PROCESSOS INDUSTRIAIS ÍNDICE DAS UNIDADES PÁGINAS UNIDADE I : 1- BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE 01 2- PROCESSOS INDUSTRIAIS 07 UNIDADE II : 1- REATORES QUÍMICOS 17 2- TROCADORES DE CALOR 34 3- ISOLAMENTO TÉRMICO 45 UNIDADE III: VÁLVULAS IDUSTRIAIS 50

UNIDADE IV: CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS 65 UNIDADE V : UTILIDADES - I 1- FLUIDOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 71 2- SISTEMAS DE AQUECIMENTO A FLUIDO TERMICOS ORGÂNICOS 73 3- GERADORES DE VAPOR 76 4- RESFRIAMENTO DE LÍQUIDOS EM BAIXAS TEMPERATURAS 94 5- RESFRIAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL 97 6- AR COMPRIMIDO 109

UNIDADE VI: UTILIDADES –II : ÁGUA INDUSTRIAL 115

. PROCESSOS PRIMÁRIOS 117 . PROCESSOS SECUNDÁRIOS -TROCA IÔNICA 123 . ABRANDAMENTO 128 . DESMINERALIZAÇÃO 131 . OSMOSE REVERSA POR EMBRANAS 134 UNIDADE VII: 1- ENXÔFRE 139 2- ÁCIDO SULFÚRICO 143 3- ANIDRIDO FTÁLICO 149

4- CELULOSE 154

BIBLIOGRAFIA 159

PREPARADO POR PROF.BENEDITO AP. RODRIGUES -28/7/2008 – Rev. 7

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UNIDADE I : 1 -BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE 2 - PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 - BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE 1.0 - INTRODUÇÃO BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE (BPF & C ) ou GMP (GOOD MANUFACTURING PRACTICE) são um conjunto de procedimentos e práticas que visam a padronização e controle de métodos de fabricação,condições de instalações, equipamentos e respectiva conservação ,critérios de segurança e meio ambiente,controle de matérias-primas,processos de fabricação, embalagem , armazenamento e a distribuição de produtos saneantes domissanitários , produtos de higiene pessoal , cosméticos, perfumes ,alimentícios e medicamentos e seus intermediários . Teve seu início em 1963 ,nos EUA com a publicação de uma norma que estabelecia requisitos especiais para a fabricação de medicamentos ,em razão de diversas ocorrências no seu uso com considerável prejuízo para a saúde pública ,devido a problemas com sua qualidade resultantes por contaminações diversas por falta dos devidos cuidados ,substituição de substâncias , e troca acidental por falta de identificação,entre outras causas . 1.1 – A IMPORTÂNCIA DAS BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO Estabelecem o que deve ser feito para evitar que um medicamento seja produzido sem a qualidade requerida .Cada país pode ,segundo os seus recursos ,adequados procedimentos para dar cumprimento as exigências das BPF . O objetivo principal é diminuir os riscos durante toda a produção dos produtos que não pode ser evitada completamente durante o controle do produto final .esses riscos são : contaminação cruzada , contaminação por partículas estranhas , troca ou mistura de produtos,erros de rotulagem . Embora tenha sido adotado inicialmente na produção de medicamentos ,a exigência do cumprimento das BPF E C ,foi logo estendida a fabricação de todos produtos de interesse a Saúde pública ,visando garantir a segurança e confiabilidade no uso de todos os tipos de substâncias que entram em contato direto com o organismo humano e/ou animais domésticos ,seja no contato com a pele ,olhos ,cabelos ,trato respiratório e digestivo .Para isso , existem normas da vigilância sanitária ,que se aplicam aos diversos tipos de empresas que de alguma forma estejam envolvidas com esses produtos ,essas normas são compulsórias ,sendo prevista sanções no caso de descumprimento. Atualmente ,a adoção das BPF e C está despertando o interesse também de outras indústrias diferentes das acima citadas,não sujeitas a fiscalização da ANVISA ,isto pelos muitos benefícios que elas podem obter em termos gerais, seja na qualidade ,produtividade , uso de recursos ,segurança e meio ambiente e a confiabilidade do produto no mercado . A seguir as portarias emitidas pela SVS/MS de âmbito nacional ,segundo as modalidades : . Resolução RDC- 134 de 13/7/2001 - produtos farmacêuticos . Portaria 326/97 de 30/7/1997 – produtos alimentícios . Portaria 327/97 de 30/7/1997 - produtos domissanitários . Portaria 348/97 de 18/8/1997 - produtos de higiene pessoal,cosméticos e perfumes 1.2 – BOAS PRATICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE – BPF & C As normas que estabelecem as BPF e C ,envolvem requisitos fundamentais que vão desde as instalações da indústria ,passando por rigorosas ações de higiene pessoal e limpeza do local de trabalho,tais como

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lavagem correta de mãos ,utilização adequada de uniformes ,disposição correta de todo o material utilizado nos banheiros e o uso de sanitizantes ,até a descrição detalhada ,por escrito dos procedimentos envolvidos no processamento e controle do produto.As BPF e C tem por fundamento a exclusão e remoção ,ou a inibição e destruição de microrganismos indesejáveis e a exclusão e remoção de materiais estranhos . Um processo de fabricação devidamente organizado e ordenado dentro dos princípios estabelecidos pelas BPF & C ,facilita a gestão de sua fabricação em toda a cadeia de produção,permitindo a identificação de falhas operacionais ou administrativas,que possam ocorrer durante o processo produtivo,facilitando e otimizando os custos de correção,reduzindo ou eliminando os prejuízos operacionais que possam prejudicar e contribuir para inviabilizar o negócio . 1.3 – IMPLANTAÇÃO DAS BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE A implantação prevê a avaliação do ambiente de trabalho e das pessoas envolvidas nos processos produtivos ,analisando básicamente os procedimentos de higiene no âmbito do estabelecimento e todos os cuidados de natureza sanitária adjacentes e determinantes para a integridade de alimentos ,medicamentos ,cosméticos e produtos de higiene pessoal ;esta avaliação é feita por meio de listas de verificações . Para uma análise mais objetiva ,os parâmetros de verificação são selecionados criteriosamente e agrupados em seções para serem avaliados ,por exemplo : estrutura física do estabelecimento,higiene pessoal ,operacional,ambiental e técnicas de manipulação indiretas e diretas que são disponibilizados aos produtos . Em seguida,com base nos resultados dessa lista ,um comitê deverá analisar e montar um plano de ação para a correção das não conformidades encontradas ( itens em desacordo com a legislação sanitária ) no caso de produtos de interesse a saúde ,ou normas internas em outros casos .Depois ,baseado em um plano de ação a equipe elabora as instruções de trabalho- (I T) e os procedimentos operacionais - ( PO ) , incluindo os procedimentos padrões de higiene operacional – ( PPHO) ,no caso de produtos de interesse a saúde ,necessários e tambem as planilhas de controle ,formando-se os documentos do manual de Boas práticas,documento que deve retratar a realidade da empresa e facilitar a implementação deste sistema . Esta avaliação inicial tem por objetivo principal o levantamento da situação atual da empresa quanto ao cumprimento dos requisitos fundamentais do programa ;nesta etapa são definidos os documentos,registros e responsabilidades,sendo então sistematizadas as instruções e os procedimentos operacionais , bem como estabelecido o programa de treinamento ,dando-se assim o início a implementação do programa de fato . 1.4 - ETAPAS PARA FACILITAR O PROCESSO DE IMPLANTAÇÃO DAS BPF & C ( Aplicável a fabricação de medicamentos ,alimentícios ,cosméticos e produtos de higiene pessoal)

� ETAPA 1 - Aspectos gerais

Devem ser avaliados e implantados os requisitos relativos a higiene pessoal,incluindo condição de saúde,doenças e lesões,limpeza pessoal , postura e treinamento ; os itens reportados devem atender a legislação vigente no município/estado;além dos aspectos gerais desta etapa,devem ser desenvolvidos os procedimentos para o cumprimento dos PPHO’s pertinentes,os quais devem ser citados no manual de BPF & C .

� ETAPA 2 - Aspectos gerais de projetos e instalações Avalia-se e implanta-se os requisitos relativos a situação e condições do estabelecimento ,incluindo : a localização ,edifícios e salas,equipamentos e utilidades ,esgoto ,disposição e coleta de lixo e resíduos, dispositivos para limpeza ,qualidade do ar e ventilação ,iluminação , vestiários ,chuveiros e sanitários , refeitórios .

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� ETAPA 3 – Aspectos gerais da fabricação

Deve-se avaliar e implantar os requisitos relativos às condições de fabricação,incluindo: recepção ,controle de qualidade e estocagem de matérias-primas,produção ,controle da qualidade ,embalagem ,transporte interno e armazenagem do produto acabado . Deve-se avaliar a conservação de máquinas e equipamentos , programas de manutenção preditiva e preventiva , bem como a aferição periódica de instrumentos de controle e balanças.

� ETAPA 4 – Aspectos gerais de limpeza e sanitização Nesta etapa devem ser avaliados e implantados os requisitos relativos a manutenção e a higienização das instalações,equipamentos e utensílios.

� ETAPA 5- Aspectos gerais de controle integrado de pragas Deve-se avaliar e implantar os requisitos relativos ao combate de pragas ( insetos ,roedores )

� ETAPA 6- Aspectos gerais de controle de qualidade Avalia-se e implanta-se os requisitos relativos a definição da documentação e registros,procedimentos para recolhimento de dados e controle da qualidade, critérios ,especificações de produtos . 1.5 - INSTRUÇÕES DE TRABALHO ( I T ) A instrução de trabalho é um documento elaborado a partir de documentos de referência ,como normas e legislações;fornece informações detalhadas aos colaboradores sobre como desempenhar tarefas específicas ,preparar formulários, e outras tarefas num departamento ,dando a descrição passo-a- passo .Todas as tarefas ,sejam elas simples ou complexas devem ser documentadas na forma dessas instruções ,devendo estar disponível no local onde é realizada a tarefa .Deve ter uma estrutura formal ,contendo título ,código , revisão e nº de páginas,apresentando no seu final os nomes de quem elaborou ,verificou e aprovou a instrução .Ela deve descrever o modo real como são executados os trabalhos , para isso é bom que seja elaborada em conjunto com as pessoas envolvidas na prática do dia-a dia , de modo a padronizar todas as ações dentro da empresa . 1.6 – PROCEDIMENTOS OPERACIONAL PADRÃO ( P O P ) É um documento básico para o planejamento e controle do processo própriamente dito ; ele define o processo de fabricação de um produto ou a execução de um serviço , as características da qualidade e até mesmo os parâmetros de controle . O estabelecimento ,cumprimento ou manutenção e melhoria dos padrões permitem a instituição consolidar um processo de melhoria contínua.O POP é um compromisso documentado, utilizado em comum e repetidas vezes por todos os envolvidos ,sendo o instrumento que indica a meta ( fim ) e os procedimentos ( meios) para a execução dos trabalhos,de modo que cada um tenha condições de assumir

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a responsabilidade pelos resultados de seu trabalho .Toda operação visando a obtenção de um produto, deverá obedecer seu respectivo POP , o qual deverá conter : objetivos do procedimento,resultados esperados,campo de aplicação ,equipamentos necessários para a execução ,responsáveis pela execução e pelo controle,procedimentos de controle ,ações corretivas ,planilhas de controle e parâmetro aplicáveis , especificações . O POP ,também deve ser aprovado ,datado e assinado pelo responsável técnico ,responsável pela operação ,responsável legal e/ou proprietário do estabelecimento ,firmando o compromisso de implementação,monitoramento,avaliação,registro e manutenção dos mesmos. Também se especifica em cada POP ,a freqüência das operações,nome ,cargo e/ou função dos responsáveis pelas operações .No POP ,quando aplicável deve constar os materiais necessários para a realização das operações ,bem como os EPI,s requeridos, e a qualificação dos funcionários para a execução das operações .a implementação dos POP’s deve ser monitoradas periódicamente de modo a garantir a finalidade pretendida,sendo adotadas medidas corretivas em casos de desvios . 1. 7 - PROCEDIMENTOS PADRÕES DE HIGIENE OPERACIONAL ( PPHO ) São procedimentos descritos ,desenvolvidos, implantados e monitorizados ,visando estabelecer a forma rotineira pela qual o estabelecimento industrial evitará a contaminação direta ou cruzada e a adulteração do produto,preservando sua qual e integridade por meio da higiene antes ,durante e depois das operações industriais . O seu objetivo é padronizar as operações de limpeza e sanitizações em todas as etapas do processo ,de forma a assegurar adequado padrão higiênico das instalações,dos equipamentos e utensílios .É um programa necessário e imprescindível ,tendo sua implementação facilitada pelas IT’s , incluindo :

� Treinamento e capacitação de pessoal; � Condução dos procedimentos antes,durante e após as operações; � Monitoramento e avaliações rotineiras dos procedimentos e de sua eficiência; � Revisão das ações corretivas e preventivas em situações de desvios e alterações tecnológicas dos

processos industriais. Normalmente são elaborados os seguintes PPHO’s específicos conforme segue :

• Segurança e potabilidade da água

• Condições de higiene das superfícies em contato com os produtos em processo

• Prevenção contra contaminação cruzada

• Higiene pessoal dos colaboradores

• Proteção contra contaminantes e adulterantes

• Identificação e estocagem adequada de substâncias perigosas

• Saúde dos colaboradores

• Controle integrado de pragas

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1.8- REGISTRO E PLANILHAS Uma folha de verificação deve ser clara ,concisa e a mais completa e criteriosa possível,buscando sempre a simplificação do trabalho . Deve-se estabelecer e manter procedimentos para o controle de todos os documentos e dados referentes aos requisitos da norma.Este controle deve assegurar que :

• Os documentos apropriados estejam disponíveis em todos os locais em que são executadas as operações essenciais para o funcionamento eficaz do sistema de qualidade ;

• Sejam analisadas de forma adequada;

• Documentos obsoletos sejam prontamente removidos de todos os pontos de emissão ou uso;

• Ao documentar o sistema em instruções e procedimentos é essencial que todas as pessoas que o utilizem tenham a mesma versão dos documentos e controles estabelecidos,para assegurar que qualquer mudança seja distribuída de forma controlada .

As planilhas servem para observar o número de vezes em que alguma coisa acontece,o tempo necessário para que alguma coisa seja feita ,o custo de uma determinada operação e o impacto desta ação ao longo de um certo período de tempo . A atitude de monitorar e registrar ,definem um permanente acompanhamento e avaliação da eficiência e eficácia dos recursos e técnicas aplicados às etapas relativas a um produto,dentro ou fora da empresa e em tempo de decidir as correções necessárias . A ação de registrar desperta a maior intensidade do desejo de buscar o perfeito ou “ mais adequado possível “ , resultando num processo de melhoria contínua ,onde se busca sempre descobrir as causas das falhas para assim eliminá-las , otimizando o processo . 1.9 – MANUAL DE BOAS PRATICAS DE FABRICAÇÃO E CONTROLE É o documento que descreve as operações realizadas pelo estabelecimento,incluindo ,no mínimo,os requisitos sanitários do edificio,a manutenção e higienização das instalações ,dos equipamentos e dos utensílios ,o controle da água de abastecimento ,o controle integrado de vetores e pragas urbanas ,controle de higiene e saúde dos manipuladores e o controle e garantia de qualidade do produto final . O que descreve o manual deve corresponder fielmente ao que é implementado na prática , para isso deverá ser sempre atualizado quando necessário ,em razão de alterações na estrutura física , operacional , ou tecnológica . 1.10 - IMPLEMENTAÇÃO DAS BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO O melhor caminho para o funcionamento correto das BPF & C na elaboração de qualquer produto é adotar um trabalho permanente com o pessoal treinado e processos monitorados e registrados . Na implementação ,deve-se treinar e capacitar cada indivíduo envolvido no processo ,fornecendo conhecimentos dentro das necessidades efetivas de trabalhos de produção e controle ,bem como a real necessidade de se produzir com qualidade ,e mínimo desperdício ,nas diversas operações que envolvem a elaboração de um produto , criando um comprometimento de cada indivíduo com a equipe baseado no conceito de cliente/fornecedor interno . Na implementação das BPF & C ,também deve-se :

• Organizar e planejar a produção diariamente,evitando improvisações e desrespeito as boas práticas de fabricação

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• Definir um coordenador responsável pela implementação programa;

• Acompanhar o treinamento com explanação teórica e verificar no local de trabalho a aplicação prática ;

• Fazer uma auditoria periódica interna/externa para avaliação do cumprimento das instruções de BPF & C, e a sua evolução na empresa

1.11 – APPCC – ANÁLISE DE PERIGOS E PONTOS CRÍTICOS DE CONTROLE OU HACCP – HAZARD ANALYSIS AND CRITICAL CONTROL POINTS

Foi concebido originalmente pela Pillsbury Co. nos EUA na década de 60 ,para atender aos quesitos da NASA,quanto ao controle da segurança alimentar de produtos alimentícios a serem consumidos por astronautas do programa aeroespacial norte-americano; a partir do ano 1971,passou também a ser adotado pelo FDA – FOOD AND DRUG ADMINISTRATION como referência para o controle da indústria de alimentos norte-americana .

Metodologia a qual está baseada na avaliação completa do processo em estudo, identificando os perigos de contaminação de uma linha de produção, predominantemente os de origem microbiológica, mas também física e química, caracterizando a matéria-prima, fatores intrínsecos e extrínsecos como por exemplo água, temperatura, pH, atmosfera que envolve o alimento, íntimo histórico do produto. Os resultados assim obtidos mostram se a freqüência de contaminação por microrganismos patogênicos é elevada, quais são os microrganismos comumente detectados nas matérias-primas ou produtos, e também seu desenvolvimento em caso de contaminação e surtos. Definidos os perigos, o passo seguinte é verificar em quais etapas do processo produtivo existem chances de contaminação ou sobrevivência de microrganismos patogênicos .

Sómente em 1989 o APPCC foi estruturado na forma atualmente aplicada,com os princípios do sistema alocados em sete passos conforme abaixo :

1. identificação dos perigos e avaliação de sua severidade 2. determinação dos pontos críticos de controle; 3. instituir medidas e estabelecer critérios para assegurar o controle; 4. monitorar os pontos de controle; 5. estabelecer um sistema de arquivos e registro de dados; 6. agir corretivamente sempre que os resultados do monitoramento indicarem que os critérios não

estão sendo seguidos; 7. verificar se o sistema está funcionando como planejado.

Com a publicação pelo governo brasileiro em novembro de 1993,da portaria do MS de nº 1428/93,ficou estipulado que todos os estabelecimentos que trabalham com alimentos,são obrigados a adotar a sistemática de controle preconizada pelo método APPCC à partir de 1994

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2 – PROCESSOS INDUSTRIAIS 2.0 –CONCEITOS .O que são processos industriais São métodos e procedimentos específicos , envolvendo pessoas , máquinas , equipamentos, matérias-primas e tecnologias ,voltadas a produção de um produto qualquer . Todo o processo industrial ,e particularmente na área químico-farmacêutica , é resultante de muitas pesquisas em laboratórios experimentais e plantas-piloto ,levando bom tempo até tornar-se adequado para a execução em escala industrial . .Processos industriais na área química São os tipos de processos que envolvem o manejo de diversas substâncias químicas ,simples ou complexas ,podendo incluir também outros materiais não necessariamente espécies químicas , tendo por objetivo obter um determinado produto ou substância . Os processos industriais químicos podem ser de duas naturezas essenciais : . Processos sem conversões químicas - aqueles que não envolvem reações químicas,as matérias-primas são apenas misturadas e condicionadas segundo do os procedimentos especificados;as espécies químicas não sofrem alterações permanecem as mesmas .Como exemplo de produtos obtidos por esse tipo de processo ,citamos : graxas, ceras , tintas , lubrificantes , cosméticos etc ... . Processos com conversões químicas – aqueles que envolvem reações químicas ou seja , durante o processo as espécies químicas sofrem alterações , verificando-se a formação de outras substâncias distintas das participantes do início do processo . Por processos químicos de conversão obtém-se toda a classe de produtos químicos que se conhece : ácidos, sais , bases ,corantes, pigmentos resinas , detergentes, sabões, cloro , álcoois ,aldeídos ,anidridos , e outros materiais tais como : cimento ,cal , vidro , celofane , fibras sintéticas plásticos. 2.1- CINÉTICA QUÍMICA NOS PROCESSOS COM CONVERSÃOES QUÍMICAS Quando falamos em cinética química ,estamos nos referindo a velocidade com que ocorrem as reações químicas . Essa velocidade na maioria das vezes ,pode ser alterada por fatores ,tais como : a luz , a pressão, temperatura, concentração ,catalisadores e agitação . O conhecimento destes fatores ,bem como saber trabalhar com os mesmos é muito importante em uma planta química,por questões de segurança ,praticidade e economia ;com base neste conhecimento são projetados reatores e demais equipamentos necessários para as conversões químicas ,bem como métodos e procedimentos para a condução dos processos. Podem os ter idéia da velocidade de uma reação ,avaliando-se a quantidade de um reagente que desaparece ou a quantidade de um produto que se forma ,num certo intervalo de tempo;a quantidade pode ser expressa em diversas unidades bem como o tempo .

