4_artigo - Aspectos Químicos Da Retenção de Particulados - 14p

Qumica e Derivados - junho - 200540

f i l t r o d e

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sao de gua ou cido. Por outro lado, problemas de ataques qumicos, podem ser solucionados pela comparao entre a faixa de temperatura e composio qumica dos gases fi ltrados e a faixa de resistncias qumicas dos elementos fi ltrantes.

A ttulo de ilustrao mencionamos os seguintes exemplos da infl uncia das variveis do processo industrial (vide Fig.1):

1) Um combustvel rico em enxofre pode resultar em gases de combusto com elevado teor de SO3 (trixido de enxofre) e conseqente risco de con-densao cida.

2) A duplicao da capacidade pro-dutiva de secagem de minrios / gros implicar um aumento do teor de gua nos gases fi ltrados, podendo resultar em condensaes e entupimentos das mangas por aglomerao excessiva de particulado.

3) No caso de resfriamento de ga-ses quentes sem o uso de trocador de calor, ou seja, no resfriamento obtido

o longo do estudo e soluo de problemas de centenas de sistemas de fi ltrao in-dustrial foi possvel agru-par em quatro categorias as causas de falha:falha na especifi cao do elemento fi ltrante (vide edio de QD-407, de

agosto de 2002);falha no projeto do sistema (coifas,

tubulao, fi ltro, ventilador, etc.); falha de operao do sistema;falha de manuteno do sistema.Essas causas3 podem e devem ser

analisadas sob o aspecto mecnico (dimensionais de chaparias, vlvulas, velocidades gasosas, etc.) e sob o aspecto qumico (condensaes, ata-ques qumicos, etc.), este s lembrado quando o fi ltro entope ou apresenta seus elementos fi ltrantes com um aspecto apodrecido.

Os fatores que geram essas falhas podem resultar da condensao de gua ou de cido, assim como podem ser causadas por composies qumicas gasosas incompatveis com o elemento fi ltrante em uso para dada faixa de tem-peratura de fi ltrao.

Estas falhas decorrem das caracte-rsticas inerentes ao Processo Industrial (vide Fig.1).

As causas de origem qumica que levam ao entupimento ou alta emisso de particulados num fi ltro de mangas podem ser adequadamente avaliadas por simulao computacional com base em balanos de massa e de energia. Por exemplo, a determinao do ponto de orvalho se faz til para soluo dos problemas de entupimento por conden-

a

Aspectos qumicos dareteno de particuladosE n g . T i t o d e A l m e i d a P a c h e c o

por entrada de ar ambiente (tambm chamado de ar-falso) ou por injeo de gua haver, em cada caso, alterao signifi cativa na composio qumica gasosa, podendo resultar em ataque qumico das mangas.

4) Se o resfriamento for por ar-falso, preciso observar as condies atmos-fricas, pois num dia quente e chuvoso o gs resfriado apresentar as maiores vazes e umidades possveis, ao passo que, num dia frio e seco, apresentar as menores vazes e umidades possveis.

5) Se o particulado possui natureza cida ou alcalina, pode ocorrer ataque do elemento fi ltrante em presena de umidade condensada, devido libe-rao em equilbrio do cido ou lcali correspondente.

Para resolver problemas no fi ltro de mangas com base nas informaes do processo industrial, foi adotada uma metodologia comum em Engenharia Qumica, a qual consiste na represen-tao do processo industrial em blocos (volumes de controle), nos quais o que

Fig.1: Variveis do processo industrial com influncia no aspecto qumico da filtrao.

Tipo e vazo de combustvelCondensaode gua ou

cido

+

Composioqumica dos

gases

Entupimentos

+

Ataquesqumicos

Regime de produo

Regime de resfriamento

Condies atmosfricas

Natureza do particulado

P r o c e s s o i n d u s t r i a l Filtro de mangas

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2005 - junho - Qumica e Derivados 41

que a curva do Ponto de Orvalho cido defi nida no apenas com base no teor de umidade dos gases, mas tambm no

teor do gs SO3 (vide Fig.6).Enquanto os gases fi ltrados estive-

rem abaixo da curva (vide Fig.6), haver condensao de cido sulfrico. Quando isso acontece, h corroso precoce das partes metlicas do fi ltro (como chaparias, gaiolas, etc.). Por exemplo, na Fig.7, possvel observar o esfare-lamento do anel ao-mola de fi xao da manga por oxidao, resultando em

perda do efeito mola e falha de vedao.

Alm disso, o cido con-densado ataca quimicamente o elemento fi ltrante. Na Fig.8, em uma primeira anlise, seria pos-svel afi rmar que houve um forte processo abrasivo. No entanto, ao ser verifi cada a possibilidade de rasgo manual do elemento fi ltrante, fi cou caracterizada a ocorrncia de ataque qumico.

Independentemente do agente causador do ataque, o resultado sempre o mesmo: possibilidade de rasgo manual da manga aps um curto tempo

de uso. Isso ocorre porque o ataque qumico quebra a cadeia molecular do material da manga em pequenos pe-

interessa so os dados de entrada e sada de cada bloco. Nessa metodologia, ba-lanos de massa e de energia aplicados em cada bloco isoladamente permitem o clculo da vazo, temperatura e compo-sio qumica gasosa desde o incio do processo at a fi ltrao.

Uma representao simplifi cada in-tegra os 4 blocos tpicos caracterizados por um processo de queima (caldeira, forno, estufa, calcinador, etc.), um pro-cesso de produo (moinho, secador, reator qumico, calcinador, etc.), um processo de resfriamento e um de fi ltra-o (vide Fig.2).

