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Tarcisio Santanavisibility
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Equipamentos Estáticos 5 Apresentação É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, diferenciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor.
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Equipamentos Estáticos
CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA
EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS
1
Equipamentos Estáticos
2
Equipamentos Estáticos
EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS
CARLOS V. REIS
COLABORADOR: RUI FERNANDO COSTACURTA
Equipe Petrobras
Petrobras / Abastecimento
UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap
3
CURITIBA
2002
Equipamentos Estáticos
Módulo
Equipamentos Estáticos
Ficha Técnica
Contatos com a Equipe da Repar:
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar
Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16
83700-970 Araucária – Paraná
Mario Newton Coelho Reis
(Coordenador Geral)
Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717
e-mail: marioreis@petrobras.com.br
Uzias Alves
(Coordenador Técnico)
Tel.: (41) 641 2301
e-mail: uzias@petrobras.com.br
Décio Luiz Rogal
Tel.: (41) 641 2295
e-mail: rogal@petrobras.com.br
Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva
Tel.: (41) 641 2433
e-mail: ledyc@petrobras.com.br
Adair Martins
Tel.: (41) 641 2433
e-mail: adair@petrobras.com.br
4
UnicenP – Centro Universitário Positivo
Oriovisto Guimarães
(Reitor)
José Pio Martins
(Vice Reitor)
Aldir Amadori
(Pró-Reitor Administrativo)
Elisa Dalla-Bona
(Pró-Reitora Acadêmica)
Maria Helena da Silveira Maciel
(Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação
Institucional)
Luiz Hamilton Berton
(Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa)
Fani Schiffer Durães
(Pró-Reitora de Extensão)
Euclides Marchi
(Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e
Sociais Aplicadas)
Helena Leomir de Souza Bartnik
(Coordenadora do Curso de Pedagogia)
Marcos José Tozzi
(Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e
Tecnologias)
Antonio Razera Neto
(Coordenador do Curso de Desenho Industrial)
Maurício Dziedzic
(Coordenador do Curso de Engenharia Civil)
Júlio César Nitsch
(Coordenador do Curso de Eletrônica)
Marcos Roberto Rodacoscki
(Coordenador do Curso de Engenharia
Mecânica)
Carlos V. Reis
(Autor)
Rui Fernando Costacurta
(Colaborador)
Marcos Cordiolli
(Coordenador Geral do Projeto)
Iran Gaio Junior
(Coordenação Ilustração, Fotografia e
Diagramação)
Carina Bárbara R. de Oliveira
(Coordenação de Elaboração dos Módulos
Instrucionais)
Juliana Claciane dos Santos
(Coordenação dos Planos de Aula)
Luana Priscila Wünsch
(Coordenação Kit Aula)
Angela Zanin
Leoni Néri de Oliveira Nantes
Érica Vanessa Martins
(Equipe Kit Aula)
Carina Bárbara Ribas de Oliveira
(Coordenação Administrativa)
Cláudio Roberto Paitra
Marline Meurer Paitra
(Diagramação)
Cíntia Mara Ribas Oliveira
(Coordenação de Revisão Técnica e Gramatical)
Contatos com a equipe do UnicenP:
Centro Universitário do Positivo – UnicenP
Pró-Reitoria de Extensão
Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300
81280-320 Curitiba PR
Tel.: (41) 317 3093
Fax: (41) 317 3982
Home Page: www.unicenp.br
e-mail: mcordiolli@unicenp.br
e-mail: extensao@unicenp.br
Equipamentos Estáticos
Apresentação
É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.
Para continuarmos buscando excelência em resultados, diferenciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de
você e de seu perfil empreendedor.
Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o
Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada
pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos
que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.
Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos
de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes técnico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não podem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um
processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado
pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da
Petrobras.
Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras
fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar
seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na
Petrobras.
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Cidade:
Estado:
Unidade:
Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.
5
Equipamentos Estáticos
Sumário
1 TUBULAÇÕES – ACESSÓRIOS/LIGAÇÕES ............................. 7
1.1 Tubulações ............................................................................ 7
1.2 Classificação dos Tubos ........................................................ 7
1.3 Uso dos Principais Tipos de Tubos ....................................... 7
1.3.1 Tubos de Aço Carbono .............................................. 7
1.3.2 Tubos de Aço-Liga e Aço Inoxidável ........................ 7
1.3.3 Tubos de Materiais Metálicos não Ferrosos ............... 7
1.4 Diâmetros Comerciais ........................................................... 7
1.5 Espessuras de Paredes dos Tubos .......................................... 7
1.6 Acessórios/ligações ............................................................... 8
1.6.1 Acessórios de Tubulações .......................................... 8
1.6.2 Ligações de Tubulações ............................................. 9
1.6.3 Isolamento Térmico de Tubulações ......................... 10
6 TORRES
................................................................................ 34
6.1 Finalidades .......................................................................... 34
6.2 Tipos ................................................................................ 34
6.2.1 Torre de Bandejas .................................................... 34
6.2.2 Bandejas com Borbulhadores .................................. 35
6.2.3 Bandejas Valvuladas ................................................ 35
6.2.4 Bandejas Perfuradas ................................................ 35
6.2.5 Bandejas Gradeadas ................................................. 36
6.2.6 Panelas .................................................................... 36
6.3 Torres Recheadas ................................................................ 36
6.3.1 Recheios .................................................................. 37
6.3.2 Suporte de Recheio .................................................. 37
2 VÁLVULAS ................................................................................ 11
2.1 Definição ............................................................................... 11
2.1.1 Classificação e Principais Tipos de Válvulas ........... 11
2.1.2 Válvulas que permitem o fluxo em apenas
uma direção ............................................................. 11
2.1.3 Válvulas que controlam a pressão a montante –
ou Válvulas de segurança, alívio e contra pressão ... 11
2.1.4 Válvulas que controlam a pressão a jusante –
ou Válvulas redutoras e reguladoras de pressão ....... 11
2.2 Principais Componentes das Válvulas ................................. 11
2.2.1 Corpo de Válvula ..................................................... 11
2.2.2 Castelo ..................................................................... 12
2.2.3 Mecanismos Internos e Gavetas ............................... 13
2.2.4 Meios de Operação de Válvulas ............................... 13
2.3 Detalhes Particulares de cada Tipo e Válvulas .................... 14
2.3.1 Detalhes Particulares de cada Tipo e Válvulas ......... 14
2.3.1 Válvula de Gaveta ................................................... 14
2.3.2 Válvula Macho ........................................................ 15
2.3.3 Válvula Globo ......................................................... 16
2.3.4 Válvulas de Controle ............................................... 17
2.3.5 Válvula Borboleta .................................................... 17
2.3.6 Válvulas de Diafragma ............................................ 18
2.3.7 Válvulas de retenção ................................................ 18
2.3.8 Válvulas de Segurança e de Alívio .......................... 19
7 FORNOS
................................................................................ 38
7.1 Utilização (dos fornos nas plantas de processo de
petróleo) .............................................................................. 38
7.2 Características gerais dos fornos ......................................... 38
7.3 Classificação geral dos fornos ............................................. 38
7.3.1 Quanto à utilização .................................................. 38
7.4 Fornos Reatores .................................................................. 39
7.4.1 Reformadores para unidades de hidrogênio
e amônia .................................................................. 39
7.4.2 Fornos de pirólise .................................................... 39
7.4.3 Quanto ao aspecto construtivo ................................. 39
7.4.4 Cilindro vertical em seção de convecção ................. 39
7.4.5 Cilíndrico vertical com seção de
convecção horizontal ............................................... 40
7.4.6 Tipo de cabine com tubos horizontais ..................... 40
7.4.7 Tipo Caixa com câmara de Combustão
Independente ........................................................... 40
7.4.8 Tipo Caixa com Queimadores nas Paredes .............. 41
7.4.9 Tipo Cabine com Altar ............................................ 41
7.5 Estrutura e carcaça metálica ................................................ 41
7.6 Refratários ........................................................................... 41
7.7 Tubos ................................................................................ 42
7.7.1 Tubos de radiação .................................................... 42
7.7.2 Tubos de Convecção ................................................ 42
7.8 Curvas e cabeçote de retorno ............................................... 42
7.9 Suportes dos tubos .............................................................. 42
7.10 Queimadores ....................................................................... 42
7.11 Chaminé e abafadores ......................................................... 43
7.12 Sopradores de fuligem / ramonadores ................................. 43
3 PURGADORES .......................................................................... 20
3.1 Introdução ........................................................................... 20
3.1.1 Remoção do Condensado ........................................... 20
3.2 Tipos ................................................................................ 20
3.2.1 Purgador de Bóia ..................................................... 20
3.2.2 Purgador de Panela Invertida ................................... 21
3.2.3 Purgador Termostático de Fole ................................ 21
3.2.4 Purgador Termodinâmico ........................................ 21
3.3 Tabela Comparativa para Purgadores .................................. 22
3.4 Outros Dispositivos Separadores ........................................ 23
3.5 Filtros para Tubulações ....................................................... 23
3.5.1 Filtros Provisórios e Permanentes ............................ 24
4 PERMUTADORES DE CALOR ................................................. 25
4.1 Introdução .............................................................................. 25
4.2 Descrição Geral ...................................................................... 26
4.2.1 Permutador de Espelhos Fixos ................................. 26
4.2.2 Permutador de tampa flutuante ................................ 28
4.2.3 Permutador de Tubos em “U” .................................. 28
4.3 Materiais Usados em Permutadores de Calor ...................... 28
4.4 Escolha do Fluido ............................................................... 29
4.5 Instrumentação do Permutador de Calor ............................. 29
4.6 Operação ............................................................................. 29
4.6.1 Normas de Operação ............................................... 29
4.6.2 Causas de Perda de Eficiência ................................. 30
4.7 Manutenção ......................................................................... 30
4.7.1 Limpeza ................................................................... 30
4.7.2 Testes de Pressão ..................................................... 30
4. 8 Componentes dos Trocadores ............................................. 31
4.8.1 Componentes ........................................................... 31
6
5 TANQUES ................................................................................ 32
5.1 Finalidade ........................................................................... 32
5.2 Classificação quanto à função ............................................. 32
5.2.1 Tanques de Armazenamento .................................... 32
5.2.2 Tanques de Resíduo ................................................. 32
5.2.3 Tanques de Mistura ................................................. 32
5.3 Classificação quanto ao tipo de teto .................................... 32
5.3.1 Tanques de Teto Fixo .............................................. 32
5.3.2 Tanques de Teto Flutuante ....................................... 32
5.4 Acessórios ........................................................................... 33
5.4.1 Respiração ............................................................... 33
5.4.2 Válvula de Pressão e Vácuo ..................................... 33
5.4.3 Agitador .................................................................. 33
5.4.4 Sistema de Aquecimento ......................................... 33
5.4.5 Isolamento Térmico ................................................. 33
5.4.6 Sistema de Medição ................................................. 33
5.5 Diques ................................................................................ 33
8 CALDEIRAS ............................................................................... 44
8.1 Considerações gerais ........................................................... 44
8.2 Classificação das caldeiras .................................................. 44
8.2.1 Caldeiras Flamotubulares ........................................ 44
8.2.2 Caldeiras Aquotubulares .......................................... 45
8.2.3 Classificação quanto à tiragem ................................ 45
8.2.4 Classificação quanto à circulação ............................ 45
8.3 Elementos principais de uma caldeira ................................. 45
8.3.1 Tubulão de vapor ..................................................... 45
8.3.2 Tubulão de água ...................................................... 46
8.3.3 Feixe convectivo ...................................................... 46
8.4 Paredes de água ................................................................... 46
8.5 Superaquecedores ............................................................... 46
8.5.1 Generalidades .......................................................... 46
8.5.2 Tipos ....................................................................... 46
8.5.3 Fatores de influência operacional ............................ 47
8.6 Pré-aquecedores .................................................................. 47
8.6.1 Generalidades .......................................................... 47
8.6.2 Classificação ............................................................ 47
8.6.3 Corrosão .................................................................. 47
8.7 Economizadores .................................................................. 47
8.8 Queimador .......................................................................... 48
8.8.1 Queimador ............................................................... 48
8.8.2 Distribuidor de ar .................................................... 48
8.8.3 Queimador de óleo combustível .............................. 48
8.9 Ramonador (ou soprador de fuligem) .................................. 48
8.10 Internos do Tubulão ............................................................ 49
8.10.1 Separadores de vapor ............................................... 49
8.10.2 Ciclones ................................................................... 49
8.11 Válvulas ............................................................................... 49
8.11.1 Válvulas de Bloqueio ............................................... 49
8.11.2 Válvula de Retenção ................................................ 49
8.11.3 Válvulas de Controle ............................................... 49
8.11.4 Válvulas de Segurança ............................................. 49
8.11.5 Válvulas de purga de superfície ............................... 49
8.11.6 Válvulas de purga de fundo ..................................... 50
8.11.7 Válvulas de “vent” ................................................... 50
8.12 Termos usuais em trabalhos de caldeiras ............................. 50
Equipamentos Estáticos
Tubulações –
Acessórios/Ligações
1
1.1 Tubulações
1.3.2 Tubos de Aço-Liga e Aço Inoxidável
Tubulações são condutos fechados destinados ao transporte de fluidos. As tubulações
são constituídas de tubos de tamanhos padronizados, colocados em série.
Usam-se tubulações para o transporte de
todos os fluidos, materiais pastosos, líquidos
e gasosos. Na prática, são chamados de tubos,
somente os condutos rígidos. Os condutos flexíveis recebem a denominação de tubos flexíveis, mangueiras ou mangotes.
São usados para serviços especiais tais
como fluidos corrosivos, fluidos à altas temperaturas, etc. Os elementos de liga mais usados são: – Cr e Mo, para altas temperaturas e
– Ni para baixas temperaturas.
1.3.3 Tubos de Materiais Metálicos não Ferrosos
São usados geralmente para fins específicos, que envolvem pequenos diâmetros (ar de
instrumento, tubos de permutador, entre outros).
1.2 Classificação dos Tubos
1.4 Diâmetros Comerciais
Os tubos podem ser classificados em metálicos ou não metálicos.
a) Tubos Metálicos Ferrosos:
Aço Carbono;
Aço Liga (à base de Cr, Mo Ni, Si);
Aço inoxidável;
Ferro Fundido;
Ferro Forjado.
b) Tubos Metálicos não Ferrosos:
Cobre e ligas de cobre (latão, bronze);
Alumínio;
Chumbo;
Níquel;
Outros metais; etc.
c) Tubos Não Metálicos:
Cimento-amianto;
PVC;
Borracha;
Concreto;
Vidro;
Plástico; etc.
Os tubos são identificados por um número chamado “diâmetro nominal” (DN). A unidade é a polegada (símbolo: "). Uma polegada
equivale a 2,54 cm.
De DN 1/8" até 12", esse valor não corresponde a nenhuma dimensão física dos tubos; e
de DN 14" a 36" o diâmetro nominal coincide
com o diâmetro externo (D. Ext.) dos tubos.
Assim, o valor fixo dos tubos de 1/8" a
12" é o diâmetro externo, sempre maior que o
diâmetro nominal.
Exemplo:
1.3 Uso dos Principais Tipos de Tubos
1.3.1 Tubos de Aço Carbono
Representam a maior parte das tubulações
utilizadas na refinaria. São usados para transferir hidrocarbonetos, vapor, água, gases, etc.
Suas limitações são, no que diz respeito,
a produtos químicos corrosivos e ao fator temperatura.
DN 4"
DN 8"
→
D. Ext. = 4,5"
→ D. Ext. = 8,6"
Acima de 30", os tubos são padronizados,
fabricados com costura, sob encomenda.
1.5 Espessuras de Paredes dos Tubos
Para cada um dos diâmetros nominais, fabricam-se tubos com diversas espessuras de
parede. Esta espessura é padronizada e recebe
o nome de “Schedule” (Sch). Quanto mais alto
o Sch, maior será a espessura da parede do
tubo.