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. Energia de ativação e velocidade de reação Energia de ativação é a energia suplementar requerida ,responsável pela formação de uma estrutura intermediária entre os reagentes e produtos formados ,conhecida como complexo ativado ;quanto menor for a energia de ativação necessária para a reação ,mais fácilmente ela ocorrerá e com maior velocidade . 2.1.1- Fatores que alteram a velocidade de uma reação química Para aumentar a velocidade de uma reação química ,é preciso aumentar o número de colisões entre as partículas,isto pode ser feito com o uso de um ou mais métodos ,os mais comuns são: aumento da superfície de contato ,concentração ,natureza dos reagentes ,temperatura ,pressão ,luz e catalisadores . - O aumento da concentração ,da superfície de contato ,da pressão ,aumentam diretamente o número de colisões . - A natureza dos reagentes influem segundo o número de ligações a serem rompidas ,quanto menos ligações,mais rápida é a reação ,a temperatura e pressões normais;assim reações envolvendo íons são muito mais rápidas que outras envolvendo grupamentos maiores ,por exemplos : reações inorgânicas são mais rápidas que reações orgânicas,exceto combustão . Nos casos de reações entre reagentes não ionizáveis a sua velocidade pode ser otimizada pelo uso de aquecimento e/ou catalisadores ( a maioria dos processos orgânicos ) . - De modo geral o aumento da temperatura aumenta a velocidade das reações químicas endotérmicas; estima-se que para cada 10° C de incremento de temperatura ,a velocidade da reação poderá ser dobrada ou até triplicada . O aumento da velocidade dá-se pelo aumento da energia cinética (maior agitação interna das partículas ) resultando num maior nível energético das moléculas ,superando a energia de ativação necessária para a formação do complexo ativado,intensificando as colisões . A especificação da temperatura ótima é de suma importância para a realização das reações;no caso de reações simples ,o emprego de maior temperatura é regido pelo critério de construção da planta e dos custos energéticos . Já no caso de reações complexas ,por exemplo as reversíveis ,a situação fica complicada ,isto porque a temperatura afeta não somente a velocidade da reação ,mas também o ponto de equilíbrio,e este ponto determina o grau de conversão do produto desejado que pode ser alcançado . Se a reação orientada a direita for endotérmica ,o aumento da temperatura aumenta a conversão ;se for exotérmica ,o caso mais comum ,o problema está no uso da temperatura e seu controle . O aumento da temperatura acresce a velocidade da reação,porém desloca o ponto de equilíbrio para a pequena conversão ;a diminuição favorece o ponto de equilíbrio para melhor conversão, porém a velocidade é muito pequena ,sendo muito pouco o material convertido num tempo de permanência razoável no interior do reator . Deste modo ,entre estes dois extremos deve-se escolher a temperatura ,que melhor concilie os resultados; a situação ideal seria de um progresso da temperatura com altos valores na entrada do reator ,caindo à medida que se aproxima da máxima conversão .Com a alta temperatura inicial obtem-se grande velocidade de reação e alcança-se o equilíbrio rápidamente ,embora a posição de equilíbrio não seja favorável. A medida que a temperatura vai decaindo em direção à saída, o equilíbrio muda para a máxima conversão . Como conseqüência de se obter reação mais rápida inicialmente , obtem-se a redução do tempo total de permanência no reator e assim pode ser usado um reator menor ;porém com esse regime de temperatura regressiva ,complica-se a construção e o sistema de controle de temperaturas. Pressão – ela só altera a velocidade da reação ,quando pelo menos um dos reagentes estiver no estado gasoso , assim o aumento de pressão reduz o volume,causando um aumento da concentração dos reagentes e conseqüentemente o aumento das colisões entre as partículas .

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Luz - algumas reações são aceleradas em presença de luz ,são as reações fotoquímicas empregadas em algumas sínteses químicas utilizando-se raios UV . Catalisador – reduz a energia de ativação de uma reação,o que permite que ela ocorra de forma mais rápida,reduzindo a demanda energética para a ocorrência das colisões .É oportuno lembrar que a seletividade de uma reação em geral diminui com o aumento de temperatura,em outras palavras,quanto maior a temperatura ,maior a variedade e concentração de produtos formados . A intervenção do catalisador numa reação química ,permite alterar a forma como as moléculas reagem entre sí,originando o aparecimento de grupamentos intermediários entre átomos ou moléculas que levam a que os mesmos reagentes originem produtos diferentes ,ou mesmos com diferentes graus de conversão. Por exemplo a oxidação do ortoxileno sem catalisador ,torna-se simplesmente uma combustão ,já a presença de catalisador V2O5 e oxigênio em excesso , a oxidação é parcial,obtendo-se anidrido ftálico como principal produto ,e outros poucos como produtos paralelos ;usando-se outros catalisadores pode-se obter outros produtos ,ácido orto-toluico ,por exemplo . Para aumentar o rendimento no processo industrial ,é necessário então,para cada tipo de catalisador,descobrir o tempo de residência e a temperatura que levam a melhor eficiência do processo (velocidade e grau de complementação ) , e então escolher o melhor . O catalisador vai alterando a sua capacidade com o passar do tempo ;isto tem sido observado nos casos onde se usam catalisadores em leitos fixo ,a experiência em práticas operacionais recomenda aumentar a temperatura da reação para compensação da perda de atividade,mas já ciente que isso influencia negativamente o rendimento e a seletividade ;em razão disto,ao fim de certo tempo de uso , o catalisador precisa ser substituído para dar condições operacionais economicamente viáveis . Agitação – mencionamos por último um fator muito importante nas reações químicas industriais – a agitação - , a qual tem preponderante influência na velocidade das reações nos casos onde se manejam grandes volumes de materiais;a agitação possibilita a distribuição uniforme dos materiais reagentes,uma transferência uniforme de calor evitando aquecimento localizado;e otimiza o íntimo contato dos componentes reacionais,devido o aumento de suas superfícies específicas numa unidade de tempo. Os produtos finais de uma reação podem ser diferentes ,segundo o grau de contato dos seus reagentes;a agitação apropriada do meio reacional evita segregação ou zonas de estagnação. Dinâmica da agitação O efeito da agitação nas reações químicas tem por base a difusão das moléculas que se efetua através das películas estáticas que envolve cada uma das fases do meio reacional,daí acontecendo as reações;independente da temperatura,a agitação do sistema diminui a espessura dessas películas e aumenta a velocidade de difusão e como conseqüência ,a aproximação das moléculas reagentes de uma a outra fase . 2.2- ALGUMAS CONSIDERAÇÕES À RESPEITO DAS REAÇÕES INDUSTRIAIS Em reações industriais,raramente se empregam as quantidades exatas dos materiais reagentes necessários a elaboração de um produto;quase sempre são usados reagentes em excesso,tanto para tornar possível uma reação como para garantir o consumo quase total de um reagente mais valioso .Este excesso de reagente pode sair junto ou separado do produto e na maioria das vezes é reciclado no próprio processo .Mesmo usando-se quantidades estequeométricas de reagentes ,caso a reação não for completa ou se ocorrerem a formação de produtos laterais,os produtos serão acompanhados por reagentes não consumidos e por produtos laterais . Considerando-se o que foi exposto acima ,torna-se oportuno conhecer e entender alguns conceitos novos aplicados aos processos industriais . a seguir apresentados .

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. Reagente limitante É o reagente que está presente em menor proporção, está em quantidade estequeométrica,ou aproximada,cuja quantidade se pretende seja toda consumida ( convertida ) , ou quase. . Reagente em excesso É o reagente em excesso relativamente a quantidade estequeométrica do reagente limitante;a quantidade do excesso é dada em porcentagem,referindo-se a quantidade do reagente que está em excesso ou seja ,acima da quantidade necessária para a reação em bases estequeométricas ,segundo a equação química. Em base molar ,pode-se calcular assim ,

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���

% ���� �º �� ����� �� �����.

�º �� ����� ������á����. 100 Onde :

Nº moles exces = moles aliment - moles necess O nº de moles em excesso pode ser calculado como nº de moles totais disponíveis de um reagente menos o nº de moles necessários para a reação com o reagente limitante . A quantidade necessária de um reagente é estabelecida pelo reagente limitante e é ,para todos os outros reagentes ,a correspondente quantidade estequeométrica. Mesmo se apenas uma parte do reagente limitante reagir de fato , as quantidades necessárias e em excesso estão baseadas na quantidade total do reagente limitante . . Grau de conversão (ou porcentagem ) É a fração de alimentação ou de algum material da carga de alimentação que é convertido em produto(s), normalmente deve ser indicado o componente sobre o qual estará sendo calculada a conversão .

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%���#$ %� .100

Onde : Re = Reagente na entrada Rs = Reagente na saída(sobra) ( referenciado )

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. Grau de complementação em produto desejado (ou porcentagem ) É a fração da alimentação ou do reagente limitante carregado que é convertido no produto desejado,normalmente referenciado ao reagente limitante .

% ���*�. %���#$ +�%���#$%�

.100

Onde : Pd = Produto desejado ou de interesse . Seletividade É a razão do nº de moles de um certo produto obtido ,geralmente o desejado , em relação ao nº de moles totais dos produtos obtidos na saída do reator,muito interessante onde ocorrem reações paralelas,esse parâmetro dá a idéia da proporção do produto desejado dentre os produtos da reação .

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%���)�'�/%���)�'� .100 �0 �º����� �1 �� ��.�

�º����� �1 �� �� .( .100

Onde : *Pt= produtos totais . Rendimento Rendimento para um reagente e produtos únicos ,é obtido dividindo-se a massa ou nº de moles de produto final dividido pela massa ou nº de moles do reagente inicial ;no caso de se usar o nº moles fazer a correção pela % de conversão ou complementação.No caso de estar envolvido mais de um reagente ou produto,deve ser claramente indicado qual é o produto ,e em cima de qual reagente o rendimento estará sendo baseado . Por exemplo, se tivermos uma reação conforme abaixo : A ( reagente limitante ) + B ( excesso )----------� C ( desejado) + D ( indesejado ) O rendimento será representado pelo cociente de C ( desejado) / A ( limitante alimentado) e a seletividade pelo cociente C ( desejado)/ C + D ( indesejado ) x 100 Rendimento e seletividade são termos que medem a extensão de uma reação desejada em relação as reações alternativas indesejáveis e competitivas.

% $��� �º���� +��º���� %�

. %���*�. �� %� �0 ��23�+���23�%�

.100

Nas próximas páginas ,um exemplo prático de processo orgânico com conversões químicas em fase gasosa operando no modo contínuo .

2.3- EXEMPLOS PARA DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS CONCEITUADOS 2.3.1-.PROCESSO ORGÂNICO CONTÍNUO EM FASE GASOSA : PRODUÇÃO DE ANIDRIDO MALÉICO (MAN)

FÓRMULA ESTRUTURAL . REAÇÃO PRINCIPAL H3C-CH2-CH2-H3C + 3,5 02------� C2H2(CO)2 O + 4 H2O EXEMPLO PRÁTICO DADOS: Alimentação........ Ar....................... %MOLAR do N-butano saída reator %MOLAR do MAN saída reator Determinar :

1- % de conversão global 32- % seletividade em MAN 4

RESOLUÇÃO: Primeiramente determinar a % molar do reagente limitante n 700/58,12 % molar.=--------------------------------------

700/58,12 + 23500/29 1- % de conversão global do n-butano 1,464- 0,250 %conv.=----------------------. 100 = 82,92 % de conversão 1,464

EXEMPLOS PARA DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS CONCEITUADOS

CONTÍNUO EM FASE GASOSA : PRODUÇÃO DE ANIDRIDO MALÉICO (MAN) POR OXIDAÇÃO CATALÍTICA PARCIAL DO N

FÓRMULA ESTRUTURAL

C2H2(CO)2 O + 4 H2O

DADOS: Alimentação........ 700kg/h MOL ...58,12 23500 kg/h MOL........29,00

butano saída reator 0,250 %MOLAR do MAN saída reator 1,1 MOL 98,20

- % de complementação em MAN 5-Produção kg/h de MAN% seletividade em MAN 4- % de rendimento em MAN

% molar do reagente limitante n-butano

-------------------------------------- . 100 = 1,464 % molar

butano

82,92 % de conversão

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CONTÍNUO EM FASE GASOSA : PRODUÇÃO DE ANIDRIDO MALÉICO (MAN) OXIDAÇÃO CATALÍTICA PARCIAL DO N- BUTANO

MOL ...58,12 ....29,00

MOL 98,20

Produção kg/h de MAN

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2-% de seletividade em MAN -----���� %���,-". �� 456 7,7

7,9:9/;,<=; .100 90,6%

3-% de complementação em MAN -�% ���*���. �� 456 7,7

7,9:9. 100 75,13 %

4-% de rendimento em MAN -����% CDEF. DG HIJ KL,M

NL,OM . PN, OQ OMR, PN%

5- produção do MAN em kg/h - é obtida pela estequeometria da reação,relacionando-se a massa do reagente limitante necessário com a massa empregada corrigida pela fração de complementação . 1 mol de N-butano-----------------------------� 1 mol de MAN 58,12 -------------------------------------------- 98,2

700,0 Kg x 75,13/100----------------------- X -� � S;;,; . ;,S= . TU,<

=U,7< 887,04 �

X456

A % de rendimento relacionando-se as massas produto/reagente deve dar o mesmo valor do cálculo relacionado com nº moles produto/reagente e % de complementação ,servindo para contra-prova de cálculo ,veja a seguir .

%% $���. UUS,;9

S;;,; .100 126,72 %

2.3.2- PROCESSO DESCONTÍNUO SÓLIDO/LÍQUIDO INORGÂNICO EXEMPLO PRÁTICO A obtenção de antimônio,baseia-se no aquecimento de stibnita em pó com aparas de ferro metálico,seguida pela descarga do antimônio fundido do reator (PF. 630,5°C) Equação química : Sb2S3 + 3Fe -------------� 2Sb + 3FeS ∆ Processando-se uma carga de 600 kg de stibnita e 250 kg de aparas de ferro ,obteve-se 200 kg de antimônio ,calcule :

1- Reagente limitante 2- % de reagente em excesso 3- grau fracional de complementação 4- % de conversão da stibnita 5- % de rendimento

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RESOLUÇÃO – Primeiramente faça uma tabela obtendo-se os kmoles correspondentes as massas de cada componente . Componente massa em kg mol kmoles Sb2S3 600 339,7 1,77 Fe 250 55,8 4,48 Sb 200 121,8 1,64 1-O reagente limitante é determinado com base na estequeometria ,calculando-se a quantidade necessária de um dos reagentes em relação a quantidade de outro reagente carregado( pode ser em kmoles ou kg) e comparando-se os resultados ( carregado com o teórico ou necessário) 1kmol Sb2S --------------- 3kmol Fe

1,77 kmol ---------------- X � 7,SS . Z

7 5,31 2��� �� [� ����á$-�

Ou relacionando-se os moles e as massas em kg : 339,7( 1 molSb2S3)------------3 x 55,8( 3 moles de Fe) 600 Kg Sb2S3 ----------------- X kg de Fe

� :;; .Z .==,U

ZZT,S 295,67 23 �� [� ����á$-�

Comparando-se os valores obtidos em kmoles ou kg teóricamente necessários e os valores carregados efetivamente ,conclui-se que o Fe é o reagente limitante ,pois os valores carregados são menores que o teórico necessário ,verifique : Carregado teórico Resposta : O ferro é o reagente limitante 250 kg < 295,67 kg e a stibinita está em excesso 4,48 kmoles < 5,31 kmoles 2-O reagente em excesso é determinado pelo mesmo procedimento (cálculos e comparativo) 1kmol ---------------- 3 kmol de Fe X --------------- 4,48kmol de Fe

� 4,48 . 1

3 1,49 2��� �� \]2\3 ����á$-�

339,7 (Sb2S3) ------------------ 3 x 55,8 Fe X --------------- 250 kg Fe

� <=; .ZZT,S

Z . ==,U 507,31 23 �� \]2\3 ����á$-�

Uma vez determinada a quantidade teórica ( em kmoles ou kg) e comparando-se com a real carregada, por diferença encontra-se o excesso e daí acha-se a porcentagem .

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% DG D^_D``a bGacD` _dCCDedFa/bGacD` ED_D``áCfa`

bGacD` ED_D``áCfa` . Ogg � haFD `DC i`dFa d` Gd``d`)

% �� ����� 1,77 & 1,49

1,49 .100 18,79 % �0

600 & 507,31507,31

.100 18,27%

Resultados ligeiramente diferentes entre os dois métodos ,devido ser considerados apenas dois algarismos no pós vírgula nos dados em kmoles . 3-Grau fracional de complementação é dado em referência ao reagente limitante que é convertido na reação (consumido). Também é determinado com base na estequeometria, agora relacionado-se o reagente limitante e o produto desejado ;no caso considera-se o Fe .

3 kmol Fe--------------�2 Sb kmoles � 7,:9 .Z

< 2,46 2���� ���"�$,-�� �� [�

X ----------�1,64Kmoles *O grau fracional é obtido dividindo-se a quantidade do reagente convertido pela quantidade carregada

Grau fracional de complementação ----<,9:

9,9U 0,549 ( em kmoles )

3x 55,8 ----------------� 2x 121,8 � <;; .==,U .Z

< . 7<7,U ZZ9U;

<9Z,: 137,438 23 [� ���"�$,-��

X --------------------- 200

Grau fracional de complement.7ZS,9U

<=; 0,549 ( em massa )

*Se multiplicar-mos o grau fracional por 100 ,teremos a porcentagem de complementação 4-% de conversão (ou conversão global) da stibnita Relaciona-se a quantidade stibnita convertida e a quantidade antimônio produzido ,também em bases estequeométricas .

1Sb2S3-------------� 2 Sb � 7,:9

<,� 0,82 2���� �� \]2\3 ���"�$,-��

X -------------------� 1,64

% ���". ;,U<

7,SS .100 46,32 % �� \]2\3 ���"�$,-�� �� \] ( em kmoles)

Ou

339,7-------------� 2 x 121,8 � <;; .ZZT,S

< .7<7,U :ST9;

<9Z,: 278,89 23 \]2\3 ���"�$,-��

X -------------� 200

%���". <SU,UT

:;; .100 46,48% �# ,-]�-,# ( em massa)

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5-% de rendimento de stibnita em antimônio Pode ser obtido dividindo-se o mol do produto desejado obtido pelo mol do reagente em referência carregado( segundo os coeficientes) ,corrigido pela % de conversão do reagente referenciado ou a divisão das massas respectivas multiplicado por 100.

% de rendimento = 7<7,U .<

ZZT,S . 46,48 33,33% ou

% de rendimento = <;;

:;; .100 33,33%

Pode-se ainda calcular o rendimento usualmente chamado peso/peso ( w/w =weight/weight ) em inglês bastando dividir a massa de reagente empregado pela massa do produto desejado obtido:

rendimento peso/peso :;;

<;; 3

Isto nos dá idéia de que para cada kg de produto desejado ,foram consumidos 3 kg do reagente referenciado , no caso a stibnita .

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UNIDADE II : 1- REATORES QUÍMICOS TIPO TANQUE AGITADO E REATORES ESPECIAIS 2- TROCADORES DE CALOR

3- ISOLAMENTO TÉRMICO 1-REATORES QUÍMICOS 1.0 –INTRODUÇÃO Uma indústria de produtos químicos que opera com conversões , impreterivelmente precisa ter algum tipo de reator químico , pois sem este equipamento não é possível realizar o processo; outro equipamento também muito importante é o trocador de calor .Seguindo-se a estes ,são utilizados dispositivos para controle , sistemas para energia e outros , os quais veremos no decorrer do curso . 1.1- REATORES QUÍMICOS Numa planta industrial de transformação química,o reator é o principal equipamento,pois é nele que se processam as reações ,a fase principal do processo; no reator são carregadas ou alimentadas as matérias-primas que resultarão no produto desejado. Existem muitos tipos de reatores , alguns de tipos especiais próprios para um determinado processo , e outros tipos padronizados , com finalidades multipropósitos , ou seja , servem para fabricar muitos tipos de produtos ,desde que tenham algumas características comuns ,por exemplo, viscosidade , faixa de pH , temperatura e pressão , etc... 1.2- CARACTERÍSTICAS DOS REATORES QUÍMICOS .Quanto aos materiais de construção São empregados os aços carbono ,aços inoxidáveis , titânio, polipropileno ,resinas reforçadas com fibra de vidro , e aços carbono revestidos com materiais anti-corrosivos diversos;o critério de escolha leva em consideração as condições operacionais e características físico-químicas dos reagentes /produtos do processo . .Quanto ao modo construtivo (geometria) - Tanque fechado ou aberto agitado - Tubular / multitubular - Tubular /multitubular catalítico de leito fixo sólido ou fluidizado - Multitubular catalítico com trocador interno - Coluna com recheio - Coluna catalítico de leito fixo sólido (com bandejas)

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. Algumas considerações quanto aos tipos construtivos e aplicações .REATOR TIPO TANQUE ABERTO É o tipo mais simples de reator, suficiente para processos onde não existam maiores riscos , processos que não liberem vapores agressivos ou inflamáveis ;também não haja necessidade de atmosfera inerte ,vácuo ou pressão .Ex : saponificação, isomerização , neutralização , precipitação .Seu modo construtivo bastante simplificado constituído de um vaso cilíndrico ,podendo estar apoiado no piso ou em suportes acima do chão , uma plataforma de carga ,agitador interno ,válvula de fundo e dispositivo para aquecimento /resfriamento (serpentina ).(fig.II-1.1 e II-1.3) .REATOR TIPO TANQUE FECHADO É o tipo de reator mais usado nos processos mais comuns ,onde os produtos utilizados apresentam um certo grau de risco ,em razão de vapores agressivos ou inflamáveis oriundos da matéria prima ou gerados no processo;também são adequados a processos que embora sem riscos ,necessitem de atmosfera inerte ( processo sensível ao oxigênio ) ,ou ainda necessite de operar sob pressão ou vácuo .Seu modo construtivo é mais apurado , estando regido por normas técnicas por tratar-se de um vaso de pressão , que exige garantias da integridade estrutural do equipamento (chapas ,soldas ,flanges ,parafusos ) .O formato e cilíndrico com calotas nas extremidades , sendo apoiado sempre em pedestais acima do solo tendo ao lado uma plataforma de carga, ou em vigas suspensas em plataformas elevadas formando um segundo piso , onde normalmente fica o topo do reator com boca de carga ,motor-redutor do agitador e todos os complementos ( fig II- 1.2 e II-1. 5) .REATOR TIPO TANQUE FECHADO COM COLUNA Este tipo é usado em processos mais complexos , operando em modo semicontínuo ,com retirada constante de um ou mais produtos na forma de vapores condensados ,gerados na reação .Este reator ,cujo corpo principal é também um vaso de pressão , requer igualmente a qbservância de normas rigorosas na sua construção , sendo acrescentado de uma coluna ,um condensador e separadores como equipamentos complementares ,os quais por sua vez,também obedecem as mesmas normas construtivas .Os processos de esterificação empregados na obtenção de resinas e plastificantes são possíveis somente neste tipo de reator . ( fig.II-1.4)