Dessa forma, com base na concentra-o de gua dos gases, pode ser obtido o ponto de orvalho da gua, que consiste no limite de temperatura gasosa acima do qual no ocorre a condensao de gua.

Se os gases fi ltrados forem mantidos a temperaturas abaixo da curva (vide Fig.3) haver condensao de gua. Essa condensao pode levar as mangas ao entupimento devido aglomerao ou devido ao empedrecimento do parti-culado (vide Fig.4).

Se o particulado apresentar pH diferente de 7, seja alcalino, ou cido, pode ocorrer o ressecamento das fi bras de uma manga de polister1, por exem-plo, caracterizado pela ocorrncia de rachaduras, as quais invariavelmente evoluem para rasgos (vide Fig.5).

Na presena do gs SO3, seja prove-niente da queima de combustveis com enxofre, seja proveniente do prprio processo produtivo, haver a reao do gs com a umidade do ar gerando nvoa de cido sulfrico (H2SO4) em concentrao fumegante. Nesse caso, prevalece o ponto de orvalho cido, ou seja, o limite de temperatura gasosa aci-ma do qual no ocorre condensao de cido sulfrico. importante observar

Fig.2: Processos tpicos dos sistemas de filtrao atmosfrica.

Fig.3: Curva do ponto de orvalho da gua

Combustvel

Ar

Matria bruta

Matria processada

Ar-falso ougua-ar

Resfriamento

Gslimpo

Particulado

Fig.4: Efeitos da condensao de gua nas mangas filtrantes.

Fig.5: Ataque qumico da manga de polister.

0,7 0,9 1,5 3 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Vapo

r Sec

o

Vapo

r Con

dens

ado

Pont

o de

orv

alho

, oC

Concentrao de gua, volume %

ProduoFiltroForno


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daos, diminuindo consideravelmente sua resistncia trao de ruptura (tipicamente para valores inferiores a 35 daN/5cm). Dessa forma, para carac-terizao e compreenso dos principais agentes de ataque qumico em sistemas de despoluio atmosfrica industrial apresentado o esquema da Fig.9.

Seja proveniente de um processo de secagem ou de combusto, um elevado teor de gua sob dada temperatura pode causar a hidrlise de alguns materiais de mangas (tipicamente os polmeros obtidos por processos de condensao). A etimologia do termo hidro=gua, lise=separao refora a idia de quebra das molculas por ao da gua; portan-to hidrlise aquosa redundncia. Por exemplo, mangas de polister apresen-taro furos e rasgos em menos de seis meses de operao contnua sob 10% (em volume) de gua a 140oC, devido hidrlise.

A queima de combustvel com enxofre em sua es-trutura molecular re-sulta na oxidao do mesmo, formando o gs SO2 (dixido de enxofre), o qual reage com o oxignio residual dos gases sujos quando a tem-peratura cai abaixo de 300oC, formando assim o gs SO3. Por sua vez, devido for-te afi nidade por gua do gs SO3, haver a formao de cido

sulfrico. Tanto o SO2 em condies secas, como o cido sulfrico, atacam determinados tipos de materiais de mangas fi ltrantes por sulfonao.

A formao de cido sulfrico tem um agravante, pois ao reagir com o metal da gaiola (zinco, ferro, etc.) h liberao do gs hidrognio, que, por sua vez, tambm ataca a manga fi ltrante.

Em geral, os efeitos deste ataque por hidrogenao antecedem os efeitos da sulfonao, sendo que, no ataque por hidrogenao possvel rasgar o elemento fi ltrante somente nas marcas da gaiola, mas no em outras regies fora destas marcas. Nesse tipo de ataque, na maioria dos casos, a manga gruda na gaiola de tal forma que preciso des-peda-la para promover a separao.

Mesmo assim, ainda fi cam algumas fi bras grudadas na gaiola! Proteger a gaiola com pintura anticida (tipo epxi ou siliconizada), combinada ou no com o uso de ao-inox, pode auxiliar na soluo desse problema, pois difi culta o contato cido-metal.

De outro modo, haver formao do gs NO (xido de nitrognio) se a houver queima de combustveis com nitrognio em sua molcula ou se a temperatura do forno ultrapassar 800oC, caso em que seria permitida a reao do nitrognio e oxignio atmosfricos.

Quando a temperatura dos gases cai para menos de 250oC haver reao deste gs NO com o oxignio residual, gerando ento o NO2 (dixido de nitro-gnio) que pode atacar determinados

materiais de mangas fi ltrantes por nitra-o.

Por fi m, o prprio oxignio dos gases fi l-trados pode atacar o elemento fi ltrante por oxidao dependendo da temperatura de fi l-trao. Por exemplo, mangas feitas de po-lifenilsulfeto apresen-taram furos e rasgos em menos de um ano de operao contnua sob 18% em volume de oxignio a 180oC, devido oxidao.

Muitas vezes, quando realizada uma amostragem na chamin para medi-o da composio qumica dos gases, o resultado expresso Fig.8: Furos e rasgos precoces por ataque cido da manga filtrante.

Fig.7: Oxidao acelerada por ataque cido.

Fig.6: Curvas do ponto de orvalho cido para concentraes de gua de 10%, 20% e 30% em volume.

