óxidos de nitrogênio rápido se caracterizam por fraca dependência da temperatura e forte dependência da relação ar/combustível. A partir do nitrogênio do com- bustível, a formação de NOx é mais forte a temperaturas mais baixas, aumenta rapidamente com o excesso de ar e depende pouco da temperatura do processo. Em fornalhas que queimam com alta temperatura (carvão mineral óleo e gás natural), prevalece a formação de óxidos de nitrogênio térmico. Em fornalhas que queimam com temperaturas relativamente baixas (carvão betuminoso, turfa e biomassa), prevalece a formação de óxidos de nitrogê- nio rápido. O maior problema causado pelos NOx na atmosfera é a formação de acido nítrico (HNO ) e conseqüente formação de chuva ácida. Um outro problema é a destruição da camada de ozônio.


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Tabela 15 - Classificação dos métodos de controle das emissões dos óxidos de nitrogênio

Tipo de método Denominação Fundamentação

Recirculação dos produtos da combustão

Combustão por etapas

Diminuição da temperatura e concentração do oxigênio no núcleo da chama Diminuição da temperatura e concentração do oxigênio no núcleo da chama

Métodos Pré-combustão (preventivos)

Queimadores com baixa emissão de NOx

Diminuição da temperatura e concentração do oxigênio no núcleo da chama

Injeção de água e vapor

Diminuição da temperatura e concentração do oxigênio no núcleo da chama

Métodos Pós-combustão (corretivos)

Combustão em leito fluidizado Redução seletiva não catalítica (SNCR) Redução catalítica seletiva (SCR)

Temperaturas de combustão menores que os convencionais Injeção de amônia sem catalisador Injeção de amônia com catalisador.


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3

3

Óxidos de enxofre O enxofre nos combustíveis é um dos piores poluentes devido à corrosão que provoca, à formação de chuva acida e aos problemas respiratórios que causa na população. Na combustão, o enxofre é rapidamente convertido em SO2 podendo ser lançado dessa forma na atmosfera ou ser convertido em SO através da ação catalítica do pentóxido de vanádio, normalmente presente nos óleos combustíveis pesados e carvões minerais. O SO3 por sua vez ao encontrar a água resultante da combustão do hidrogênio ou contida na atmosfera, reage formando ácido sulfúrico (H2SO4). Vale lembrar que a con- centração de SO será tanto maior quanto maior for o excesso de ar usado na combustão, razão pela qual também se procura minimizá-lo. O ponto de orvalho dos gases de combustão pode ser calculado ou obtido através de gráficos. Esse dado é determinante para obtermos a temperatura mínima a ser mantida na saída dos gases da chaminé de forma a se evitar a formação de ácido no interior dos equipamentos. Esse controle de temperatura é feito através da vazão de vapor para o pré-aquecedor de ar a vapor de forma a controlar a temperatura do ar que ingressa no pré-aquecedor de ar a gases de combustão.

Figura 63 – Curvas do ponto de orvalho do acido sulfúrico para gases de combustão com teores variando de 9 a 14% de água


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2

Um combustível com baixo teor de enxofre deve ter a preferência na queima sempre que possível, com o objetivo de evitar os inconvenientes citados anteriormente. O CONAMA fixa como limite máximo de dióxido de enxofre (SO ) 5 000 gramas por milhão de quilocalorias.

Temperatura dos gases na saída da chaminé

Essa temperatura deve ser mantida o mais baixo possível buscando melhorar o rendimento da caldeira e a diminuição do efeito estufa na atmosfera.

Resfriamento da purga

Toda água devolvida ao esgoto, em uma indústria em que não haja tratamento de efluentes, deve ter uma temperatura próxima da temperatura natural do ponto de deságüe para evitar a poluição térmica do curso d’água receptor.

Drenagem das linhas de combustível

O produto dessa drenagem deve ser recolhido e não lançado diretamente ao esgoto pluvial. Algumas indústrias possuem um sistema de esgoto oleoso que sofre tratamento antes do descarte. Aquelas que não o possuem devem obrigatoriamente instalar caixa separadora de óleo normatizadas pelas se- cretarias estaduais de meio ambiente.

Legislações ambientais

A resolução do CONAMA Nº 8 de 06/12/90 estabelece, com validade em todo território nacional, limites máximos para emissão de poluentes no ar para processos de combustão externa em fontes novas fixas cujas potências nominais totais sejam superiores a 70 megawatts, localizados em áreas de classe II ou III. É importante lembrar que as legislações estaduais e municipais podem ser mais restritivas que a federal. Assim, os padrões federais


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tem sempre de ser atendidos, não podendo, portanto, haver padrões estaduais ou municipais mais condescendentes. O Banco Mundial estabeleceu seus próprios padrões a serem respeitados para fins de obtenção de financiamento.