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.REATOR MULTITUBULAR CATALÍTICO DE LEITO FIXO (OU SÓLIDO ) COM TROCADOR INTERNO Trata-se também de um tipo especial de reator ,o qual opera no modo contínuo , em fase gasosa e alta temperatura ; empregado em processo de oxidação catalítica de hidrocarbonetos para a produção de anidridos .Também é um vaso de pressão ,mas um tipo bastante especial ;seu formato é cilíndrico dispondo de um feixe tubular e câmaras inferior e superior ,e ainda um abertura interna (poço) ,onde é instalado um trocador (serpentina de resfriamento ) e também um agitador .Os tubos do feixe tubular interligam as duas câmaras ,estes são carregados com catalisador ,por fora destes tubos circula uma mistura de sais fundidos ,movimentado pelo agitador , os gases reagentes passam por dentro destes tubos ,ocorrendo aí a conversão . A reação é bastante exotérmica , o calor é removido da região dos tubos pelo banho de sais em circulação ,que tendo contato com a serpentina se resfria, e impulsionado pelo agitador ,volta para a região dos tubos novamente e assim sucessivamente .A água sob alta pressão injetada na parte inferior da serpentina , vaporiza-se instantaneamente removendo assim o calor para fora do sistema ,que sai na forma de vapor de alta pressão . Este reator opera em condições bastantes críticas (alto risco de explosão /inflamação) ,sais fundidos em alta temperatura ( acima de 350 º© ) , temperaturas de processo na faixa de 370º© a 460º© ,por esta razão dispõe de sensíveis instrumentos de controle automático de processos, alarmes e travamento , por medidas de segurança .(fig.II- 1.6 ) . REATORES CATALÍTICOS DIVERSOS São também reatores específicos ,projetados para processos exclusivos ,podendo ser de leito fixo tubulares ou de bandejas ou ainda de leitos fluidizados ,onde os catalisadores em partículas se misturam com os reagentes sendo recuperados após a saída ,e reciclados no processo contínuamente . (fig. II – 1.6A,6B, E 6C) FIGURAS NAS PÁGINAS SEGUINTES

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FIG. II – 1.1 REATOR TIPO TANQUE AGITADO ABERTO

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FIG.II -1.2 REATOR TIPO TANQUE AGITADO FECHADO

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FIG.II – 1.3 ESQUEMA( CORTE) DE UM REATOR TIPO TANQUE AGITADO ABERTO

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FIG. II-1. 4 ESQUEMA DE REATOR TANQUE AGITADO COM COLUNA ,CONDENSADOR E SEPARADORES TÍPÍCO PARA RESINAS E ESTERES PLASTIFICANTES

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FIG. II -1. 5 REATOR TANQUE AGITADO FECHADO DE GRANDE PORTE - DETALHES DAS CONEXÕES ,BOCA DE CARGA E ABERTURA PARA MONTAGEM DO AGITADOR

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FIG.II –1. 6 REATOR CATALÍTICO MULTITUBULAR DE LEITO FIXO COM TROCADOR INTERNO UTILIZADO PARA PRODUÇÃO DE ANIDRIDOS PETROQUÍMICOS

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FIG. II -1.6 REATOR CATALÍTICO DE COLUNA ( REDUÇÃO GÁS SULFÍDRICO)

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1.2.1-CONSIDERAÇÕES QUANTO AS FASES PRESENTES .Fase homogênea Reagentes ,produtos inertes e catalisadores se encontram em uma única fase podendo ser líquida ou gasosa .Sendo em fase líquida é possível vários modos operacionais ,se em fase gasosa é possível sómente a operação contínua . Exemplos de reações em fase líquida : esterificação , saponificação,sulfonação ,nitração, hidratação,desidratação . Exemplos de reações em fase gasosa : combustão,adição de ozônio em benzeno,obtenção do benzeno por aquecimento do acetileno em tubos aquecidos 550~580°C . Fase heterogênea Um dos componentes da mistura apresenta-se em fase distinta dos demais,sendo possíveis as seguintes situações : líquido/gás ; líquido/sólido ;líquido/gás/sólido;gás/sólido .Em todas as situações são possíveis os modos operacionais descontínuo,semi-contínuo e contínuo . Exemplos de reações em fase heterogênea - são as predominantes nos processos industriais , seguem alguns exemplos :obtenção do clorofórmio reagindo cloro (gás) com etanol (líquido ;obtenção do anidrido ftálico por oxidação catalítica do o-xileno ou naftaleno em leito fixo ;síntese da amônia processo catalítico Haber-Bosch a partir do nitrogênio e hidrogênio;síntese de aminas graxas a partir de ésteres graxos e amônia (líquido e gás);hidrogenação de gorduras e óleos ( líquido e gás); obtenção de tiossulfato de amônio solução a partir de água,enxofre ,amônia e dióxido de enxofre ( líquido,sólido e gás). 1.2.2-CONSIDERAÇÕES QUANTO AOS MODOS OPERACIONAIS . Modo operacional descontínuo ou batelada (BR- Batch Reactor ) Os reagentes são adicionados todos no início da operação,a composição química da carga varia no decorrer do processo, estabilizando quando a reação atinge o seu final ;esta modalidade é muito aplicada na produção de especialidades químicas ,devido a grande variedade e quantidades não muito grandes,por exemplo : corantes,sais, defensivos,fármacos,sabões .Nesta modalidade operacional utilizam-se reatores tipo tanque agitado abertos ou fechados conforme o caso . .Modo operacional semi-contínuo Componentes da carga são adicionados parcialmente , a intervalos determinados ,ou então algum produto resultante é extraído durante o processo ; a composição química também varia do início ao final do processo ,quando termina a reação;esta modalidade é aplicada nos processos de obtenção de ésteres plastificantes e resinas , e outros processos complexos .Também é aplicado nos casos altamente exotérmicos onde se tudo for carregado de uma vez , a temperatura tende a sair do controle ,então faz-se a adição lenta e escalonada de um determinado componente ,dando assim condições de controlar a temperatura da reação .Nesta modalidade operacional utilizam-se reatores tipo tanque agitado fechados,dotados de coluna ,condensador e separadores .

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. Modo operacional contínuo Este modo operacional pode ser praticado com dois tipos básicos de reatores : .Tipo tanque agitado fechado ou aberto Esta configuração recebe o nome Reator Tanque Agitado Contínuo ( CSTR –CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) onde os reagentes são alimentados contínuamente e produtos retirados ao mesmo tempo , a composição da mistura reacional permanece relativamente estável durante o tempo de operação em qualquer ponto do reator ,como na saída uma vez atingido a vazão a regime constante(estacionário),isto é em condições estáveis de alimentação , temperatura, pressão ,pH, agitação ,conforme o caso . .Tipo tubular ou multitubular Este tipo recebe o nome de reator com fluxo pistonado (PFR – PLUG FLOW REACTOR) ,neste caso o escoamento da mistura reagente através do reator é ordenado,podendo haver mistura apenas no sentido radial,não devendo ocorrer mistura ou difusão ao longo do reator;os reagentes são contínuamente consumidos a medida que avançam no reator ao longo do comprimento até a saída e a composição variará conforme a região do reator . O modo operacional contínuo aplica-se a processos em grande escala ,normalmente para fabricação de intermediários ou seja matérias-primas ,por exemplos : formol ,anidridos,álcoois petroquímicos( n-butanol,iso-butanol,iso-propanol,octanol,iso-decanol),cicloexanol,dicloroetano,amônia,ácido nítrico ácido sulfúrico,acetona,ácido clorídrico,metanol,polietileno,polipropileno,o-xileno ,cumeno, e muitos outros . 1.3 – AQUECIMENTO , RESFRIAMENTO E AGITAÇÃO EM REATORES TIPO TANQUE Para que um vaso seja possa operar como um reator químico , é preciso que o mesmo possua algum dispositivo de transferência de calor para aquecer ou resfriar o processo, conforme o caso , em combinação com dispositivo de agitação adequado as características da massa reagente . A maioria dos processos industriais requerem temperaturas acima da ambiente ,para ativação da reação nos casos com conversões ,ou para condicionamento físico ( dissolução ,fusão) de componentes da carga;em outros casos é necessário resfriamento constante para moderação da reação , ou condicionamento para embalagem /armazenamento . A agitação é fundamental para o transporte de massas,facilitando a difusão das partículas entre as fases reagentes ,e ao mesmo tempo distribui calor no meio da massa ,evitando “pontos quentes “ que podem ser causados pela reação ou junto as superfícies de trocas térmicas . Assim o resultado de uma agitação adequada é uma mistura homogênea segundo diversos parâmetros do processo . 1.3.1 – Dispositivos de aquecimento /resfriamento Os dispositivos mais comuns são serpentinas internas ,camisas e jaquetas ; embora não muito comuns em alguns casos são utilizados trocadores de calor externos com bomba de circulação ou ainda resistores envolvendo o costado do vaso . As serpentinas podem ser de diversas configurações ,as jaquetas são espirais ou paralelas ,os trocadores dos tipos de placas ou casco-tubulares . O aquecimento ou resfriamento é obtido mediante a transferência de calor que acontece quando se introduz no dispositivo um fluido de utilidade,por exemplo ,vapor de água ou água fria . Nas páginas seguintes ,alguns exemplos de reatores com serpentinas e jaquetas

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FIG. II – 1.7 - SERPENTINAS FIG. II -1. 7A - SERPENTINAS

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FIG. II – 1. 7B - JAQUETA ESPIRAL

1.3.2 – Dispositivos agitadores em reatores químicos A agitação é importante nos processos químicos,principalmente quando estão envolvidos reagentes e produtos em fases heterogêneas.A escolha do tipo de agitador,o uso de chicanas ,velocidade e outrascaracterísticas estão relacionadas principalmente com a viscosidade e estado físico dos reagentes e produtos. Veja abaixo alguns exemplos mais comuns de dispositivos agitadores.

FIG.II-1.8- . Aplicações – Para líquidos mais viscosos,a fim de promover maior transmissão de calor nas operações de aquecimento ou resfriamento e minimizar a formação de depósitos;produzem fluxo somente tangencia ,com baixa turbulência e apresentam alvaso.

. Aplicações – Largamente empregado por gerar fluxo longitudinal,radial e cação suave que ,com freqüência desejaaplicações pelo fato de poder trabalhar com líquidos de 1 a 10000 cP de viscosidade ,criando alta e baixa turbulência conforme a velocidade de agitação ;o consumo de potência é de moderado a alto ,sendo úteis para operações envolvendo líquidos miscíveis e dissolução de sólidos . Montagem no centro do vaso e na vertical.

em reatores químicos

A agitação é importante nos processos químicos,principalmente quando estão envolvidos reagentes e produtos em fases heterogêneas.A escolha do tipo de agitador,o uso de chicanas ,velocidade e outras

s principalmente com a viscosidade e estado físico dos reagentes e exemplos mais comuns de dispositivos agitadores.

- TIPO ÂNCORA

Para líquidos mais viscosos,a fim de promover maior transmissão de calor nas operações de aquecimento ou resfriamento e minimizar a formação de depósitos;produzem fluxo somente tangencia ,com baixa turbulência e apresentam alto consumo de potência; são montados

FIG.II - 1. 8A - TIPO PÁS INCLINADAS

Largamente empregado por gerar fluxo longitudinal,radial e circunferencialação suave que ,com freqüência deseja-se para a maioria das substâncias .Atende a maioria das aplicações pelo fato de poder trabalhar com líquidos de 1 a 10000 cP de viscosidade ,criando alta e baixa

dade de agitação ;o consumo de potência é de moderado a alto ,sendo úteis para operações envolvendo líquidos miscíveis e dissolução de sólidos . Montagem no centro do vaso e na vertical.

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A agitação é importante nos processos químicos,principalmente quando estão envolvidos reagentes e produtos em fases heterogêneas.A escolha do tipo de agitador,o uso de chicanas ,velocidade e outras

s principalmente com a viscosidade e estado físico dos reagentes e

Para líquidos mais viscosos,a fim de promover maior transmissão de calor nas operações de aquecimento ou resfriamento e minimizar a formação de depósitos;produzem fluxo somente

ência; são montados no centro do

TIPO PÁS INCLINADAS

ircunferencial;possuem uma se para a maioria das substâncias .Atende a maioria das

aplicações pelo fato de poder trabalhar com líquidos de 1 a 10000 cP de viscosidade ,criando alta e baixa dade de agitação ;o consumo de potência é de moderado a alto ,sendo

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FIG. II-1.8B - TIPO HÉLICE NAVAL . Aplicações – São efetivos para mistura de fluidos de baixa viscosidade ( abaixo de 3000 cP) ;pelo fato de cortarem e cisalharem a massa,dispersam sólidos e preparam emulsões.Normalmente giram a grande velocidade e produzem principalmente correntes longitudinais e tangenciais .Em função de seu pequeno diâmetro não são efetivas em tanques de grande diâmetro ;produzem grande turbulência com baixo consumo de potência .Sendo de fluxo predominantemente longitudinal ,a montagem do propulsor deverá preferívelmente ser descentralizada e ligeiramente inclinada em relação a vertical . 1.3.2.1 – Níveis de agitação A velocidade de fluxo criada em tanques por um agitador tem três componentes : . uma radial - que atua na direção perpendicular do eixo propulsor. . uma longitudinal – que atua paralela ao eixo. . uma tangencial – que atua tangencialmente ao circulo de rotação do eixo propulsor . As componentes radial e longitudinal contribuem efetivamente para a mistura , o que não acontece com a tangencial .Essa componente produz uma camada de fluxo em rotação ao redor do eixo de propulsão,de modo geral ,dando um escoamento laminar que praticamente impede o fluxo longitudinal. Dessa forma o resulta que o conteúdo do tanque apenas gira sem que haja nenhuma ação de mistura. A componente tangencial pode dar lugar a formação de vórtices na superfície do líquido que será cada vez mais profunda dependendo da rotação e viscosidade do líquido;o fluxo rotatório também pode separar partículas sólidas pela força centrífuga ,o que é indesejável . Para quantificar objetivamente o grau de agitação ,RAZEK(1992) ,fixou a velocidade média impressa aos fluidos pelas pás ,na faixa de 1,8 ~18,3 m/min;uma escala de 1 a 10 foi então estabelecida para cobrir essa faixa.Desta forma,o nível de agitação (NA) ficou definido através da divisão da velocidade média por 1,8 conforme listado abaixo . AGITAÇÃO BAIXA AGITAÇÃO MÉDIA AGITAÇÃO ALTA NA V(m/min) NA V(m/min NA V (m/min) 1 1,8 3 5,4 7 12,6 2 3,6 4 7,2 8 14,4 - - 5 9,0 9 16,2 - - 6 10,8 10 18,3

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A agitação níveis 1 e 2 ,são para as menores movimentações da massa ,os níveis 3 ~ 6 são característicos para a maior parte das aplicações nos processos industriais ; de 7 ~ 10 são para processos de alta agitação,por exemplo emulsões ,dispersões . 1.3.2.2- Algumas considerações importantes quanto a relações dimensionais do vaso ,dos impulsores e características operacionais Além do nível de agitação ,também são fatores importantes a considerar para o sistema : as densidades e viscosidades as temperaturas do processo e a geometria do tanque . A relação altura do costado e diâmetro do vaso deve ficar entre 0,5 e 1,5 ,sendo recomendada a relação 1,0 para a maioria das aplicações ,sendo esta relação aquela que dá maior estabilidade estrutural.No caso de tanques altos é ideal colocar um elemento impulsor para cada diâmetro de altura do tanque . A posição do impulsor é importante nas operações do equipamento influindo na formação de vórtices ou aspiração de ar para dentro da massa ; essa formação dependerá da rotação e da profundidade em que se situar o impulsor , quando o eixo propulsor ficar no centro radial do vaso e o mesmo não dispor de chicanas (defletores) ,assim um impulsor situado a pouca profundidade produzirá vórtices em menores rotações que um situado mais ao fundo . As relações de diâmetro do impulsor com o diâmetro do tanque ,segundo vários estudiosos ,deve ficar entre 0,7 como máxima e 0,2 como mínima,dependendo do sistema a ser empregado (viscosidade,nível de agitação,volume a ser agitado,etc).Uma ótima escolha é trabalhar na faixa de 0,25 a 0,5 ,no entanto,há casos onde a forma construtiva do sistema ou aplicações especiais de alguns produtos requerem empregar outras relações ,no entanto deve-se respeitar a relação 0,7 a 0,2 independente das aplicações .Esta recomendação reside no fato de que abaixo de 0,2 a massa não sofre movimentação adequada ,a menos que a rotação seja muito alta , e acima de 0,7 ,pode-se gerar correntes radiais suficientemente fortes para anular as longitudinais,dividindo o conteúdo do tanque e prejudicando a ação de mistura .

� Quanto maior o número de defletores ,maior será o consumo de potência ,por exemplo o acréscimo de dois defletores em um vaso onde já existe dois ,o acréscimo de potência pode chegar a 30% .

� Quanto menor for a relação entre o diâmetro do impulsor e o diâmetro do vaso ,maior será o consumo de potência.

� O agitador,quando descentralizado,tem o mesmo consumo de um agitador centralizado com dois defletores .

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2-TROCADORES DE CALOR

Geralmente,denomina-se trocador de calor ,permutador ou intercambiador de calor, a todo dispositivo em que se verifica um intercâmbio de energia calorífica nas interfaces de uma parede sólida ,normalmente metálica ,que separa os dois fluidos.Seu princípio de funcionamento é semelhante ao de equilíbrio hidráulico (vasos comunicantes ) ; para haver a troca de calor , os fluidos deverão sempre estar a temperaturas diferentes , caso em que o fluido mais quente estará transferindo calor para o mais frio, tentando o equilíbrio,ou seja ,igualar as temperaturas . As aplicações dos trocadores de calor,vão desde os aparelhos domésticos (aquecedores ,geladeiras, freezers, condicionadores de ar, etc ) resfriadores e aquecedores automotivos ,até equipamentos de grande porte nas indústrias químicas,petroquímicas ,siderúrgicas e outras ,tendo por função o resfriamento ou aquecimento de fluidos diversos . 2.1 CLASSIFICAÇÃO Segundo o fim a que se destinam ,podemos classificá-los em duas grandes classes , as quais subdividem-se em aplicações específicas ,conforme abaixo : I - Trocadores para aquecimento -subdividem-se em : Aquecedores (heaters) – aquecem um fluido (gás ou líquido ) Refervedores ( reboilers )- vaporizam um líquido para alimentar uma coluna de destilação Evaporadores - vaporizam líquidos ou gases liquefeitos , com finalidades diversas : vaporizar um líquido para um processo químico de fase gasosa ; vaporizar um líquido refrigerante em um sistema frigorífico;vaporizar um gás liquefeito para combustão ; vaporizar o solvente de uma solução para concentrá-la. Geradores de vapor- (steam generators) – produzem vapor d’agua para energia ,absorvendo calor de um fluido de processo (recuperação de calor ) . II- Trocadores para resfriamento –subdividem-se em : Resfriadores (coolers) – resfriam um fluido (gás ou líquido ) Condensadores ( condensers )- condensam vapores Caixas resfriadoras ( boxes coolers ) – resfriam um líquido

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2.2 – MODO CONSTRUTIVO Quanto ao modo construtivo ,existem basicamente três tipos básicos : CASCO –TUBOS DE PLACAS DE COLMÉIAS Os fluidos podem estar ambos confinados ou apenas um deles.Tipos de um só fluido confinado ,pode ser dado como exemplo o conhecido radiador de veículos automotores ,de ar condicionado ,freezer , geladeira ,resfriadores por borrifos ; tipos de ambos os fluidos confinados são os condensadores e resfriadores ( a água) , evaporadores , aquecedores, refervedores.A seguir, passaremos a dar uma descrição básica do modo construtivo de cada um dos três tipos citados . 2.2.1. TROCADOR CASCO-TUBOS OU DE FEIXE TUBULAR E CARCAÇA ( Shell and tubes exchanger) Constitui-se de um cilindro (carcaça) ,tendo no seu interior um feixe de tubos (feixe tubular).A montagem é feita de modo a formar uma câmara independente ,que permita a circulação de um fluido de modo a envolver todos os tubos para uma perfeita troca,sem se misturar com o fluido que circula por dentro dos tubos;para melhor distribuição do fluxo são instalados defletores ( chicanas ) fixos no feixe tubular .Nas extremidades do cilindro serão instalados(no costado ), os bocais (flanges) de conexão do fluido que circulará nessa câmara. Os feixes tubulares poderão ser fixados em espelhos (discos) ,os quais depois de introduzido o feixe no cilindro , serão soldados em cada extremidade ou poderão ser removíveis -(flutuantes ) ou de feixe “ U “ . É o tipo de trocador mais utilizado devido a sua robustez ,suporta elevadas temperaturas e pressões , eficiência e versatilidade ( pode ser aplicado para diversas funções ) . Veja algumas ilustrações abaixo e seguir em outras páginas .

FIG.II-2.1 – VISTA EXTERNA

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FIG.II-2.2 – VISTA INTERNA MOSTRANDO ESPELHO , FEIXE TUBULAR E CHICANAS (DEFLETORES)

FIG.II-2.3 –VISTA DE TOPO DE CABEÇOTE COM PLACAS DIVISORAS

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. CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES 1-Contaminações por vazamentos

Dependente dos critérios segundo o processo ou por questões de segurança,pode ser conveniente determinar se ,o fluido de utilidade (fluido ativo ) deve eventualmente vazar para o fluido de processo (produto ) ou vice –versa ,estabelecendo-se para isso um diferencial de pressão conveniente positivo para um dos fluidos.assim poderemos ter as situações seguintes:

a) Fluido ativo maior pressão – num vazamento passará para o produto b) Fluido de processo maior pressão – num vazamento passará para o fluido ativo

Importante não esquecer que ocorre uma queda de pressão entre a entrada e a saída do fluxo de um trocador de calor ,então a pressão de fluido que se quer seja maior ,devera ter uma pressão de operação tal que , mesmo o menor valor na sua saída ,seja ainda superior ao maior valor da pressão de entrada do outro fluido . 2- Velocidade de escoamento A velocidade influi em quatro aspectos importantes ;eficiência da troca ,perda de carga, erosão , e incrustações (depósitos ) .Quanto maior a velocidade ,maior é a turbulência e melhor a troca (maior coeficiente de transmissão de calor ) ;entretanto,o excesso de turbulência resulta num maior atrito e maior perda de carga (perda de pressão ) ,portanto essa velocidade deve respeitar limites ,quer abaixo ,quer acima . Se a velocidade for muito baixa ,haverá facilidade de incrustações ,e pior a transferência de calor ,em resumo , a velocidade não poderá ser muito alta ,nem muito baixa . Exemplos de faixas de valores médios práticos recomendados de velocidade em m/s :

.Gases e vapores...........................................................25 a 30 .Líquidos viscosidade cP menor que 50............................1 a 3 cP 50 a 1000........................................0,5 a 2 cP maior que 1000..............................0,2 a 1 .Água industrial........................................................................1 a 2,5 3-Incrustações (depósitos ) É comum acontecer nos trocadores de calor ,sendo devidos a : sedimentação ,polimerização,cristalização, coqueamento ,corrosão,algas e bactérias . A taxa de formação depende da natureza do fluido ,velocidade de escoamento,temperatura do fluido ,temperatura da parede ,material de construção ,e grau de rugosidade da superfície .