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

Pont

o de

orv

alho

ci

do, O

C

Pont

o de

orv

alho

ci

do, O

C

Pont

o de

orv

alho

ci

do, O

C

Concentrao de SO3 nos gases, ppm Concentrao de SO3 nos gases, ppm Concentrao de SO3 nos gases, ppm

20% vol. H2O

10% vol. H2O

30% vol. H2O

20% vol. H2O

10% vol. H2O


em SOx, ou seja, teor de SO2 + SO3, e NOx, ou seja, teor de NO + NO2. Entretanto, isso difi culta a avaliao de qual elemento fi l-trante pode ser utili-zado, porque, como pode ser verifi cado na Fig.9, o que interessa so suas quantidades em separado e no a sua mistura.

Na Fig.10a so exemplifi cadas algu-mas faixas de resis-tncia qumica dos principais plsticos utilizados para con-feco de mangas fi ltrantes.

Atravs da iden-tifi cao da condio de cada ataque qumico na Fig.10a possvel verifi car os parmetros que devem ser levados em considerao: tipo de agente qu-mico, sua concentrao, temperatura e durao de ataque qumico. Sob as condies especifi cadas, os grfi cos apresentam o percentual da resistncia mecnica original obtida aps o ataque qumico.

A seguir ser investigada a infl un-cia no aspecto qumico da fi ltrao de alguns parmetros de processo (vide Fig.1) em casos reais, referentes a

Fig.9: Tipos e origens dos agentes de ataque qumico.

Combustvel + O2

Ataca a mangaHIDROGENAO

Produo

Ar + O2

Ataca a gaiolaOXIDAO

Ataca a gaiolaHIDRLISE

Ataca a gaiolaOXIDAO CIDA

Ataca a mangaSULFONAO

Ataca a mangaSULFONAO

Ataca a mangaNITRAO

Ataca a mangaOXIDAO

5% vol. SO395% vol. SO2

90% vol. NO

10% vol. NO2

H2O

SO2

NO

O2

H2SO4

Temp.< 300oC

Temp.< 250oC

SOSOSO

OAtaca a gaiola

Temperatura de trabalho de mangas filtrantes

Polipropileno (PP)Acrl ico (PAC)Acrl ico (PAN)

Polister (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)

Poliamida aromtica (PA-Ar)Poli imida aromtica (PL-Ar, P84)

Politetrafluoreti leno (PTFE, Teflon)

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Temperatura, oC

Fig.10a: Resistncia qumica de mangas para baixa temperatura (esquerda) e alta temperatura (direita)

H2SO4 / 10% / 60OC / 24hH2SO4 / 10% / 60

OC / 24h

% vol. H2O (90OC / ph=7)

NaOH / 10% 75OC / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

HCI / 10% / 60OC / 24h HCI / 10% /

60OC / 24h% vol. H2O (90OC / ph=7)

NaOH / 10% / 75OC / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

Polipropileno (PP)Polister (PS)Acrlico (PAC)Acrlico (PAN)

Polifenilsulfeto (PPS, Ryton, Procon)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex, Conex)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)Politetrafluoretileno (PTFE)

Polipropileno (PP)Polister (PS)Polister (PS)Acrlico (PAC)Polister (PS)Acrlico (PAC)Acrlico (PAN)Acrlico (PAN)Acrlico (PAN) Politetrafluoretileno (PTFE)

Polifenilsulfeto (PPS, Ryton, Procon)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex, Conex)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex, Conex)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)Poliamida aromtica (PA-ar, Nomex, Conex)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)Politetrafluoretileno (PTFE)Politetrafluoretileno (PTFE)Poliimida aromtica (PI-Ar, P84)

Fig.10b: Comparativo entre as temperaturas de trabalho de diferentes materiais filtrantes1.

HCI / 10% /

C / ph=7)

NaOH / 10% / C / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

C / ph=7)C / ph=7)606060

60HNO60

10080

60

4020

0

100

80

60

40

20

0

HNO3 /10% / /10% / 60OC / 24HC / 24H

606060

0000

1001001001001001008080

60


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Fig.12: Resultados de simulao para resfriamento por ar-falso.

Relao ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimenses 154x3658 mm.Concentraes de O2 e H2O esto em vol.%; a concentrao de SO2 est em ppm.

Resultados obtidos pelo software Proteus simulador de filtrao industrial.

Polister hidrlise!Acrlico queima!

Nomex sulfonao!Polifenilsulfeto

Polifenilsulfeto Oxidao

Poliimida aromtica -com adio contnua

50 kg/h Ca(OH)2

R e s f r i a m e n t o p o r A r - f a l s o ( 4 0 oC , 7 0 % U R )Temp. Orv. cido O2 H2O SO2 Vazo, m

3/h Qde. Especificao

120oC 113oC 16,4 6,2 274 54042 391 Risco de condensao

130oC 114oC 16,0 6,4 309 49232 356

140oC 116oC 15,5 6,5 344 45382 328

150oC 117oC 15,1 6,7 379 42232 305

160oC 118oC 14,6 6,8 415 39606 286

170oC 119oC 14,2 7,0 450 37383 270

180oC 120oC 13,7 7,1 486 35477 257

190oC 121oC 13,3 7,3 522 33825 245

200oC 122oC 12,8 7,5 558 32379 234

Fig.10c: Comparativo entre os preos mltiplos do polister para diferentes materiais filtrantes1.