7
Exemplo:
DN 8"
DN 8"
→
→ Sch 40 = 0,32"
D. Ext. = 8,6"
→ D. Ext. = 8,6"
→ Sch 80 = 0,5"
Equipamentos Estáticos
Conclusão do exemplo: como o D. Ext. é
fixo (8,6") para um mesmo DN (8"), então ao aumentarmos o n.º de schedule a espessura de parede aumenta e conseqüentemente o diâmetro interno diminui. (Figura 1.1).
Curva 90°
Curva 90° com pé
Curva 45°
Sch.
D. Ext.
Figura 1.2 – Acessórios flangelados.
D. Int.
Figura 1.1 – Espessura de parede de tubos.
Existem tubos para outras finalidades que
não simplesmente o transporte de fluidos. São
os tubos usados em permutadores, fornos, caldeiras, etc, que servem também para aumentar a área de troca de calor. Exigem, na maioria dos casos especificações especiais.
Para esses tubos, o diâmetro externo corresponde ao diâmetro nominal (DN), e a espessura de parede que varia grandemente, é designada pela própria medida de espessura em mm,
décimo de polegada, entre outras unidades.
Exemplo:
Tubo DN 3/4"
→
D. Ext. = 3,4"
Tubo DN 2"
→
D. Ext. = 2"
Figura 1.3 – Acessórios para solda do topo.
Cruzeta
Os acessórios de tubulações são os meios
utilizados para conectar tubos, válvulas, outros
acessórios e equipamentos. Além de ligar, os
acessórios servem também para mudar a direção, variar o diâmetro da tubulação, fazer derivações, interromper ligações, etc. Os acessórios
podem ser soldados, rosqueados ou flangelados.
Classificam-se conforme sua função nas tubulações:
a) Para mudar a direção em tubos, usa-se:
(Figura 1.2 e 1.3)
– Curvas de raio longo: 45º, 90º;
– Curvas de raio curto: 45º, 90º;
– Joelhos de 45º e 90º.
b) Para derivação em tubos: (Figura 1.4 e 1.5)
– T normal;
– Selas;
– Cruzetas.
c) Para variar o diâmetro em tubos: (Figura 1.6 e 1.7)
– Redução concêntrica;
– Redução excêntrica.
8
d) Para ligações de tubos entre si: (Figura 1.8
e 1.9)
– Luvas;
– Uniões;
– Flanges.
“Tê”
Figura 1.4 Acessórios flangelados.
1.6 Acessórios/ligações
1.6.1 Acessórios de Tubulações
Curva 45°
Curva 90°
Raio Longo
“Tê”
Sela
Figura 1.5 – Acessórios para solda do topo.
Redução
Figura 1.6 – Acessório flangelado.
Redução
Concêntrica
Redução
Excêntrica
Figura 1.7 – Acessórios para solda do topo.
Solda
Luva
rosqueada
Luva
soldada
Tubo
Figura 1.8 – Ligações rosqueadas e ligações soldadas.
Equipamentos Estáticos
Tubo
Tubo
União
soldada
Porca
União rosqueada
Porca
f) Para isolar trechos de tubulações e equipamentos;
– Raquetes; (Figura 1.13)
– Figuras-Oito. (Figura 1.14)
Solda
Flanges
Tubo
Porca
Parafuso
Tubo
Solda
Raqueta
Junta
Figura 1.13
Lado cheio
Figura 1.9 – Ligações rosqueadas e união flangelada.
Lado vazado
e) Para fechar a extremidade de um tubo:
– CAP; (Figura 1.10.)
– Bujões; (Figura 1.11.)
– Flanges cegos. (Figura 1.12.)
Figura 1.14
1.6.2 Ligações de Tubulações
a) Ligações Rosqueadas (Figura 1.4)
É um dos métodos mais antigos para ligação de tubulações, pois é de baixo custo e fácil execução. Sua utilização é limitada a tubos
de pequenos diâmetros (até 4") e para ligações
de baixa pressão.
“Cap”
Figura 1.10 – Acessório para solda do topo.
b) Ligações Soldadas (Figura 1.5)
É o sistema mais usado para a ligação de
tubos, acima de 2", para aços de qualquer tipo
e metais não ferrosos soldáveis. Para a execução das soldas existem normas que regulamentam o tipo de eletrodo, o tipo de inspeção, o
tratamento térmico, etc.
Figura 1.11 – Bujão (cabeça quadrada)
Flange cego
Tubo
Junta de
vedação
Parafuso
Figura 1.12 – Flange cego.
Porca
c) Ligações Flangeadas (Figura 1.6)
As ligações flangeadas compreendem,
normalmente, dois (02) flanges, jogo de parafusos, porcas e uma junta. São ligações facilmente desmontáveis, empregadas em uma série de situações, tais como:
– acoplar tubulação a uma válvula;
– acoplar tubulações aos equipamentos;
– permitir montagens e desmontagens fáceis.
Existem diversos tipos de flanges. Os mais 9
usuais são: de pescoço, integral, sobreposto,
rosqueado, de encaixe, cego, etc. Quanto à
face, pode-se ter: face lisa, com ressalto, macho e fêmea, etc.
Equipamentos Estáticos
Os flanges, confeccionados de material
forjado, podem ser classificados segundo a
pressão nominal de projeto. As classes de pressões para flanges são: 125, 150, 300, 400, 600,
900, 1.500 e 2.500 lbs/pol2. Os flanges mais
usados em refinaria correspondem às classes
de 150 e 300 lbs/pol2.
As dimensões dos flanges (espessura, n.º
de parafusos, diâmetro externo) variam com
as classes de pressão.
Em todas as ligações com flanges, existe
sempre uma junta que é o elemento de vedação.
O material da junta deverá ser deformável e
elástico, para compensar as irregularidades das
faces dos flanges, estratégia que confere
vedação perfeita. Deverá também ser especificado, visando suportar as variações de temperatura e pressão. Existem diversos tipos de
juntas. As mais comuns na refinaria são:
– Espirotálicas: Juntas planas com espiral metálico recheado de amianto. São
usadas para fluidos à altas temperaturas, situação em que um vazamento
torna-se extremamente perigoso.
– Nitripak: Juntas planas, fabricadas
com papelão recheado de tela metálica. Usadas para fluidos à alta pressão e
a baixas temperaturas.
– Papelão grafitado: Juntas planas fabricadas com papelão e grafite. Usadas
para fluídos à baixa pressão e baixa
temperatura.
1.6.3 Isolamento Térmico de Tubulações
Os isolamentos térmicos, com freqüência,
têm por finalidade, reduzir as trocas de calor
do tubo para o meio ambiente, ou vice-versa.
São constituídos, geralmente, de material à
base de cálcio ou lã de rocha.
Os isolamentos térmicos podem ser utilizados por duas razões, com finalidades específicas diferentes:
a) Motivo Econômico
As perdas de calor de um fluido para o
exterior, representam um desperdício da
energia empregada no aquecimento. A
utilização de isolamento térmico resulta, portanto, em economia de energia.
10
b) Proteção Pessoal
O isolamento térmico pode também ser
necessário para evitar queimaduras
caso o operador encoste-se na tubulação, ou ainda, em algumas situações,
para evitar o desconforto da excessiva
irradiação de calor.
Anotações
Equipamentos Estáticos
2
Válvulas
2.1 Definição
2.1.4 Válvulas que controlam a pressão a jusante
Válvulas são dispositivos usados para estabelecer, controlar e interromper a passagem
de fluidos em tubulações. Dentro deste conceito global, as válvulas podem ter, no entanto,
funções e características específicas que permitem uma classificação segundo seu emprego.
São também conhecidas como válvulas redutoras e reguladoras de pressão
2.1.1 Classificação e Principais Tipos de
Válvulas
Válvulas que controlam o fluxo em qualquer
direção
a) Válvulas de Bloqueio
São aquelas que se destinam, primordialmente, a estabelecer ou interromper o fluxo, ou seja, devem só funcionar completamente abertas ou completamente fechadas.
Tipos mais usados: válvula gaveta;
válvula macho;
válvula esfera.
b) Válvulas de Regulagem de Fluxo
Destinam-se para o controle de fluxo e
podem, devido a isto, trabalhar em
qualquer posição.
Tipos mais usados:
válvula globo;
válvula agulha;
válvula de controle;
válvula borboleta;
válvula de diafragma.
2.1.2 Válvulas que permitem o fluxo em apenas
uma direção
a) válvula de retenção de portinhola;
b) válvula de retenção tipo plug;
c) válvula de retenção de esfera;
d) válvula de pé.
2.2 Principais Componentes das Válvulas
2.2.1 Corpo de Válvula
O corpo ou carcaça é a parte da válvula que
se conecta à tubulação e contém o orifício de
passagem do fluido.
As válvulas são peças sujeitas à manutenção
e, por isso, devem ser, em princípio, facilmente
desmontáveis. Tanto as válvulas rosqueadas, como
as flangeadas obedecem a este conceito. No entanto, com o desenvolvimento dos processos de
solda, passaram também a ser empregadas válvulas com extremidades para solda de soquete e para
solda de topo. A desmontagem dessas válvulas é
bem mais difícil, mas em compensação, não há
riscos de vazamentos na tubulação. São os seguintes os principais casos de emprego de cada tipo
de extremidade em válvulas:
a) Extremidades flangeadas
Sistema usado em quase todas as válvulas, de qualquer material, empregado em tubulações industriais de mais
de 2". (Figura 2.1)
Volante
Pino
graxeiro
Haste
Sobreposta
Gaxetas
Castelo
Flangeado
Corpo
Flange
Gaveta
11
2.1.3 Válvulas que controlam a pressão a
montante
São também conhecidas como válvulas de
segurança, alívio e contra pressão
Sede
Figura 2.1 – Válvula gaveta.
Equipamentos Estáticos
b) Extremidades para solda de soquete
Sistema usado, principalmente, em válvulas de aço, de menos de 2", em que a
solda de topo é ineficiente.
c) Extremidades rosqueadas
Sistema usado em válvulas menores de
4" em tubulações que não conduzem
fluidos corrosivos ou venenosos.
b) Castelo preso ao corpo por uma porca solta de união
Usado para válvulas pequenas, de alta
pressão. Permite uma vedação bem
melhor que o castelo rosqueado. Esta
válvula deve ser de boa qualidade (Figuras 2.2 e 2.3).
Volante
Haste c/ rosca externa
Sobreposta
d) Extremidades para solda de topo
Sistema usado em válvulas de aço, de
mais de 2", em serviços com pressões
muito altas ou com fluidos em que se
exija eliminação absoluta do risco de
vazamento.
Castelo aparafusado
Tampão
Sede
2.2.2 Castelo
O castelo é a parte da válvula que suporta
e contém as peças móveis de controle de fluxo. O castelo é fixado ao corpo de maneira a
permitir rápida desmontagem e fácil acesso ao
interior da válvula. São três os meios usuais
de ligação do castelo ao corpo:
a) Castelo e corpo rosqueados
É o sistema mais barato, usado apenas
em pequenas válvulas de baixa pressão (Figura 2.2).
Volante
Sentido de fluxo
Figura 2.3 – Válvula globo.
c) Castelo aparafusado
Sistema usado para válvulas grandes
sob qualquer pressão, por ser mais robusto e permitir melhor vedação (Figuras 2.4 e 2.5).
Volante
Porca de aperto
Sobreposta
Gaxetas
Sobrecastelo
Haste com roca externa
Sobreposta
Castelo Rosqueado
Gaxetas
Haste c/ rosca interna
Castelo aparafusado
Corpo
Gaveta
Junta
Corpo
Extremos rosqueados
Gaveta
Sedes
12
Flanges
Figura 2.2 – Válvula gaveta castelo rosqueado.
Figura 2.4 – Válvula gaveta castelo aparafusado.
Equipamentos Estáticos
Alavanca de operação
Guia da alavanca
Haste deslizante
c) Operação automática:
– pelo próprio fluido;
– por meio de molas ou contrapesos.
Para 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.
Volante
Gaxeta
Engrenagens
de redução
Castelo
aparafusado
Gaveta
Flange
Figura 2.5 – Válvula de fecho rápido.
Castelo
2.2.3 Mecanismos Internos e Gavetas
O mecanismo móvel interno da válvula
(haste e peças de fechamento) e a sede chamase “trim” da válvula. São as peças mais importantes da válvula, geralmente, feitas de materiais de melhor qualidade do que os da carcaça, porque estão sujeitas a grandes esforços
e à forte corrosão. Devem ter também uma
usinagem cuidadosa para que a válvula tenha
fechamento estanque.
Na maioria das válvulas, a haste atravessa
o castelo, indo para fora do corpo. Para evitar
vazamento pela haste, existem gaxetas convencionais com porca de aperto, ou, mais raramente, sistemas especiais de vedação como
retentores, foles, entre outros. Quando a haste
é rosqueada (como acontece na maioria das
válvulas), a rosca deve, de preferência, estar
por fora da gaveta, por ser um sistema de construção mais barato.
2.2.4 Meios de Operação de Válvulas
Há uma variedade muito grande de sistemas usados para a operação de válvulas:
a) Operação manual, por meio de:
– volante;
– alavancas;
– engrenagens; (Figura 2.6)
– parafusos sem fim; etc.
Flange
Figura 2.6 – Válvula gaveta com redução de engrenagens.
Para a operação manual de válvulas situadas fora do alcance do operador, utilizam-se
volantes ou alavancas com correntes, ou ainda hastes de extensão (Figura 2.7).
a) Válvula acima do operador
Volante para
corrente
Volante
Piso de
operação
Haste de extensão
b) Válvula abaixo do operador
b) Operação motorizada:
– hidráulica;
– pneumática;
– elétrica.
Figura 2.7 – Válvulas com volante com corrente e com haste
de extensão.
13
Equipamentos Estáticos
A operação motorizada é empregada apenas nos seguintes casos:
– Em válvulas comandadas à distância;
– Em válvulas situadas em posições inacessíveis;
– Em válvulas muito grandes, cuja operação manual seja difícil.
Nos sistemas de operação motorizada, hidráulica ou pneumática, a haste da válvula é
comandada por um êmbolo ou um diafragma,
sujeito à pressão de um líquido ou ar comprimido. O comando hidráulico, mais raro na prática do que o comando pneumático, é usado
quase somente, para válvulas muito grandes.
Conexões para o
líquido acionador
Cilindro Hidráulico
Gaxetas
Haste deslizante
Gaveta
Figura 2.8 – Válvula comandada por cilindro hidráulico.
A operação motorizada pneumática é o sistema mais usado nas válvulas comandadas por
instrumentos automáticos. É preciso não confundir válvulas comandadas por instrumentos
automáticos com válvulas de operação automática.
Existem dois sistemas de operação motorizada elétrica de uso corrente:
– Motor elétrico, acionando o volante da
válvula por meio de engrenagens de
redução. Este sistema é usado apenas
em válvulas de grande tamanho para
tornar a operação mais fácil e mais rápida.
14
– Solenóide, cujo campo magnético movimenta, diretamente por atração, a
haste da válvula. Este sistema pode ser
empregado apenas para pequenas válvulas, freqüentemente por relés elétricos ou instrumentos automáticos.
2.3 Detalhes Particulares de cada Tipo
e Válvulas
2.3.1 Válvula de Gaveta
É o tipo de válvula mais importante e de
uso mais generalizado. São utilizadas principalmente nos serviços de bloqueio nas linhas
de água, óleos e 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 estes serviços, as válvulas de
gaveta são usadas para qualquer pressão ou
temperatura (Figura 2.1).
O fechamento dessas válvulas é feito pelo
movimento de uma peça chamada gaveta, que
se desloca paralelamente ao orifício da válvula e perpendicularmente ao sentido de escoamento do líquido.
Quando completamente abertas, a perda
de carga causada por este tipo de válvula é
desprezível. Apenas devem trabalhar completamente abertas ou completamente 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.
Observa-se que as válvulas gaveta são
sempre de fechamento lento, sendo impossível fechá-las instantaneamente: o tempo necessário para o fechamento será tanto maior
quanto maior for a válvula. Essa é uma grande
vantagem das válvulas gavetas, porque, desta
maneira, pode-se controlar o efeito dos golpes
de ariete.