Figura 64 – Controle de emissões nos Estados Unidos


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(d.3) Falhas de operação, causas e providências

As falhas de operação prováveis dependem muito da instalação. Em instala- ções menores, é previsível que a falha em equipamentos prioritários como bomba de combustível, bomba de água de alimentação, ventiladores, compressores para ar de instrumentos necessários ao acionamento das válvulas de controle, falta de energia, etc. causará o apagamento da caldeira e a falta de vapor para seus consumidores sem maiores conseqüências. Deve então o técnico de operação sanar o problema e providenciar o reacendimento da caldeira. Em instalações maiores como uma refinaria de petróleo, por exemplo, em que o sistema de utilidades é o coração da refinaria, procura-se minimizar essas falhas. Todos os equipamentos citados anteriormente são redundantes e seus acionadores de fontes diferentes (motores e turbinas). As alimentações elétricas para motores, relés e válvulas solenóides podem ser alimentadas de fontes diferentes e, em ultimo caso, de geradores de emergência ou baterias para o caso dos relés e válvulas solenóides. Todas as válvulas de controle podem ser operadas manualmente do local ou utilizados os seus desvios. Câmaras de vídeo, dentro da fornalha, monitoram constantemente a chama das caldeiras de modo que o técnico de operação possa antecipar uma ação corretiva em caso de perceber alguma anormalidade. Isso não significa que as caldeiras tenham que continuar operando a qualquer custo, passando por cima até da segurança. No caso de ser necessário o apagamento de uma caldeira, o sistema poderá ser alimentado por outras caldeiras, pois até neste caso elas são redundantes. Para condicionar a carga do sistema a essa nova situação, existem válvulas motorizadas comandadas a distância que permitem o isolamento de consumidores não prioritários. As caldeiras podem operar com combustíveis diferentes (gás e óleo) de forma que a falta de suprimento de um deles não afete todas as caldeiras. O sistema como um todo é planejado para evitar falhas, mas isso também não significa que elas não ocorram. Têm-se observado que elas ocorrem principalmente em libera- ções de equipamentos para manutenção. Para se minimizar isso, procura-se planejar cuidadosamente cada liberação.


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(d.4) Roteiro de vistoria diária

· Verificar se os equipamentos na reserva estão prontos para operar. · Verificar se os equipamentos em manutenção estão corretamente bloqueados e etiquetados. · Verificar a ocorrência de vazamentos, ruídos estranhos e vibração fora do normal e solicitar manutenção, caso existam. · Verificar se indicadores locais e remotos não apresentam valores discre- pantes. · Verificar indicadores de nível a intervalos regulares. · Observar chama dos queimadores e corrigir qualquer anormalidade notada. · Fazer leituras dos indicadores a intervalos pré-estabelecidos. · Fazer ramonagem uma vez por turno. · Amostrar gases e água uma vez por turno. · Operar purga e dosagem de produtos químicos, conforme resultado das analises. · Verificar nível de lubrificante dos equipamentos rotativos. · Verificar se existem queimadores reserva prontos para operar. · Verificar se existem variáveis com valores fora do habitual que possam indicar alguma anormalidade. · Verificar funcionamento dos purgadores. · Testar pilotos. · Testar alarmes. · Testar automatismo das bombas e ventiladores na reserva.

(d.5) Operação de um sistema de várias caldeiras

Em um sistema com várias caldeiras a carga total é distribuída entre as caldeiras. Normalmente, o vapor d’água é distribuído em três ou mais níveis de pressão. A distribuição do vapor é conseguida através de tubulações isoladas instaladas nos coletores de vapor, dos quais saem as derivações