1 6 11 16 21 26 1 6 11 16 21 26

Preo relativo entre mangas filtrantes (polister = 1)

Polipropileno (PP)Acrl ico (PAC)Acrl ico (PAN)

Polister (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)

Poliamida aromtica (PA-Ar)Poli imida aromtica (PL-ar, P84)

Politetrafluoreti leno (PTFE)

Fig.11: Caracterizao da consulta tcnica referente ao Caso Prtico 1.

Resfriamento

Particulado

Gslimpo

leo

Ar

Ar falso (40oC, 70% UR) ougua-ar (40oC, 81% peso H2O

Dados fornecidos:11320 Nm3/h a 280oC

O2 = 9% vol.H2O = 8,8% vol.SO2 = 853 ppmSO3 = 4,2 ppm

Questes:Qual resfriamento econmico?Vazo e temperatura do gs?

Quantidade e tipo de mangas?

FiltroForno


consultas realizadas por fabricantes de equipamentos de despoluio e usurios de filtros de mangas.

Para tanto, foi utilizado o softwa-re Proteus - Simulador de Filtrao Industrial, verso 2.4, para anlise da viabilidade do projeto do filtro de man-gas, especificao dos elementos fil-trantes, assim como das condies ope-racionais timas atravs da utilizao. Trata-se do primeiro simulador nacional para projeto e avaliao de sistemas de filtrao englobando a fsico-qumica do processo industrial de gerao de particulados. Elaborado pelo autor deste texto, direcionado para pesquisa e de-

senvolvimento de novas tecnologias filtrantes, reenge-nharia de equipa-mentos falhos3, determinao de condies opera-cionais timas e projeto completo desses sistemas.

1 Caso prtico O cliente in-formou a com-posio, vazo e temperatura dos

gases provenientes da queima de leo, havendo a possibilidade de resfriar os gases quentes tanto por ar-falso a 40oC e 70% de umidade relativa, como pela injeo de gua a 40oC nebulizada com ar comprimido tal que, a concentrao fosse 81% peso de gua (vide Fig.11).

Algumas questes foram levanta-das:

1) Qual o mtodo de resfriamento econmico, ou seja, ser a adio de ar-falso ou a adio de gua o mtodo que permitir a menor vazo gasosa, tal que o filtro de mangas seja o menor possvel (mais acessvel economicamente)?

2) Qual a faixa de temperatura tal que possam ser utilizadas as mangas no material mais econmico sob uma Fig.13: Resultados de simulao para resfriamento por nebulizao de gua.

Relao ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimenses 154x3658 mm.Concentraes de O2 e H2O esto em vol.%; a concentrao de SO2 est em ppm.

Resultados obtidos pelo software Proteus simulador de filtrao industrial.

Condensao cida

Risco condensao

Polifenilsulfeto

Poliimida aromtica + 50 kg/h de Ca(OH)2

Resfriamento por gua-ar comprimido (40oC, 81% peso H2O)Temp. Orv. cido O2 H2O SO2 Vazo, m

3/h Qde. Especificao

120oC 134oC 8,3 17,6 758 22248 161

130oC 134oC 8,3 17,0 764 22484 162

140oC 133oC 8,4 16,5 770 22711 164

150oC 133oC 8,4 15,9 776 22930 166

160oC 133oC 8,5 15,4 782 23141 167

170oC 132oC 8,5 14,8 788 23345 169

180oC 132oC 8,6 14,3 794 23540 170

190oC 132oC 8,6 13,7 800 23729 171

200oC 131oC 8,6 13,2 806 23910 173

Fig.14: Relao de custo-benefcio para o sistema de filtrao com base no mtodo de resfriamento.

200oC -

190oC -

180oC -

170oC -

160oC -

150oC -

140oC -

130oC -

120oC -

- 200oC

- 190oC

- 180oC

- 170oC

- 160oC

- 150oC

- 140oC

- 130oC

- 120oC

290 mangas deP84

R$ 159.000,00com neutralizao

360 mangasPolifenilsulfetoR$ 119.000,00

No recomendvel

170 mangasPolifenilsulfetoR$ 56.000,00

No recomendvel

175 mangas de P84R$ 96.000,00

com neutralizao

Ar-falso gua-ar

Comparao entre alternativas


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para Simulao Dinmica do Processo Industrial. A estratgia de simulao foi adotar uma temperatura para o gs resfriado (gs mistura) e verificar a composio, ponto de orvalho cido e vazo resultante (vide Fig.12).

A concentrao de O2 e H2O est em porcentagem volumtrica, ou seja, 6,2% em volume equivale dizer que existem 6,2 m3 de gua (lquida ou gasosa) para cada 100 m3 de gs. Da mesma forma, a

operao normal por, pelo menos, dois anos, ou seja, sem condensaes ou ataques qumicos?

3) Qual a rea filtrante necessria para filtrao sob a vazo resultante da soma das vazes do gs quente e do gs de resfriamento na temperatura escolhi-da para operao Ideal?

Para soluo destas questes foi implementada a metodologia anterior-mente citada com o Simulador Proteus

concentrao de SO2 est em ppm (par-tes por milho em volume), ou seja, 274 ppm equivale dizer que h 274 mililitros de SO2 para cada 1m

3 de gs.Tendo em vista que o Ponto de

Orvalho cido (113oC) inferior temperatura de operao (120oC), te-oricamente no deveria ocorrer a con-densao de cido. Contudo, deve ser lembrado que as paredes da tubulao, filtro e ventilador no esto a 120oC, mas a uma temperatura muito inferior, dependendo da temperatura ambiente. Por isso, tem sido verificado e utilizado com sucesso, para inibir condensaes, o critrio de adotar uma temperatura de trabalho de, pelo menos, 20oC acima do ponto de orvalho cido para sistemas isolados termicamente e de, pelo menos, 30oC acima do ponto de orvalho cido para sistemas no isolados.