As válvulas gaveta dificilmente dão um
fechamento absolutamente estanque. Por outro lado, na maioria das aplicações práticas,
tal fechamento não é necessário.
A gaveta das válvulas pode ser em cunha
ou paralela.
As gavetas de cunha são de maior qualidade e dão, devido a ação da cunha, um fechamento mais seguro do que as gavetas paralelas, embora sejam de construção e manutenção mais difícil.
Emprega-se, nas válvulas gaveta, três sistemas diferentes de movimentação da haste:
Haste ascendente com rosca externa
É o sistema usado nas válvulas grandes e
de boa qualidade. A haste tem apenas movimento de translação e o volante, preso ao castelo por uma porca fixa, apenas movimento
de rotação. A rosca da haste é externa à válvula
Equipamentos Estáticos
estando, assim, livre, do contato com o fluido. A
extensão da haste acima do volante dá uma
indicação visual imediata da posição de abertura ou de fechamento da válvula, sendo esta
a principal vantagem do sistema (Figura 2.4).
Haste ascendente com rosca interna
É a disposição mais usual em válvulas
pequenas e também em válvulas grandes de
qualidade inferior. A haste, dentro da válvula,
juntamente com o volante, tem movimentos
de translação e rotação. Não há indicação visual da posição de abertura ou fechamento (Figura 2.2).
Variantes das válvulas gavetas
Uma variante da válvula gaveta é a válvula de fecho rápido. Nessas válvulas, a gaveta é
manobrada por uma alavanca externa fechando-se com um movimento único da alavanca
(Figura 2.5).
2.3.2 Válvula Macho
Aplica-se, principalmente, nos serviços de
bloqueio de gases para qualquer diâmetro, temperatura ou pressão e também no bloqueio rápido de água, vapor e líquidos em geral para pequenos diâmetros e baixas pressões (Figura 2.9).
Engraxadeira
Alavanca de manobra
Haste não ascendente
A haste, juntamente com o volante tem
apenas movimento de rotação. Somente a gaveta da válvula que se atarraxa na extremidade da haste, tem movimento de translação. É
um sistema barato, de construção fácil, usado
em válvulas pequenas de qualidade inferior.
Alguns problemas são característicos durante a operação de válvulas gavetas:
– Em caso de alta pressão, é difícil a operação de uma válvula gaveta. Há casos
em que se torna necessário o uso de
chaves apropriadas aplicadas ao volante, há outros em que a válvula possui
um desvio: na abertura ou fechamento
da válvula utiliza-se o desvio para evitar alto diferencial de pressão na operação.
– As gaxetas requerem atenção, uma vez
que podem apresentar um pequeno vazamento com o uso. É importante que
sejam reapertadas ou trocadas em épocas apropriadas.
– Ao se abrir ou fechar completamente a
válvula, ela pode se trancar. Existe uma
pequena folga que permite inverter ligeiramente o sentido de rotação do volante sem que se altere a posição da gaveta.
– Quando a válvula não está vedando
completamente não é boa norma forçar seu fechamento: as causas podem
ser depósitos na sede, defeito na sede,
etc. A operação indevida pode agravar
o problema. Na maioria das vezes, ocorre a quebra da bucha.
– Tanto a má lubrificação como o aperto
demasiado das gaxetas podem acarretar
dificuldades na operação da válvula.
Sobreposta
Gaxetas
Sedes
Macho
Orifício de passagem
Rasgos de Lubrificação
Válvula macho
Posição aberta
Posição fechada
Cortes em projeção horizontal
Figura 2.9 – Válvula macho.
Nessas válvulas, o fechamento é feito pela
rotação de uma peça (macho) existente no interior do corpo da mesma. São válvulas de fecho rápido, porque bloqueiam com 1/4 de volta
do macho ou da haste.
As válvulas macho são, fundamentalmente, válvulas de bloqueio. Quando totalmente
abertas, a perda de carga é mínima e, quando
parcialmente fechadas, a turbulência impede
uma vazão regularizada.
Existem dois tipos gerais de válvulas macho: com e sem lubrificação.
Nas válvulas com lubrificação, há um sistema de injeção de lubrificantes sob pressão, 15
através do macho, para melhorar a vedação e
evitar que o mesmo fique preso. Essas válvulas são empregadas geralmente em serviços
com gases.
Equipamentos Estáticos
As válvulas sem lubrificação, de boa qualidade, usadas para gases, têm sedes removíveis, feitas de material resiliente (teflon, neoprene, etc.), dando ótima vedação estanque.
Variantes da válvula Macho
Uma das variantes da válvula macho corresponde às válvulas de esfera. Neste caso, o
macho é uma esfera que gira sobre um diâmetro, deslizando entre anéis retentores. As
vantagens das válvulas de esfera sobre a de
gaveta são o menor tamanho, peso e custo,
melhor vedação e menor facilidade de operação (Figura 2.10).
Haste
Alavanca de manobra
Orifício de
passagem
Engaxetamento
bem melhor que as válvulas de gaveta, de forma que é possível conseguir, principalmente
em válvulas pequenas, um fechamento absolutamente estanque (Figura 2.3).
As válvulas globo devem ser instaladas de
modo que o fluido entre sempre pela face inferior do tampão. Essa disposição tem a vantagem de poupar as gavetas, porque a pressão
não fica agindo permanentemente sobre elas e
também de permitir, em muitos casos, o reengaxetamento com a válvula em serviço.
Variantes de válvula globo
Válvulas Angulares
Essas válvulas têm os bocais de entrada e
saída a 90°. Permite perdas de cargas menores
que a válvula globo comum. Devido à posição do orifício de passagem (Figura 2.12).
Porca de aperto
Gaxetas
Haste com rosca
Macho
(esfera oca)
Tampão
Anéis retentores
Figura 2.10 – Válvula de esfera.
Outra variante das válvulas macho são as
válvulas de 3 ou 4 vias, onde o macho nesss
válvulas é furado em “T” em “L” ou em cruz,
dispondo a válvula de 3 ou 4 bocais para ligação às tubulações (Figura 2.11)
Macho
Trajetória do fluído
Figura 2.12 – Válvula Angular.
Válvula Agulha
O tampão nestas válvulas é substituído por
uma peça cônica agulha, que permite um controle mais delicado da vazão. É usado em linha até 2” (Figura 2.13).
Posição aberta
Corte em projeção
horizontal
Figura 2.11 – Válvula de 3 vias.
2.3.3 Válvula Globo
Em válvulas globo, o fechamento é feito
por meio de um tampão que se move contra o
orifício da válvula, que, geralmente, está em
posição paralela ao sentido do fluxo. As vál16 vulas globo podem trabalhar em qualquer posição e fechamento, isto é, são válvulas de regulagem. Causam, entretanto, em qualquer
posição de fechamento, fortes perdas de cargas. As válvulas globo dão um fechamento
Castelo de união
Porca
Agulha
Trajetória do fluido
Figura 2.13 – Válvula Agulha.
Sede
Equipamentos Estáticos
Válvula sem sede
É uma variante das válvulas angulares em
que o tampão consiste de um êmbolo que desliza do corpo da válvula. Estas válvulas são
empregadas para a descarga de caldeiras (Figura 2.14).
Mola regulável
(para abrir a válvula)
Admissão de ar comprimido
(para fechar a válvula)
Diafragma flexível
Indicador de posição
de abertura
Êmbolo
Haste
Sobreposto
Gaxetas
Retentores
Tampões duplos
balanceados
Sedes
Figura 2.14 – Válvula sem sede.
Válvulas em “Y”
Essas válvulas apresentam a haste a 45°
com o corpo, de maneira tal que a trajetória da
corrente fluida fica quase retilínea. Em conseqüência disso as perdas de carga ficam reduzidas um valor mínimo. Essas válvulas são
usadas para bloqueio e regulagem de vapor
(Figura 2.15).
Tampão
Figura 2.16 – Válvula de Controle.
2.3.5 Válvula Borboleta
Usada para tubulações de grande diâmetro (mais de 20'’), sujeitas a baixas pressões,
sem a exigência de vedação perfeita. O fechamento da válvula é feio por meio de uma peça
circular que pivota em torno de um eixo perpendicular ao sentido de escoamento do fluido (Figura 2.17).
Volante
Eixo
Trajetória do fluido
Sede
Figura 2.15 – Válvula em “Y”.
2.3.4 Válvulas de Controle
Essas válvulas são usadas em combinação com instrumentos automáticos, que as
comandam à distância, para controlar a vazão
ou a pressão de um fluido. A válvula em si é
quase semelhante a uma válvula globo sendo
operada, na maioria das vezes, por meio de
um diafragma sujeito à pressão de ar comprimido. Há um instrumento automático que
comada a pressão de ar, que por sua vez faz
variar a posição de abertura da válvula. A operação nas válvulas de controle é feita, geralmente, pelo diafragma em um sentido (para
abrir ou fechar) e por uma mola regulável no
outro sentido (Figura 2.16).
Corpo
Disco
Figura 2.17 (a) – Válvula Borboleta.
Alavanca
Flanges da
tubulação
Fe
ch
ad
o
o
ert
Ab
17
Corpo da válvula
Disco de
(entre os flanges)
fechamento
Figura 2.17 (b) – Válvula Borboleta.
Equipamentos Estáticos
2.3.6 Válvulas de Diafragma
Muito usadas para fluidos perigosos, corrosivos, tóxicos, inflamáveis, etc, as válvulas de diafragma não apresentam gaxetas. Seu
fechamento é feito por meio de um diafragma flexível apertado contra a sede. O mecanismo móvel que controla o diafragma fica
completamente fora do contato com o fluido
(Figura 2.18).
Flange de
entrada
Tampa
Flange
de saída
Sede
Volante
Haste
Castelo
Tampão
Eixo
Tampão
Figura 2.19 – Válvula de retenção de portinhola.
Algumas válvulas desse tipo têm uma alavanca externa, com a qual a portinhola pode
ser aberta ou fechada, à vontade, quando necessário.
Válvulas de retenção tipo plug
Posição fechada
Sede
O fechamento da válvula é feito por meio
de um tampão, semelhante ao das válvulas globo, cuja haste desliza em uma guia interna.
Essas válvulas causam perdas de carga muito
grandes e por isso são pouco usadas em linhas
de diâmetro acima de 6'’. São adequadas ao
trabalho com gases e vapores (Figuras 2.20).
Tampa
Diafragma flexível (aberto)
Figura 2.18 – Válvula de Diafragma.
Guia
Pino
Sede
2.3.7 Válvulas de retenção
Estas permitem a passagem de fluido apenas em sentido, fechamento automaticamente, por diferença de pressões exercidas pelo
próprio fluido, se houver tendência à inversão
no sentido de escoamento. São, por isso, válvulas de operação automática.
Um caso típico do uso de válvulas de retenção é na linha de recalque de bombas em
paralelo, para evitar o retorno do fluido através das bombas paradas. Outro caso é do uso
dessas válvulas na linha de carregamento de um
tanque para evitar um possível esvaziamento.
Existem três tipos principais de válvula de
retenção:
Válvula de retenção de portinhola
É o tipo mais comum de válvula de retenção. Seu fechamento é feito por uma portinhola
articulada, que se assenta no orifício da vál18 vula.
As válvulas de portinhola não devem ser
usadas em tubulações sujeitas a freqüentes inversões de fluxo, porque, nesse caso, têm tendência a vibrar fortemente (Figura 2.19.).
Saída
Entrada
Tampão
Figura 2.20 – Válvula de retenção tipo plug.
Válvula de retenção de esfera
São semelhantes às válvulas de retenção
tipo plug, sendo porém, o tampão substituído
por uma esfera.
É o tipo de válvula de retenção cujo fechamento é mais rápido. Essas válvulas, muito boas para fluidos de alta viscosidade, são
fabricadas e usadas apenas para diâmetro de
até 2” (Figura 2.21).
Entrada
Saída
Esfera
Figura 2.21 – Válvula de retenção de esfera.
Equipamentos Estáticos
Variantes das válvulas de retenção
Válvulas de pé
São válvulas de retenção especiais para
manter a escorva nas linhas de sucção de bombas. São semelhantes às válvulas de retenção
tipo plug (Figura 2.22).
A construção dessas válvulas é semelhante
à das válvulas globo angulares. O tampão é
mantido fechado contra a sede pela ação de
uma mola, com parafuso de regulagem, ou de
um contrapeso externo de posição ajustável.
Regula-se tensão ou posição do contrapeso,
de maneira a se ter a desejada pressão de abertura da válvula (Figura 2.24).
Bocal de saída
Pino
Guia
Tampão
Porca de regulagem
Mola
Bocal de saída
Tampão
Sede
Grade de
entrada
Bocal de entrada
Figura 2.24 – Válvula de segurança.
Figura 2.22 – Válvula de pé.
Válvulas de retenção e fechamento
São semelhantes às válvulas globo, com
tampão capaz de deslizar sobre a haste. Na
posição aberta, funcionam como válvulas de
retenção de levantamento e, na posição fechada, como válvulas de bloqueio. São usadas nas
linhas de saída de caldeiras (Figuras 2.23).
Haste
rosqueada
Guia
Entrada
Haste do
tampão
Tampão
Saída
Figura 2.23 – Válvula de retenção e fechamento.
2.3.8 Válvulas de Segurança e de Alívio
Controlam a pressão à montante, abrindose automaticamente, quando essa pressão ultrapassa um determinado valor para o qual a
válvula foi ajustada (pressão de ajuste).
As válvulas de mola são as mais comuns.
A mola pode ser interna, dentro do castelo da
válvula, ou externa, preferindo-se esta última
disposição para serviços com fluidos corrosivos, muito viscosos, ou gases liqüefeitos que
possam congelar, prendendo a mola.
Essas válvulas são chamadas de “segurança”, quando destinadas a trabalhar com fluidos elásticos (vapor, ar, gases), e de alívio,
quando destinadas trabalhar com líquidos, que
são fluidos incompressíveis. A construção das
válvulas de segurança e de alívio é basicamente
a mesma, a principal diferença reside no perfil das sedes e do tampão. Nas válvulas de segurança, o desenho desses perfis é feito de tal
forma que a abertura total da válvula ocorra
imediatamente após a “pressão de ajuste”, e o
fechamento repentinamente abaixo da “pressão de ajuste”. Nas válvulas de alívio, a abertura é gradual, atingindo o máximo com 110%
a 125% da “pressão de ajuste”.
As válvulas de segurança costumam ter
uma alavanca externa com a qual é possível
fazer-se manualmente o disparo da válvula
para teste.
19
Equipamentos Estáticos
3
Purgadores
3.1 Introdução
Purgadores são equipamentos utilizados
para eliminar condensados das tubulações que
transportam vapor ou ar comprimido. Os bons
purgadores além de remover condensado, removem também o ar e outros gases incondensáveis que possam existir.
O aparecimento de condensado em tubulações de vapor pode se dar devido à perda de
calor para o meio ambiente, arraste de gotículas, colocação em operação de determinado
trecho de tubulação fria ou trechos de tubulações bloqueadas.
O aparecimento de condensado em tubulações de ar comprimido ocorre em conseqüência da condensação da umidade do ar ou do
arraste do óleo de lubrificação dos compressores.
3.1.1 Remoção do Condensado
Remove-se o condensado existente nas linhas de vapor pelas seguintes razões:
– Conservar a energia do vapor, pois o
condensado não tem ação motora (máquina a vapor) nem ação aquecedora
eficiente (o vapor aquece cedendo calor de condensação). A entrada de condensado nas turbinas causa danos irreparáveis em suas palhetas.
– Evitar vibrações e martelos hidráulicos
nas tubulações causados pelo arrastamento do condensado e encontro do
vapor com bolsões de condensado.
– Reduzir os efeitos de corrosão.
Remove-se o condensado das linhas de ar
comprimido, porque os arrastes de óleo ou
água danificam os instrumentos e prejudicam
o processo em que o ar é utilizado.
a) Purgadores de bóia;
b) Purgadores de panela invertida.
– Purgadores Termostáticos – Agem
por diferença de temperatura.
a) Purgadores de expansão metálica;
b) Purgadores de expansão líquida;
c) Purgadores de expansão balanceada (fole).