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2.2.2 -TROCADOR DE PLACAS (PHE = Plate Heat Exchanger ) O tipo mais comum e o “trocador a placas com gaxetas (GPHE= Gasket Plate Heat Exchanger) Existem ainda outros tipos semelhantes ,menos comuns ,do tipo espiral ,de lamelas . Nosso estudo se limitará ao tipo de placas com gaxetas ,destacando seu modo construtivo e operacional.Estes trocadores foram desenvolvidos na década de 30 ,especialmente para aplicações nas industrias farmacêuticas e alimentícias ,objetivando o atendimento de rígidos requisitos sanitários e higiênicos ,devido a sua facilidade de desmontagem e limpeza . No decorrer do tempo ,foi passando por continuados aperfeiçoamentos tecnológicos ,o que o tem tornado um forte concorrente do tradicional casco-tubos em várias aplicações industriais,quando se deseja alta eficiência térmica ; embora esteja restrito a processos com temperaturas no máximo de 150 º© e pressões da ordem de 15 Kgf/cm2 (1,5 MPa ) . Modo construtivo É constituído por um pacote de finas placas com ranhuras de desenho especial, que convenientemente justapostas e separadas por guarnições flexíveis ,formam canais por onde circulam de um lado o fluido de processo e de outro lado o fluido ativo (térmico) .As ranhuras das placas ,servem para aumentar a turbulência do escoamento dentro dos canais formados e aumentar também a resistência mecânica do pacote ,o qual pode conter até umas 700 placas conforme o caso ; o espaço de escoamento pode ter de 1,5 a 5 mm . A área de troca térmica de uma placa pode variar de 0,03 a 3,6 m2 ,a sua espessura é de 1 mm,o material pode ser aço inox 316 , titânio ,ligas de cobre e níquel ;as gaxetas de borracha nitrílica ou butílica . Montagem -Estas placas são montadas em guias apoiadas em pedestais ,tendo de um lado uma placa de conexão para a entrada e saida dos fluidos e de outro lado uma placa batente de fechamento do conjunto;o fechamento deste conjunto é feito por aperto em longos parafusos que comprimem a placa batente (extremidade móvel ) contra as placas . Tem como vantagem grande eficiência e tamanho comparativamente menor em relação ao tipo casco-tubos ; também pode ter a capacidade ajustável (até certo limite ) , pela simples retirada ou acréscimo de elementos (placas ) , outra vantagem é a facilidade da limpeza .É o tipo de trocador mais empregado em plataformas de petróleo (menor tamanho e menor peso ) Como desvantagem ,suporta menores temperaturas e pressões ,se comparados ao casco-tubos .Aplicações – basicamente como aquecedores ( heaters ) e resfriadores (coolers ). Circulação dos fluidos no trocador Os fluidos entram e saem das câmaras através dos orifícios nas placas e seu caminho no interior do PHE é definido pelo desenho das gaxetas ,pelos orifícios abertos e fechados das placas e conforme o local das conexões dos fluidos circulantes. Existe um grande número de possibilidades de configuração para definição das trajetórias dos fluidos ;os arranjos mais comuns ,são em paralelo onde dois fluidos fazem apenas um passe ,e aqueles em série,onde os fluxo não sofrem divisões,cada passe tem apenas uma passagem O arranjo paralelo “U” é muito utilizado ,pois todas a conexões de tubulações são feitas na placa fixa ,deixando a placa de aperto livre para desmontagem do trocador. Outra vantagem deste arranjo,é que todos os canais estão em escoamento contra-corrente ,resultando em maior eficiência . Veja ilustrações nas páginas seguinte .

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FIG.II-2.4 –TROCADOR DE PLACAS VISTA EXTERNA

FIG.II-2.5 –TROCADOR DE PLACAS –VISTA EXPANDIDA ESQUEMÁTICA INDICANDO OS FLUXOS 2.2.3-TROCADORES DE COLMÉIAS São constituídos por painéis de tubos aletados ( colméias ) que são os elementos de troca . Tem-se dois tipos : Radiadores - são formados por painéis planos, com espessura e tamanho variando conforme a carga de calor a ser removida .É um tipo, onde o ar atmosférico ( um fluido não confinado) é utilizado para remover calor ,circulando por fora dos tubos aletados , e por dentro circula o fluido do processo;são utilizados como resfriadores (coolers ) e condensadores (condensers) .

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O ar se desloca através da colméia ,por fluxo natural ou forçado por ventiladores , e a temperatura do processo pode ser regulada pela vazão do ar deslocado ( venezianas ou variação da rotação do ventilador). Baterias – são formados por um bloco de painéis planos justapostos ,variando o tamanho conforme a necessidade ; a este conjunto formado ,é acrescentado duas peças cônicas ,as quais tem de um lado o tamanho do bloco e de outro o tamanho do diâmetro da tubulação , que depois de intercalado no meio desta ,permita um fluxo perpendicular aos painéis ;é um tipo de trocador que tem por função resfriar ou aquecer ar atmosférico para processos de oxidação, ou secadores diversos , o qual atravessa a colméia de tubos aletados .O fluido ativo ( vapor,óleo térmico,água fria ou gelada ) circula por dentro dos tubos aletados ,irradiando ou absorvendo calor através das aletas. As aletas existentes nos trocadores colméia ,tem por finalidade aumentar a área de troca térmica do equipamento . Abaixo exemplo de resfriadores .

FIG.II-2.6 - RESFRIADORES DE LÍQUIDOS A AR ( DRY AIR COOLERS)

2.3- PARÂMETROS IMPORTANTES NO PROJETO DE TROCADORES . Diferença média logarítmica de temperatura ( A temperatura de cada fluido varia entre os extremos do trocador, e assim a diferença de temperatura entre os fluidos varia constantemente,por isso no cálculo de um trocador interessa determinar esse valor,com base nas temperaturas de entrada e saídas de ambos os fluidos,para simplificar a notação estaremos escrevendo (∆t)m.Existem diversos casos típicos,entretanto estaremos tratando apenas dos casos de trocadores de passos simples,em configu

FIG.II- 2.7

Fluidos Entradas

Fluido quente

Fluido frio

∆t2 - ∆ Equação básica -� ∆tm= ---------------- ∆t2 ln--------- ∆t1

∆t Diferença de temperatura

tfqe temperatura fluido quente -

tfqs temperatura fluido quente-

tffe temperatura fluido frio - entrada

tffs temperatura fluido frio - saída

ln logaritmo neperiano= 2,303 log

Nota: para facilitar o entendimento ,considere sempre o fluidos quente e frio no lado esquerdfluidos entram no trocador pela extremidade esquerda .

PARÂMETROS IMPORTANTES NO PROJETO DE TROCADORES

Diferença média logarítmica de temperatura (∆t)mlog

A temperatura de cada fluido varia entre os extremos do trocador, e assim a diferença de temperatura entre os fluidos varia constantemente,por isso no cálculo de um trocador interessa determinar esse

or,com base nas temperaturas de entrada e saídas de ambos os fluidos,para simplificar a notação ∆t)m.Existem diversos casos típicos,entretanto estaremos tratando apenas dos

casos de trocadores de passos simples,em configuração paralela e contracorrente.(FIG.II

Temperaturas

Fluidos Entradas Saídas

tfqe tfqs

tffe tffs

∆t1 ---------------- Onde: ∆t2= tfqe - tffe e ∆t1= tfqs –

∆t2=tfqe - tffs e ∆t1= tfqs – tffe ( opostas

- entrada

saída

entrada

saída

mo neperiano= 2,303 log

Nota: para facilitar o entendimento ,considere sempre o ∆t2 ,a diferença entre as temperaturas dos

rio no lado esquerdo do trocador ,e ∆t1 no lado direito, convencionandofluidos entram no trocador pela extremidade esquerda .

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A temperatura de cada fluido varia entre os extremos do trocador, e assim a diferença de temperatura entre os fluidos varia constantemente,por isso no cálculo de um trocador interessa determinar esse

or,com base nas temperaturas de entrada e saídas de ambos os fluidos,para simplificar a notação ∆t)m.Existem diversos casos típicos,entretanto estaremos tratando apenas dos

a e contracorrente.(FIG.II-2.7)

– tffs ( paralelas) tffe ( opostas

∆t2 ,a diferença entre as temperaturas dos o, convencionando-se que os

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. Exemplo de cálculo Um fluido quente entra em um recuperador de calor a 500ºC e sai a 310ºC ,o fluido frio entra a 30ºC e sai a 250ºC.Determinar a variação média de temperatura,considerando ser de correntes paralelas . Resolução : ∆t2= 500 – 30 ∆t1= 310 – 250 ENTRADA SAIDA ∆t2= 470ºC ∆t1= 60 ºC fq - 500 310 ff - 30 250

∆tm=9S;/:;

��jklml

97;

no S,UZZ 97;

<,;=U 199,22 ~200°r =

Se fosse de contracorrente,teríamos ∆t2=500 – 250= 250ºc e ∆t1= 310 – 30 = 280ºC

∆tm <=;/<U;

��stlsul

/ Z;

/ ;,77ZZ 264,78 ~265°r

.Cálculo da superfície de troca (A) Conhecendo-se o ∆tm e o coeficiente de transmissão de calor (U) dado em kcal/h/m²/ºC,normalmente dado em tabelas e ao fluxo de calor em jogo ,é possível determinar a superfície de troca necessária;observe que no caso de configuração contracorrente sendo o ∆tm maior ,requer-se menor área de troca que na paralela . Equação básica q = U . A . ∆tm onde q=fluxo de calor(kcal) ,A=área de troca em m² U= coeficiente de transmissão de calor (kcal/m².h.°C q re-arranjandondo ,temos.. A (m²)= --------------- U . ∆tm .Exemplo prático de cálculo da área de troca Considerando-se o exemplo do recuperador acima ,calcule a superfície de troca necessária (A)em m² para um trocador contracorrente, sendo que a vazão do fluido quente é 0,25m³/s, a densidade 0,925 kg/L , a eficiência na troca 85 %, calor específico 0,785 kcal/kg e o coeficiente de transmissão de calor 750 kcal/m²/h/ºC Resolução 1-Determine o fluxo de calor a ser cedido (q) em kcal/h = m .cp . ∆t onde: m= fluxo mássico(kg) q=0,25 . 3600.0,925 .1000 .0,785 . (500-310)-->124167375kcal/h cp=c.específico 2-Da equação básica q= U. A . ∆tm ,re-arranjandondo ���� A= q/U . ∆tm , então.. ∆t=dif.temperat. ent/saida fluido

A 124167375

750 w 265 w 0,85

124167375168937,5

PQN, gx²

Comumente corrige-se o resultado por um fator de segurança (fs)de cerca de 25% .

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Com os dados obtidos ,podemos calcular número de tubos necessários tendo por base um determinado padrão de tubo e um comprimento escolhido para o trocador. .Cálculo do número de tubos e diâmetro do casco Primeiramente calcula-se a área média logaritimica (m²/m de tubo) ,depois determina-se o comprimento total do tubo;usaremos anotação Am Como exemplo ,determinar a quantidade de tubos e o diâmetro do trocador para o caso acima empregando-se tubos de 1 ½”de diâmetro nominal -> Di =40,9mm De= 48,3mm Resolução:

1-Cálculo da área média logarítmica – Am(m²/m)=zD/zf

cEzfzf

{ -� ;,;;S9

no . 7,7U;T. 3,14 =0,045.3,14= 0,1397 m²/m

Onde: De= diam.extern(m) // Di= diam. interno(m)// ln =log. neperiano=2,303 log

2- Cálculo do comprimento total do tubo( L )= I |Gs}.~`

IG�Gs

G�

� PQN .O,MNg,OQKP

RNPL, R G

3-Calculo do número de tubos e envoltório (carcaça) Deve-se considerar o espaçamento entre os tubos,com referência centro a centro,um valor ideal para o caso ,obtem-se somando 30% ao De do tubo ,assim e =0,0483 . 1,3 =0,06279m~0,063m.

Escolhendo-se 6m,como comprimento dos tubos,tem-se Nºde tubos RNPL,R

R =1096 tubos

Diâmetro da carcaça =1,15 . e .√n � 1,15 . 0,063 . √1096 =0,07245 . 33,10= 2,398 ~ 2,4 m Onde = 1,15 constante e= espaçamento em (m) n= qtde. de tubos A relação comprimento do tubo e ø envoltório deve ficar entre 4:1 a 6:1 ,caso ficar fora deve-se tentar com maior comprimento do tubo;no exemplo temos L/D = 6/2,4 = 2,5 ,portanto fora ,deveremos corrigir o compto .Como sugestão usaremos a % de diferença como fator de correção,determinado conforme a seguir : 2,5/4=0,625 ;1 - 0,625= ~0,38 ( 38% menor )

L = 6 . 1,38 = ~ 8,25 m ...nº de tubos =:=SUU,<=

797,33 ~798 ,0]�

4- Diâmetro da carcaça = 1,15 .0,063 .√798 =0,07245 .28,25=2,04 m Relação L/D = 8,25/ 2,04 ....> 4,04 Portanto relação satisfeita O trocador em referência terá então: 798 tubos de 1 ½” ø nominal 8,25m comprimento do feixe 2,04 m ø da carcaça 0,82 m por cabeçote (10% do comprimento do feixe) 9,90 m comprimento total

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2.4 – BALANÇO TÉRMICO EM TROCADORES DE CALOR Em um trocador de calor ,a quantidade de calor absorvida pelo fluido frio é igual a quantidade cedida pelo fluido quente ; a quantidade de calor (q) depende da diferença de temperatura , calor específico e a massa envolvida ---> q= m . cp . ∆t

Então .. .CALOR CEDIDO = CALOR RECEBIDO Onde: mfq =fluxo massico do fq

(FLUIDO QUENTE) (FLUIDO FRIO ) mff =fluxo massico do ff mfq . cp .( te – ts) = mff . cp . (te- ts) cp =calor específico te =temp.entrada 2.4.1- Exemplo prático t s=temp.saída

Um trocador de calor deve ser construído para resfriar 25000 Kg/h de álcool ( cp = 0,91 Kcal/Kg.oC ) de

65 oC para 40 oC, utilizando 30000 Kg/h de água ( cp = 1 Kcal/Kg.oC ) que está disponível a 15 oC.

Admitindo coeficiente global de transferência de calor de 490 Kcal/h.m2.oC, determinar :

a) calor trocado :cedido pelo álcool

( ) ( ) hKcalTTcmq sepalcool 568750406591,025000.. =−××=−= &&

b) temperatura de saída da água :

( ) ( ) Cttttcmq o

sssepagua 34150,130000568750.. =⇒−××=⇒−= &&

c) superfície de troca em m² - neste caso primeiro calcular o ∆tm ,também chamado LMTD ,do inglês (LOGARITHYM MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE)

. Cálculo da área de troca de calor necessária :

26,419,27490

568750

... m

LMTDU

qALMTDAUq =

×==⇒=

&&

( )

( )

CmhKcalU

hKgmTCT

CKgKcalc

hKgmCtCt

CKgKcalc

o

águaso

e

op

alcoolo

so

e

op

..490

30000? 15

.0,1Água:Frio Fluido

2500040 65

.91,0 Álcool:Quente Fluido

2=

===

=

===

=

&

C

T

T

TTLMTD

CT

CT

o

o

o

9,27

25

31ln

2531

ln

251540

313465

min

max

minmax

min

max

=

−=

∆∆

∆−∆=

=−=∆

=−=∆

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3- ISOLAMENTO TÉRMICO 3.1- CONSIDERAÇÕES Todos os corpos de qualquer natureza trocam calor com o meio ambiente tentando chegar a um ponto de equilíbrio;isto na maioria das vezes é indesejável nos processos industriais químicos,uma vez que as temperaturas usualmente são superiores e outras vezes inferiores que a do meio ambiente. Pelo exposto conclui-se que a perda ou absorção de calor em muitas situações é indesejável e deve ser evitada ,ou melhor minimizada , evitando assim desperdício de energia e garantindo a eficiência do processo .Então para minimizar essas perdas nos casos onde isso é indesejável , os equipamentos e instalações envolvidas devem possuir isolamento térmico . 3.2- ISOLAMENTO TÉRMICO Entenda-se por isolamento térmico ,uma estrutura que reveste externamente os equipamentos e instalações de processos ,por exemplo : tanques, reatores ,tubulações etc. 3.2.1- Componentes Esse revestimento é composto por: material isolante térmico , elementos de ancoragem e fixação, camada de cobertura ou proteção . O material isolante térmico é o principal constituinte,o qual dificulta a transmissão de calor ;para isso deve apresentar muito baixa condutividade térmica ; elementos de ancoragem e fixação ,óbviamente são para manter o material isolante preso ,envolvendo intimamente as superfícies ; a camada de cobertura serve para proteger o isolante contra umidade ,poeiras e danos físicos . Atualmente o mercado disponibiliza inúmeros materiais isolantes térmicos para amplas faixas de temperaturas cada um com suas particularidades , lembramos que a condutividade térmica de um material não é um parâmetro fixo ,ela varia um pouco ,aumentando ou diminuindo conforme a temperatura ,assim a medida que a temperatura aumenta ,o seu poder de isolamento diminui, e vice-versa .Veja a seguir as características de alguns materiais isolante térmicos mais comuns , e também os aspectos visuais (formas de apresentação ) .

.Lã de vidro Produzida a partir do vidro comum ,é o tipo mais usado ,sendo encontrado na forma de mantas e painéis algumas com proteção flexível ( folha de papel Kraft com emulsão asfáltica e folha de alumínio ou sómente tela de aço),ou ainda na forma de cordões ou flocos. Temperaturas de trabalho desde -200ºC até 550 ºC ,temperatura de amolecimento por volta de 840ºC. TABELA DOS COEFICIENTES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA LÃ DE VIDRO ( kcal/h .m.°C ) *

T°C 00 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Cond. ,027 ,029 ,032 ,036 ,039 ,043 ,047 ,051 ,056 ,061 ,062 ,075

PRODUTO CÓDIGO MI- 560 (FABRICANTE SAINT GOBAIN) TIPO : MANTAS DIMENSÕES (mm)���� ESPESSURAS :50-75-100-125-150 COMPTO : 3000 LARGURA : 1250 CALOR ESPECÍFICO : 0,2 kcal/kg . °C ρ= 60 kg/m³ *Resultados de ensaios do Laboratório ISOVER-SAINT GOBAIN –(FRANÇA)

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FIG. II- 3 PAINÉIS DE LÃ DE VIDRO

FIG.II-3.1 –MANTAS E TUBO DE LÃ DE VIDRO

FIG.II – 3.2 –MANTAS DE LÃ DE ROCHA

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.Lã de rocha Material obtido a partir da fusão de rocha basáltica a uma temperatura de 1450 ~1500 °C ,é disponibilizado no mercado nas mesmas apresentações que a lã de vidro ;o seu emprego também tem a mesma abrangência ,suportando um pouco mais temperatura e tendo uma condutividade um pouco mais elevada( veja tabela) . TABELA DOS COEFICIENTES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DA LÃ DE ROCHA ( kcal/m .h.°C)

T °C 00 100 200 300 400 500 600 700 750

Cond. ,030 ,035 ,041 ,048 ,057 ,066 ,077 ,089 ,096

.Hidrossilicato de cálcio Trata-se de um material rígido ,reforçado com fibras minerais de cor branca obtido por reação hidrotérmica de sílica e hidróxido de cálcio; é disponibilizado na forma de peças pré-moldadas planas e curvas em várias medidas ou em forma de argamassa para moldagem no local .Suas desvantagens é o maior peso,entretanto apresenta grande resistência mecânica e resiste a umidade ;suporta temperaturas de trabalho até 800°C e tem um bom poder isolante . TABELA DOS COEFICIENTES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO SILICATO DE CÁLCIO HIDRATADO

T°C 100 150 200 250 350 400 450 500 600 650

Cond. ,043 ,046 ,049 ,058 ,062 ,066 ,075 ,075 ,078 0,08

FIG.II- 3.3- PEÇAS EM HIDROSSILICATO DE CÁLCIO

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. Fibra cerâmica Material desenvolvido mais recentemente ,produzido a partir da fusão de uma mistura de alumina e sílica em maior parte e uma série de outros óxidos ,ou então alumina ,sílica e zircônia isento de outros óxidos. É apresentado nas mesmas formas da lã de vidro e lã de rocha ,sendo também de baixa condutividade térmica e capaz de suportar até 1250°C ( 1400°C a que contém zircônia)

FIG.II- 3.4 – MANTA DE FIBRA CERÂMICA Estes materiais citados são alguns exemplos dos mais usados em larga escala ,existindo outros ,tais como a vermiculita, a perlita ,amianto (minerais) e outros orgânicos poliméricos muito comuns para temperaturas frigoríficas.

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FIG.II- 3.5- APLICAÇÃO DE ISOLAMENTO (COSTADO DE UM VASO ) MATERIAL :HIDROSSILICATO DE CÁLCIO

FIG.II- 3.6 – ISOLAMENTO HIDROSILICATO DE CÁLCIO EM TUBULAÇÕES

UNIDADE III – VÁLVULAS INDUSTRIAIS 1.- VÁLVULAS INDUSTRIAIS São dispositivos de manobras instalados em tubulações ,bombas , compressores, e nos diversos equipamentos de processos industriais servindo para o manejo de fluxos de fluidos de qualquer natureza. Básicamente ,uma válvula é formada por um corpo ou carcaça de metal ouinternamente na região da sede para perfeito assentamento do obturador , e uma parte removível (tampa ou castelo) , a haste ou eixo , o obturador e outros NOTA: Esse modo construtivo com tampa ou castelo é padrão aplicado a construção das válvulas de gaveta ,globo ,agulha ,diafragma e macho , o que permite o reparo no local quando o corpo não estiver danificado ;as válvulas esfera ,borboleta e sigma são de construção diferente não sendo possível essa forma de reparo . 2 – CLASSIFICAÇÃO 2.1-Quanto a finalidade classificam . Bloqueio – para abrir ou fechar um f Locais de instalação - entradas e saídas de vasos diversos , sucção de bombas , tubulações . Regulagem – para abrir , regular e fechar um fluxo vazão do fluido . Locais de instalação - saída de bombas,saída ou entrada de : serpentinas ,trocadores, conforme o fluido de utilidade utilizado seja líquido ou gasoso, em vasos diversos para regulagem de pressão ou vácuo . NOTA: Apesar de poder trabalhar em quaregulagem deve levar em conta a sua capacidade de vazão para a condição normal de trabalho , de tal modo que ela não venha a trabalhar muito restringida ,o que aumenta a velocidade do fluido e conseqüente erosão dos internos da válvula diminuindo a sua vida útil,além de grande ruído . Alguns exemplos construtivos mais comuns para finalidade bloqueio

FIG.III - 1 GAVETA FIG.III

VÁLVULAS INDUSTRIAIS

São dispositivos de manobras instalados em tubulações ,bombas , compressores, e nos diversos equipamentos de processos industriais servindo para o manejo de fluxos de fluidos de qualquer

uma válvula é formada por um corpo ou carcaça de metal ou plástico fundidos e usinados internamente na região da sede para perfeito assentamento do obturador , e uma parte removível (tampa ou castelo) , a haste ou eixo , o obturador e outros acessórios ( buchas de vedação ,anéis,porcas ).