Como sempre, se for atingida uma temperatura na chamin acima do ponto de orvalho cido, tambm podem ser evitados danos no ventilador, chamin, filtro, etc. Por este motivo, muitas ve-zes, a temperatura do gs monitorada tanto na entrada do filtro (para evitar ultrapassar a temperatura de trabalho das mangas vide Fig.10b), como na chamin (para evitar condensaes).

Para a faixa de 130 a 150oC, pos-svel verificar que o polister (PES) no pode ser escolhido devido ao elevado teor de gua nos gases, caso em que ocor-reria a hidrlise do material1. Embora a manga de acrlico tipo poliacrilonitrila copolmero (PAC) resista perfeitamente a esse teor de umidade, sua temperatura de trabalho de apenas 115oC, portanto ela queimaria/encolheria a 150oC. J as mangas em poliamida aromtica ou m-aramida (cujos nomes comerciais podem ser Nomex, Conex, etc.) resistem perfeitamente temperatura e umidade indicadas, mas o teor de SO2 est acima do seu limite operacional, desaconse-lhando o seu uso no caso.

A manga escolhida foi a de polifenil-sulfeto (cujos nomes comerciais podem ser Ryton, Procon, etc.), pelo fato de suas faixas de resistncia qumica apresenta-rem limites superiores aos limites das faixas de concentraes de composio qumica deste gs.

Quando se examina a faixa de 160C a 200oC, verifica-se teor de oxignio excessivo para o polifenilsulfeto, uma Fig.16: Resultados de simulao para os 6 cenrios de operao possveis.

Madeira accia (20% peso H2O)1560 kg/h (bu)PCI 3296 kcal/kg

leo 2A469 kg/h (bs)3,2% peso S

Gs natural396 kg/h (bs)

T = 125oCTorv = 71oCH2O = 31% vol.SO2 = 0 ppm

T = 130oCTac = 167oCH2O = 22% vol.SO2 = 1662 ppm

T= 125oCTorv= 69oCH2O = 29% vol.SO2 = 0 ppm

18700 m3/hAcrlico (PAN)

11022 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO


T = 125oCTorv = 71oCH2O = 31% vol.SO2 = 0 ppm

T = 130oCTac = 169oCH2O = 29% vol.SO2 = 1504 ppm

T= 125oCTorv= 71oCH2O = 35% vol.SO2 = 0 ppm


13457 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO


A v a l i a o d a v i a b i l i d a d e t c n i c a

Fig.15: Caracterizao da consulta tcnica referente ao caso prtico n 2.

Madeira accia (20% peso H2O) Cenrio 1 Cenrio 41560 kg/h (bu)- PCI 3296 kcal/kg leo 2A Cenrio 2 Cenrio 5(469 kg/h - 3,2% peso de S)

Gs natural (396 kg/h) Cenrio 3 Cenrio 6

CombustvelProduo de cinzas 4,5 ton/h

(umidade inicial 20% peso)9,5 ton/h

(umidade inicial 10% peso)

Questes:Qual combustvel mais econmico (madeira, leo ou gs natural)?

Vazo e temperatura do gs?Quantidade e especificao das mangas?

Qual a influncia das condies da matria-prima?

Cinza mida(10 a 20% peso de H2O)

Cinza seca(0% peso de H2O)

Gslimpo

Par ticuladoCombustvel

Ar650OC

130OC

Combustvel

Produo de cinzas

4,5 ton/h(umidade inicial 20% peso)

9,5 ton/h(umidade inicial 10% peso)

SecadorFiltroForno


vez que nessa temperatura a reao de oxidao se apresenta vigorosa. O uso de manga em poliimida aromtica (cujo nome comercial P84) tambm no seria possvel devido ao elevado teor de SO2. Contudo, com a utilizao do artifcio de neutralizao qumica2, no caso, com hidrxido de clcio (cal hi-dratada), foi possvel reduzir no apenas o teor de SO2, mas tambm o ponto de orvalho cido.

Conforme verifi cado na Fig.6, o ponto

de orvalho cido aumenta com o aumento da umidade. Isso pode ser constatado no valor deste ponto a 120oC quando utili-zado o resfriamento por ar-falso (113oC) e quando utilizado resfriamento por injeo de gua (134oC) (vide Fig.13).

A faixa de operao de 120C a 140oC no recomendada devido ao risco condensao de cido conforme as razes j explicadas anteriormente (vide Fig.13). Contudo, como os gases de combusto possuem baixo teor de

Fig.18: Caracterizao da consulta tcnica referente ao caso prtico 3.

Fig.17: Relao de custo-benefcio para o sistema de filtrao com base no tipo de combustvel.

Madeira accia 1560 kg/h (bu)

leo 2A469 kg/h (bs)

Gs natural396 kg/h (bs)

160 mangas de acrlico (PAN)16 vlvulas 11/2 + 1 economizador 20

120 mangas polifenilsulfeto12 vlvulas 11/2 + 1 economizador 12

130 mangas de acrlico (PAN)13 vlvulas 11/2 + economizador 20

RS 22.980,00

R$ 34.910,00

R$ 19.280,00

A v a l i a o d a v i a b i l i d a d e e c o n m i c a

Relao Ar-pano = 1,3 m/min Dimenses das mangas 160 x 3000 mmResultados obtidos pelo software Proteus Simulador de Filtrao Industrial.