– Purgadores Especiais:
a) Purgadores termodinâmicos;
b) Purgadores de impulso.
3.2.1 Purgador de Bóia
Consiste em uma caixa com uma entrada
de vapor e uma saída de condensado. A saída
do condensado é fechada por uma válvula comandada por bóia; quando há condensado, a
bóia flutua e abre a saída do condensado, que
é expulso pela própria pressão do vapor.
É necessário que a força de flutuação da
bóia seja suficiente, através das alavancas, para
vencer a pressão do vapor, que tende a fechar
a válvula.
Esse purgador tem descarga contínua e não
permite a saída de ar e de outros gases.
É empregado para baixas pressões de vapor (até 35 Kgf/cm2), quando se deseja descarga rápida e contínua e quando não há necessidade de eliminação de ar (Figura 3.1).
Válvula
termostática
Entrada
(vapor + condensado)
Bóia
20
3.2 Tipos
Os purgadores podem ser classificados em:
– Purgadores Mecânicos: Agem por diferença de densidade.
Válvula
de saída
Saída
(condensado)
Figura 3.1 – Purgador de Bóia.
Equipamentos Estáticos
3.2.2 Purgador de Panela Invertida
É o tipo de purgador mais usado em tubulações de vapor. Consiste em uma caixa com
entrada de vapor e saída de condensado, dentro da qual existe uma panela com fundo para
cima, comandando a válvula que fecha a saída do condensado.
Para o início de 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
Válvula (aberta)
dentro da panela, tornando-se pequena, faz
com que a panela flutue, fechando a válvula
de saída. O ar contido na panela sai pelo pequeno furo existente no fundo da panela, por
onde escapa também um pouco de vapor; o ar
acumula-se, então, no topo do purgador e o
vapor é condensado por saturação do ambiente.
Chegando mais condensado, a panela enchese de água, perde flutuação e afunda, abrindo a
válvula. A pressão do vapor faz sair o ar acumulado e o condensado, até que, diminuindo a quantidade de condensado dentro da panela, a
flutuação é restabelecida, fechando-se a válvula e repetindo-se, assim, o ciclo (Figura 3.2).
Válvula (aberta)
Válvula (fechada)
Bolhas de Ar
e Vapor
Orifício
Vapor
Entrada
Saída
Panela Invertida
(afundada)
Purgador Aberto
(Descarga de Condensado)
Vapor
Condensado
Panela Invertida
(flutuando)
Condensado
Purgador Fechado
(Chegada de Vapor)
Panela
Invertida
(afundada)
Purgador Aberto
(Descarga de Condensado)
Figura 3.2 – Purgador de Panela Invertida.
3.2.3 Purgador Termostático de Fole
Fole
Entrada
Consiste em uma caixa contendo no interior um pequeno fole 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, por ser 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 que abre a válvula deixando-os escapar.
Esse tipo de purgador é empregado para médias e baixas pressões (até 35 kgf/cm2), principalmente quando se tem grande volume de
ar a eliminar. A descarga de condensado é intermitente, demorada, e a perda de vapor é relativamente grande. Não pode ser empregado
para vapor superaquecido (Figura 3.3).
Válvula
Saída
Figura 3.3 – Purgador Termostático de Fole.
3.2.4 Purgador Termodinâmico
É um aparelho de construção extremamen21
te simples, cuja única peça móvel é um disco
que trabalha dentro de uma pequena câmara,
abrindo ou fechando, simultaneamente, as passagens que dão para a entrada de vapor e para
a saída de condensado (Figura 3.4).
Equipamentos Estáticos
Disco Móvel
(suspenso)
Tampa
Pressão
Zona de Baixa
Pressão
Sede
Condensado
Ar
Condensado
Ar
Condensado
Vapor
Condensado
Vapor
Purgador Fechando-se
(chegada de vapor)
Purgador Aberto
(descarga de condensado)
Pressão
Orifício de Entrada
Orifício de Saída
Vapor
Secção AA
Purgador Fechado
Figura 3.4 – Purgador Termodinâmico.
O funcionamento de um purgador termodinâmico encontra-se descrito a seguir: O condensado ou o ar chegando ao purgador são
empurrados pela pressão do vapor, levantam
o disco e escapam para fora. 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 (Teorema de
Bernoulli) e o disco abaixa-se tendendo a fechar a saída do vapor. Assim que o disco começa a abaixar, parte do vapor que sai para a
câmara acima do disco, e a pressão do vapor
força, então, o disco para baixo. Ao mesmo
tempo, o movimento do disco causa uma redução na seção de saída do vapor; em conseqüência, a velocidade aumenta e a depressão
causada também, o disco encosta-se, então, na
sede, fechando a saída do vapor.
O disco fica, assim, em equilíbrio (a mesma pressão nas duas faces) até que o vapor repetido em cima começa a condensar, a pressão
cai, o disco sobe, repetindo-se todo o ciclo.
Esse purgador, barato, pequeno, simples
e de baixa manutenção, 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 0,7 kgf/cm2. Pode ser empregado para altas pressões e altas temperaturas.
3.3 Tabela Comparativa para Purgadores
O quadro seguinte apresenta um resumo comparativo das principais características dos tipos
mais importantes de purgadores de vapor:
Tipo
Bóia
Panela Invertida
Panela Aberta
22 Expansão Metálica
Expansão Líquida
Expansão Balanceada
Termodinâmico
Impulso
Pressão Capacidade
Resistência a
Descarga Eliminação
Golpes de
Máxima do Máxima
Contínua do Ar
Vapor (kg/cm2) (kg/h)
Ariete
35
180
100
50
35
35
100
100
50 000
15 000
6 000
4 000
4 000
1 000
3 000
5 000
Sim
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Sim
Sim
Perda de
Vapor
Pouca
Pouca
Pouca
Bastante
Bastante
Bastante
Regular
Regular
Necessidade de
Manutenção
Regular
Bastante
Bastante
Regular
Regular
Regular
Quase Nenhuma
Quase Nenhuma
Equipamentos Estáticos
3.4 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 água e/ou óleo em tubos
de ar comprimido e de outros gases;
– Separação de poeiras e sólidos em tubos de gasolina e de outros líquidos
leves;
– 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 aparelhos que trabalham por flutuação,
são inteiramente semelhantes aos purgadores
de bóia, são empregados na separação e eliminação de água e de outros líquidos nas tubulações de ar e de gases em geral. Esses separadores, que são sempre peças pequenas (fabricadas com até 2” de diâmetro nominal), são
muito usados para a drenagem da água formada em tubulações de ar comprimido e, por isso,
denominados às vezes de “purgadores de água”.
O princípio da inércia é utilizado nos aparelhos 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 de direção várias vezes em grande velocidade. Nessas mudanças
de direção, as partículas líquidas ou sólidas
separam-se por serem mais pesadas (devido à
inércia) e são, então, recolhidas e eliminadas.
Entrada
vapor + água
Furo
Visor
de nível
Saída
(Vapor)
Gotas
d’água
Purgador
Filtro
Dreno
Separador para vapor com drenagem automática por purgador
Gás líquido
Gás
Chicana
Gotas de líquido
Líquido acumulado
Visor de nível
Dreno
Figura 3.5 – Separadores de Inércia.
Os separadores que agem 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 que são depois coletadas.
Os separadores de absorção são aparelhos no interior dos quais existem elementos
de 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. Os desumidificadores de
silicagem ou de alumina, empregados para remover umidade em correntes de ar ou de outros gases, funcionam segundo este princípio.
3.5 Filtros para Tubulações
Os filtros (strainers, filters) são também
aparelhos separadores destinados a reter poeiras, sólidos em suspensão e corpos estranhos,
em correntes de líquidos ou gases. Duas classes de filtro são de uso comum em tubulações
industriais: a dos filtros provisórios e dos permanentes.
Os filtros provisórios são peças que se
intercalam nas tubulações, próximo aos bocais
de entrada dos equipamentos (bombas, compressores, turbinas, etc.), para evitar que sujeiras e corpos estranhos, deixados durante a
montagem das mesmas, penetrem nesses equipamentos quando o sistema for posto em funcionamento. Depois que as tubulações já esti- 23
verem em funcionamento normal por algum
tempo, e tiverem, portanto, sido completamente lavadas pelo próprio fluido circulante, os
filtros provisórios deverão ser removidos. É
Equipamentos Estáticos
obrigatória a colocação de filtros provisórios
na entrada de todos os equipamentos que possam ser danificados pela presença de corpos
estranhos, pois, por mais bem feita que tenha
sido a limpeza prévia das tubulações, é impossível garantir-se que não haja poeiras, terra, ferrugem, rebarbas de solda, pontas de eletrodos e outros materiais estranhos no interior
das mesmas.
Os filtros permanentes, como o próprio
nome indica, são acessórios instalados nas tubulações de um modo definitivo. Os principais casos de emprego dos filtros permanentes envolvem:
– Tubulações com fluidos sujos que sempre possam apresentar corpos estranhos;
– Casos em que se deseje uma purificação rigorosa e controlada do fluido
circulante;
– Tubulações de entrada de equipamentos muito sensíveis a corpos estranhos,
tais como bombas de engrenagens, medidores volumétricos, certos tipos de
purgadores, etc.
3.5.1 Filtros Provisórios e Permanentes
Os filtros provisórios mais comuns são os
discos de chapa perfurada ou os anéis de chapa fina com uma cesta de tela (Figura 3.6).
Ambos são introduzidos entre dois flanges
quaisquer, onde ficam presos. Os filtros de
cesta de tela devem ter uma área de filtragem
de no mínimo 3 a 4 vezes em relação à seção
transversal útil da tubulação.
Cesta de tela
Chapa intercalada
entre dois flanges
Figura 3.6 – Filtro Provisório.
Para facilitar a colocação e posterior retirada dos filtros provisórios deve-se colocar
uma peça flagelada (carretel, redução, joelho,
etc.) na estrada dos equipamentos que devam
ser providos de filtros provisórios. O filtro ficará preso a um dos flanges dessa peça, com a
cesta de tela dentro da peça: para remover o
24 filtro, bastará desacoplar os flanges e retirar a
peça inteira.
Os filtros permanetes consistem, geralmente, em uma caixa de aço de ferro fundido,
ou de bronze, com os bocais para tubulaçoes
de entrada e de saída, no interior da qual existem os elementos de filtragem e chicanas para
conduzirem a veia fluida (Figura 3.7). Os elementos filtrantes e os materiais de construção
dos mesmos variam de acordo com o fluido
circulante, com o grau de filtragem desejado,
com o tamanho do filtro, etc.
Tampa
Cesta de tela
Entrada
Entrada
Saída
Saída
Cesta de tela
Dreno
Para diâmetros maiores
Tampa e
dreno
Para diâmetros menores
Figura 3.7 – Filtros Permanentes.
Entre os elementos filtrantes mais comuns
estão:
– Grades metálicas, chapas perfuradas,
telas metálicas (filtragem grosseira de
líquido);
– Telas finas, feltro, “nylon”, porcelana,
papel, etc. (filtragem fina de líquido);
– Palhas metálicas, feltro, camurça, etc.
(filtragem de gases).
Conforme o modelo do filtro, os elementos filtrantes podem ter a forma de cestas cilíndricas, cones, discos, cartuchos, etc.
Anotações
Equipamentos Estáticos
Permutadores
de Calor
a.3. – Gerador de Vapor
Quando gera vapor d’água, aproveitando calor de um líquido quente proveniente do processo (Figura 4.3).
4.1 Introdução
O permutador de calor é um equipamento
onde dois fluidos, com temperaturas diferentes, trocam calor através de uma interface metálica. No processamento de uma Refinaria de
Petróleo, o permutador de calor é empregado
não só para economizar calor, mas também
para atender às necessidades de processo.
De acordo com o fim a que se destina, este
tipo de equipamento pode ser enquadrado conforme a seguinte classificação geral:
a) Aquecimento
a.1. – Aquecedor
Quando aquece o fluido do processo
por meio de vapor de água ou outro
meio qualquer (Figura 4.1).
2
Vapor 10 kg/cm
TIC
NaOH
Condensado
Figura 4.1 – Aquecedor de regeneração de soda.
a.2. – Refervedor
Quando vaporiza um líquido por meio
de vapor d’água ou outro fluido quente. Utilizado para prover calor às torres
de destilação, vaporiza parte do produto de fundo (Figura 4.2).
Vapor
4
Vapor d’água
saturado
Tambor de
Separação
Fracionadora
Figura 4.3 – Gerador de vapor da unidade de craqueamento
catalítico fluido.
b) Resfriamento
b.1 – Resfriador
Quando resfria fluidos do processo através da utilização de água como meio
de resfriamento. O abaixamento de
temperatura dos líquidos a serem armazenados evita as perdas de produtos
leves (Figura 4.4).
Resfriador
Querosene
para tanque
Água de
Refrigeração
Figura 4.4 – Resfriador de Querosene.
Torre de
Separação
Refervedor
Butano
Figura 4.2 – Refervedor de Torre de Separação.
Condensado
b.2 – Condensador
Quando condensa um fluido pelo uso
de água como fluido refrigerante. Empregado para recuperação de vapores 25
de colunas de destilação, bem como
para condensação do vapor exausto de
turbinas, reduz a pressão de descarga
das mesmas (Figura 4.5).
Equipamentos Estáticos
Chicanas – orientam o fluxo do casco, de
forma a manter os tubos na posição desejada e
evitar que sofram esforços de reflexão;
Condensadores
Torre
Água
de Refrigeração
Figura 4.5 – Condensador de torre de destilação atmosférica.
Espaçadores – mantêm o conjunto de
chicanas em posição.
1.
2.
3.
4.
Casco
Carretel
Tampa do Carretel
Espelho
5. Chicanas
6. Espaçador
7. Tubos
2
b.3 – Resfriador a ar
Quando resfria vapores ou líquidos,
passando por feixes de tubos tipo serpentina e usando corrente de ar impulsionada por pás movidas a motor elétrico (Figura 4.6).
4
1
3
3
4
5
2
7
6
Ar
Figura 4.8 – Permutador de espelhos fixos.
M
Figura 4.6 – Resfriador a Ar.
c) Intercambiadores
Quando há troca de calor entre dois fluidos do processo. Executa dupla função:
aquece um fluido por meio do uso de
outro mais quente que se resfria. Não
há perda de calor (Figura 4.7).
Querosene
Diesel
Supondo um fluido quente passando pelo
lado dos tubos e um fluido frio passando pelo
lado do casco ( Figura 4.9). O fluido quente
entra através de um carretel, enquanto o fluido frio entra pelo bocal inferior do casco, percorre o caminho determinado pelas chicanas e
sai do permutador pelo bocal superior.
O fluido quente, ao percorrer os tubos,
cede calor, através da interface metálica, ao
fluido frio que percorre o casco.
Gasóleo
Petróleo
Considere
T1 – temperatura de entrada do fluido quente;
Figura 4.7 – Aquecimento de petróleo.
T2 – temperatura de saída do fluido quente;
t1 – temperatura de entrada do fluido frio e
4.2 Descrição Geral
4.2.1 Permutador de Espelhos Fixos
A Figura 4.8 mostra um exemplo de
permutador de espelhos fixos, cujas partes essenciais são:
Casco – parte externa central do permutador;
Carretéis e tampas dos carretéis – partes externas extremas do permutador;
26
Feixe Tubular – constituído de espelhos
que mantêm os tubos na posição desejada.
Neste tipo de permutador, os espelhos são soldados ao casco e servem também como flanges
aos quais os carretéis são parafusados;
t2 – temperatura de saída do fluido frio.
Tem-se que T1 T2 e t1 t2 em virtude do processo de troca de calor sensível, entre os fluidos, ocorrido dentro do permutador.
t2
T2
t1
T1 Fluido quente
Figura 4.9 – Fluxos no casco e no feixe.
Fluido frio
Equipamentos Estáticos
Saída tubos
Entrada casco
Vent (suspiro)
Orifício para instrumento
Flange do
Saída casco casco Tampa
do casco
(boleado)
Casco
Tampa do
Carretel
carretel Entrada
tubos
Figura 4.10 – Permutador de Calor (vista externa).