NOTA: Esse modo construtivo com tampa ou castelo é padrão aplicado a construção das válvulas de gaveta ,globo ,agulha ,diafragma e macho , o que permite o reparo no local quando o corpo não estiver

ado ;as válvulas esfera ,borboleta e sigma são de construção diferente não sendo possível essa

classificam-se em cinco tipos básicos conforme segue :

para abrir ou fechar um fluxo - deve operar totalmente aberta . entradas e saídas de vasos diversos , sucção de bombas , tubulações

para abrir , regular e fechar um fluxo – operável em qualquer posição permitindo variar a

saída de bombas,saída ou entrada de : serpentinas ,trocadores, conforme o fluido de utilidade utilizado seja líquido ou gasoso, em vasos diversos para regulagem de pressão ou vácuo .

NOTA: Apesar de poder trabalhar em qualquer posição de abertura, a instalação de uma válvula de regulagem deve levar em conta a sua capacidade de vazão para a condição normal de trabalho , de tal modo que ela não venha a trabalhar muito restringida ,o que aumenta a velocidade do fluido e onseqüente erosão dos internos da válvula diminuindo a sua vida útil,além de grande ruído .

Alguns exemplos construtivos mais comuns para finalidade bloqueio

FIG.III - 2 MACHO FIG.III - 3 ESFERA

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São dispositivos de manobras instalados em tubulações ,bombas , compressores, e nos diversos equipamentos de processos industriais servindo para o manejo de fluxos de fluidos de qualquer

plástico fundidos e usinados internamente na região da sede para perfeito assentamento do obturador , e uma parte removível

acessórios ( buchas de vedação ,anéis,porcas ).

NOTA: Esse modo construtivo com tampa ou castelo é padrão aplicado a construção das válvulas de gaveta ,globo ,agulha ,diafragma e macho , o que permite o reparo no local quando o corpo não estiver

ado ;as válvulas esfera ,borboleta e sigma são de construção diferente não sendo possível essa

entradas e saídas de vasos diversos , sucção de bombas , tubulações

operável em qualquer posição permitindo variar a

saída de bombas,saída ou entrada de : serpentinas ,trocadores, conforme o fluido de utilidade utilizado seja líquido ou gasoso, em vasos diversos para regulagem de pressão ou vácuo .

lquer posição de abertura, a instalação de uma válvula de regulagem deve levar em conta a sua capacidade de vazão para a condição normal de trabalho , de tal modo que ela não venha a trabalhar muito restringida ,o que aumenta a velocidade do fluido e onseqüente erosão dos internos da válvula diminuindo a sua vida útil,além de grande ruído .

3 ESFERA

Alguns exemplos mais comuns para

FIG.III – 4 GLOBO FIG.III

FIG.III- 7- VISTA EM CORTE DE UMA VÁLVULA DE DIAFRAGMA

para finalidade regulagem

FIG.III – 5 DIAFRAGMA FIG.III - 6 BORBOLETA

VISTA EM CORTE DE UMA VÁLVULA DE DIAFRAGMA

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BORBOLETA

FIG.III-7A – VÁLVULA “y (VISTAS CORTE EM ELEVAÇÃO) FIG.III NOTA : As válvulas de bloqueio são todas bidirecionais ,as de regulagem sigma e diafragma tambémglobo,agulha e borboleta ,são unidirecionais , devendo ser observada a posição correta na sua instalaçãocaso contrário é prejudicado o funcionamento . . Retenção – para impedir o retorno de fluidos.Locais de instalação – saída de bombas ,sucção bomba ,saída de compressores ,entrada de água em geradores de vapor RETENÇÃO TIPO PORTINHOLA

FIG.III- 7A – CORTE EM ELEVAÇÃO

VÁLVULA “y (VISTAS CORTE EM ELEVAÇÃO) FIG.III-7B- VÁLVULA AGULHA

NOTA : As válvulas de bloqueio são todas bidirecionais ,as de regulagem sigma e diafragma tambémglobo,agulha e borboleta ,são unidirecionais , devendo ser observada a posição correta na sua instalaçãocaso contrário é prejudicado o funcionamento .

para impedir o retorno de fluidos. saída de bombas ,sucção de bombas quando o nível do líquido fica abaixo da

bomba ,saída de compressores ,entrada de água em geradores de vapor.

FIG.III- 7B – CORTE TRIDIMENSIONAL

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VÁLVULA AGULHA

NOTA : As válvulas de bloqueio são todas bidirecionais ,as de regulagem sigma e diafragma também ;as globo,agulha e borboleta ,são unidirecionais , devendo ser observada a posição correta na sua instalação,

de bombas quando o nível do líquido fica abaixo da

ENSIONAL

FIG.III -8A – CORTE EM ELEVAÇÃO . Alívio ou segurança – para aliviar o excesso de pressão.Locais de instalação – em vasos de pressão , é chamada válvula de segurança tendo a fevitar danos ao vaso ,ou até acidentes (explosões) ; em bombas de alta pressão( deslocamento positivo) tendo a finalidade de evitar danos a bomba ou acessórios;no caso dos vasos de pressão a descarga é para a atmosfera,quando o fluido não fosaída dando retorno para a entrada da mesma ou para o vaso de serviço . Figuras III : 9A – aspecto externo

CORTE EM ELEVAÇÃO (RETENÇÃO TIPO PISTÃO) FIG.III – VISTA EXTERIOR

para aliviar o excesso de pressão. em vasos de pressão , é chamada válvula de segurança tendo a f

evitar danos ao vaso ,ou até acidentes (explosões) ; em bombas de alta pressão( deslocamento positivo) tendo a finalidade de evitar danos a bomba ou acessórios;no caso dos vasos de pressão a descarga é para a atmosfera,quando o fluido não for um produto perigoso , no caso das bombas a válvula é instalada na saída dando retorno para a entrada da mesma ou para o vaso de serviço .

aspecto externo 9 –B e 9-C - Cortes tr

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VISTA EXTERIOR

em vasos de pressão , é chamada válvula de segurança tendo a finalidade de evitar danos ao vaso ,ou até acidentes (explosões) ; em bombas de alta pressão( deslocamento positivo) tendo a finalidade de evitar danos a bomba ou acessórios;no caso dos vasos de pressão a descarga é para

r um produto perigoso , no caso das bombas a válvula é instalada na

Cortes tridimensionais

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. Redutora – para reduzir a pressão de fluidos de uma rede primária á valores compatíveis com a demanda de uma rede secundária, ou para atender suprimento específico de determinado equipamento/instrumento;ela reduz a pressão e mantém a mesma dentro uma estreita faixa de valores pré-ajustados , evitando danos a equipamentos alimentados e proporcionado um funcionamento mais preciso . Locais de instalação- ramais de distribuição de vapor de água ,ar comprimido,nitrogênio, gases combustíveis(GN,GLP), em máquinas e instrumentos pneumáticos etc Existem válvulas redutoras de ação direta,com apenas uma câmara e diafragma,respectiva mola e parafuso de ajustagem,geralmente são pequenas ;e outras maiores onde existe uma válvula piloto auxiliar fazendo parte do conjunto,acoplada ao corpo principal.Este piloto é submetido a pressão de jusante por meio de um tubo de comando regulando a operação da principal , também possuem parafusos e molas para ajustes da pressão desejada .

A B ASPECTO EXTERNO VISTA ELEVAÇÃO EM CORTE (1)dispositivo de ajuste (2) mola de ajuste (3) castelo (4)batente (5)obturador piloto (6)pistão (7)corpo da válvula (8)obturador principal (9) mola FIG.III – 10A – VÁLVULA REDUTORA

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FIG.III- 10B –VISTA EXTERNA VÁLVULA REDUTORA PILOTADA (TUBO PILOTO EXTERNO) 2.3-Quanto ao modo operacional as válvulas podem ser de : . Manuais – quando a sua operação ,ou o seu comando depende da intervenção do operador para manejar uma alavanca ou volante ,apertar um botão ou girar uma chave elétrica . . Automáticas –quando a sua operação ou seu comando é feita sem a intervenção do operador num dado momento,neste modo temos três modalidades ,á saber : - Válvulas de ação direta � aquelas que funcionam segundo a ação de bulbos de expansão termostática instalados nos equipamentos em contato com o material em processo ;os quais por meio de capilares atuam diretamente nas válvulas,ou ainda por alavancas e bóias .Veja exemplo termostático(FIG.III-11)

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FIG.III- 11 VÁLVULA DE AÇÃO DIRETA TERMOSTÁTICA

(1) válvula (2) atuador (3) capilar (4) chave de ajuste (5) bulbo sensor

-Válvulas auto-operadas � aquelas que funcionam ,segundo a contra-pressão do fluido em um diafragma suportado por molas pré-ajustadas ,sendo que esse diafragma movimenta uma haste atuando na sede da válvula;nas válvulas de maior tamanho existem mais componentes diafragmas auxiliares (piloto) e tubos de comando .

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- Válvulas de controle � aquelas que atuam com base em uma malha de controle sendo necessário um sinal de comando vindo de um instrumento (controlador) ,normalmente instalado em um painel no campo ou sala central .( Veja FIG.III – 12)

FIG.III- 12

3 - DISPOSITIVOS MOVIMENTADORES ( ATUADORES ) São os dispositivos responsáveis pela movimentação das válvulas , chamados atuadores ,os quais permitem abrir ,regular ou fechar uma válvula ; a seguir apresentamos os mais comuns, lembrando que todos tem for função movimentar uma haste ou eixo que acoplado a um obturador, aumenta ou diminui a área de escoamento do fluido ( tamanho da abertura ou passagem no interior da válvula ) . . Mecânico � movimentação exclusivamente mecânica por meio de : volantes,polias com correntes engrenadas , manivelas ,alavancas . Eletromecânico � movimentação por meio de motor elétrico e mecanismos associados . Eletromagnéticos � movimentação por meio de solenóides . Pneumático � movimentação por meio de ar comprimido que é introduzido em uma câmara com diafragma e molas ,ou cilindro com êmbolo . . Hidráulico � movimentação por meio de óleo hidráulico sob pressão em um cilindro com êmbolo . A seguir alguns exemplos de atuadores de válvulas industriais

ALGUNS EXEMPLOS DE ATUADORES : (12A )DIAFRAGMA (12C) – MECANICO MANUAL(VOLANTE C/CAIXA REDUTORA) (12

FIG.III-12A

FIG.III-12C

FIG.III-12D

GUNS EXEMPLOS DE ATUADORES : (12A )– PNEUMÁTICO A PISTÃO (12

ANTE C/CAIXA REDUTORA) (12D) – ELETROMAGNÉTICO

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FIG.III-12B

PNEUMÁTICO A PISTÃO (12B) –PNEUMÁTICO

ELETROMAGNÉTICO

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3.1-Algumas considerações na operação de válvulas industriais >>> Volantes ou polias giram no sentido anti-horário para abrir . >>> Alavancas também movem-se no mesmo sentido para abrir. >>> Para saber se uma válvula tipo globo ou gaveta está aberta ou fechada ,você deve observar : Volante ou polia afastados* do corpo da válvula ---� aberta * Existem válvulas que o volante ou polia não se deslocam ,permanecem fixas e a haste que se desloca,nestes casos então --� haste levantada válvula aberta No caso de válvulas de pequeno porte , 2” por exemplo, para água ou ar comprimido,o volante e eixo não se deslocam ,é uma peça interna que sobe ou desce encaixada na haste, não sendo então possível saber a condição interna . >>> Para válvulas de esfera ,macho ou borboleta Alavancas alinhadas em paralelo com a tubulação ---� aberta Em perpendicular a tubulação ----� fechada >>> No caso de válvulas de volante ,ao abrir ou fecha-las totalmente ,dar uma meia volta ao contrário no final do curso para prevenir o seu travamento no batente ; nunca aperte com muita força no fechamento ,para não danificar buchas,roscas etc. >>> Ao operar válvulas de fechamento/abertura rápida (borboleta ,esfera,macho ) ,em linhas de bombeamento tomar o cuidado de movimenta-las devagar ,principalmente no fechamento para evitar golpes violentos na linha devido a rápida interrupção do fluxo de uma certa massa dotada de considerável cinética ,cuja intensidade vai depender da velocidade e densidade do líquido . 4 – VÁLVULAS DE CONTROLE O elemento final de controle mais utilizado na indústria química é a válvula de controle do tipo pneumática; básicamente é uma válvula capaz de variar a restrição ao escoamento de um fluido em resposta a um sinal de comando recebido de um controlador. Em geral ,o movimento da haste da válvula é obtido pelo balanço entre duas forças : a tensão de uma mola que atua na haste , determinando a posição de repouso ,e a força(pressão de ar comprimido) exercida sobre um diafragma que também atua na haste de forma contrária a força da mola .O comando da válvula é feito pela variação da pressão do ar no atuador , segundo o sinal do controlador . 4.1-Componentes da válvula de controle pneumática

� Atuador É o dispositivo que movimenta diretamente a válvula ;é formado por uma câmara de chapa de aço bipartida ,tendo em seu interior ,diafragma de borracha,discos, e molas reforçadas tipo espiral ,o diafragma é preso por pratos e porcas a haste para transmitir os movimentos ascendentes/descendentes fechando ou abrindo a válvula conforme o sinal recebido. O atuador fica fora da tubulação ,sendo possível a sua retirada sem intervenção na tubulação.

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� Corpo

É o componente que vai instalado entre os flanges da tubulação ; no seu interior encontra-se o elemento fundamental que mantem contato direto com fluido que escoa pela tubulação ,é o obturador que é movimentado pela haste do atuador .Na posição fechada, o obturador fica apoiado em uma parte chamada assento,não devendo existir nenhuma folga entre as superfícies em contato para dar boa estanqueidade .

FIG.III -13 VÁLVULA DE CONTROLE (COMPLETA)

4.2- Funcionamento Para que uma válvula pneumática funcione ,ela precisa de um dispositivo conversor/posicionador que se encarrega da conversão de sinal eletrônico para pneumático e sua alimentação para o atuador (conversor I/P -corrente � pressão). 4.2.1- Ação das válvulas Um dos aspectos importantes a se considerar na especificação de uma válvula de controle é sua posição de repouso ou falha, ou seja , como ela fica na ausência de sinal de comando. Esta especificação ,geralmente é leva em conta a segurança do processo ;em algumas aplicações,como no suprimento de vapor para um aquecedor,é desejável que a válvula feche na falta de sinal,assim sua ação será : * Ar para abrir - posição de repouso normal fechada Em outras situações , a segurança do processo exige a abertura da válvula em caso de falha ou repouso fique aberta ,controle de pressão em vasos por escape ,assim sua ação será: * Ar para fechar - posição de repouso normal aberta

4.2.2- Ação dos controladores A ação dos controladores deve guardar uma correlação com a ação das válvulas , de modo a tornar compatível as suas ações sendo assim adequado aos objetivos de controle do processo;assim temos controladores com : Ação direta � o controlador transmite um sinal de comando com intensidade diretamente proporcional ao sinal da variável medida , por exemplo : uma válvula de vapor para aquecimento estará sob comando de um controlador de ação direta ,pois para maior tempara maior abertura . Ação inversa � o controlador transmite um sinal de comando com intensidade inversamente proporcional ao sinal da variável medida ,por exemplo : uma válvula de controle de nível em um atuando pela descarga, para aumentar o nível ,menor vazão na descarga ,sinal mais fraco para menor abertura . Veja gráfico FIG.III-14

FIG.III - 14

A ação dos controladores deve guardar uma correlação com a ação das válvulas , de modo a tornar compatível as suas ações sendo assim adequado aos objetivos de controle do processo;assim temos

o controlador transmite um sinal de comando com intensidade diretamente proporcional ao sinal da variável medida , por exemplo : uma válvula de vapor para aquecimento estará sob comando de um controlador de ação direta ,pois para maior temperatura ,maior vazão de vapor ,sinal mais forte

o controlador transmite um sinal de comando com intensidade inversamente proporcional ao sinal da variável medida ,por exemplo : uma válvula de controle de nível em um atuando pela descarga, para aumentar o nível ,menor vazão na descarga ,sinal mais fraco para menor

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A ação dos controladores deve guardar uma correlação com a ação das válvulas , de modo a tornar compatível as suas ações sendo assim adequado aos objetivos de controle do processo;assim temos

o controlador transmite um sinal de comando com intensidade diretamente proporcional ao sinal da variável medida , por exemplo : uma válvula de vapor para aquecimento estará sob comando

peratura ,maior vazão de vapor ,sinal mais forte

o controlador transmite um sinal de comando com intensidade inversamente proporcional ao sinal da variável medida ,por exemplo : uma válvula de controle de nível em um tanque atuando pela descarga, para aumentar o nível ,menor vazão na descarga ,sinal mais fraco para menor

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5- PURGADORES São dispositivos automáticos (válvulas) empregados para eliminar (descarregar) o condensado formado nas linhas ,sistemas de vapor e ar comprimido ;o condensado formado nos sistemas de vapor são resultantes das trocas térmicas efetivas (calor latente absorvido no aquecimento ) e perdas por dissipação no ambiente , já o condensado formado nos sistemas de ar comprimido são oriundos da umidade do ar. 5.1- CLASSIFICAÇÃO Quanto aos princípios de funcionamento são classificados em três grupos : . mecânico . termostático . termodinâmico MECÂNICO – Funcionam pelo princípio hidrostático (empuxo) , o tipo mais comum ,possui uma bóia que levantada pelo condensado aciona uma válvula liberando a sua passagem ;este purgador tem funcionamento contínuo . (FIG.III- 15)

FIG.III – 15 – PURGADOR TIPO BÓIA(VISTA EXTERNA)

FIG.III- 15A -PURGADOR TIPO BÓIA (CORTE T TERMOSTÁTICO –Funcionam baseado no princípio de dilatação térmica diferencial ligas bimetálicas ou de fluidos termosensíveis;este tipo de purgador serve como controlador de temperatura sendo fabricados com diferentes graus de resfriamento do condensado.O condensado inicialmente apresenta a mesma temperatura do vapor ,sendo que com o passar do tempo perde calor sensível temperatura ,então o elemento termostático se retrai e abre uma válvula descarregando o condensado mais frio até chegar o mais quente ,quando então o elemento se dilata e fecha a válvula permanecendo assim que que o condensado se resfrie nov

FIG.III – 16 – PURGADOR TERMOSTÁTICO ( VISTA EM CORTE E VISTA EXTERNA)NOTA : Este purgador deve ser instalado com um certo afastamento de fonte de calor ,para evitar que o seu funcionamento seja afetado ( ele poderá não abrir ).

PURGADOR TIPO BÓIA (CORTE TRIDIMENSIONAL)

Funcionam baseado no princípio de dilatação térmica diferencial ligas bimetálicas ou síveis;este tipo de purgador serve como controlador de temperatura sendo

fabricados com diferentes graus de resfriamento do condensado.O condensado inicialmente apresenta a mesma temperatura do vapor ,sendo que com o passar do tempo perde calor sensível temperatura ,então o elemento termostático se retrai e abre uma válvula descarregando o condensado mais frio até chegar o mais quente ,quando então o elemento se dilata e fecha a válvula permanecendo

resfrie novamente .

PURGADOR TERMOSTÁTICO ( VISTA EM CORTE E VISTA EXTERNA) Este purgador deve ser instalado com um certo afastamento de fonte de calor ,para evitar que o

seu funcionamento seja afetado ( ele poderá não abrir ).