Questes:H risco de condensaes nos dutos e nas mangas?

Vazo e temperatura do gs no filtro?Quantidade e especificao das mangas?

Qual a influncia das condies atmosfricas

Secador granito82000 m3/h a 195oC21% vol. H2O25 ppm de SO3

Ensacadeiras16000 m3/h, ambiente

Dados fornecidos:Condies ambientesTemperatura: 15 a 35OCUmidade: 55 a 100% UR

Elevador de canecas46000 m3/h a 160OC2% vol. H2O Britador

6200 m3/h, ambiente

Ar

GLP

Granito mido

Granito seco

Ramais A, B, D de despoeiramento

Ramal C deprocesso

Gs limpo

Par ticulado

FiltroJ1

J2 J3Dados fornecidos:Condies ambientesTemperatura: 15 a 35Umidade: 55 a 100% UR

Britador

A

C

B

47

SecadorFiltroForno

Ramais A, B, D de despoeiramento

Ramal C deprocesso

Gs Gs limpolimpo

Par ticuladoPar ticulado

Filtro

A

D


f i l t r o d e

m a n g a s

oxignio e utilizado apenas 19% em peso de ar para nebulizao da gua de resfriamento, o teor resultante de oxig-nio baixo, permitindo assim, o uso de mangas de polifenilsulfeto at a tempe-ratura limite de operao (180oC).

Na faixa de 190C a 200oC, foi ne-cessrio usar a mesma soluo adotada para as mangas em poliimida aromtica (P84) no caso anterior.

O estudo autoriza as seguintes con-cluses:

Para cada faixa de temperatura, foi escolhida a maior vazo, tendo sido divi-dida pela relao ar-pano para obteno da rea fi ltrante total correspondente. A razo entre a rea fi ltrante total e a rea

para somente ento ser possvel uma tomada de deciso defi nitiva.

2 Caso prtico O cliente informou apenas quais os combustveis que po-deriam ser utilizados para secagem de cinzas, as quais, por sua vez, poderiam ser recebidas entre dois extremos de umidade, alterando signifi cativamente a produo de cinzas secas. As temperatu-ras aps o forno e aps o secador foram defi nidas com base em sistemas similares de mesma tecnologia, conforme informa-do pelo prprio cliente (vide Fig.15).

Algumas questes precisavam ser resolvidas:

1) Qual o combustvel econmico, ou seja, qual material (madeira, gs ou leo) permitir a menor vazo gasosa, tal que o fi ltro de mangas seja o menor possvel?

2) Qual o material das mangas mais econmico sob uma operao normal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem condensaes ou ataques qumicos?

3) Qual a rea fi ltrante necessria para operar sob a vazo resultante da soma das vazes do gs de combusto e do gs de proveniente da secagem?

4) Qual a infl uncia da umidade da matria-prima no desempenho do fi ltro de mangas, ou seja, quando a umidade for mxima, deve-se esperar o entupi-mento do fi ltro devido condensao de umidade?

A resoluo dessas questes usou a mesma metodologia do caso ante-rior associada ao software Proteus 2.4 para Simulao Dinmica do Processo Industrial. A estratgia adotada foi a de realizar a simulao da composio gasosa, temperatura e vazo dos gases de combusto acrescidos dos gases da secagem para cada um dos seis cenrios possveis (vide Fig.16).

Foram considerados os consumos de combustvel, tal que fosse liberado o mesmo montante calrico necessrio e sufi ciente para secagem em escala industrial das cinzas midas. A produ-o de cinzas citada refere-se s cinzas secas at uma umidade prxima de 0% em peso.

Nos cenrios nos quais h queima de madeira ou gs natural no so esperadas condensaes, porque o ponto de orvalho da gua est muito abaixo da temperatura de operao. Porm, o elevado teor de

Fig.19: Resultados de simulao para os dois cenrios possveis.

Fig.20: Resultados de simulao para os dois cenrios possveis aps otimizao da tubulao.

AB

C

D

J1J2 J3

Avaliao das condensaes nos dutos e no filtro

160

155

150

145

140

135J1 J2 J3

Temperatura do gsTemperatura do gs

Ponto de orvalho cido

155157

151

149

139138

Tem

pera

tura

, OC

Condio 35OC - 100%UR

Juno de tubulao

160

155

150

145

140

135J1 J2 J3

Temperatura do gs


Temperatura do gs


147

152

146

138

144

136

Tem

pera

tura

, OC

Condio 15OC - 55%UR

Juno de tubulao

de uma manga corresponde ao total de mangas adequado para a fi ltrao.

Na Fig.14 possvel observar que a combinao de faixa de temperatura e mtodo de resfriamento que gerasse o menor nmero de mangas (fi ltro mais econmico) com o material de mangas menos oneroso (vide Fig.10c) correspon-de quela indicada pelo quadro em desta-que: 170 mangas em polifenilsulfeto.