Feixe de
tubos
Espelho
Flutuante
Espelho
fixo
Chapa
defletora
Chicana
Chapa
defletora
Carretel
Chapa quebra jato ou
chapa de sacrifício
Tampa do
flutuante
O permutador da Figura 4.9 é de uma passagem no casco, já que o fluido frio percorre o
mesmo uma só vez. Este tipo de casco é o mais
comum em refinarias de petróleo, embora sejam utilizados também os de duas passagens
no casco, os de fluxo divididos por defletores
e os demais tipos apresentados na Figura 4.14.
Evidentemente, cada um deles apresenta aplicação e interesse específicos.
Casco de uma pasagem
Casco de duas passagens
com chicana longitudinal
Casco com fluxo bifurcado
Casco com duplo fluxo
bifurcado
Casco com fluxo dividido
Refervedor tipo caldeira
Figura 4.11 – Permutador de Calor (vista interna).
A função das chicanas é acarretar turbulência no fluido que percorre o lado do
casco (Figura 4.12). Este estado de turbulência resulta em maior eficiência na troca
de calor.
Perfurações
Casco
Figura 4.12 – Detalhe das chicanas.
T2
t1
Contra-corrente
nte
que
o
id
Flu
frio
ido
Flu
T1
t2
T1
Temp.
Temp.
Quando os dois fluidos percorrem o permutador na mesma direção, diz-se que estão
em paralelo; quando em direções opostas,
como apresentado na figura 4.9, diz-se que
estão em contra-corrente Este último é o fluxo normalmente utilizado. A Figura 4.13
mostra os perfis de temperatura de dois fluidos em paralelo e em contra-corrente ao longo do permutador. No fluxo em contra-corrente, a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor temperatura do fluido quente, o
que não pode ocorrer no fluxo em paralelo.
t1
Extensão
Figura 4.13 – Perfis de temperatura.
Paralelo
Flu
ido
quente
Flu
ido
frio
Extensão
Figura 4.14 – Tipos de Casco.
De maneira análoga, o permutador apresenta uma passagem nos tubos, pois estes se
constituem em uma única seção de passagem.
É comum permutadores que apresentam várias passagens nos tubos, com divisões nos carretéis que encaminham o fluido dentro dos tubos, formando os passes.
A Figura 4.15 mostra os arranjos dos
divisores de passes para diversos números de
passagens. Números crescentes de passes, tanto nos tubos como no casco, determinam uma
velocidade maior dos fluidos, o que favorece
a troca térmica.
Nos permutadores de espelhos fixos, o
lado externo dos tubos é inacessível à limpeza
mecânica e inspeção, por isso são utilizados
apenas quando o fluido do lado do casco é limpo e não há problemas de corrosão.
Espelhos
de entrada de retorno
Permutador
Esquema dos passes
2 Passes
T2
t2
4 Passes
6 Passes
Figura 4.15 – Divisores de passes.
27
Equipamentos Estáticos
4.2.2 Permutador de tampa flutuante
Este permutador, apresentado na Figura
4.16, é de feixe removível. De um lado, o feixe tem espelho fixo parafusado entre os flanges
do carretel e do casco. Do outro lado, o espelho flutuante é fixado entre a tampa do flutuante (que caracteriza o permutador) e o anel
bipartido. O casco é fechado por meio da tampa do casco.
A remoção do carretel, da tampa do casco
e da tampa flutuante permite a retirada do feixe pelo lado do espelho fixo.
Este tipo de permutador permite limpeza
mecânica e inspeção do lado externo dos tubos, já que o feixe pode ser removido, além
disso não apresenta dificuldades decorrentes
de dilatação diferencial entre o feixe tubular e
o casco.
Figura 4.16 – Permutador de Tampa Flutuante.
4.2.3 Permutador de Tubos em “U”
O permutador com tubos em “U”, mostrado na Figura 4.17, possui um feixe constituído de tubos curvados em forma de “U” e
mandrilados ao espelho. Os tubos podem expandir-se livremente, o que elimina, neste tipo
de permutador, a necessidade de: espelho flutuante, tampa flutuante, um dos flanges do
casco e a tampa do casco. O menor raio de
curvatura sem deformar o diâmetro externo dos
tubos determina a omissão de alguns tubos no
centro do feixe.
Neste tipo de permutador, o feixe de tubos pode ser removido do casco para limpeza e inspeção da área externa dos tubos. O
fluido que escoa no lado dos tubos deve ser
limpo, para evitar sujamento excessivo dos
mesmos.
28
Figura 4.17 – Permutadores de Tubos em “U”.
4.3 Materiais Usados em Permutadores
de Calor
A “Tubular Exchanger Manufactors
Association” (TEMA) publica normas para
projeto e construção de permutadores de casco e tubo. Estas especificações servem para
três classes de permutadores:
Classe R, para condições severas de processamento de petróleo e produtos químicos,
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 materiais especificados para tubos e
cascos são:
a) Tubos
Podem ser lisos ou aletados.
Os tubos lisos, padronizados em 4 diâmetros (3/4", 1", 1 1/4" e 1 1/2"), são mais
comumente encontrados na indústria.
Os tubos aletados aumentam a troca de
calor devido ao aumento da área externa de
troca, porém, acarretam maior perda de pressão no lado do casco (Figura 4.18).
Figura 4.18 – Tubos Aletados.
Os materiais utilizados obedecem às especificações mínimas para uma determinada
aplicação: aço carbono, normalmente utilizado para meios agressivos; aços ligas, latões,
bronzes, ligas de alumínio e duplex, utilizados em diversos meios corrosivos.
b) 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. Fabricado normalmente em aço carbono, no entanto também podem ser feitos em
aço liga e ligas de alumínio quando de tubo,e
em aço liga, ligas de níquel e ligas de cobre
quando de chapa.
Equipamentos Estáticos
4.4 Escolha do Fluido
4.6 Operação
O permutador já está construído para
receber determinados líquidos nos tubos e
no casco. Não há regras fixas que estabeleçam qual tipo de fluido deve passar pelos
tubos.
Evidentemente, a escolha do fluido que
passa pelos tubos ou pelo casco deve atender às melhores condições para o processo,
menor custo de construção e fácil manutenção. De uma maneira geral, passam pelos
tubos:
4.6.1 Normas de Operação
a) Fluidos mais sujos
Com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores, etc. É mais fácil remover a
sujeira dos tubos do que do casco.
b) Fluidos mais corrosivos
Além de ser mais econômico usar tubos resistentes à corrosão do que um
casco com a mesma propriedade, é mais
fácil substituir tubos furados do que
casco.
c) Fluidos com maior pressão
Porque o casco tem menor resistência
em virtude do seu maior diâmetro.
d) Fluidos menos viscosos
A menos que a perda da pressão deva
ser muito baixa.
e) Água de resfriamente
Por facilidade de limpeza.
f) Fluidos de menor vazão volumétrica, em vista do casco oferecer mais espaço.
Entre líquidos de propriedades semelhantes,
devem passar pelos tubos aqueles de maior pressão, maior temperatura e os mais corrosivos.
4.5 Instrumentação do Permutador de
Calor
A instrumentação varia com a finalidade
do permutador no processo. Assim, instrumentos medidores de temperatura, vazão e pressão podem ser encontrados nas tubulações de
entrada ou saída de um permutador, de acordo
com as necessidades de controle do processo.
É regra geral que, num resfriador ou em
um conjunto de resfriadores, deve haver um
indicador de temperatura (Thi).
a) Condições de Segurança
A temperatura e a pressão limites, em que
devem trabalhar os tubos e o casco, especificadas do permutador, não devem ser ultrapassadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura
de saída da água não deve exceder de um certo valor (50ºC) para evitar deposição de sais.
b) Aquecimento e resfriamento
Tanto na partida como na parada, os permutadores de calor devem ser aquecidos ou
resfriados lentamente. Isto 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.
c) Partida e Parada
Na partida, entra primeiro o fluido mais frio.
Se o fluido mais frio está ligeiramente quente,
deixa-se o mesmo, então, entrar lentamente.
Quanto mais quente o fluido, mais lenta deve
ser a sua penetração no permutador de calor.
Na parada, bloqueia-se primeiramente a
entrada do fluido mais quente. Se isto não for
observado, podem ocorrer vazamentos nos
tubos.
d) Suprimento de água
Falhas no suprimento de água para um
resfriador podem trazer sérias conseqüências.
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 permutador. Esta mudança rápida de
temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas. É necessário, portanto, um fluxo contínuo
de água para um resfriador.
e) Condensado
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 água
acumulada nos tubos do refervedor. Abrindose a válvula do vapor d’água, este vai condu- 29
zir a água a uma grande velocidade até encontrar um obstáculo, onde provoca um grande
choque. Este impacto severo, o martelo hidráulico, pode causar ruptura do material.
Equipamentos Estáticos
4.6.2 Causas de Perda de Eficiência
a) O permutador está sujo e não há troca
eficiente de calor.
b) A tubulação ligada ao permutador não
dá a vazão para qual o aparelho foi projetado.
c) As condições de operação diferem daquelas para as quais o permutador de
calor foi projetado.
4.7 Manutenção
4.7.1 Limpeza
A eficiência do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação, depósitos de sais, ferrugem, coque, areia,
pó de coque, folhas, fibras vegetais, camadas
de graxa, corpo de micro-organismos, etc.
acumulam-se dentro e fora dos tubos, o que
prejudica a troca de calor e também aumenta a
queda de pressão do fluido.
O permutador de calor que durante a operação tem sua eficiência reduzida deve ser limpo durante a parada da unidade seja limpo e
inspecionado, desde que não tenha flexibilidade de parar durante a campanha.
Entre os vários processos de limpeza do
permutador de calor, podem ser citados os seguintes:
a) Limpeza por água em contra-corrente
É utilizada em 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 frouxamente agregados aos
tubos, através de dreno apropriado.
b) Limpeza por vapor
Para limpeza por este processo, o permutador de calor é retirado de operação, embora
não precise ser desmontado. Passa-se vapor
pelo casco e pelos tubos, de forma a entrar por
um respirador e carregar a sujeira por um dreno. Este método é eficiente para remover camadas de graxa ou depósitos agregados frouxamente nos tubos e no casco do permutador
(“Steam out”).
30
c) Limpeza química
O processo de limpeza química consiste
na circulação, em circuito fechado, no lado dos
tubos e no lado do casco, de uma solução ácida adicionada de um inibidor de corrosão. A
solução desagrega os resíduos, o que permite
a remoção dos mesmos, 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. Evidentemente, o permutador de calor, não precisa ser desmontado.
d) Limpeza mecânica
Neste caso, o permutador precisa ser desmontado. O pessoal de manutenção retira a
tampa do carretel, a tampa do casco e a tampa flutuante. Camadas de graxa, lama e sedimentos frouxos podem ser removidos dos
tubos por meio de arames, escovas ou jatos
d’água. Se os sedimentos internamente aos
tubos estão muito agregados, entupindo-os,
então são usadas máquinas perfuratrizes. Estas constam, essencialmente, de um eixo
metálico que, girando dentro dos tubos, expulsa os detritos.
4.7.2 Testes de Pressão
Após a parada para inspeção e manutenção dos permutadores 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 e a estanqueidade dos dispositivos de vedação.
Os testes de pressão são efetuados com
água, porém, quando isto não for possível,
poderá ser feito o teste pneumático.
No teste do casco, poderão, em geral, ser
localizados os seguintes vazamentos:
– Mandrilagem dos tubos;
– Junta entre casco e espelho fixo;
– Tubos;
– Casco e suas conexões.
O teste do feixe de tubos permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes
pontos:
– Junta da tampa do carretel;
– Junta entre carretel e espelho fixo;
– Junta da tampa flutuante;
– Carretel, sua tampa e conexões;
– Tampa flutuante.
Nas figuras 4.19 a, b e c e 4.20 a e b, são
apresentados os testes efetuados em permutadores de tampa flutuantes e de tubos em
“U”.
Equipamentos Estáticos
01.
02.
03.
04.
05.
06.
07.
08.
09.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Casco pressurizado
Figura 4.19 – a) Teste do Casco ou 1º teste.
Tubos pressurizados
Figura 4.19
b) Teste do Feixe Tubular ou 2º teste.
Casco pressurizado
Carretel;
Tubos em “U”;
Flange de Cabeça Fixa;
Tampa do Carretel;
Bocal;
Espelho Fixo;
Tubo;
Casco;
Tampa do Casco;
Flange do Casco;
Tirante;
Bocal do Casco;
Flange da Tampa do Casco;
Espelho Flutuante;
Tampa do Flutuante;
Flange do Flutuante;
Anel Bipartido do Flutuante;
Conexão para Suspiro (vent);
Conexão para Dreno;
Conexão para Instrumento;
Berço de Apoio;
Alça para Suspensão;
Colarinho de Reforço;
Pescoço do Bocal;
Chicana Transversal;
Chicana Longitudinal;
Defletor.
25
Figura 4.19 – c) Teste da Tampa do Casco Boleado ou 3º teste.
8
7
3 26
12 21
5
11
16
18 19
28 10
11
21
22
14
23
9
Figura 4.19 – Teste do Permutador de Tampa Flutuante.
27
4
15
1
20
26
3
5
29
6
24
10
10
19
28
21
12 13
21 26
21
17
Casco pressurizado
6
29
7
7
25
11
15
Figura 4.21
Figura 4.20 – a) Teste do Casco ou 1º teste
Tubos pressurizados
Figura 4.20 – b) Teste do Feixe Tubular ou 2º teste.
Figura 4.22
Figura 4.20 – Teste do Permutador de Tubos em “U”.
1
20
23
26
5
21 12 23 8
23
26
8
7
11
19
3
4. 8 Componentes dos Trocadores
4.8.1 Componentes
Os números que seguem correspondem
aos colocados nos círculos, das figuras 4.21,
4.22 e 4.23.
2
22
31
4
27
23
5
20
Figura 4.23
6
24
21
10
23
12
21
21
19
Equipamentos Estáticos
5
Tanques
5.1 Finalidade
Os tanques têm fundamental importância
para o processamento de petróleo. Neles são
estocadas as cargas para as unidades de processo e seus derivados. São utilizados também
para estocar insumos para o processamento
(óleo combustível, amônia, metanol, etc.).
São utilizados somente para os derivados
de petróleo mais pesados (asfalto, gasóleo, óleo
diesel, etc.) e para produtos químicos (soda
cáustica, amônia, etc.).
2
5.2 Classificação quanto à função
5.2.1 Tanques de Armazenamento
Destinados ao estoque de produtos de
alimentação, produtos derivados e insumos à
pressão atmosférica.
1
1. Aquecedor Tipo Radiador
2. Suspiro
5. 2.2 Tanques de Resíduo
Produtos fora de especificação ou provenientes de operações indevidas são enviados para estes tanques, onde aguardam o reprocessamento.
5.2.3 Tanques de Mistura
Usados para obtenção de misturas de
produtos, ou produtos e aditivos.
Exemplo:
– Tanques de gasolina;
– Tanques de soluções cáusticas.
5.3 Classificação quanto ao tipo de teto
Quanto ao tipo de teto, os tanques são classificados em:
– Tanque de teto fixo, e
– Tanque de teto flutuante.
5.3.1 Tanques de Teto Fixo
Normalmente, possuem uma estrutura de
sustentação do teto que varia em função do
32 tamanho do mesmo.
O tipo de teto fixo mais utilizado em refinarias de petróleo é o de teto cônico (em forma de um cone voltado para cima com o vértice no centro) (Figura 5.1).
Figura 5.1 – Tanque de teto fixo.
5. 3.2 Tanques de Teto Flutuante
Os tanques de teto flutuante são utilizados para armazenamento de produtos com frações leves (petróleo, naftas, gasolinas, etc.)
(Figura 5.2). O teto flutuante no produto armazenado evita a formação de espaço com
vapor.
12
7
5
3
6
2
4
1
10
9
8
M
11
01.