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Funcionam baseado no princípio de dilatação térmica diferencial ligas bimetálicas ou síveis;este tipo de purgador serve como controlador de temperatura sendo

fabricados com diferentes graus de resfriamento do condensado.O condensado inicialmente apresenta a mesma temperatura do vapor ,sendo que com o passar do tempo perde calor sensível caindo a sua temperatura ,então o elemento termostático se retrai e abre uma válvula descarregando o condensado mais frio até chegar o mais quente ,quando então o elemento se dilata e fecha a válvula permanecendo

Este purgador deve ser instalado com um certo afastamento de fonte de calor ,para evitar que o

.TERMODINÂMICO – tem o funcionamento baseado na diferença de velocidade de escoamento entre o vapor e condensado ( efeito Bernoulli) ;possui no seu interior uma câmara circular com uma passagem central e canal circular com furos no fundo, um disco metálico polido fechaobturador.Quando o vapor é admitido no dispositivo ,ele entra pelo furo central, levanta o disco e flui velozmente atraindo fortemente o disco de volta fechando a passagem ,permanecendo assim enquanto houver vapor; quando formar uma ceimpulsionará o condensado ,quando acaba o condensado a velocidade aumenta instantaneamente e o disco é novamente atraído para baixo fechando a passagem .( FIG.III

FIG.III-17- PURGADOR TERMODINÂMICO (A) CORPO (B) TAMPA (C) DISCO

tem o funcionamento baseado na diferença de velocidade de escoamento entre o vapor e condensado ( efeito Bernoulli) ;possui no seu interior uma câmara circular com uma passagem central e canal circular com furos no fundo, um disco metálico polido fecha essa câmara como um obturador.Quando o vapor é admitido no dispositivo ,ele entra pelo furo central, levanta o disco e flui velozmente atraindo fortemente o disco de volta fechando a passagem ,permanecendo assim enquanto houver vapor; quando formar uma certa quantidade de condensado o disco será levantado e o vapor impulsionará o condensado ,quando acaba o condensado a velocidade aumenta instantaneamente e o disco é novamente atraído para baixo fechando a passagem .( FIG.III- 17)

PURGADOR TERMODINÂMICO (A) CORPO (B) TAMPA (C) DISCO

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tem o funcionamento baseado na diferença de velocidade de escoamento entre o vapor e condensado ( efeito Bernoulli) ;possui no seu interior uma câmara circular com uma passagem

essa câmara como um obturador.Quando o vapor é admitido no dispositivo ,ele entra pelo furo central, levanta o disco e flui velozmente atraindo fortemente o disco de volta fechando a passagem ,permanecendo assim enquanto

o disco será levantado e o vapor impulsionará o condensado ,quando acaba o condensado a velocidade aumenta instantaneamente e o

PURGADOR TERMODINÂMICO (A) CORPO (B) TAMPA (C) DISCO

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UNIDADE IV - CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS 5.1- INTRODUÇÃO Primeiramente ,é preciso saber o que significa “controle” ,o que você deve entender “por manter algo dentro dos limites “ ,ou seja , de modo genérico é obedecer determinados padrões estabelecidos para as mais variadas situações sejam eles de qualquer natureza . Aplicado aos processos industriais ,entende-se como a ação que objetiva manter dentro dos valores desejados as diversas variáveis envolvidas,possibilitando a obtenção de um certo produto de forma econômica e segura ,exemplos de variáveis mais comuns : temperatura,pressão,vazão,nível ,pH ,viscosidade . O controle de um processo simples discreto , modo batelada por exemplo , é possível ser feito manualmente de modo satisfatório ; já um processo mais complexo,mesmo batelada envolvendo maior número de variáveis, o bom funcionamento fica muito difícil se contarmos somente com o fator humano para o seu controle , ficando vulnerável a falhas , e no caso de processos contínuos é práticamente impossível o controle manual simultâneo das inúmeras variáveis envolvidas . Além das questões apontadas nos casos acima ,nas indústrias de hoje a palavra eficiência envolve maior produtividade e qualidade para ser competitivo no mercado globalizado ; a automatização dos processos torna-se imperiosa ,mesmo nos casos mais simples , reduzindo custos de mão-de-obra , garantindo mais uniformidade na qualidade e aumentando a produtividade . 5.2 - Controle automático de processo : conceito ,princípio de funcionamento e fundamentos . Conceito Deve ser entendido como um conjunto de tres operações básicas realizadas simultâneamente por meio de instrumentos de acordo com parâmetros préviamente programados . . . Princípio de funcionamento O controle realimentado é o princípio básico para toda automatização industrial ;um balanceamento de provisão ( materiais e energia) é o que se pode usar diante de uma sobredemanda num período de tempo,para manter um processo em um mesmo nível predeterminado de operação.Para manter um balanceamento entre o fornecimento e a demanda,o controle automático necessita de uma medição no sistema e utiliza esta informação,através de uma realimentação para regula-lo. . Fundamentos O controlador permite o processo cumprir seu objetivo conforme determinado , fazendo para isso simultaneamente as operações de medição da variável , cálculo e comparação com o valor referenciado , e realimentação do sinal para correção do erro ( desvio) .veja fig.III-15 Para ser possível um controle automático ,são necessários os seguintes dispositivos : � sensor ou elemento primário para medição � transmissor � receptor (controlador) � elemento final de controle (válvula de controle ,ou outro dispositivo de ajuste da condição)

FIG. IV - 1 5. 3- CONHECENDO A FUNÇÃO DE CADA DISPOSITIVO � SENSOR - é o elemento que mede temperatura,pressão,vazão ,nível ,etc.;fica instalado no campo em equipamento de processo em contato com o produto ou meio controlado. Sensores também são chamados de ELEMENTOS PRIMÁRIOS � TRANSMISSOR- Dispositivo que transmite os sinais captados pelo sensor até o receptor (controlador),fica instalado em conjunto com o sensor O transmissor é um dispositivo que temperatura do tipo termopar ,não necessitam de amplificadores,assim estes dispositivos são sensores/transmissores. � RECEPTOR( CONTROLADOR) – recebe os sinais vind correspondentes para a variável medida , compara com o valor de referência (set-point) avalia o erro ,e determina a realimentação do sinal para correção do desvio,ou manutenção da condição se não houver erro ; fica instalado em painel no setor de operações nos processos mais simples ,ou em salas de controle centralizadas nas plantas complexas como nos processos contínuo

CONHECENDO A FUNÇÃO DE CADA DISPOSITIVO

é o elemento que mede a variável controlada ,como exemplos : temperatura,pressão,vazão ,nível ,etc.;fica instalado no campo em equipamentode processo em contato com o produto ou meio controlado.

hamados de ELEMENTOS PRIMÁRIOS

Dispositivo que transmite os sinais captados pelo sensor até o receptorfica instalado em conjunto com o sensor.

O transmissor é um dispositivo que amplifica o sinal medido ,sensores de temperatura do tipo termopar ,não necessitam de amplificadores,assim estes dispositivos são sensores/transmissores.

recebe os sinais vindos do transmissor , faz os cálculos correspondentes para a variável medida , compara com o valor de referência

point) avalia o erro ,e determina a realimentação do sinal para correçãovio,ou manutenção da condição se não houver erro ; fica instalado em

painel no setor de operações nos processos mais simples ,ou em salas de controle centralizadas nas plantas complexas como nos processos contínuo

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temperatura,pressão,vazão ,nível ,etc.;fica instalado no campo em equipamento

Dispositivo que transmite os sinais captados pelo sensor até o receptor

amplifica o sinal medido ,sensores de temperatura do tipo termopar ,não necessitam de amplificadores,assim estes

os do transmissor , faz os cálculos correspondentes para a variável medida , compara com o valor de referência

point) avalia o erro ,e determina a realimentação do sinal para correção vio,ou manutenção da condição se não houver erro ; fica instalado em

painel no setor de operações nos processos mais simples ,ou em salas de controle centralizadas nas plantas complexas como nos processos contínuos.

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� ELEMENTO FINAL DE CONTROLE –é o dispositivo que varia diretamente o valor da variável manipulada ;quase sempre é uma válvula do tipo pneumática ,eletromecânica, ou eletromagnética ou outro dispositivo para ajuste da variável controlada . a variável manipulada pode ser uma vazão de um fluido,a mais comum ou outra quantidade ou condição qualquer ,por exemplo : rotação ,velocidade linear etc. 5 . 4- SIGNIFICADO DE ALGUNS TERMOS USADOS EM CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS � VARIÁVEL CONTROLADA OU VALOR DO PROCESSO ( PV = PROCESS VALUE ) É a quantidade ou condição que deve ser medida ou controlada no processo,ex. pressão � VARIÁVEL MANIPULADA OU VALOR MANIPULADO ( MV= MANIPULED VALUE) É a quantidade ou condição que é variada pelo elemento final de controle, a qual vai afetar o valor da variável controlada ,possibilitando o ajuste ,ex : vazão . � MEIO CONTROLADO É a energia ou material do processo onde a variável é medida ou controlada , exemplo : qualquer produto em processo . ���� AGENTE DE CONTROLE É a energia ou material do processo,o qual é o fluido ativo manipulado pelo elemento final de controle;para os casos de transferência de calor ,normalmente são fluidos de utilidades ,por exemplo :vapor ,água industrial ;nos casos de nível e vazão ,pode ser o próprio produto em processo ( meio controlado ) . � SET- POINT Valor de referência para trabalho ( valor alvo da variável controlada) ,o qual deve ser programado no controlador para corrigir os desvios (erros) , após ter sido colocado no modo automático . � BY-PASS Usa-se a expressão “colocar em by-pass “ ,que significa desviar o fluxo de um instrumento,para isso fecha-se a sua entrada e saída (válvulas) e abre-se uma terceira válvula que a válvula de by-pass . 5.5 -MALHA OU CIRCUITO DE CONTROLE Chama-se malha ou circuito de controle , a representação esquemática (diagramas) dos diversos instrumentos e suas conexões entre sí e entre os pontos distribuídos pela instalação ou equipamento; também é chamado “loop de controle” .Este diagrama são essenciais para a compreensão das funções de cada elemento da malha . Uma malha de controle poderá apresentar duas situações conforme segue:

> Malha aberta O controlador é colocado em posição “manual”, ficando o controle por conta do operador,os ajustes passam a ser feitos segundo a intervenção do operador ;neste caso o instrumento apenas consegue medir e indicar o valor da variável ,sem realimentar um sinal de saída (comando para o elemento final de controle ) .Esta situação é anormal , ela pode ocorrer em ssistema , o tempo de permanência nesta condição deverá ser o mínimo necessário . > Malha fechada O controlador é colocado em posição “automático” , neste modo o controle passa a ser feito independente da atuação do operador ;o controlador gerencia o processo com base no valor de referência (set-point) ,assim toda vez que houver desvios entre os valores medidos e os de referência de controle, um sinal de comando estará sendo enviado para o elemento final de correção (ajuste) .Esta situação é a ideal de uma malha de controle ,onde o operador apenas se ocupa do monitoramento .

FIG.IV – 2- DIAGRAMA DE UM LOOP DE CONTROLE( BÁSICO )

controlador é colocado em posição “manual”, ficando o controle por conta do operador,os ajustes am a ser feitos segundo a intervenção do operador ;neste caso o instrumento apenas consegue

medir e indicar o valor da variável ,sem realimentar um sinal de saída (comando para o elemento final de controle ) .Esta situação é anormal , ela pode ocorrer em situações de reparos,calibração ou e testes no sistema , o tempo de permanência nesta condição deverá ser o mínimo necessário .

O controlador é colocado em posição “automático” , neste modo o controle passa a ser feito ação do operador ;o controlador gerencia o processo com base no valor de

point) ,assim toda vez que houver desvios entre os valores medidos e os de referência de controle, um sinal de comando estará sendo enviado para o elemento final de correção (ajuste) .Esta situação é a ideal de uma malha de controle ,onde o operador apenas se ocupa do

DIAGRAMA DE UM LOOP DE CONTROLE( BÁSICO )

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controlador é colocado em posição “manual”, ficando o controle por conta do operador,os ajustes am a ser feitos segundo a intervenção do operador ;neste caso o instrumento apenas consegue

medir e indicar o valor da variável ,sem realimentar um sinal de saída (comando para o elemento final de ituações de reparos,calibração ou e testes no

sistema , o tempo de permanência nesta condição deverá ser o mínimo necessário .

O controlador é colocado em posição “automático” , neste modo o controle passa a ser feito ação do operador ;o controlador gerencia o processo com base no valor de

point) ,assim toda vez que houver desvios entre os valores medidos e os de referência de controle, um sinal de comando estará sendo enviado para o elemento final de controle efetuar a correção (ajuste) .Esta situação é a ideal de uma malha de controle ,onde o operador apenas se ocupa do

5.6- FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA OU DIAGRAMA P&I D ( PIPING AN Semelhante ao anterior ,só que mais completo abrangendo todo tipo de tubulação ,válvulas diversas , equipamentos ,vasos ,bombas etc; é utilizado no projeto básico completo de uma planta de processos .Segue abaixo um exemplo simples de diagrama P&I .

FIG.IV- 3 –DIAGRAMA PI&D Na página seguinte veja algumas siglas mais utilizadas em instrumentação e controle( FIG.IV

FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA OU DIAGRAMA P&I D ( PIPING AND INSTRUMENT DIAGRAM )

Semelhante ao anterior ,só que mais completo abrangendo todo tipo de tubulação ,válvulas diversas , equipamentos ,vasos ,bombas etc; é utilizado no projeto básico completo de uma planta de processos

imples de diagrama P&I .

Na página seguinte veja algumas siglas mais utilizadas em instrumentação e controle( FIG.IV

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D INSTRUMENT DIAGRAM )

Semelhante ao anterior ,só que mais completo abrangendo todo tipo de tubulação ,válvulas diversas , equipamentos ,vasos ,bombas etc; é utilizado no projeto básico completo de uma planta de processos

Na página seguinte veja algumas siglas mais utilizadas em instrumentação e controle( FIG.IV- 4)

FIG.IV- 4 – QUADRO DE SIGLAS USADAS EM INSTRUMENTA

QUADRO DE SIGLAS USADAS EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE

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UNIDADE V – UTILIDADES 1- FLUIDOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 2- SISTEMAS DE AQUECIMENTO COM FLUIDOS TÉRMICOS ORGÂNICOS 3- GERADORES DE VAPOR 4- REFRIGERAÇÃO EM BAIXAS TEMPERATURAS 5- RESFRIAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL 6- SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

INTRODUÇÃO Denominam-se utilidades ,as formas de energias necessárias para o funcionamento de uma indústria, bem como as instalações utilizadas para a produção ou manejo dessas energias .Como exemplos podemos citar - energia elétrica -: geração ,transformação controle e distribuição ; vapor – geração e distribuição ; água industrial- produção, armazenamento e distribuição;ar comprimido – produção, tratamento ,distribuição ;água e salmoura gelada- produção,controle ,distribuição .Lembramos que a necessidade de determinadas utilidades varia com o tamanho e o tipo de indústria ,apenas a energia elétrica é imprescindível para qualquer uma.

1- FLUIDOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 1.1 –CONCEITOS,TIPOS DE FLUIDOS Fluidos de transferência de calor são os diversos fluidos empregados nos processos industriais com a finalidade de aquecer ou resfriar produtos ,ou ainda provocar mudanças de estado , seja durante o processo ou em outra situação qualquer;os fluidos térmicos também resfriam ou aquecem máquinas e equipamentos industriais etc Os fluidos mais comuns aplicados a transferência de calor são , segundo uma ordem decrescente de freqüência de uso os seguintes : agua e vapor de água , derivados de petróleo (óleo mineral) e fluidos sintéticos (óxidos de difenila,glicóis e outros) ,salmoura e água gelada , sais alcalinos fundidos,metais alcalinos fundidos ,mercúrio líquido e vapor . 1.2- FLUIDOS TÉRMICOS Embora vários fluidos possam ser utilizados na transferência de calor,usualmente são chamados FLUIDOS TÉRMICOS apenas os fluidos orgânicos derivados do petróleo e sintéticos já acima referidos.Veja a seguir o *nome comercial de alguns desses fluidos e faixa operacional de temperaturas . *FLUIDOS SINTÉTICOS Therminol 55 ( Monsanto) - 40 a 288°C - só em fase líquida Therminol 59 - 68 a 316°C - só em fase líquida Therminol 66 0 a 343°C - só em fase líquida Therminol VP-1 12 a 400°C - f ase vapor acima de250°C

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Dowtherm A (Dow Química) 15 a 400°C - fase vapor acima de 257°C Dowtherm G -7 a 370°C - só em fase líquida Thermex ICI-Brasil 12 a 400°C - fase vapor acima de 257°C *FLUIDOS DERIVADOS DE PETRÓLEO(ÓLEOS MINERAIS) Mobiltherm 594 Mobil Oil - 3 a 296°C – só em fase líquida Mobiltherm 605 0 a 306°C – só em fase líquida *(Fonte :Revista Química e Derivadosnº 276,ag.1990 ,pg.20) 1.2.1- FLUIDOS TÉRMICOS DE PETRÓLEO São tipos de óleos minerais de base naftência ou parafínica ,permitindo formulação de mistura entre si e frações aromáticas ,olefínicas e parafínicas ;a presença de frações aromáticas empresta maior estabilidade térmica . Os óleos naftênicos são de baixa viscosidade ,os demais são de média/alta viscosidade e aditivados. Os óleos minerais podem operar até 350° sem risco de decomposição e oxidação , entretanto deve-se ter cuidado para não exceder muito a temperatura no aquecedor, o que pode deteriorar o óleo (craqueamento térmico ) que altera as propriedades e forma resíduos carbonosos . Funcionam como ótimos lubrificantes de bombas e válvulas ,tendo um bom coeficiente de transmissão de calor embora inferior aos fluidos sintéticos ,como vantagem não são tóxicos e tem maior calor específico . 1.2.2 – FLUIDOS TÉRMICOS SINTÉTICOS São líquidos bastante diferentes entre si na sua composição ,existindo alguns do tipo benzeno clorado, difenila e óxido de difenila bastante tóxicos ( podendo liberar gás clorídrico em excesso de temperatura e por serem aromáticos ;como vantagens apresentam maior coeficiente de transmissão de calor,elevada fluidez ,maior estabilidade térmica ,mas tem menor calor específico . 1.3 – MATERIAIS INORGÂNICOS USADOS COMO FLUIDOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Embora sólidos a temperatura ambiente ,certos materiais inorgânicos são empregados onde os demais

fluidos são incompatíveis (temperaturas acima de 400°C); normalmente usam-se mistura eutética de sais

alcalinos ,por exemplo : NaNO2 40% /KNO3 53% / NaNO3 7% de PF =140°C ,metais sódio,lítio ,bismuto ou

zinco para temperaturas mais elevadas acima de 800°C.

1.4- CONSIDERAÇÕES QUANTO A APLICAÇÃO DE FLUIDOS TÉRMICOS

O vapor de água tem inclinação lógica para aquecimento até a temperatura de 200°C ,quando já

apresenta uma considerável pressão (16,0 kgf/cm²) representando maior risco ,bem como exigindo

instalações mais reforçadas e por isso mais custosa .Para temperaturas acima desse valor é impraticável o

uso de vapor de água ,senão vejamos , para 250°C seria preciso vapor á 40,5 kfg/cm² e para 300°C uma

pressão de 87,6 kgf/cm² .

Então a aplicação dos fluidos térmicos orgânicos e inorgânicos vem resolver o problema com eficácia e

segurança,sendo mais comum o uso dos fluidos orgânicos ,uma vez que as temperaturas máximas para

os processos químicos industriais raras vezes atinge 400°C ,tendo uma importante característica que é a

baixa pressão de vapor.Os fluidos Dowtherm A e Thermex , a 350°C apresentam uma pressão de vapor

de apenas 5,4 kgf/cm² contra 168,6 kgf/cm² para o vapor de água a mesma temperatura !

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2- SISTEMAS DE AQUECIMENTO COM FLUIDOS TÉRMICOS ORGÂNICOS 2.1- SISTEMA DE AQUECIMENTO EM FASE LÍQUIDA

A operação em fase líquida tem as vantagens de requerer vasos e tubulações menos reforçadas em

razão das baixas pressões operacionais ,apresenta menor consumo de energia ,oferece maior segurança

e requer controles mais simples .Por outro lado tem como desvantagens a necessidade bombas e

também requer maior volume de fluido para preencher o sistema .

Um sistema em fase líquida típico apresenta como componentes principais :

. Aquecedor de fluido – constituído por um vaso cilíndrico posicionado na vertical,contendo uma câmara

de combustão de irradiação com serpentina ,com grande área de troca térmica de máxima condução nas

paredes dos tubos e intensa convecção na massa fluida circulante no interior.

. Um tanque de expansão dotado de indicador de nível ; este vaso serve para acomodar as variações de

volume do fluido em razão do aquecimento e resfriamento durante o processo .

.Um tanque reservatório que serve para receber drenagem do tanque de expansão e abastecimento

quando necessário.

.Bombas de recirculação,bomba para reabastecimento de fluido

.Limitadores de temperaturas ,termostatos de modulação de chama,válvulas de controle de temperatura

do processo

.Desaeradores ,na linha de recalque e na linha de retorno ,filtros

FIG.V -2.1-1

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FIG.V-2.1.2- VISTA EM CORTE DO AQUECEDOR (ILUSTRAÇÃO)

2. 2 – SISTEMA DE AQUECIMENTO EM FASE GASOSA

Um sistema de fluido térmico para operar em fase gasosa,assemelha-se a uma instalação para

produção de vapor de água e também os princípios de funcionamento .O fluido em fase líquida é

aquecido até atingir o ponto de ebulição a uma da pressão ,e daí contínuamente absorve mais calor para

produzir o vapor necessário,neste caso então o fluido adquire calor sensível e calor latente .

O fluido é superaquecido no interior dos tubos da caldeira e recebido em um vaso elevado (vaso de

flash) onde é vaporizado; parte não vaporizada retorna para um reservatório e o vapor segue para os

pontos de consumo pela própria pressão.

Nas trocas térmicas nos pontos de consumo do processo , o calor latente é cedido e o vapor se

condensa tornando líquido novamente que volta para a caldeira recomeçando o ciclo .Tal qual no

aquecimento a vapor de água ,também é necessário purgadores e linhas de retorno para o reservatório

de fluido ,separadores de não condensáveis, dispositivos de controle de pressão e válvulas de segurança.

A temperatura desejada é controlada pela pressão do vapor ,assim variando-se a pressão do vapor ,varia-

se a temperatura do vapor,então maior pressão maior temperatura e vice-versa .

O sistema em fase vapor apresenta como vantagens :.Controle mais uniforme de temperatura ,menor

volume de fluido,menor custo de manutenção mecânica

Como desvantagens : vazamentos mais difíceis de evitar,necessidade de melhor ventilação ambiente,

maior consumo de energia ,necessidade de controles mais complexos.

FIG.V -2.2.1 – FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO

FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO – SISTEMA FASE GASOSA

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3 - GERADORES DE VAPOR

3.1-INTRODUÇÃO Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores,secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc.,podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de temperatura. A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado ( por conter gotículas de água) até 10 kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação,por exemplo a 20 kgf/cm² atinge-se cerca de 210°C , o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. Procedendo-se um aquecimento suplementar do vapor saturado em dispositivos chamado superaquecedores ,obtem-se o vapor superaquecido o qual é isento de gotículas de água. Não é vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que perderíamos a facilidade de controle de temperatura,além de que o seu coeficiente de película é de cerca de um terço do vapor saturado ,sendo assim pouco eficiente na transferência de calor . Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho: - baixa pressão: até 10 kgf/cm2 - média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2 - alta pressão: maior que 40 kgf/cm2 Repetindo que esta classificação é arbitrária, porém representativa da faixa de utilização de vapor na indústria. Grandes caldeiras, as quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em comparação com as milhares de menores caldeiras em operação. 3.2- PROCESSOS DE GERAÇÃO DE VAPOR

Equipamentos produtores de vapor de água denominam-se geradores de vapor ,num modo

genérico;aqueles que usam energia elétrica o queimam algum combustível com finalidade exclusiva de

produzir vapor são específicamente denominados caldeiras a vapor . Outros equipamentos que

aproveitam energia de produtos em processo são denominados recuperadores de calor ou caldeira a

calor perdido ,lembrar que esses geradores são equipamentos de processo de produção contínua,

normalmente trocadores casco-tubos resfriadores de gases em altas temperaturas acima de 150°C a

460°C( oxidação de o-xileno a anidrido ftálico) podendo chegar por exemplo a 600°C ( oxidação de SO2 a

SO3) ,os quais usam a água como fluido de resfriamento no lado do casco.

Para o vapor ser gerado, a água precisa ser aquecida a temperatura de ebulição ,mediante a absorção de

energia calorífica fornecida pela queima de um combustível qualquer , ou pelo efeito Joule de corrente

elétrica ou então pelo calor cedido por uma corrente de um produto fluido em processo a altas

temperaturas em resfriamento .

As caldeiras a vapor são classificadas sob diversos cr

dois pontos básicos , ou seja ,quanto a forma de energia :

de fluido nos tubos :fogotubular e aquatubular

3.3 –CALDEIRAS A COMBUSTÃO : PRINCÍPIOS DE FUNCIONAME

3.3.1- FOGOTUBULAR

Também conhecida por caldeiras cilíndricas ,devido seu formato , são constituídas por um grande cilindro

de aço de liga especial contendo em seu interior um feixe tubular e um tubulão (ou até três tubulões). O

tubulão constitui a fornalha , e o feixe tubular são os tubos de fumaça ; a água envolve o tubul

tubular ,sobrando um espaço vazio na parte superior ( câmara de vapor ) .Em operação, o combustível

queimado na fornalha aquece por irradiação a pare

feixe tubular aquece o metal por convecção, e por condução os metais aquecidos aquecem a água do

outro,lado provocando a sua vaporização . O vapor sobe e se acumula na parte alta (câmara de

vapor),sendo depois distribuído para o processo ,observar que o processo é contínuo ,ou seja a

vaporização é constante ,logo é preciso repor a água que foi vaporizada para manter os tubos resfriados .