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para as diversas unidades de consumo. O vapor de alta pressão é produzido pelas caldeiras. O nível de pressão e temperatura depende de cada instala- ção. Os níveis de pressão mais comuns são: 40, 60, 80 ou 120kgf/cm2. Este vapor é o que atenderá às necessidades mais críticas de vazão, pres- são e temperatura do processo. Normalmente, é consumido nos turbo geradores e em algumas turbinas maiores. O vapor de média pressão é produzido a partir do nível de pressão anterior, pela extração dos turbo-geradores, exausto de algumas turbinas, expansão do vaso de purga de fundo e esta- ções redutoras. Esse vapor é utilizado no acionamento de turbinas auxiliares de bombas, compressores e ventiladores, no aquecimento de óleo com- bustível, como agente de arraste em ejetores, atomização de óleo nas caldeiras e fornos, etc. O vapor de baixa pressão é produzido pelo exausto das turbinas auxiliares ou estações redutoras. É utilizado como agente de aquecimento (tanques, desaeradores, steam-tracing, etc.) e como agente de arraste. É utilizado também como agente de limpeza externa e interna de equipamentos, na diluição de vazamento de gases e na remoção de gases em tubulações ou equipamentos para fins de manutenção (steam-out). Nes- se nível, existe também uma válvula reguladora que controla a pressão nesse sistema, descarregando o excesso de vapor para a atmosfera. Em todos os níveis de pressão, há PSVs para segurança do sistema. O condensado proveniente da utilização desse vapor retorna à central termelétrica onde é utilizado novamente na produção de vapor. Todo o sistema é operado de forma a evitar a abertura das válvulas redutoras, pois as mesmas não produzem trabalho, e também a abertura da válvula reguladora de pressão de vapor de baixa pressão. A essa operação dá-se o nome de “equilíbrio térmico”.


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Figura 65 – Equilíbrio térmico na operação de caldeiras

(d.6) Procedimentos em situações de emergência

Nível alto

Essa situação é potencialmente perigosa em função da possibilidade de arraste de água para o coletor geral de vapor. Isso será percebido pela atuação dos alarmes de nível alto e o procedimento será no sentido de reduzir a alimenta- ção e a verificação do controle automático de alimentação.

Nível baixo

Se o nível baixar sem desaparecer do visor, procura-se restaurá-lo lentamente. Se o nível desaparecer do visor, deve-se cortar o combustível (em instala- ções maiores, isto é, feito automaticamente pela atuação da proteção de nível baixo), fechar a válvula de saída, fechar a água de alimentação, fechar


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os registros de ar e parar a ventilação. Nunca realimentar com água uma caldeira que tenha perdido completamente o nível, pois ela poderá explodir.

Rompimento dos tubos

Essa situação pode ser percebida principalmente através de fumaça branca saindo pela chaminé. Quando o rompimento de um tubo for de ordem a exigir a retirada da unidade, deve-se imediatamente apagar os queimadores, parar os ventiladores e bloquear a saída de vapor da caldeira, bloqueando a alimentação de água. Esses procedimentos devem ser adotados o mais rapidamente possível para prevenir uma queda brusca na pressão e na temperatura de saturação. A seguir, deve-se ajustar uma vazão de ar mínima através da caldeira com a finalidade de arrastar o vapor que está vazando para dentro da fornalha e evitar o resfriamento desnecessário e desigual das partes sujeitas à pressão.

É sabido que se o tubulão de vapor - sem água, porém ainda quente - for esfriado pela água de alimentação relativamente fria, estará sujeito a sérias tensões.

Explosão na fornalha

Esse fato se deve à ignição espontânea dos gases combustíveis acumulados na fornalha. Ele pode ter várias causas como: temperatura inadequada do óleo, provocando combustão parcial; parada repentina dos ventiladores; formação de coque incandescente dentro da fornalha; entupimento da cha- miné; falhas de ignição; e falha de atomização.

Para evitar isto o técnico de operação deve: · Reduzir o combustível em vez de aumentar o ar de uma caldeira que esteja fumaçeando. É mais perigoso aumentar o ar fazendo com que a atmosfera da fornalha atravesse a faixa explosiva. · não permitir o reacendimento de uma caldeira sem que uma quantidade de


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ar passe através dela para expulsar os gases ainda presentes (purga da fornalha). Evitar tentativas de acendimento de queimadores aproveitando a chama de outro queimador próximo. · manter vigilância constante sobre a chama da caldeira antecipando uma correção sempre que constatado qualquer sinal de anormalidade.

(e) Manutenção de caldeiras

(e.1) Secagem do refratário

Quando se trata de uma caldeira nova, ou que foi submetida a extensos trabalhos de manutenção na fornalha, antes de colocá-la em operação normal, é necessário proceder à secagem dos tijolos refratários. Essa secagem é feita através do aquecimento lento e gradativo da fornalha, primeiramente de forma natural e a seguir, utilizando os equipamentos de combustão da própria caldeira. Esse procedimento tem o objetivo de eliminar a umidade retida no refratário. O tempo de secagem depende da quantidade de refratá- rios substituídos, da qualidade do concreto empregado e da espessura do refratário. Quanto mais lento e distribuído for este aquecimento, melhores os resultados.