02.
03.
04.
05.
06.
07.
08.
09.
10.
11.
12.
Teto Flutuante;
Flutuador;
Pé de Apoio do Teto;
Dreno do Teto;
Câmara de Vedação;
Escada Móvel do Teto;
Anel de Reforço do Costado;
Agitador;
Indicador de Nível (Li);
Bóia;
Dreno Tipo Sifão;
Tubo para Medição
Figura 5.2 – Tanque de Teto Flutuante.
Equipamentos Estáticos
5.4 Acessórios
5.4.5 Isolamento Térmico
Os tanques possuem diversos acessórios,
entretanto, serão abordados apenas os principais, tendo sido os demais reservados para
apostila específica.
Sua finalidade, é diminuir a perda de calor nos tanques de produtos aquecidos. Normalmente, são isolados os tanques de asfalto
e resíduos de vácuo, pois operam em alta temperatura.
Raros são os tanques que utilizam isolamento térmico externamente em função do alto
custo do investimento e da manutenção dos
mesmo.
5.4.1 Respiração
Alguns tanques pequenos de teto fixo possuem uma conexão com ou sem válvula, no
teto aberta direcionado para atmosfera. Esta
conexão visa evitar a formação de vácuo ou
pressão durante as operações de recebimento
ou envio e apresenta uma tela para evitar a
entrada de chama ocasional.
5.4.2 Válvula de Pressão e Vácuo
Seu uso é obrigatório em tanques de teto
fixo. Tem a função de evitar a formação de
vácuo ou pressão alta durante as operações.
Nestes tanques, o vapor está em equilíbrio com
o líquido. À noite, com a redução da temperatura, há entrada de ar, enquanto, durante o dia,
essa válvula propicia a saída de ar + vapores
devido à elevação da temperatura.
Alguns tanques pequenos de teto fixo,
possuem um sistema que evita a formação de
vácuo. Esse sistema é usado, quando há possibilidade de formação de mistura explosiva
dentro do tanque, devido à pequena quantidade de vapores de hidrocarbonetos. Normalmente, esses tanques armazenam produtos não
inflamáveis, que, no entanto, podem estar contaminados por pequenas quantidades de hidrocarbonetos.
5.4.3 Agitador
Dispositivo cuja finalidade é movimentar
o produto, a fim de homogeneizar as misturas
de petróleo, gasolinas, entre outras. Normalmente, essa homogeneização é feita pela agitação do produto, por meio de uma hélice,
acoplada a um eixo acionado por um motor
elétrico.
5.4.6 Sistema de Medição
Este sistema consta de uma bóia que flutua com o nível do produto, ao longo de dois
fios que servem como guia. O centro da bóia é
ligado a uma trena, que, após passar por uma
série de roldanas, apresenta a leitura direta num
visor colocado externamente no tanque.
Os tanques da área de transferência e estocagem normalmente, são dotados do sistema de “TELEMETRIA”. Este sistema é o mais
moderno e possibilita a leitura, à distância, do
nível e da temperatura do produto.
A medição deve ser feita com toda a precisão, pois um erro de milímetros, pode representar uma diferença bastante significativa no
volume.
A aferição desses sistemas é feita por meio
de trena, a prumo, que se faz descer manualmente
através do tubo de medição. Nesse caso, usa-se
uma pasta especial que acusará uma marca bem
clara da interface água-hidrocarboneto.
5.5 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.
Anotações
5.4.4 Sistema de Aquecimento
Utilizado para aumentar a fluidez de alguns produtos de petróleo sujeitos a congelamento, em condições de temperatura ambiente. Esse aquecimento é feito através de serpentinas de vapor.
33
Equipamentos Estáticos
6
Torres
6.1 Finalidades
Servem para separar ou absorver componentes de misturas homogêneas. A separação é feita
por meio da destilação, daí o nome de torre de
destilação. A absorção é feita em torres absorvedoras, com finalidade de separar produtos corrosivos ou indesejáveis no produto final.
Torres extrativas, retificadoras, fracionadoras, etc.
As retiradas laterais de produtos são possíveis, com a instalação de equipamentos internos que podem ser panelas ou calhas coletoras.
Nafta pesada
Querosene
6.2 Tipos
Existem duas classes fundamentais de tipos de torres:
– Torres de Pratos ou Bandejas;
– Torres Recheadas.
Diesel leve
Diesel pesado
Cru
pré vaporizado
6.2.1 Torre de Bandejas
É composta de um casco cilíndrico vertical,
com duas calotas, normalmente elipsoidais. No
interior, são montadas as bandejas espaçadas
umas das outras, em número variado de acordo
com a função da torre (Figuras 6.1 e 6.2). A altura e o diâmetro da torre são desterminadas em
função do volume dos vapores e dos líquidos.
Nas torres de destilação, o líquido entra
lateralmente na parte inferior, os produtos vaporizados sobem através das bandejas e borbulham num nível de líquido que se forma em
cada bandeja.
O líquido por sua vez, após a formação do
nível, escoa por vertedores laterais ou centrais,
formando-se assim duas correntes, uma descendente de líquido e outra ascendente de vapor e gases (Figura 6.2).
Assim sendo, numa torre de destilação, à
medida que os vapores de hidrocarbonetos vão
subindo, borbulham no meio líquido e se condensam a uma determinada pressão e temperatura.
A temperatura do líquido varia ao longo
34
de uma torre de destilação, diminuindo em
direção ao topo da torre. Desta forma, as frações de hidrocarbonetos mais pesados condensam-se nas bandejas do fundo, enquanto as
frações mais leves, nas bandejas do topo.
Resíduo atmosférico
Figura 6.1 – Esquema de uma Torre de Destilação Atmosférica.
Líquido descendo
Vertedouro
Dowcomer
Vapores
Figura 6.2 – Esquema de Funcionamento de uma Torre de
Destilação.
Equipamentos Estáticos
Há diversos tipos de pratos ou bandejas, classificados quanto ao princípio de funcionamento
em:
6.2.2 Bandejas com Borbulhadores
As bandejas com borbulhadores consistem basicamente de uma chapa com furos, sobre os
quais são montados os borbulhadores. O uso deste tipo é, atualmente, muito pouco encontrado,
estando presente apenas em equipamentos, mais antigos (Figura 6.3).
Prato
Bobulhador
Vertedor
Figura 6.3
6.2.3 Bandejas Valvuladas
Contêm furos nos quais são colocadas as
válvulas (Figura 6.4), cuja abertura varia com
o fluxo de vapor, de maneira a não permitir
vazamentos de líquidos. Seu uso é cada vez
maior devido ao baixo custo e alto rendimento.
Válvula fechada
Válvula aberta
Figura 6.5 – Esquema de Bandeja Valvulada.
Massa
Aerada
6.2.4 Bandejas Perfuradas
Vertedoro
Válvula
Orifícios
Líquido
Figura 6.4 – Borbulhador Tipo Válvula.
O líquido que cai do prato superior forma
nível na bandeja inferior, determinado pela altura do vertedor. O parâmetro altura do líquido é fundamental para que os vapores ascendentes possam borbulhar, caso contrário passariam direto pela válvula e o produto mais
pesado não condensaria (Figura 6.4).
Vapor
35
Figura 6.6 – Bandeja Perfurada.
Equipamentos Estáticos
6.2.5 Bandejas Gradeadas
São encontradas nas torres de extração líquido-líquido em contra-corrente.
Extração líquido-líquido é a denominação
empregada para qualquer operação em que um
composto, dissolvido em uma fase líquida, é
transferido para um outra fase também líquida.
A unidade de desasfaltação a propano da
Repar por exemplo utiliza torres extratoras gradeadas para extrair gasóleo (soluto) do resíduo de vácuo (solução), utilizando propano líquido como solvente (Figura 6.7)
As bandejas gradeadas, constituídas por
células de formato hexagonal, são arranjadas
de modo a proporcionarem o máximo de contato, entre a carga e o solvente.
Usa-se normalmente para retiradas de líquidos com função de refluxo, quando o volume
circulante é muito grande (Figura 6.8).
Vapor
Gasóleo
(ODES)
+
Solvente
Figura 6.8 – Panela de Retirada Total.
Vapor
condensado
b) Panela de Retirada Parcial
Dá-se esse nome quando o líquido da
panela transborda para a bandeja inferior.
(Figura 6.9)
Resíduo
de vácuo
Solvente
Figura 6.9 – Panela de Retirada Parcial.
Asfalto
Figura 6.7 – Esquema de uma Torre Extratora.
6.2.6 Panelas
São dispositivos instalados nas torres com
a finalidade de remover frações líquidas ao
longo da torre de destilação. Estas retiradas
podem ser parciais ou totais, para tanto os dis36 positivos são diferentes:
a) Panela de Retirada Total
Dá-se este nome quando o líquido da panela não transborda para a bandeja inferior.
6.3 Torres Recheadas
São torres que contêm elementos de diversas formas ou recheios ao invés de bandejas, cuja finalidade é prover uma grade área
que, em operação, funciona como superfície
de contato entre líquido e vapor.
Da mesma forma que nas torres de bandejas, os vapores são ascendentes e o líquido
descendente.
Este tipo de torre é utilizado para absorver, por exemplo, frações de H2S contidas nas
correntes de gases. Faz-se uma contra-corrente na torre, com dietanolamina (DEA). Este
Equipamentos Estáticos
líquido, ao descer, absorve o H2S contido no
gás. Dessa forma, sai, no topo, o gás isento de
H2S e, no fundo da torre, sai a DEA rica em
H2S (Figura 6.10).
Nos últimos anos, as refinarias têm substituído regiões com bandejas nas torres de vácuo, por leitos recheados, com a finalidade de
reduzir a queda de pressão e aumentar, conseqüentemente, o rendimento do processo.
Gás isento de H2S
b) Cela de Intalox
Figura 6.11b
c) Anéis Vazados
DEA
Figura 6.11c
d) Anéis Pall-Ring
Gás
+
H2S
DEA rica em H2S
Figura 6.11d
Figura 6.10 – Esquema de uma Torre Recheada.
6.3.1 Recheios
Um bom recheio, deve possuir as seguintes características:
– Apresentar grande superfície interfacial,
entre líquido e vapor;
– Ser quimicamente inerte para os fluidos processados;
– Possuir boa resistência mecânica, a fim
de evitar quebras;
6.3.2 Suporte de Recheio
O suporte de recheio deve ser robusto, a
fim de resistir ao peso do mesmo e aos esforços resultantes da circulação dos processos
durante a operação. Entretanto, deve ter também uma grande área livre para permitir a passagem do líquido, sem causar inundação da
torre.
Os tipos mais usados, são:
a) Grades de aço e
b) Placas de aço perfuradas (Figura 6.12).
– Ser de baixo custo.
Os recheios mais comumente usados são:
Figura 6.11
a) Anéis de Rashig
37
Figura 6.11a
Figura 6.12 – Suporte de recheio.
Equipamentos Estáticos
Fornos
7.1 Utilização (dos fornos nas plantas
de processo de petróleo)
Nas refinarias de petróleos e indústrias
petroquímicas, os fornos tubulares são incorporados ao processo com a finalidade de fornecer calor, produzido pela queima de combustíveis e transmitindo-o por radiação, convecção e condução ao fluido, que circula numa
serpentina de tubos.
Os fornos são equipamentos de grande importância nas plantas de processo, pois a utilização de chama proveniente da queima de combustíveis é ainda a melhor maneira de se aquecer grandes vazões de fluidos a altas temperaturas, ou fornecer calor para reações químicas. No
primeiro caso, são denominados simplesmente
“fornos” e, no segundo, “fornos reatores”.
Em uma unidade de destilação, os fornos
de aquecimento representam cerca de 20% do
investimento total e, no caso dos fornos reatores, esta parcela é bem maior, pois constituemse em um dos principais equipamentos destas
unidades.
Cabe destacar a necessidade, cada vez
mais acentuada, de melhor se conhecer os fornos, tendo em vista os crescentes custos dos
óleos combustíveis, consumidos pelos fornos
e ainda a de se manter a operação segura dos
mesmos.
Observa-se, ainda, que de toda a energia
consumida por uma unidade média, 75 a 80%
é obtido por meio de queima de derivados combustíveis nos fornos e caldeiras.
7.2 Características gerais dos fornos
O forno tubular é um equipamento projetado para transferir um fluxo de calor, de tal
forma que se forem mantidas constantes a va38 zão e a temperatura de entrada, também será
constante a temperatura de saída.
É necessário gerar no forno, uma quantidade de calor que supra o processo e compense também as perdas. Este calor é gerado pela
7
queima de uma quantidade suficiente de combustíveis através dos maçaricos instalados,
normalmente, na base ou nas paredes laterais
da câmara de combustão do forno ou zona de
radiação. Os tubos são, geralmente, colocados
próximo às paredes laterais e ao teto da câmara de combustão, onde o calor é principalmente
transferido por radiação são também colocadas em outra região chamada de “câmara ou
zona de convecção”, onde o calor é principalmente transferido por convecção.
O ar necessário à combustão pode ser admitido no forno pela depressão (pressão negativa) reinante na câmara de combustão, devido à tiragem feita pela chaminé, ou através e
ventiladores de tiragem forçada, quando o forno é dotado de pré-aquecimento de ar.
A capacidade ou tamanho de um forno é
traduzida pela carga térmica total que deve ser
absorvida pelo (s) fluido (s). A grande maioria dos fornos situam-se na faixa de 10 a 350
milhões de Btu/h (2,5 a 90 x 106 kcal/h).
7.3 Classificação geral dos fornos
7.3.1 Quanto à utilização
Fornos de Aquecimento
Pré-aquecedores de carga de torres fracionadas
Os fornos deste tipo são bastante comuns
em unidades de processos. Típicos são os fornos das torres de destilação atmosférica e a
vácuo.
A carga usualmente líquida é pré-aquecida
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.
Equipamentos Estáticos
Refervedores são encontrados em refinarias de petróleo, por exemplo, nas torres de
pré-flash.
Aquecedores de carga de reatores
Os fornos deste tipo têm como objetivo elevar a temperatura da carga ao nível necessário
para ocorrer a reação química em um reator a
jusante do forno.
Neste caso, enquadram-se, por exemplo,
os fornos existentes em unidades de reforma
catalítica, hidrocraqueamento e planta de produção de estireno. As condições de entrada e
saída do forno variam muito, dependendo da
aplicação.
7.4 Fornos Reatores
Nesta categoria de fornos, estão aqueles em
cujas serpentinas ocorrem reações químicas.
Geralmente, estes 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.
7.4.1 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.
Geralmente, são fornos tipo caixa com
tubos verticais cheios de catalisador. Um projetista usa, para estes reformadores, pressões
na ordem de 500 psig (36 kgf/cm2) e temperatura de saída de 1.500 °F (815°C).
(Alguns projetistas possuem projetos “standards”
para fornos radiantes de carga térmica até
10 x 103 Btu/h).
Devido a isto, há muitas variações no
“layout”, no projeto e no aspecto construtivo
dos fornos.
A principal classificação dos fornos tubulares é baseada na posição dos tubos na seção
de radiação ou na forma da carcaça metálica
externa, dando origem a fornos verticais ou
horizontais. Os fornos verticais exigem menor área para construção e, em geral, levam a
um menor investimento.
7.4.4 Cilindro vertical sem seção de convecção
(Figura 7.1)
Neste 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, baixo custo, com cargas térmicas típicas na faixa de até
a 20 x 106 Btu/h (5,0 x 106 kcal/h).
Atualmente, estes fornos têm pequena
aplicação devido a sua baixa eficiência contrapondo-se aos altos preços do petróleo. No
entanto, podem ser utilizados em serviços de
operação esporádica, como fornos de partida.
O termo “all radiant”, também empregado para este tipo de forno, não é adequado,
pois, embora o forno só possua zona de radiação, parte do calor total absorvido deve-se ao
mecanismo de convecção, uma vez que o escoamento dos gases de combustão provoca as
correntes de convecção, principalmente na região entre os tubos e a parede de refratários.