A reposição é feita automáticamente por instrumentos controladores de

produz vapor saturado a uma pressão limite de 20 kgf/cm² e uma vazão de at

3.3.2- AQUATUBULAR

Para poder atender a demanda de maiores quantidades de va

bem como ,bem como maiores pressões e temperaturas para fins termomecânicos ,foi então

desenvolvida a caldeira aquatubular , onde por dentro dos tubos circula a água , e os gases por fora .

O modo construtivo bastante diferente da fogotubular , encerra uma grande quantidade de tubos de

diâmetros menores que no tipo fogotubular , que interligam tambores também de diâmetros menores.

As chamas aquecem os tubos na região da fornalha

na região da fornalha ficam os tubos geradores de vapor ,nas regiões afastadas os tubos alimentadores.

Os tubulões são em alguns casos até em número de cinco ,três em cima e dois embaixo ,para caldeiras de

grande porte ,sendo o mais usual dois tambores ,um em cima e outro embaixo para caldeiras de grande

porte e um em cima e dois embaixo para caldeiras compactas .

ou então pelo calor cedido por uma corrente de um produto fluido em processo a altas

As caldeiras a vapor são classificadas sob diversos critérios ,no entanto estaremos considerando apenas

dois pontos básicos , ou seja ,quanto a forma de energia : a combustão e elétricas

:fogotubular e aquatubular

A COMBUSTÃO : PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO ,MODO CONSTRUTIVO

Também conhecida por caldeiras cilíndricas ,devido seu formato , são constituídas por um grande cilindro

de aço de liga especial contendo em seu interior um feixe tubular e um tubulão (ou até três tubulões). O

ulão constitui a fornalha , e o feixe tubular são os tubos de fumaça ; a água envolve o tubul

tubular ,sobrando um espaço vazio na parte superior ( câmara de vapor ) .Em operação, o combustível

queimado na fornalha aquece por irradiação a parede do tubulão, e os gases seguindo pelos tubos do

feixe tubular aquece o metal por convecção, e por condução os metais aquecidos aquecem a água do

outro,lado provocando a sua vaporização . O vapor sobe e se acumula na parte alta (câmara de

ois distribuído para o processo ,observar que o processo é contínuo ,ou seja a

vaporização é constante ,logo é preciso repor a água que foi vaporizada para manter os tubos resfriados .

A reposição é feita automáticamente por instrumentos controladores de nível ;e

produz vapor saturado a uma pressão limite de 20 kgf/cm² e uma vazão de até 30 tv/h

FIG.V-3.1.1 –CALDEIRA FOGOTUBULAR

Para poder atender a demanda de maiores quantidades de vapor exigida por industrias de maior porte

bem como ,bem como maiores pressões e temperaturas para fins termomecânicos ,foi então

desenvolvida a caldeira aquatubular , onde por dentro dos tubos circula a água , e os gases por fora .

ante diferente da fogotubular , encerra uma grande quantidade de tubos de

diâmetros menores que no tipo fogotubular , que interligam tambores também de diâmetros menores.

As chamas aquecem os tubos na região da fornalha por irradiação e por convecção em r

na região da fornalha ficam os tubos geradores de vapor ,nas regiões afastadas os tubos alimentadores.

Os tubulões são em alguns casos até em número de cinco ,três em cima e dois embaixo ,para caldeiras de

dois tambores ,um em cima e outro embaixo para caldeiras de grande

porte e um em cima e dois embaixo para caldeiras compactas .

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ou então pelo calor cedido por uma corrente de um produto fluido em processo a altas

itérios ,no entanto estaremos considerando apenas

e quanto a circulação

NTO ,MODO CONSTRUTIVO

Também conhecida por caldeiras cilíndricas ,devido seu formato , são constituídas por um grande cilindro

de aço de liga especial contendo em seu interior um feixe tubular e um tubulão (ou até três tubulões). O

ulão constitui a fornalha , e o feixe tubular são os tubos de fumaça ; a água envolve o tubulão e o feixe

tubular ,sobrando um espaço vazio na parte superior ( câmara de vapor ) .Em operação, o combustível

de do tubulão, e os gases seguindo pelos tubos do

feixe tubular aquece o metal por convecção, e por condução os metais aquecidos aquecem a água do

outro,lado provocando a sua vaporização . O vapor sobe e se acumula na parte alta (câmara de

ois distribuído para o processo ,observar que o processo é contínuo ,ou seja a

vaporização é constante ,logo é preciso repor a água que foi vaporizada para manter os tubos resfriados .

nível ;este tipo de caldeira

tv/h .

CALDEIRA FOGOTUBULAR

por exigida por industrias de maior porte

bem como ,bem como maiores pressões e temperaturas para fins termomecânicos ,foi então

desenvolvida a caldeira aquatubular , onde por dentro dos tubos circula a água , e os gases por fora .

ante diferente da fogotubular , encerra uma grande quantidade de tubos de

diâmetros menores que no tipo fogotubular , que interligam tambores também de diâmetros menores.

por irradiação e por convecção em regiões afastadas,

na região da fornalha ficam os tubos geradores de vapor ,nas regiões afastadas os tubos alimentadores.

Os tubulões são em alguns casos até em número de cinco ,três em cima e dois embaixo ,para caldeiras de

dois tambores ,um em cima e outro embaixo para caldeiras de grande

O vapor produzido nos tubos vaporizadores sobem pelos tubos até o tubulão superior onde é acumulado

e depois passa pelo superaquecedor para ser distribuído ,a água é alimentada no tubulão superior e por

gravidade desce para o tubo inferior que alimenta os tubos vaporizadores .

Estas caldeiras ,as do tipo compacta pode produzir vapor até 45 kgf/cm² e 120 tv/h , já as de grande

porte pode chegar a pressões de 150 a 200 kgf/cm² e

superaquecimento de 450 a 500°C .

FIG.V 3.2.1- CALDEIRA AQUATUBULAR DE GRANDE PORTE

O vapor produzido nos tubos vaporizadores sobem pelos tubos até o tubulão superior onde é acumulado

quecedor para ser distribuído ,a água é alimentada no tubulão superior e por

gravidade desce para o tubo inferior que alimenta os tubos vaporizadores .

Estas caldeiras ,as do tipo compacta pode produzir vapor até 45 kgf/cm² e 120 tv/h , já as de grande

pressões de 150 a 200 kgf/cm² e mais de 750 tv/h

superaquecimento de 450 a 500°C .

CALDEIRA AQUATUBULAR DE GRANDE PORTE

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O vapor produzido nos tubos vaporizadores sobem pelos tubos até o tubulão superior onde é acumulado

quecedor para ser distribuído ,a água é alimentada no tubulão superior e por

Estas caldeiras ,as do tipo compacta pode produzir vapor até 45 kgf/cm² e 120 tv/h , já as de grande

mais de 750 tv/h e temperaturas de

FIG.V.3.2.2- CALDEIRA AQUATUBULAR COMPACTA( CORTE TRIDIMENSIONAL)

3.4- CALDEIRAS ELÉTRICAS

As caldeiras elétricas podem ser construídas segundo princípios de :resistores , eletrodos submersos de

baixa tensão ,eletrodos submersos de alta tensão , e eletrodos jateados .

3.4.1- CALDEIRAS A RESISTORES

No caso de resistores , o funcionamento é semelhante ao chuveiro ou aquecedor doméstico, onde em

um vaso encontram-se os elementos do tipo tubular blindado imersos em água ,qu

energizados aquecem a água até a ebulição ; neste tipo de caldeira elétrica

risco de queima dos elemetos .Capacidades até aproximadamente 1000 kgv/h e 8,0 kgf/cm²

220V até 440 V(CA) .Veja FIG. V- 3.4.1

CALDEIRA AQUATUBULAR COMPACTA( CORTE TRIDIMENSIONAL) - ILUSTRAÇÃO

As caldeiras elétricas podem ser construídas segundo princípios de :resistores , eletrodos submersos de

ersos de alta tensão , e eletrodos jateados .

No caso de resistores , o funcionamento é semelhante ao chuveiro ou aquecedor doméstico, onde em

se os elementos do tipo tubular blindado imersos em água ,qu

energizados aquecem a água até a ebulição ; neste tipo de caldeira elétrica não pode faltar

Capacidades até aproximadamente 1000 kgv/h e 8,0 kgf/cm²

3.4.1

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ILUSTRAÇÃO

As caldeiras elétricas podem ser construídas segundo princípios de :resistores , eletrodos submersos de

No caso de resistores , o funcionamento é semelhante ao chuveiro ou aquecedor doméstico, onde em

se os elementos do tipo tubular blindado imersos em água ,que ao serem

não pode faltar água ,sob

Capacidades até aproximadamente 1000 kgv/h e 8,0 kgf/cm² tensões de

FIG.V- 3.4.1- CALDEIRA A RESISTORES

3.4.2- CALDEIRAS A ELETRODOS SUBMERSOS DE BAIX

Estas caldeiras são montadas na vertical , constituidas de um vaso maior o qual possui em seu interior

um vaso menor situado na parte superior.Nes

submersos em água ,cujo nível é regulado segundo a necessidade de produção,de forma a cobrir maior

ou menor parte dos eletrodos . Na parte inferior da caldeira é carregada água ,de onde uma bomba

manda para o vaso superior de vaporização passando por uma válvula de controle.

Capacidade até aproximadamente 1500kgv/h e 15,0 kgf/cm².,voltagem de 220 a 440

FIG.V-3.4.2-VISTA EM CORTE - CALDEIRA A ELETRODOS SUBMERSOS

CALDEIRA A RESISTORES

CALDEIRAS A ELETRODOS SUBMERSOS DE BAIXA TENSÃO

Estas caldeiras são montadas na vertical , constituidas de um vaso maior o qual possui em seu interior

um vaso menor situado na parte superior.Nesse vaso são montados três eletrodos os quais ficam

submersos em água ,cujo nível é regulado segundo a necessidade de produção,de forma a cobrir maior

ou menor parte dos eletrodos . Na parte inferior da caldeira é carregada água ,de onde uma bomba

ra o vaso superior de vaporização passando por uma válvula de controle.

Capacidade até aproximadamente 1500kgv/h e 15,0 kgf/cm².,voltagem de 220 a 440

CALDEIRA A ELETRODOS SUBMERSOS -BT

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Estas caldeiras são montadas na vertical , constituidas de um vaso maior o qual possui em seu interior

se vaso são montados três eletrodos os quais ficam

submersos em água ,cujo nível é regulado segundo a necessidade de produção,de forma a cobrir maior

ou menor parte dos eletrodos . Na parte inferior da caldeira é carregada água ,de onde uma bomba

Capacidade até aproximadamente 1500kgv/h e 15,0 kgf/cm².,voltagem de 220 a 440 V (CA)

3.4.3-CALDEIRAS A ELETRODOS SUBMERSOS DE ALTA TENSÃO

Também montada na vertical ,onde tres eletrodos e contra eletrodos são instalados espaçados em 120° .

Os bornes de conexão situam-se no topo do vaso ,bem como os moto

contra-eletrodos são soldados inter

um bocal para circulação forçada de água por baixo de cada eletrodo para remover o vapor

formado,caso contrário o vapor acumulado impedirá o funcionamento

a circulação natural é suficiente .Capacidade

pressões 25,0 kgf/cm².

FIG.V-3.4.3-VISTA EM CORTE

BMERSOS DE ALTA TENSÃO

Também montada na vertical ,onde tres eletrodos e contra eletrodos são instalados espaçados em 120° .

se no topo do vaso ,bem como os moto-reguladores de produção .

eletrodos são soldados internamente no costado do vaso para fechar o circuito ,dispõem ainda

um bocal para circulação forçada de água por baixo de cada eletrodo para remover o vapor

formado,caso contrário o vapor acumulado impedirá o funcionamento ; em caldeiras de menor potência

Capacidade desde 2300V (CA) até 20 kV (CA) produções até 20 tv/h e

VISTA EM CORTE -CALDEIRA A ELETRODOS SUBMERSOS DE ALTA TENSÃO

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Também montada na vertical ,onde tres eletrodos e contra eletrodos são instalados espaçados em 120° .

reguladores de produção . Os

namente no costado do vaso para fechar o circuito ,dispõem ainda

um bocal para circulação forçada de água por baixo de cada eletrodo para remover o vapor

; em caldeiras de menor potência

desde 2300V (CA) até 20 kV (CA) produções até 20 tv/h e

SUBMERSOS DE ALTA TENSÃO

3.4.4-CALDEIRAS A ELETRODOS JAT

Neste caso os eletrodos são unidos por meio de uma coluna de água em vez de submersos na água;no

centro da caldeira na parte alta tem um distribuidor de água de onde partem os jatos que atingem os

eletrodos e escorrem para baixo fechando o circuito com o contra

ela passa do eletrodo para o contra

quantidade de água jorrada nos eletrodos ,que pode ser feita subindo ou descendo o nível do

central ,ou aumentando ou diminuindo o número de tubeiras descobertas . Capacidade desde 3,8 kV até

25 kV (CA) produzindo até 100tv/h com até 35 kg/cm² de pressão .

FIG.V-3.4.4 – VISTA EM CORTE -CALDEIRA A ELETRODOS JATEADOS

3.5- CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES

Em todos os geradores de vapor,o controle de nível de água é muito importante para a eficiência e

segurança do processo ,entretanto no caso de caldeiras elétricas a eletrodo a falta de água não

nenhum problema grave , apenas a caldeira deixa de funcionar,mas no caso de caldeira a resistores a

falta de água provocará a queima dos mesmos.

A reposição de água ocorre de forma automática ,sendo controlado o nível por meio sistema de

instrumentos que medem as variáveis envolvidas

caldeiras de grande porte e comandam as válvulas de controle das vazões de água e vapor ,mantendo o

CALDEIRAS A ELETRODOS JATEADOS (OU ASPERGIDOS)

Neste caso os eletrodos são unidos por meio de uma coluna de água em vez de submersos na água;no

centro da caldeira na parte alta tem um distribuidor de água de onde partem os jatos que atingem os

chando o circuito com o contra-eletrodo .A água é energizada quando

ela passa do eletrodo para o contra-eletrodo gerando o vapor .A produção é regulada segundo a

quantidade de água jorrada nos eletrodos ,que pode ser feita subindo ou descendo o nível do

central ,ou aumentando ou diminuindo o número de tubeiras descobertas . Capacidade desde 3,8 kV até

25 kV (CA) produzindo até 100tv/h com até 35 kg/cm² de pressão .

LDEIRA A ELETRODOS JATEADOS

CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES

Em todos os geradores de vapor,o controle de nível de água é muito importante para a eficiência e

segurança do processo ,entretanto no caso de caldeiras elétricas a eletrodo a falta de água não

nenhum problema grave , apenas a caldeira deixa de funcionar,mas no caso de caldeira a resistores a

falta de água provocará a queima dos mesmos.

A reposição de água ocorre de forma automática ,sendo controlado o nível por meio sistema de

que medem as variáveis envolvidas : nível de água ,vazão de vapor ,vazão de água

caldeiras de grande porte e comandam as válvulas de controle das vazões de água e vapor ,mantendo o

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Neste caso os eletrodos são unidos por meio de uma coluna de água em vez de submersos na água;no

centro da caldeira na parte alta tem um distribuidor de água de onde partem os jatos que atingem os

.A água é energizada quando

eletrodo gerando o vapor .A produção é regulada segundo a

quantidade de água jorrada nos eletrodos ,que pode ser feita subindo ou descendo o nível do distribuidor

central ,ou aumentando ou diminuindo o número de tubeiras descobertas . Capacidade desde 3,8 kV até

Em todos os geradores de vapor,o controle de nível de água é muito importante para a eficiência e

segurança do processo ,entretanto no caso de caldeiras elétricas a eletrodo a falta de água não traz

nenhum problema grave , apenas a caldeira deixa de funcionar,mas no caso de caldeira a resistores a

A reposição de água ocorre de forma automática ,sendo controlado o nível por meio sistema de

nível de água ,vazão de vapor ,vazão de água nas

caldeiras de grande porte e comandam as válvulas de controle das vazões de água e vapor ,mantendo o

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nível no valor programado ;o sistema mais comum faz a reposição da água apenas pela medição do

nível.A água de reposição deve ser de boa qualidade para evitar danos ao equipamento ,bem como evitar

a formação de espumas que pode resultar em arraste de água para as linhas de vapor ,o que é

sobremaneira indesejável, devido contaminações ,perda de eficiência na transferência de calor para o

processo e corrosão-erosão das tubulações .

No caso de caldeiras elétricas a eletrodos submersos de alta tensão a condutividade elétrica da água deve

ser bastante reduzida da ordem de 75 a 150 microsiemens/cm no interior da caldeira,as de baixa tensão

até 1500 microsiemens/cm ,e aspergidos de 500 a 2500 microsiemens/cm .

Apesar da água ser préviamente tratada ,usualmente é feito adições de condicionantes (tratamento

interno )no interior da caldeira para prevenir corrosão ,incrustações ,espumas etc.,assim sendo é de

praxe dar purgas de fundo para remoção de material precipitado ou desconcentrar sólidos dissolvidos

,devido a vaporização .

Essas purgas ,podem ser contínuas ou intermitentes ,segundo a qualidade da água ,mesmo havendo uma

purga contínua ,deve-se proceder a purga periódica para a extração de precipitados ,isto porque a

contínua serve apenas para desconcentrar os sólidos dissolvidos.

3.6 - TRATAMENTO INTERNO DE ÁGUA EM CALDEIRAS O tratamento interno da água de caldeira por meio de compostos químicos foi o primeiro método utilizado para corrigir as impurezas provenientes da água de alimentação,tendo nos dias de hoje uma ntensa aplicação. Para este propósito, emprega-se uma grande variedade de substâncias de composições diferenciadas, tendo em vista retardar o efeito da corrosão, incrustação e possíveis arraste e espumação nos equipamentos. TABELA - CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS CALDEIRAS SEGUNDO A CAPACIDADE PRESSÃO Caldeira kgf/cm2 psi Baixa pressão 7 - 28 100 - 400 Média pressão >28 - 57 > 400 - 800 Alta pressão >57 - 212 > 800 - 3.000 Pressão supercrítica > 212 > 3.000 FONTE: Davino F. Santos Filho (1976) O tipo de tratamento a ser adotado depende das características da água que vai ser injetada na caldeira e da pressão de trabalho. Os tipos de tratamento usados para águas de caldeiras de baixa e média pressão são os seguintes: tratamento convencional, com quelatos, com polímeros e conjugado. 3.6.1 – PREVENÇÃO DE INCRUSTAÇÕES 3.6.1.2 - Tratamento Convencional O tratamento convencional para abrandamento da dureza consiste basicamente no uso de fosfatos, álcalis, colóides e dispersantes. A função dos fosfatos na água da caldeira é de evitar incrustações devidas ao cálcio e ao magnésio, sendo que o composto mais utilizado para realizar esta precipitação é o fosfato trissódico. Podem ser usados ainda o fosfato dissódico, monossódico, metafosfato de sódio, ácido fosfórico e polifosfatos. Deve-se manter ajustada a alcalinidade da água através da soda cáustica, para amolecer a borra e os depósitos existentes no interior da caldeira. Além disto sabe-se que em certas caldeiras que operam abaixo de 57 kgf/cm2, certa concentração de alcalinidade protege o aço, pois a reação entre o vapor e o aço é controlada pelo pH do meio.

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As reações formadas segundo o tratamento convencional são: 2Na3PO4 + 3CaCO3 -����Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 A provável fórmula molecular do precipitado de cálcio é 3Ca3(PO4)2Ca(OH)2, que é denominada hidroxiapatita. 2Na2HPO4 + 2NaOH + 3CaCO3 ----------�Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 + 2H2O (dissódico) 2NaH2PO4 + 4NaOH + 3CaCO3 ----------�Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 + 4H2O (monossódico) 2NaPO4 + 4NaOH + 3CaCO3 ----------�Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 + 2H2O ( metafosfato) 2H3PO4 + 6NaOH + 3CaCO3 ----------�Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 + 6H2O 2Na3PO4 + 2NaOH + 4MgCl2 ----------�Mg3(PO4)2 . Mg(OH)2 + 8NaCl (trissódico) 2Na3PO4 + 2NaOH + 4Mg(HCO3)2----� Mg3(PO4)2 . Mg(OH)2 +8NaHCO3 Caso a água de alimentação da caldeira possua um teor baixo de sílica, os fosfatos reagirão com o magnésio formando o composto Mg(PO4)2Mg(OH)2 que é mais aderente que o 3MgO . 2SiO2H2O, conhecido por serpentita. Para a formação de serpentita usa-se silicatos de sódio nas águas, mas estes devem ser adequadamente calculados para que não ultrapassem o valor máximo estipulado. O tratamento convencional é muitas vezes coadjuvado por agentes dispersantes,que são polímeros de origem natural ou sintética, como por exemplo: o tanino, o amido, acarboximetilcelulose, poliacrilatos, entre outros. Quando isto ocorre temos um tratamento dito conjugado. Os agentes dispersantes quando usados em água de caldeira tem a função de dispersar a borra (lodo) formada devido a precipitação dos sais de cálcio e magnésio, a qual dispersa tem menor tendência a aderir as partes metálicas da caldeira. Esta borra é retirada da caldeira por meio de descargas de fundo;este tipo de tratamento bem conduzido produz bons resultados . 3.6.1.3 - Tratamento com Quelatos O tratamento à base de quelatos difere do tratamento convencional para prevenção de incrustações nos tubos da caldeira. Este tipo de tratamento visa complexar os íons cálcio e magnésio e não precipitar como no tratamento convencional, formando compostos solúveis e impassíveis de sofrer incrustações nas condições de operação. Os compostos pertencentes ao grupo dos quelatos utilizados em tratamento de água de caldeira são o etileno diamino tetracetato de sódio (Na4EDTA) e o sal sódico de nitrilo acidotriacético (Na3NTA). O agente quelante NTA é mais estável que o EDTA em altas temperaturas, tornando o seu controle mais facilitado. A formação dos complexos neste tratamento é devida a um tipo especial de ligação química, onde o íon metálico é preso dentro da estrutura do complexo Na4EDTA. O agente quelante atua como um sequestrante, captando o íon metálico que é dito sequestrado. O tratamento químico baseado nos quelatos emprega os seguintes produtos: EDTA ou NTA, fosfatos, soda cáustica, sulfito de sódio e anti-espumantes. Os compostos solúveis formados pelos quelantes perdem suas atividades químicas e podem ser facilmente eliminados pelas descargas de fundo. Como os quelatos produzem complexos solúveis, a quantidade de depósitos na caldeira é pequena, isto faz com que se dispense o uso de dispersantes. Quando utilizados os quelatos devem ser alimentados em águas livres de oxigênio, pois sabe-se que 1 ppm de oxigênio dissolvido inativa de 50 a 100 ppm de quelato, tornando o tratamento químico inviável. O residual de quelato na água de alimentação deve ficar em torno de 5 a 15 ppm, sendo que para o tratamento ser eficiente esta água deve apresentar uma dureza total de no máximo 5 ppm. No tratamento químico à base de quelatos deve ser cuidadosamente observada a concentração do mesmo na água da caldeira, porque quando em excesso os quelantes podem causar corrosão no metal formando um complexo com o óxido de ferro (magnetita),dissolvendo-o. Os quelatos se usados de maneira adequada mostram-se efetivos na manutenção de equipamentos e na remoção de depósitos já existentes no interior da caldeira.