(e.2) Limpeza química

Esse procedimento tem o objetivo de remover óleos, graxas e materiais estranhos das superfícies internas. Normalmente, feito com a adição de produtos alcalinos no tubulão e um aquecimento, primeiro à pressão atmos- férica e, após, sob pressão. O período de fervura em cada estágio é definido em função do material contido e das análises de acompanhamento do processo. Os produtos usados normalmente são: hidróxido de sódio, carbonato de sódio, fosfato trisódico e sulfito de sódio. Normalmente esse serviço é


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feito por empresas especializadas contratadas, as quais acompanham todo o processo.

(e.3) Sopragem

Todas as linhas novas de vapor, incluindo os tubulões e superaquecedores de caldeira, devem sofrer um procedimento de sopragem antes de sua operação normal. Esse processo consiste em fazer passar vapor à alta velocidade de modo a remover todo o material entranho que posa estar contido no interior das linhas. Isto é feito elevando-se a pressão da caldeira até a pressão normal de trabalho e abrindo a válvula de saída da caldeira para a atmosfera de modo que todo vapor gerado seja descarregado. Esse procedimento deve ser repetido várias vezes até que a tubulação seja considerada limpa. Normalmente, o vapor descarregado será de cor escura no início da operação e tornar-se-á claro quando as tubulações estiverem limpas.

(e.4) Hibernação

Quando a caldeira tiver que ser mantida fora de operação por um período prolongado de tempo, faz-se necessário que se tomem medidas no sentido de evitar a corrosão. Há dois métodos para conser vação das caldeiras inativas. Um deles é através da pressurização da caldeira com hidrogênio, que é um gás inerte. O outro é através do completo enchimento da caldeira com água tratada adicionado-se posteriormente hidrazina de forma que o teor de hidrazina dessa água seja de 200ppm. A análise do teor de hidrazina deve ser repetida semanalmente. Pelo lado dos gases, coloca-se uma lona para impedir a passagem de ar pelo interior da caldeira e distribui-se em diversos pontos recipientes com silica-gel ou cal virgem e lâmpadas.


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(e.5) Manutenção preventiva e inspeções

O funcionamento eficiente e a durabilidade das caldeiras depende de cuidados específicos tanto para caldeira como para seus periféricos. Os manuais de fabricação das caldeiras detalham os programas de manu- tenção necessários ao equipamento. As inspeções devem ser feitas a inter valos regulares. A NR-13 define os períodos mínimos de inspeção para cada classe de caldeira.

(e.6) Soldagem e alívio de tensões

As diferentes partes das caldeiras são construídas de diferentes materiais e ligas metálicas. Quanto mais alto o teor de carbono, maior a dificuldade para sua soldagem. A escolha do eletrodo adequado para a soldagem é fundamental para o sucesso da solda. Essa escolha depende do metal base, da posição da solda, da qualidade do metal depositado e de outros fatores. Após a realização da solda, o resfriamento e a contra- ção da zona soldada causa o aparecimento de tensões, que precisam ser aliviadas. Isso é feito pelo aquecimento da peça soldada até 600ºC, mantendo-a nessa temperatura por um período determinado.

(e.7) Mandrilamento

A fixação dos tubos nos tubulões é feito através do mandrilamento. Esse processo consiste na expansão do diâmetro da tubulação no local de fixação por meio da ação mecânica de roletes, calçados internamente nos tubos. Isso provoca a fixação do tubo por interferência. Em caldeiras de alta pressão, faz-se uma solda de selagem entre o tubo e o tubulão. Nas caldeiras aquotubulares, as paredes d’água se unem aos coletores por solda.


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(e.8) Válvulas de segurança

As válvulas de segurança devem ser inspecionadas e passar por regulagem anualmente. Avalia-se o estado da mola, do corpo e da sede. Geralmente esta ultima precisa ser retificada e polida.

(e.9) Queimadores

Os maçaricos precisam de manutenção constante e adequada, pois são fundamentais para a operação da caldeira. Oxidação dos furos, abrasão e desgastes são avarias constantes provocadas pela limpeza inadequada dos bicos. Não se deve usar materiais abrasivos para limpeza destas peças, pois a mínima mudança no perfil dos furos provoca perdas significativas na operação do maçarico.

(f) Prevenções contra explosões e outros riscos

(f.1) O risco de explosões

A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza diversificada. Deve-se, no entanto, destacar a importância do risco de ex- plosões, por quatro motivos principais:

· por se encontrar presente durante todo o tempo de operação da refinaria; · em razão da violência com que as explosões se manifestam; · por envolver pessoas de operação, e também os que trabalham na proximi- dade, a comunidade e a clientela; · por que sua prevenção deve ser considerada em todas as fases: projeto, fabricação, operação, manutenção, etc.