7.4.2 Fornos de pirólise
A carga consiste em hidrocarbonetos saturados principalmente, que são aquecidos a
altas temperaturas e baixas pressões produzindo hidrocarbonetos insaturados como etileno,
propileno, butadieno, etc. As reações ocorrem
em presença de vapor d’água.
Estes fornos são geralmente do tipo caixa. As temperaturas de saída são da ordem
de1.600°F (870°C), enquanto a pressão corresponde a cerca de 50 psig (4.5 kgf/cm2 abs.)
39
7.4.3 Quanto ao aspecto construtivo
A padronização dos projetos de fornos
é muito difícil devido à diversidade de aplicação requerida, o que acarreta a necessidade de se projetar cada forno para cada aplicação
Figura 7.1
Equipamentos Estáticos
7.4.5 Cilíndrico vertical com seção de convecção
horizontal
(Figura 7.2)
Estes fornos possuem as seções de radiação e convecção. Na seção de radiação, os tubos são dispostos verticalmente ao longo da
câmara de combustão, e, na seção de convecção, os tubos são arranjados horizontalmente
e posicionados acima da câmara de combustão. Esta configuração permite um projeto econômico e altamente eficiente, com um mínimo de área de construção.
As cargas térmicas típicas são de 10 a
200 x 106 Btu/h (2,5 a 50 x 106 kcal/h).
Figura 7.3
7.4.7 Tipo Caixa com câmara de Combustão
Independente
Figura 7.2
(Figura 7.4)
Os tubos da zona de radiação são arranjados horizontalmente ao longo da paredes laterais e dos tetos das duas câmaras de combustão. A zona de convecção fica situada na parte
superior, com 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, que envolve cargas térmicas típicas
de 100 a 250 x 106 Btu/h (25 a 65 x 106 kcal/h).
7.4.6 Tipo de cabine com tubos horizontais
(Figura 7.3)
Nesta classe, enquadram-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 zona de convecção.
Os queimadores podem ser colocados no
piso ou nas paredes verticais não cobertas pelos tubos.
Este é um projeto econômico, com alta
40 eficiência e bastante comum em unidades de
processos, principalmente na destilação de
petróleo.
As cargas térmicas típicas variam de 10 a
200 x 106 Btu/h (2,5 50 x 106 kcal/h).
Figura 7.4.
Equipamentos Estáticos
7.4.8 Tipo Caixa com Queimadores nas Paredes
(Figura 7.5)
Os tubos de zona de radiação são arranjados horizontalmente ao longo das paredes laterais do teto da câmara de combustão. Os tubos da zona de convecção são também horizontais e posicionados acima da câmara de
combustão.
Os queimadores são montados nas paredes
laterais não cobertas pelos tubos. As cargas térmicas típicas estão entre 5 e 50 x 106 Btu/h (de
1,25 a 12,5 x 106 kcal/h).
Figura 7.6
7.5 Estrutura e carcaça metálica
Figura 7.5
Obviamente, a finalidade da estrutura
metálica de um forno é a de sustentar o peso
do forno e, ainda, os esforços devido aos ventos. Os suportes dos tubos apoiam-se diretamente nas vigas.
Observa-se que a estrutura não está sujeita às altas temperaturas dos gases de combustão, pois está colocada externamente aos refratários.
As chapas que formam a carcaça metálica
apóiam-se na estrutura e servem para sustentar os refratários (quando forem de fibra cerâmica ou concreto refratário) e garantir a
estanqueidade do forno, não permitido a entrada do ar. Geralmente, são chapas de aço carbono 3/16"ou 1/4".
7.6 Refratários
7.4.9 Tipo Cabine com Altar
(Figura 7.6)
Fornos iguais ao item n.º 7.4.6, porém
possuem uma parede divisória de refratários (altar), que 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.
As cargas térmicas típicas variam de 20 a
100 x 106 Btu/h (5 a 25 x 106 kcal/h).
Têm as seguintes finalidades:
a) Isolar a câmara de combustão dos elementos estruturais;
b) Irradiar o calor não absorvido pelos tubos para dentro da câmara;
c) Evitar perdas de calor para o exterior;
d) Evitar que os gases de combustão, que
contêm compostos de enxofre, atinjam
as chapas da carcaça metálica onde se
condensariam formando ácidos corrosivos.
Como facilmente pode-se deduzir, os ma- 41
teriais refratários empregados em um forno
devem ter:
a) Capacidade de resistir a altas temperaturas;
Equipamentos Estáticos
b) Resistência mecânica elevada;
c) Resistência a erosão;
d) Resistência a ataques químicos de ácidos, bases, metais, etc., que podem ser
encontrados nos gases de combustão de
óleos combustíveis.
Os principais tipos de materiais refratários
e isolantes são:
– tijolos refratários;
– concretos refratários;
– fibras cerâmicas.
7.7 Tubos
7.7.1 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 calor são muito
elevadas provocaria a formação de pontos
quentes nos tubos e acarretaria a falha prematura do material.
O diâmetro varia de 2" a 8", entretanto 4"
corresponde ao diâmetro nominal que, geralmente, leva à configuração mais econômica.
O comprimento usual é de 10 a 20 m para
os fornos com tubos horizontais.
7.7.2 Tubos de Convecção
Geralmente são aletados ou pinados, com
a finalidade de se aumentar o coeficiente de
troca de calor externo aos tubos. 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 estas duas primeiras filas são denominados de “tubos de proteção” ou tubos escudos.
Os diâmetros dos tubos de convecção são,
geralmente, menores que os de radiação.
Quanto ao arranjo, deve-se observar que,
enquanto na radiação, procura-se espaçar os
tubos para obter uma boa distribuição do calor; na convecção, procura-se aproximar os
tubos, de maneira a obter uma alta velocidade
42 dos gases e, portanto, uma boa troca de calor.
7.8 Curvas e cabeçote de retorno
A utilização de cabeçotes de retorno mandrilados, tem como finalidade a aplicação de limpeza
mecânica interna aos tubos dos fornos com fluidos sujeitos ao craqueamento.
A limpeza através de vapor d’água e ar,
permite usar curvas de retorno, de custo bem
mais baixo que o cabeçote. Estas curvas de
retorno são colocadas às extremidades dos
tubos.
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. Quando se
utiliza curva de retorno, estas podem localizar-se dentro da câmara.
Na seção de convecção, utilizando cabeçotes ou curvas de retorno, recomenda-se usálos externos à câmara, em caixas de cabeçotes. Quando colocados inteiramente, favorecem a formação de caminhos preferenciais para
os gases de combustão.
Os raios das curvas de retorno são geralmente escolhidos de tal forma, que a distância
centro a centro dos tubos seja de dois diâmetros nominais.
7.9 Suportes dos tubos
São projetados para suportar: os pesos dos
tubos e fluido, os esforços de atrito devido à
dilatação térmica e do ∆T (gradiente de temperatura) ao longo de sua altura.
Usualmente, são colocados espaçados em,
no máximo, 35 diâmetros nominais ou 6 m.
Fabricados a partir de materiais nobres, tais
como ligas contendo 25% de Cr, e 20% Ni, ou
ainda, ligas com 50% de Cr e 50% de Ni.
Observa-se que os suportes não recebem
qualquer resfriamento, como ocorre nos tubos que são “resfriados” pelo fluido em escoamento.
As serpentinas verticais são simplesmente suportadas pelo topo e guiadas por pinos
soldados às curvas de retorno ao fundo.
7.10 Queimadores
As funções dos queimadores são: liberar
combustíveis e ar para a câmara de combustão; promover a mistura do combustível com
o ar; dar condições para a contínua queima da
mistura combustível-ar e, no caso de combustíveis líquidos, atomizar e vaporizar o combustível.
Equipamentos Estáticos
7.11 Chaminé e abafadores
A Chaminé tem como finalidades:
– Lançar os gases de combustão a uma
altura tal, que provoque a dispersão dos
mesmos, minimizando a poluição.
– Fornecer a tiragem necessária, isto é,
permitir que, por diferença de densidades, os gases, ao subirem, succionem o
ar para a combustão.
– Manter todo o forno em pressões levemente negativas, a fim de evitar fugas
de gases pelas paredes, o que poderia
aquecer a estrutura do forno.
A função do abafador da chaminé é ajustar o perfil de tiragem do forno, controlando a
tiragem na região diretamente abaixo da seção de convecção do forno.
Os abafadores podem ser de folha única
ou de folhas múltiplas, quando a chaminé tiver grandes diâmetros. São operados manualmente do solo, através de cabos. Em caso de
grandes abafadores, é possível manuseá-los
com operadores pneumáticos.
7.12 Sopradores de fuligem / ramonadores
Os gases de combustão de óleo combustível, ao passarem pela região de convecção,
geralmente formada por tubos pinados, tendem
a formar depósitos que prejudicam notavelmente a transferência de calor. Os principais
constituintes destes depósitos são: enxofre,
vanádio, sódio e cinzas, Destes constituintes,
as cinzas são os principais responsáveis pela
alta taxa de deposição.
O método mais usual de se remover, em
operação, estes depósitos é o emprego de jatos de vapor d’água sobre a superfície dos tubos, através do uso de sopradores de fuligem.
Anotações
43
Equipamentos Estáticos
Caldeiras
8.1 Considerações gerais
Na acepção ampla, caldeira é um trocador de calor que tem por finalidade a produção de vapor a partir de um fluido vaporizante
e energia térmica. A energia térmica pode ser
obtida através da queima de um combustível
sólido, líquido ou gasoso ou por intermédio
de resistências elétricas. As usinas termonucleares utilizam a fissão do urânio 235.
No presente material, serão abordados
apenas os geradores de vapor de água, doravante derivados de caldeiras.
Em termos práticos, a geração de vapor é
obtida através dos geradores de vapor propriamente ditos (caldeiras) e pelo aproveitamento de calor residual desenvolvido em alguns
tipos de processos, como é o caso das refinarias
de petróleo.
8.2 Classificação das caldeiras
As caldeiras podem ser classificadas conforme qualquer das características seguintes:
uso, pressão de serviço, fonte de aquecimento, conteúdo nos tubos, tipo de fornalha, princípio de funcionamento, etc.
Existem duas classes de geradores de vapor bem definidas:
– Flamotubulares (tubos de fogo) e
– Aquatubulares (tubos de água).
8.2.1 Caldeiras Flamotubulares
São aquelas em que os gases quentes provenientes da combustão passam no interior dos
tubos, ficando externamente aos tubos a água,
como mostra a Figura 8.1.
Gases quentes
44
Água
vaporizada
Tubo
Figura 8.1.
8
Existem vários tipos de caldeiras Flamotubulares, dentre as quais são destacadas a
vertical (Figura 8.2) e a horizontal (Figura 8.3).
Chaminé
Damper (controle de tiragem)
Vapor
saturado
Nível
Tubos de fogo
Alim. de água
Fornalha
Figura 8.2 – Caldeira Flamotubular Vertical.
Chaminé
Saída de vapor
Nível
Fornalha
Tubos de fogo
Figura 8.3 – Caldeira Flamotubular Horizontal.
As caldeiras flamotubulares apresentam
vantagens tais como:
– construção fácil, com relativamente
poucos custos;
– são bastante robustas;
– não exigem tratamento de água muito
cuidadoso;
– exigem pouca alvenaria.
Como desvantagens das caldeiras flamotubulares, podem ser levantados os seguintes
aspectos:
– pressão limitada: máximo até 15 atm,
devido à espessura da chapa dos corpos
cilíndricos crescer com o diâmetro;
– partida lenta, em função do grande volume de água;
– pequena taxa de vaporização (produção
de vapor por unidade de superfície de
aquecimento);
Equipamentos Estáticos
– circulação deficiente de água;
– oferecem dificuldades para instalação
de superaquecedores economizadores
e pré-aquecedores de ar;
– pequena capacidade.
O uso das caldeiras flamotubulares é bastante restrito (em pequenas indústrias, hospitais, hotéis, para aquecimento interno, etc.).
8.2.4 Classificação quanto à circulação
– Circulação natural: a circulação de
água através dos elementos tubulares é
conseguida pela diferença de densidades existente entre os tubos geradores
de vapor (“Risers”) “A” e os tubos
economizadores (não vaporizantes ou
“DOWN COMERS”) “B”, conforme
ilustrado nas Figuras 8.5. e 8.7.
8.2.2 Caldeiras Aquotubulares
Tambor de vapor
São aquelas em que as chamas e os gases
de combustão envolvem os tubos, circulando
água internamente nos tubos, conforme ilustra o esquema da Figura 8.4.
Saída de vapor
Maçaricos
Água
+
vapor
Vapor
Nível de água
Vapor + água
Só água
Calor
A
Gases de
combustão
B
Só água
Tambor de água;
ou de lama
Descarga
Água
Figura 8.4.
As caldeiras aquotubulares são usadas nos
modernos projetos industriais, pois podem produzir grandes quantidades de vapor a elevadas temperaturas. A produção de vapor neste
tipo de caldeira atinge até 750 ton/h, a pressões
da ordem de 200 t.
8.2.3 Classificação quanto à tiragem
– Tiragem natural: O fluxo de gases (tiragem) é conseguido unicamente pela
ação da chaminé devido à diferença de
densidades ao longo da mesma, provocada pela diferença de temperatura dos
gases de combustão.
– Tiragem mecânica forçada: O fluxo dos
gases é obtido através da instalação de
um ventilador na linha de ar de combustão, forçando-o a entrar na câmara
de combustão. A pressão na câmara de
combustão deste tipo de equipamento
normalmente é positiva.
– Tiragem mecânica induzida: O fluxo
dos gases é obtido através da instalação de um ventilador na saída dos gases, induzindo, assim, os gases a percorrer o gerador de vapor.
– Tiragem mecânica balanceada: Instalam-se dois ventiladores, o de tiragem
forçada vence as perdas de carga até a
entrada da câmara de combustão, e o
de tiragem induzida vence o restante
das perdas de cargas.
Figura 8.5 – Circulação natural.
– Circulação forçada: A circulação de
água é conseguida pela instalação de
uma bomba no circuito. São normalmente caldeiras de alta pressão, devido a pequenas diferenças entre a densidade do vapor saturado e do líquido
saturado, dificultando a circulação natural.
Economizador
Entrada
Saída
Convecção
Radiação
Bomba
Figura 8.6 – Circulação forçada.
8.3 Elementos principais de uma caldeira
Uma caldeira, é, normalmente, constituída dos seguintes elementos principais: Figuras 8.5; 8.6; 8.7; 8.8.
8.3.1 Tubulão de vapor
Tambor localizado na parte superior da
caldeira, onde água e vapor saturado estão em
equilíbrio, na temperatura de saturação correspondente à pressão do mesmo.
45
Equipamentos Estáticos
8.3.2 Tubulão de água
Localizado na parte inferior da caldeira
cheio d´água, normalmente, em dimensões menores do que o anterior.
8.3.3 Feixe convectivo
É um feixe de tubos interligando os tambores de vapor e de água. A troca de calor com
os gases quentes dá-se por convecção.
8.4 Paredes de água
São paredes formadas por tubos, interligando os tambores de água e de vapor. As paredes de água (laterais, frontais, teto e fundo)
geram um espaço vazio denominado “Câmara de Combustão”. Os itens de 3.1 até 3.4 constituem a caldeira propriamente dita, que é a
parte responsável pela produção de vapor
saturado.
Saída
Tambor
de vapor
Parede
de água
Água
Mistura
vapor + água
8.5.2 Tipos
Vapor saturado
Vapor superaquecido
As vantagens do uso do vapor superaquecido são basicamente duas: a primeira, é meramente contar com maior disponibilidade de
energia, e a segunda, a mais importante, é o
aumento de rendimento das turbinas, devido,
principalmente ao maior salto entálpico disponível.
O total de ganhos de calor ou energia, com
vapor superaquecido é de aproximadamente
3% para cada 60°C de superaquecimento.
O superaquecedor consiste em dois coletores, um de entrada e um de saída, ligados
por um feixe tubular reto ou curvo, localizado
perto ou logo acima dos espaços ocupados
pelos elementos geradores de calor.