Embora o custo do investimento somente de mangas fi ltrantes esteja indi-cado, o qual proporcional ao custo do fi ltro + ventilador, uma anlise completa deve levar em considerao o custo total do investimento, manuteno e opera-o de cada sistema de resfriamento,

185

175

165

155

145

135

Temperatura do gs

150

157

178

141 139 138

Tem

pera

tura

, OC

Condio 35OC - 100%UR

J1 J2 J3


Juno de tubulao

Temperatura do gs

150

157

178

Ponto de orvalho cido141 139 138

185

175

165

155

145

135

Condio 15OC - 55%UR

Temperatura do gs


178

Temperatura do gs


178

J1 J2 J3Juno de tubulao

152144

138136

141

Tem

pera

tura

, OC

Soluo da condensao no dutoA

B

C

D

J1 J2 J3


umidade defi ne a utilizao de mangas em acrlico tipo poliacrilonitrila homo-polmero (PAN) ou a indicao de man-

gas em polifenilsulfeto. Como o acrlico mais barato que o polifenilsulfeto, ele foi o escolhido (vide Fig.10c).

Contudo, devido ao elevado teor de enxofre no leo, os gases resultantes de sua queima apresentaram ponto de orvalho cido (167/169oC) muito acima da temperatura de operao (130oC). Devido ao fato de no ser recomendvel a operao contnua de um sistema de fi ltrao sob condensao de cido sulfrico, foi utilizado o artifcio da neutralizao qumica dos gases cidos atravs da adio de p alcalino2, no caso, a cal virgem (xido de clcio) para baixar o ponto de orvalho cido para valores aceitveis.

possvel observar pequena infl u-ncia na vazo total dos gases tanto na condio produtiva de maior, como de menor umidade inicial de cinzas. Assim como no caso prtico anterior, foi calculada a rea fi ltrante total pela razo da vazo pela relao ar-pano e, sem seguida, foi calculado o total de

mangas pela razo da rea fi ltrante total pela rea fi ltrante de uma manga.

possvel concluir que:Os resultados obtidos so demons-

trados na Fig.17, onde so apresentados no apenas os custos das mangas, mas tambm os custos das vlvulas solenides e de seu controlador tipo economizador (limpeza por demanda de presso).

possvel verifi car que a opo de 130 mangas em poliacrilonitrila homo-polmero (PAN) apresentou o menor custo de investimento.

O custo do fi ltro de mangas ser proporcional ao nmero de vlvulas e mangas, uma vez que, foi adotada a mesma relao ar-pano e que as mangas possuem as mesmas dimenses para cada cenrio.

Obviamente, a deciso fi nal dever levar em considerao o custo do con-sumo de combustvel, custo do sistema de neutralizao e da cal virgem, custo de aquisio, operao e manuteno do

Vazo 161770 / 161140 m3/h

Temperatura 150 / 144 OC

Umidade 10,0 / 9,3 % vol.

Mangas 1380 mangas de Polifenilsulfeto

Temperatura 150 / 144 OC

Umidade 10,0 / 9,3 % vol.

Mangas 1380 mangas de

Dimensionamento do filtroe especificao das mangas

Relao ar-pano de 1,3 m/min Dimenses das mangas 160 x 3000 mmProteus Simulador de Filtrao Industrial

Fig. 21: Dimensionamento do sistema de filtrao e rede de dutos com base nas condies ambientais.


f i l t r o d e

m a n g a s

O AUTORTito de Almeida Pacheco formado em Engenharia Qumica pela UFRGS tendo se especializado em Simulao Computacional aplicada para o Projeto e Avaliao Dinmica de Sistemas de Despoeiramento Industrial. Foi respons-vel pela Engenharia da Renner Txtil Ltda. desde 1997, atividade que integrou

as funes de engenharia de aplicao e assistncia tc-nica. Tem larga experincia em avaliao de processos industriais exis-tentes para so-luo de proble-mas e tambm na avaliao de plantas indus-triais futuras

para especificao e dimensionamento completo dos sistemas de despoeiramen-to a serem adquiridos. Contatos por:

[email protected]

condensaes ou ataques qumicos?3) Qual a rea filtrante necessria

para filtrao sob a vazo resultante da soma das vazes do gs de cada coifa de captao?

4) So esperadas dificuldades ope-racionais no filtro de mangas? Como resolver eventual problema?

Mais uma vez, foi usada a metodolo-gia de Simulao Dinmica de Processos Industriais atravs do software Proteus 2.4. A estratgia de simulao foi a de calcular a temperatura e o ponto de orva-lho dos gases em cada juno (J1, J2 e J3) tanto para um dia quente e chuvoso (35oC e 100%UR), como para um dia frio e seco (15oC e 55%UR) (vide Fig.19).

possvel concluir que h risco de condensao de cido na juno J1 num dia quente e chuvoso, e h certeza de condensao de cido sulfrico num dia frio e seco, uma vez que, o ponto de orvalho cido est acima da temperatura de operao, obtida pela mistura dos gases de cada coifa nas temperaturas indicadas na Fig.18.

Desta forma, esperado o entupi-mento da tubulao devido condensa-o, conforme j verificado em dezenas de casos similares. Nesse caso, haveria a incrustao de material (granito + sulfato de ferro ou zinco) com diminui-o da rea de passagem gasosa. Com a constrio do dimetro de passagem do gs na tubulao, a velocidade de transporte pneumtico poderia facil-mente subir de 18 a 20 m/s para 30 m/s ou mais, situao na qual, o particulado facilmente poderia causar abraso na prxima curva ou mudana de direo da dutovia. Com isso, poderiam ocorrer furos nos tubos seja pela abraso do ex-cessivo fluxo gasoso, seja pela corroso cida destes tubos.