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O risco de explosão do lado água está presente em todas as caldeiras, uma vez que a pressão neste lado é sempre superior à atmosférica. Qualquer quantidade de um fluido compressível, não importa qual, quando comprimido a uma pressão de 10 atmosferas (por exemplo), estará ocupando um espaço 10 vezes menor do que ocuparia se estivesse submetido a pressão atmosférica. Em uma caldeira, outro fator importante a ser considerado é a grande quantidade de calor encerrado no processo de vaporização da água. Os danos provocados pela explosão de uma caldeira serão muito maiores, não só porque são diretamente proporcionais à entalpia do sistema, como também porque parte da energia será liberada na forma de calor. O risco de explosão pode ser originado pela combinação de três causas:

· diminuição de resistência do material, que pode ser decorrente do superaquecimento ou da modificação da estrutura do material; · diminuição da espessura do material, que pode advir da corrosão ou da erosão; · aumento da pressão, que pode ser decorrente de falhas diversas, operacionais ou não.

(f.2) Causas de explosões

Superaquecimento

É a exposição do aço a temperaturas superiores às admissíveis. O superaquecimento pode ser causado por: · escolha inadequada de materiais no projeto da caldeira; · emprego de material defeituoso; · dimensionamentos incorretos; · queimadores mal posicionados; · incrustações; · operação em marcha forçada;


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· falta de água nas regiões de transmissão de calor por circulação deficiente de água ou falha operacional.

Choques térmicos

Choques térmicos muito freqüentes provocam a fadiga do material. Os choques térmicos ocorrem em razão de freqüentes paradas e recolocação em marcha de queimadores.

Defeitos de mandrilagem

A mandrilagem tem a finalidade de ancorar o tubo no espelho (caldeira flamotubular) ou no tubulão (caldeira aquotubular), com a devida estanqueidade. Defeitos na mandrilagem levam a riscos de vazamentos ou trincas em chapas e tubos.

Falhas em juntas soldadas

Potencializam o risco de explosões em caldeiras uma vez que podem representar áreas de menor resistência.

Mudança da estrutura metálica

Nas caldeiras que operam com pressões elevadas e com alta capacidade de produção de vapor, verifica-se a ocorrência da decomposição da água, com a conseqüente liberação de oxigênio e de hidrogênio. O hidrogênio pode alterar a estrutura metálica do aço, tornando-o frágil.

Corrosão

Como causa de explosões, ela atua principalmente como fator de diminui- ção da espessura das partes sujeitas à pressão. A corrosão nas caldeiras


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podem ser internas aos tubos ou externa a eles. A corrosão interna pode ser provocada por:

· oxidação generalizada do ferro; · corrosão galvânica; · aeração diferencial; · corrosão salina; · fragilidade cáustica; e · corrosão por gases dissolvidos.

A corrosão externa depende de: · teor de enxofre do combustível empregado; e · temperatura dos gases de combustão.

Elevação da pressão

Durante a operação normal da caldeira, a pressão é mantida pelos seguintes sistemas:

· sistema de modulação da chama; · sistema de intertravamento; · válvulas de segurança; e · operação manual.

A falha em qualquer um desses sistemas pode causar a elevação da pressão acima de limites toleráveis e conseqüente explosão da caldeira.

(f.3) Explosões no lado dos gases

As explosões do lado dos gases de combustão são originadas pela combus- tão. Essas explosões acontecem na condição em que a fornalha se encontra inundada com a mistura combustível-comburente. Falta de limpeza dos queimadores, presença de água no combustível, carbonização do óleo no queimador e falha no sistema de alimentação de ar, pode causar a perda


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momentânea da chama. Com isto, a atmosfera da fornalha será enriquecida com a mistura e a explosão será deflagrada pelo sistema de ignição ou por partes incandescentes da fornalha ou ainda a chama de outro queimador que tenha permanecido aceso.

(f.4) Riscos de acidentes diversos e riscos a saúde

Entre os riscos de acidentes, vale ressaltar: · choques elétricos; · queimaduras; · quedas.

Como riscos à saúde: · condições ergonômicas não condizentes; · ruído; · desconforto térmico; · exposição dos olhos a radiação infravermelha; · fumaças, gases e vapores; e · riscos inerentes ao manuseio, armazenagem e processamento do

combustível.

Os riscos de acidentes na operação de caldeiras são controláveis pela práti- ca da técnica correta em todas fases: projeto, construção, inspeção de qualidade, operação, manutenção e inspeção.


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