Apesar dos vários tipos existentes, todos
utilizam, como fonte de calor, os gases de combustão.
O superaquecedor é um aparelho a que se
deve dispensar cuidados especiais, a fim de que
não se danifique. Por isso, deve ser protegido
do calor excessivo da fornalha. Uma das proteções oferecidas ao superaquecedor é a “cortina
d’água”, que é constituída por parte do feixe
tubular da caldeira, que fica situado entre a fornalha e o superaquecedor. Mas apenas a “cortina d’água” não é proteção suficiente para o superaquecedor no acendimento das caldeiras.
Na partida durante o acendimento de
caldeiras com superaquecedores, a queima inicial deve ser baixa até que haja vaporização e
conseqüentemente a circulação do vapor através do superaquecedor. A partir desse momento, pode-se elevar o grau de combustão gradativamente, obedecendo a uma curva de aquecimento, fornecida pelo fabricante, até atingir
a pressão de trabalho.
Tambor
de água
Figura 8.7 – Diagrama de circulação.
8.5 Superaquecedores
8.5.1 Generalidades
Os equipamentos de acionamento a vapor
são projetados para operar com vapor supera46 quecido. Para se conseguir vapores com estas
características, são usados os superaquecedores, aparelhos destinados a elevar a temperatura do vapor saturado sem aumentar, no entanto, sua pressão.
a) Quanto à ligação ao gerador de vapor,
os superaquecedores podem ser integrais, quando integrantes de caldeira,
ou independentes, quando a fonte de
calor é proveniente de uma fornalha
independente.
b) Quanto à transferência de calor, podem
ser classificados em de radiação ou de
convecção. Nos de radiação, a superfície do superaquecimento fica exposta
diretamente às chamas, enquanto que
os de convecção são protegidos pela
cortina d’água, e a transferência de calor ocorre quando só gases passam pela
superfície de superaquecimento.
Equipamentos Estáticos
8.5.3 Fatores de influência operacional
Além dos fatores construtivos, como localização e tipo de superaquecedor, uma série
de fatores operacionais influenciam no grau
de superaquecimento do vapor:
– excesso de ar;
– temperatura da água de alimentação;
– taxa de vaporização;
– título do vapor;
– número de equipamentos auxiliares
consumidores de vapor saturado.
Quanto maior for o excesso de ar, mais
elevado será o grau de superaquecimento, pois
o excesso de ar reduz o calor e aumenta a velocidade dos gases na fornalha. Diminuindo a
vaporização, aumenta o calor disponível por
unidade de massa de vapor no superaquecedor
de convecção.
Um aumento na temperatura de alimentação, para o mesmo consumo do combustível,
irá diminuir o superaquecimento, pois aumentará a taxa de vaporização, aumentando o volume de vapor no superaquecedor, para a mesma quantidade de calor disponível.
Qualquer umidade que acompanhe o vapor saturado ao superaquecedor provoca oscilação no grau de superaquecimento; se por uma
circunstância qualquer, houver um arraste para
o superaquecedor, diminuirá o título do vapor, com
conseqüente redução de superaquecimento.
O pré-aquecedor que aquece o ar para temperaturas acima de 150°C proporciona uma
economia de 5 a 10% de combustível.
O pré-aquecedor de ar acelera a combustão em todas as cargas, melhora a combustão
em baixas cargas e aumenta a eficiência.
8.6.2 Classificação
Os pré-aquecedores podem ser classificados, de acordo com o princípio de sua operação, em:
a) recuperativos e
b) regenerativos.
Nos pré-aquecedores recuperativos, o calor proveniente do gás de combustão é transferido para o ar através de uma superfície metálica.
Nos pré-aquecedores do tipo regenerativo, o calor é transferido do tipo Ljungstron é
um dos mais representativos. É constituído de
um envólucro metálico isolado, no interior do
qual gira um rotor inteiramente metálico, dividido em compartimentos (Figura 8.8).
8.6 Pré-aquecedores
8.6.1 Generalidades
Pré-aquecedores são aparelhos destinados
a aproveitar o calor dos gases de combustão
para aquecer o ar necessário para combustão.
A instalação ou não de um pré-aquecedor
e o seu dimensionamento dependem de fatores econômicos e de engenharia.
Os fatores econômicos mais importantes são:
– custo original do equipamento;
– custos de operação e
– custos de manutenção.
Os fatores de engenharia envolvidos são:
– espaço;
– características do combustível e
– temperaturas desejadas para a entrada
de ar e a saída do gás.
Com os combustíveis comuns, em iguais
condições de fornalha, a eficiência de uma
caldeira como um todo aumenta de cerca de
2,5% para cada 50°C de queda na temperatura
de saída do gás.
Figura 8.8 – Pré-aquecedor do tipo regenerativo.
8.6.3 Corrosão
O pré-aquecedor é o elemento que utiliza o calor do gás, após a sua passagem pela
fornalha, superaquecedor e economizador,
onde, portanto, a temperatura já é mais baixa.
Como conseqüência, problemas como corrosão dos tubos, depósito de fuligem e cinzas
nas superfícies de troca podem ocorrer. Furos
de tubos, nos pré-aquecedores de recuperação,
podem exigir um consumo extra de energia
pelos ventiladores.
8.7 Economizadores
O economizador é o aparelho que tem a
finalidade de absorver o calor sensível dos
gases de combustão, para aquecer a água de 47
alimentação de caldeiras. Assim, os gases, já
com temperaturas mais baixas que na fornalha, cedem mais calor, resultando maior economia para o sistema.
Equipamentos Estáticos
Internamente, os economizadores (no caso
de não ter havido eliminação dos gases) estão
sujeitos à corrosão, devido ao oxigênio dissolvido e ao baixo valor de pH.
Como a corrosão é muito menor na faixa
de pH alcalino, é conveniente, muitas vezes,
corrigir o pH da água de alimentação para 8
ou 9.
Externamente, devido à baixa temperatura da água de alimentação, os tubos do economizador podem provocar a condensação da
umidade dos gases de combustão, acelerando
a corrosão. Quando isto acontece na presença
de produtos de combustão de enxofre, a taxa
de corrosão aumenta, à medida que a temperatura for reduzida.
À medida que o teor de enxofre aumenta,
o ponto de orvalho do gás também aumenta,
agravando assim as condições de corrosão.
Experiências mostram que a taxa de corrosão ácida pode ser reduzida a limites seguros mantendo a temperatura da água de alimentação acima de certos valores mínimos.
3
Vapor
saturado
1
Ar
6
7
5
1
8
Maçaricos
2
Alimentação
de água
(1) Tambor de vapor
(5) Superaquecedor
(2) Tambor de lama
(6) Economizador
(3) Feixe tubular
(7) Pré-aquecedor de ar
(4) Fornalha
(8) Chaminé
Figura 8.9 – Componentes principais de gerador de vapor.
8.8 Queimador
É o conjunto de elementos com função de
suprir o calor excessivo à geração de vapor,
através da queima de combustíveis.
Pode ser dividido em “queimador” propriamente dito e “distribuidor de ar”.
48
Dentre estes, destacam-se os queimadores de óleo combustível.
8.8.2 Distribuidor de ar
O maçarico é o elemento que se destina a
receber o óleo e atomizá-lo para o interior da
fornalha. Consta da peça de ligação, onde penetram o óleo e o vapor; do corpo; que conduz
o óleo e o agente pulverizador; e do bico ou
pulverizador, colocado no corpo, na extremidade oposta à peça de ligação.
A pulverização é conseguia com o auxílio
de um agente pulverizador, que pode gerar
comprimido, vapor d’água ou mecanismos de
pulverização mecânica.
Em suma, as finalidades do queimador são:
– pulverizar o combustível;
– misturar intimamente o óleo, já em névoa, com o ar;
– manter as proporções entre o ar e o óleo.
8.8.3 Queimador de óleo combustível
É provido de “DAMPER” ou “Registro”
que regulam a entrada do ar fornecido do combustível através do Soparador de ar.
8.9 Ramonador (ou soprador de fuligem)
Durante a operação normal da caldeira,
verificam-se depósitos de fuligem nos tubos,
resultantes da queima do combustível. Esta
fuligem tem de ser retirada, pois atua como
um isolante. Em vista disso, são instalados nas
caldeiras, entre as fileiras de tubos, aparelhos
destinados a limpar, periodicamente, o lado de
fogo das caldeiras, removendo os depósitos de
fuligem. Esta limpeza deve ser efetuada duas
vezes por dia, no mínimo antes de qualquer
parada da caldeira e sempre com a caldeira em
operação, com cargas elevadas (para evitar
explosões no percurso dos gases).
O romonador é constituído, basicamente, de um tubo perfurado, ligado a uma rede
de vapor (Figura 8.10).
8.8.1 Queimador
É o equipamento que prepara o combustível a ser queimado na caldeira.
Existem queimadores de óleo combustível, queimadores de gás combustível e queimadores de CO (monóxido de carbono);
Figura 8.10 – Soprador de fuligem.
Equipamentos Estáticos
Vapor saturado
8.10 Internos do Tubulão
8.10.1 Separadores de vapor
São legítimos filtros de vapor, constituídos de chapas corrugadas, dispostas ao longo
da tubulação, por onde o vapor saturado deve
passar, antes de atingir as canalizações que o
levarão ao coletor de entrada do superaquecedor. Têm a finalidade de reter as partículas líquidas ou sólidas arrastadas pelo vapor.
Vapor + água
Figura 8.11.b – Acessórios internos do tambor de vapor.
8.10.2 Ciclones
São dispositivos destinados a produzir um
retardamento temporário ao escoamento de um
fluido, fazendo-o mudar de direção; em combinação com defletores de vapor do tipo “placa”, orientam os fluxos de vapor e da água.
Observar os internos das figuras 8.11.a e
8.11.b.
Vapor saturado
8.11 Válvulas
8.11.1 Válvulas de Bloqueio
São válvulas colocadas em linha de água,
combustível, ar e vapor, com a finalidade exclusiva de isolamento do sistema.
8.11.2 Válvula de Retenção
Colocadas nas diversas linhas, com a finalidade de evitar o retorno do fluxo.
8.11.3 Válvulas de Controle
Colocadas nas várias linhas com a finalidade de controlar o fluxo, quer automática,
quer manualmente.
Vapor + água
8.11.4 Válvulas de Segurança
Água
Vapor
saturado
Vapor + água
São dispositivos que se destinam a descarregar, automaticamente, para a atmosfera,
parte do vapor, quando a pressão na caldeira
atingir certo limite, prevenido, assim, a criação de qualquer situação de insegurança.
Das válvulas de segurança, exigem-se certos requisitos, tais como:
– abrir e fechar a pressões determinadas;
Figura 8.11.a – Acessórios internos do tambor de vapor.
– abrir e fechar rapidamente sem trepidação e
– vedar perfeitamente, quando fechada.
Vapor saturado
As válvulas de segurança estão colocadas
no superaquecedor e tubulão superior, devendo abrir numa seqüência pré-determinada.
8.11.5 Válvulas de purga de superfície
Vapor + água
Instaladas numa tubulação, próxima ao
nível de água no tubulão superior, destinamse a retirar, constantemente, uma quantidade 49
de água “concentrada”, a fim de manter a concentração de sais solúveis e de materiais em
suspensão.
Equipamentos Estáticos
8.11.6 Válvulas de purga de fundo
Instaladas em tubos ligados aos tubulões
inferiores e aos coletores, destinadas a reduzir
as quantidades de sólidos e sais, que se depositam em forma de lama, no fundo das caldeiras.
Somente devem ser dadas descargas de
fundo com as caldeiras fora de operação ou
em baixa carga.
8.11.7 Válvulas de “vent”
Instaladas na parte superior do tubulão de
vapor e dos superaquecedores bem como em
outros pontos altos, para escape de ar, quando
se enche a caldeira ou quando se dá partida.
8.12 Termos usuais em trabalhos de
caldeiras
Os termos usados nos serviços de caldeiras são muitos. Alguns dos mais importantes
estão relacionados a seguir:
Rendimento Específico: é a relação entre a massa do vapor produzido pela massa de
combustível gasto.
Rendimento térmico: é a relação entre o
calor absorvido pelo vapor gerado e o calor
desprendido pelo combustível queimado.
Superfície de aquecimento: é o conjunto de superfícies metálicas, através das quais
ocorre a transferência de calor entre o gás de
combustão e a água ou o vapor.
Capacidade d’água: é a quantidade de
água que uma caldeira contém, com o nível
normal de operação.
Taxa de vaporização: é a produção de vapor por unidade de superfície de aquecimento.
Capacidade: é a quantidade de vapor produzido por unidade de tempo.
Tempo de vaporização: é o intervalo de
tempo entre o acendimento e o momento em
que a caldeira começa a produzir vapor, nas
condições especificadas.
Consumo: é a quantidade de combustível
gasta por unidade de tempo.
Pressão de regime: é a pressão normal de
funcionamento de uma caldeira.
50
Pressão máxima: é a pressão máxima
com a qual a caldeira pode funcionar.
Temperatura de superaquecimento: é a
temperatura do vapor na saída do superaquecedor.
“Make-up”: é a porção de água introduzida no sistema da caldeira para compensar o
condensado não retornado e as purgas
efetuadas.
“Blow-down”: é a descarga da água sob
pressão para reduzir a concentração de sais na
água da caldeira.
Ramonagem: é a limpeza das superfícies
externas dos tubos com sopro de vapor.
Tiragem: é o fluxo de ar que supre a fornalha do oxigênio necessário à combustão e
retira os gases resultantes.
Tiragem forçada: é o fluxo de ar que supre a fornalha.
Tiragem induzida: é o fluxo de gases retirados da caldeira.
Anotações
Equipamentos Estáticos
No UnicenP, a preocupação com a construção e reconstrução do
conhecimento está em todas as ações que são desenvolvidas pelos próreitores, diretores de Núcleos, coordenadores de Cursos e professores.
Uma equipe coesa e unida, em busca de um só objetivo: a formação do
cidadão e do profissional, que é capaz de atuar e modificar a sociedade
por meio de suas atitudes. Preparar este cidadão e este profissional é uma
responsabilidade que esta equipe assume em suas atividades no Centro
Universitário Positivo, que envolvem, principalmente, as atividades em
sala de aula e laboratórios, bem como a utilização contínua dos recursos
disponibilizados pela Instituição em seu câmpus universitário. Esta equipe
trabalha em três núcleos básicos da área de graduação Núcleo de
Ciências Humanas e Sociais Aplicadas, Núcleo de Ciências Biológicas e da
Saúde, Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas além das áreas de pósgraduação e de extensão.
O UnicenP oferece em seus blocos pedagógicos 111 laboratórios, clínicas
de fisioterapia, nutrição, odontologia e psicologia, farmácia-escola,
biotério, central de estagio, centro esportivo e salas de aula, nos quais é
encontrada uma infra-estrutura tecnológica moderna que propicia a
integração com as mais avançadas técnicas utilizadas em cada área do
conhecimento.
51
Equipamentos Estáticos
Principios Éticos da Petrobras
A honestidade, a dignidade, o respeito, a lealdade, o
decoro, o zelo, a eficácia e a consciência dos princípios
éticos são os valores maiores que orientam a relação da
Petrobras com seus empregados, clientes, concorrentes,
parceiros, fornecedores, acionistas, Governo e demais
segmentos da sociedade.
A atuação da Companhia busca atingir níveis crescentes
de competitividade e lucratividade, sem descuidar da
busca do bem comum, que é traduzido pela valorização
de seus empregados enquanto seres humanos, pelo
respeito ao meio ambiente, pela observância às normas
de segurança e por sua contribuição ao desenvolvimento
nacional.
As informações veiculadas interna ou externamente pela
Companhia devem ser verdadeiras, visando a uma
relação de respeito e transparência com seus
empregados e a sociedade.
A Petrobras considera que a vida particular dos
empregados é um assunto pessoal, desde que as
atividades deles não prejudiquem a imagem ou os
interesses da Companhia.
Na Petrobras, as decisões são pautadas no resultado do
julgamento, considerando a justiça, legalidade,
competência e honestidade.
52
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