Para resolver este problema, foi sugerida uma reorganizao do layout da rede de tubulaes (vide Fig.20).

possvel observar que o problema de condensao cida na juno J1 foi adequadamente resolvido, pois a tem-peratura do gs no local est bem acima do seu ponto de orvalho cido. Porm, dada a proximidade dessas temperaturas na juno J3, onde h entrada dos gases no filtro de mangas, recomendvel a instalao de isolamento trmico a partir da juno J2 at a chamin.

possvel concluir que:

forno adequado para cada combustvel.

3 Caso prtico Nesse caso, o cliente informou, desde logo, as temperaturas, vazes e composies qumicas gasosas em cada coifa de captao. Porm, duas coifas captam ar ambiente. Como a tem-peratura do ar ambiente varia de 15C a 35oC e sua umidade de 55% a 100% de umidade relativa ao longo do ano, poder haver influncias das condies ambientais no desempenho do sistema de filtrao (vide Fig.18).

Nesse sistema, so apresentados os blocos destacados pelo pontilhado vermelho atravs de uma planta baixa com a localizao das coifas de captao e do filtro de mangas.

Questes a resolver:1) Tendo em vista a captao de ar

ambiente, h possibilidade de condensa-o de umidade e entupimento dos dutos ou do filtro em algum momento ao longo da operao?

2) Qual material das mangas ser mais econmico sob uma operao nor-mal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem

Carlos A. Silva
mailto:[email protected]


1 Artigo: Como obter o rendimento mximo do filtro de mangas oferece maiores detalhamentos sobre especificao de elemen-tos filtrantes. Este artigo foi atualizado com base em artigo homnimo do mesmo autor publicado e apresentado no V Congresso Brasileiro de Cimento Portland ABCP - em Novembro de 1999 Belo Horizonte/MG. Uma verso atualizada foi publicada na Revista Qumica e Derivados n 407, de agosto de 2002.

2 Artigo: Lavagem seca do SO2 atravs de filtros de mangas traz mais informaes sobre a tcnica de neutralizao qumica de gases cidos. Foi publicado e apresentado no I Congresso Interamericano da Qualidade do Ar - ABES - em Julho de 2003 ULBRA/RS.

3 Artigo: Como fazer uma avaliao de Sistemas de Despoeiramento descreve a metodologia tima para identificao e soluo dos problemas tpicos em filtrao industrial seca. Este artigo foi publicado na edio no14 da Revista Meio Filtrante. (http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detail&id=158)

No foi verificada diferena signi-ficativa entre os dados simulados de vazo e temperatura gasosa para os ce-nrios quente-chuvoso e frio-seco, pos-sibilitando assim, a seleo da mesma especificao e quantidade de mangas filtrantes sem majoraes tcnicas.

Devido ao fato da temperatura e umi-dade serem relativamente elevadas, foi selecionada a manga em polifenilsulfeto em quantidade tal que respeite a relao ar-pano indicada para o dimensional de mangas originalmente solicitado pelo cliente (vide Fig.21).

Concluses complementares A ava-liao do aspecto qumico da filtrao indispensvel nas investigaes de falhas de projetos ou de soluo de problemas crnicos de sistemas de filtrao, seja por entupimento, seja por alta emisso de p devido ao ataque qumico dos elementos filtrantes. No entanto, fortemente recomendvel a avaliao concomitante do aspecto me-cnico, como por exemplo, a eficincia do sistema de limpeza3.

Ao longo dos trs casos prticos foi exemplificada a realidade observada junto maioria dos usurios de filtros quanto s caractersticas dos gases filtrados como: vazo, temperatura e composio qumica na entrada do filtro de mangas. Sem esses dados, o

dimensionamento do equipamento e a especificao do material do elemento filtrante tornam-se tecnicamente invi-veis, ou, no mnimo, pouco confiveis. Alm disso, tem sido observado que muitos questionrios sobre o sistema de filtrao, envidados por usurios, apresentavam dados omissos, contradi-trios, quando no absurdos.

A tecnologia de Simulao Dinmica de Processos Industriais foi desenvol-vida para viabilizar a soluo destes problemas no cotidiano da atividade de consultoria industrial. Incorporada no software Proteus 2.4, ela permite identi-ficar as condies operacionais do filtro de mangas a partir dos dados do processo industrial de domnio do usurio.

Isso no invalida, mesmo assim, a necessidade de realizar amostragens da chamin ou da entrada do filtro para caracterizao da vazo, temperatura e composio qumica gasosa para iden-tificao, pelo menos, de um cenrio operacional. Vale a analogia: enquanto as amostragens constituem uma fotogra-fia do processo industrial, a simulao computacional apresenta um filme deste processo industrial. Obviamente, as amostragens so extremamente teis para ajuste fino do modelo matemtico protagonizado no procedimento de si-mulao computacional. Dessa forma, com o uso da simulao possvel ava-

liar adequadamente o aspecto qumico da filtrao, permitindo a identificao precoce de problemas, determinao de garantias de performance confiveis e soluo de problemas que por outro mtodo no tenham sido possveis.

Leitura de apoio mencionada no texto:

4 - ARTIGO - ASPECTOS QUMICOS DA RETENO DE PARTICULADOS - 12p4 - ARTIGO - ASPECTOS QUMICOS DA RETENO DE PARTICULADOS - 12pF1-5B - APRESENTAO VORTEX CONSULTORIA INDUSTRIAL - 1pF1-6A - APRESENTAO VORTEX CONSULTORIA INDUSTRIAL - 3p

Documents

4_artigo - Aspectos Químicos Da Retenção de Particulados - 14p