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3.6.1.4 - Tratamento com Polímeros O tratamento à base de polímeros foi proposto recentemente para tratar águas de caldeiras de baixa e média pressão. Os polímeros são usados como inibidores de incrustação e dispersantes, possuem uma atuação diferenciada dos quelatos, pois não sequestram os íons cálcio e magnésio presentes na água. Para evitar incrustação os polímeros devem reagir com a matéria incrustante, penetrando nos seus espaços intercristalinos formando uma estrutura distorcida e de forma irregular. A tensão criada pelas distorções na estrutura do cristal evitam que ocorram fixações, aderência, na superfície dos tubos da caldeira;cada polímero deve ser estudado a fim de que realize uma função específica dentro do tratamento químico. Polímeros carboxifosfônicos - são uma classe de polímeros inibidores de incrustações de alto desempenho ,bastante estáveis as temperaturas mais elevadas,exercendo também ação inibidora de corrosão preservando os depósitos de óxido de ferro protetores ( óxido férrico gama =magnetita) pela formação de fosfonatos sobre as partículas ;também seqüestram cátions Fe,Cu, e Zn .Exemplos desses compostos : ácido aminoetilenofosfônico –AEP e aminotrimetilenofosfônico – ATMP . Quando as partículas presentes na água possuem carga elétrica de mesma natureza ocorre o fenômeno da dispersão;para a função de dispersante geralmente usa-se um polímero de baixo peso molecular e para o controle de agentes incrustantes usa-se polímeros com elevado número de carboxilas. Polímeros sintéticos como os poliacrilatos e os copolímeros do ácido maleico-estireno são usados para evitar incrustações. Como vimos cada polímero exerce uma função específica no tratamento de água para caldeiras, portanto não existe um composto que sirva ao mesmo tempo como dispersante e como inibidor de incrustação. Fica evidenciado que para termos um tratamento adequado à base de polímeros devemos usar dois ou mais tipos de compostos. A concentração de um polímero na água de alimentação da caldeira deve ficar entre 2 a 15 ppm. O valor de pH deve ser ajustado na faixa de 10 a 12, com o uso de NaOH, e ainda deve utilizar sulfito de sódio ou hidrazina como auxiliar no tratamento. Para caldeiras que operam acima de 100 kgf/cm2, não é recomendável o uso de polímeros,pois eles se decompõem deixando uma certa quantidade de carbono na água da caldeira, o que pode acarretar danos ao equipamento. 3.6.1.5 - Tratamento Conjugado O tratamento químico é dito conjugado quando usa-se um quelato ou fosfato junto com polímeros na água da caldeira. A concentração e o tipo de composto químico a ser usado dependerá do problema verificado na caldeira, pois o tratamento conjugado geralmente é utilizado quando o método anterior não demonstrou eficiência. As borras anteriormente formadas bem como os depósitos encontrados devem sofrer um estudo minucioso para que se possa encontrar um quelato ou fosfato adequado a auxiliar o polímero na solução do problema observado no gerador de vapor. 3.6.2 - PREVENÇÃO DA CORROSÃO Um processo de corrosão em caldeiras pode ser observado nas mais diversas formas, como foi citado anteriormente. Porém nota-se que as principais causas de corrosão em sistemas geradores de vapor são devidas ao oxigênio e ao gás carbônico, quando estes encontram-se dissolvidos na água da caldeira. Além da presença desses gases dissolvidos se o pH da água estiver abaixo de 10 o processo corrosivo pode ser facilitado. Quanto menor for o valor do pH da água, maior será a concentração de íons hidrogênio, e consequentemente maior será a possibilidade da corrosão aparecer sobre a tubulação. Com o uso de álcalis pode-se controlar o pH da água das seções pré-caldeira, caldeira e pós-caldeira, evitando assim a corrosão. Dependendo da pressão de trabalho da caldeira escolhe-se o tipo de alcalinizante a ser usado no tratamento químico.

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3.6.2.1 - Controle da acides com aminas voláteis O uso de soda cáustica para caldeiras com pressões acima de 800PSI,torna a água corrosiva,isto pelo fato do carbonato de sódio resultante da neutralização ,ao ser aquecido no interior da caldeira ,regenera a soda que aí se concentra atacando o óxido protetor –Fe3O4- ( corrosão cáustica) e o CO2 que segue com o vapor acidifica o condensado que retorna ;então nesses casos usa-se compostos voláteis que controlarão a corrosão. Tal função é exercida pelas aminas, sendo que as mais empregadas são a cicloexilamina ,dimetilamina e a morfolina. A morfolina possui um melhor fator de distribuição, enquanto que a cicloexilamina volatiliza dentro da caldeira junto com o vapor, neutralizando o CO2 do condensado presente na rede. C6H11NH2 + CO2 + H2O-���� C6H11NH3-HCO3 A reação de neutralização do CO2 pela morfolina é dada por: C4H9NO + CO2 + H2O---���� C4H10NO-HCO3 Quando usa-se aminas para o tratamento da seção pós-caldeira, deve-se cuidar para que o vapor gerado não contate diretamente com produtos alimentícios. *Aminas fílmicas - aminas, como por exemplo a octadecilamina, são usadas como inibidores de corrosão, pois formam filmes resistentes que repelem a água não deixando que ocorra o contato com o metal, e assim não causando o processo corrosivo. A formação do filme inibidor pela octadecilamina se dá por adsorção e a solubilidade da C18H37NH2 em água a 20°C é de 1 mg/l,sendo dosada na proporção de 1 a 3 ppm. *Desaeração - no combate aos gases dissolvidos pode-se mencionar o uso de desaeradores, equipamentos auxiliares ao tratamento químico, que reduzem o teor destes gases na água de alimentação. 3.6.2.2 – Controle do oxigênio A remoção química do oxigênio dissolvido é dada pelo uso do sulfito de sódio ou da hidrazina. A velocidade de reação das substâncias com o oxigênio a baixa temperatura pode ser catalizada através do uso de sais de cobalto ou compostos orgânicos. . Tratamento com Sulfito de Sódio A reação ocorrida entre o oxigênio e o sulfito de sódio é a seguinte: Na2SO3 + ½ O2-���� Na2SO4 Ocorre a formação de sulfato de sódio, que é um composto solúvel;em temperaturas superiores a 95°C a reação acontece em alta velocidade. Em caldeiras que operam acima de 40 kgf/cm2, a altas temperaturas, pode ocorrer a decomposição do sulfito gerando dióxido de enxofre e ácido sulfídrico, os quais são extremamente corrosivos. Na2SO3 + H2O-���� 2NaOH + SO2 4Na2SO3 + 2H2O���� 3Na2SO4 + 2NaOH + H2S Quando há produção de SO2, este se dissolve no condensado formando ácido sulfuroso, que abaixa o pH, tornando o meio corrosivo para o metal. SO2 + H2O -����H2SO3

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Nota-se que a utilização de sulfito de sódio na água da caldeira como captador de oxigênio deve ser bem equilibrada pois aumenta o ter de sólidos na água, e que em caldeiras que operam a uma pressão superior a 40 kgf/cm2 o seu uso é desaconselhável. . Tratamento com Hidrazina A reação da hidrazina com o oxigênio é dada por: N2H4 + O2--���� 2H2O + N2 Sabe-se que a reação acima ocorre instantaneamente em temperaturas acima de 150°C e observa-se que existe aumento de sólidos na água da caldeira. A hidrazina possui um poder redutor, transforma o Fe2O3 em Fe3O4 (óxido preto de ferro) que age como protetor. O fenômeno pode ser observado também para o cobre onde o CuO transforma-se em Cu2O. As reações envolvidas são: 6Fe2O3 + N2H4 ----����4 Fe3O4 + N2 + 2H2O 4CuO + N2H4-----���� Cu2O + N2 + 2H2O Em temperaturas acima de 200°C a hidrazina pode se decompor em amônia: 3N2H4 ------����4NH3 + N2 Na caldeira deve-se manter praticamente nulo o teor de hidrazina e esta deve ser controlada na água de alimentação. . Inibidores de corrosão São compostos adicionados á água de caldeiras com a finalidade de reduzir ou eliminar a corrosão do metal do lado da água ;agem por quimisorção ,formação de película ou combinados .São classificados conforme o princípio de atuação(polarização),podendo ser catódicos ou anódicos . Catódicos – formam compostos com o cálcio e zinco presentes ou adicionados à água ,formando uma película no cátodo a qual barra o contato do oxigênio com o metal,exemplos : polifosfatos,fosfonatos e ésteres fosfóricos . Anódicos – agem interferindo na formação do produto de corrosão do ferro , transformando o óxido de ferro alfa =hematita ,poroso ,fraco e pouco aderente para óxido férrico gama=magnetita ,resistente ,sem porosidade ,muito aderente e mal condutor de íons,exemplos : cromatos,nitritos molibdatos,ortofosfatos,benzoatos ,silicatos . 3.6.2.3 - Prevenção do Arraste e da Espumação Anteriormente foi visto que o arraste pode ser causado por razões mecânicas ou químicas, acarretando uma série de danos. Ao tentar solucionar o problema deve-se saber que o tratamento químico não corrige problemas de arraste mecânico, pois estes são devidos a falhas no projeto do gerador de vapor. Para eliminar o arraste pode ser usado um mecanismo de separação vapor-água, e deve-se manter o nível da água da caldeira controlado pelo visor e evitar o excesso de produção de vapor. Para evitar a espumação deve-se diminuir a concentração dos sólidos dissolvidos,sólidos em suspensão, alcalinidade cáustica e matérias orgânicas na água da caldeira por meio de descargas de fundo. Pode-se usar um anti-espumante a base de silicones ,poliamidas,polialquilenoglicóis ou alcoóis de cadeias longas principalmente quando a água contiver óleos, graxas ,detergentes, etc.

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PARÂMETROS UNIDADE LIMITES –ÁGUA NO INTERIOR DE CALDEIRAS(TÍPICO) Condutibilidade microsiemens < 3.500 Acidez PH 10,5 - 11,5 Dureza Total ppm (CaCO3) < 15 Alcalinidade total ppm ( CaCO3) < 450 Alcalinidade OH. ppm ( CaCO3) 150 - 250 Cloretos ppm (Cl ) < 300 Fosfatos ppm ( PO4) 10 - 40 Sulfitos ppm ( SO3) 10 - 30 Sílica ppm (SiO2) < 150 Sólidos Totais Dissolvidos ppm < 300 Oxigênio Livre ppm Zero

3.5.1- DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR E RETORNO DE CONDENSADO

O vapor produzido e acumulado no interior de um gerador de vapor é descarregado para o sistema de

consumo(rede geral) através de uma válvula mestra ,normalmente do tipo globo.Nos caso onde se utiliza

vapor superaquecido,antes de sair para a rede geral o vapor passa por equipamentos chamados

superaquecedores ,os quais irão fornecer energia adicional.

. Linha de distribuição de vapor

Toda linha de distribuição de vapor deve ser bem isolada térmicamente em toda a sua extensão para

atenuar as perdas por irradiação,que resulta em prejuízo econômico ,pois o calor perdido representa

energia elétrica , combustível gasto inútilmente;mesmo assim ,pequenas perdas acontecem em grandes

percursos,formando condensado que fica depositado na parte inferior da tubulação,principalmente no

caso de vapor saturado.Êsse acúmulo é bastante prejudicial ,devido as altas velocidades do vapor que

pode variar 15 a 50 m/s,provocando o arraste do líquido que causa abrasão na tubulação ,sendo mais

acentuado o efeito nas mudanças de direção , e na parte interna de válvulas ,além de forte trepidação

da linha .O resultado é linhas furando constantemente ,válvulas que não vedam ,com prejuízo na certa,

devido as perdas ,paradas no processo e gastos com manutenção.

Esses transtornos devem ser minimizados ,fazendo montagem das tubulações com 0,5 % inclinação no

sentido do fluxo do vapor, com trechos de 30 a 50 m ,e aí instalando-se um poço para drenagem de

condensado ,uma linha de descida com separador e purgador para descarregá-lo.

. Linha de retorno de condensado

As linhas de retorno de condensado também devem ser bem isoladas , e de diâmetro compatível para

dar bom escoamento; assim economiza-se energia na caldeira ,pois quanto mais quente o condensado

estiver , menos calor sensível será consumido para vaporizá-lo .

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3.6 -CÁLCULOS EM GERAÇÃO DE VAPOR ( TABELA DE VAPOR SATURADO NA PÁGINA 93) 1 - Determinação da produção de vapor em Kgv/h Wc . PCI . η Wv=------------------------- onde : Wv - produção de vapor em Kgv/h hv – ha Wc - massa de combustível queimado em Kg/h PCI –Poder calorífico inferior do combustível em Kcal/Kg hv - Entalpia do vapor em Kcal/Kg ha – Entalpia da água de alimentação Kcal/Kg η - Rendimento da caldeira (em centesimal ) EXEMPLO : . Calcule a produção de vapor em Kgv/h para uma caldeira a combustível conforme dados a seguir: Combustível consumido - 1250 Kg/h Poder calorífico - 9750 Kcal/Kg Pressão do vapor - 8 Kgf/cm² temp. da água - 70°C rendim. 97,5 % 1250 . 9750 . 0,975 11882812,5 Wv=-------------------------------=---------------------= 20072,3 Kgv/h 662 – 70 592 2 - Determinação do rendimento ou eficiência da caldeira (η ) Wv . ( hv – ha) η = ------------------------- . 100 η - Rendimento em % ( porcentagem ) Wc . PCI demais termos já definidos EXEMPLO : Calcule o rendimento de uma caldeira a combustível conforme dados abaixo : Produção de vapor - 22540 Kgv/h Pressão 10 Kgf/cm² temp. da água 85 °C Massa de combustível consumido - 1400 Kg/h Poder calorífico - 9800 Kcal/Kg 22540 .( 664 – 85) 22540 . 579 13050660 η=-------------------------------- . 100 =-------------------------- 100 = ------------------------ . 100 = 95,12 % 1400 . 9800 13720000 13720000

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3 - Determinação do consumo de combustível (kg/h) em caldeiras Wv . ( hv – ha ) Wc=--------------------- Termos já definidos PCI . η EXEMPLO : Calcule qual será o consumo de combustível em Kg/h para uma caldeira na produção de vapor conforme dados abaixo : Produção de vapor - 6500 Kgv/h pressão - 8 Kgf/cm² temp. da água - 60 ºC Poder calorífico - 9700 Kcal/Kg rendimento - 96, 5 % 6500 . (662 – 60 ) 6500 . 602 3913000 Wc=----------------------------------=-----------------=------------------= 418,0 Kg/h combustível 9700 . 0,965 9360,5 9360,5 4 - Determinação da produção de água quente (Kg/h) em aquecedor elétrico P . 860 . η Waq =----------------------- Onde : Waq – massa de água quente produzida em Kg/h C . ( ts – te ) P - Potência elétrica consumida em Kwh C - calor específico da água ts - temperatura de saída da água te - temperatura de entrada da água η - rendimento ou eficiência em centesimal 860 – constante ( 860 kcal/ Kwh ) EXEMPLO : Calcule a produção de água quente em Kg/h para um aquecedor elétrico conforme dados a seguir : Potencia consumida - 1500 Kwh temp.entrada da água - 25 °C temp. saída 95 °C Eficiência - 98,5 % c . específico da água - 1 Kcal/Kg/°C 1500 . 860 . 0,985 1270650 Waq=-----------------------------=----------------= 18152 Kg aq/h 1 . ( 95 - 25 ) 70

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5 - Determinação da produção de vapor (Kg/h) em caldeira elétrica P . 860 . η Wv =---------------- Termos já definidos hv – ha EXEMPLO: Calcule a produção de em Kgv/h para uma caldeira elétrica conforme dados abaixo: Potencia consumida - 1650 Kwh Pressão do vapor - 15 Kgf/cm² Temp. da água alimentada - 70 °C Rendimento da caldeira - 98,5 % 1650 . 860 . 0,985 1397715 Wv=--------------------------------=-----------------= 2341,2 Kgv/h 667 – 70 597 6- Determinação do consumo (Kwh) em aquecedores Waq .c .( ts- te) P =-----------------------------( para aquecimento de água) 860 . η Obs : aplicável também para outros líquidos conhecendo-se o calor específico . EXEMPLO : Calcule o consumo de energia (Kw/h ) para o aquecimento de água conforme dados abaixo: Volume a ser aquecido - 25 m3/h temp. ent. 20°C temp. saída - 85°C Rend.– 98% 25000 .1 . (85- 20) 25000 . 65 1625000 P =--------------------------------=---------------------=---------------= 1928 Kwh 860 . 0,98 842,8 842,8

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7- Determinação do consumo de energia(kwh) em caldeiras elétricas Wv . (hv – ha ) P =------------------ 860 . η EXEMPLO: Calcular o consumo de energia em (Kwh) para produção de vapor conforme dados abaixo : Produção de vapor - 5400 Kgv/h pressão - 10 Kgf/cm² rendimento - 98% Temperatura da água alimentada – 85 °C 5400 .( 664 – 85) 5400 . 579 3126600 P = ------------------------------=-----------------=---------------= 3709,77 Kwh 860 . 0,98 842,8 842,8

TABELA DE VAPOR SATURADO

TABELA DE VAPOR SATURADO

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4 - RESFRIAMENTO DE LÍQUIDOS – PROCESSOS EM BAIXAS TEMPERATURAS 4.1- INTRODUÇÃO Em muitas industrias de processos químicos faz-se necessário condicionar o processo a baixas temperaturas para elaboração de um produto,ou conduzir determinadas reações químicas. Normalmente essas temperaturas situam-se abaixo da temperatura ambiente ,consideradas frigoríficas com valores desde 15°C até abaixo de 0 °C ,sendo necessário operar com fluidos gelados . O resfriamento convencional com torres de resfriamento ou radiadores atmosféricos são incapazes de satisfazer essa condição,conseguindo resfriar a água a uns 5 ~7°C abaixo da temperatura ambiente,na média . 4.2- RESFRIADORES PARA ÁGUA GELADA A água gelada pode ser produzida no próprio setor de processo empregando-se equipamentos compactos chamados “chillers” (Veja FIG.V-4.1 E 4.2),para o caso de pequena demanda ;quando a demanda é considerável ,com vários setores consumidores ,é recomendado a instalação de uma central de refrigeração de grande porte capaz de suprir toda a demanda por meio de linhas de distribuição e retorno . A água gelada normalmente atende até temperaturas 5°C ,para temperaturas menores são utilizadas salmouras ou fluidos anticongelantes (glicóis,etanol) . As salmouras são bastante eficientes e de baixo custo ,porém são corrosivas ,necessitando de cuidados preventivos que incluem: manutenção de pH ligeiramente alcalino (7,5 – 8,0) ,evitar aeração ( a absorção de oxigênio aumenta a corrosividade) mantendo a salmoura sempre isolada do ar ambiente ,adição de anti-corrosivo(inibidores ).As salmouras mais usadas são de NaCl concentrações desde 5 % até 23 % em peso com ponto de congelamento – 21,1 °C ;e CaCl2 desde 5 % até 29,5 % com ponto de congelamento a – 50°C. Os fluidos orgânicos ,custam mais caros ,são tóxicos (glicóis) e menos corrosivos com boa capacidade térmica ,condutividade e baixo ponto de congelamento. Por exemplo o etilenoglicol ,pode ser utilizado em solução aquosa com concentrações desde 16 % em volume com ponto de congelamento a – 7% até 58% de concentração e ponto de congelamento – 58 °C ( fonte :Dow Química - ETILENOGLICOL- O fabricante recomenda dar 3°C para menos dos limites especificados como margem de segurança). 4.3-COMPONENTES BÁSICOS DE UMA INSTALAÇÃO FRIGORÍFICA PARA PRODUÇÃO DE FLUIDOS GELADOS

Uma instalação para a produção de água ou salmoura gelada requer essencialmente os seguintes

componentes : compressor para o gás refrigerante,condensador, evaporador , válvula de expansão,

acessórios ,instrumentação de controle .

. COMPRESSOR – é o coração do sistema ,sendo sua função baixar a pressão no evaporador,provocando

a vaporização do líquido refrigerante causando o resfriamento do fluido de utilidade ; ao mesmo tempo

aspira o gás evaporado , comprime e manda para o condensador para que novamente o gás seja

liquefeito .

. CONDENSADOR – pode ser do tipo resfriado a ar ou á água ,sendo o tipo casco-tubos resfriado á água o

mais usado,normalmente a água flui por dentro dos tubos ; nos resfriados a ar tipo radiador de colméia,

o gás refrigerante circula por dentro dos tubos aletados e o ar por fora impulsionado por ventilador.

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. EVAPORADOR – é o componente onde o gás refrigerante liquefeito vindo do condensador é vaporizado

;pode ser do tipo serpentina imerso em um tanque (cooler box) ,onde circula o fluido de utilidade ,ou

então um trocador casco-tubos ,o mais comum nos “chillers” ,onde o líquido refrigerante é vaporizado

por fora dos tubos e o fluido de utilidade circula por dentro.O seu funcionamento tem início com a

abertura de uma válvula (válvula de expansão) que libera a entrada do líquido refrigerante no evaporador

onde pela sucção do compressor a baixa pressão provoca a ebulição instantânea do líquido ,o que

absorve o calor do meio circundante ,em outras palavras ,produzindo o frio .O fluido de utilidades deve

circular contínuamente pelo sistema movimentado por bombas centrífugas .

. VÁLVULA DE EXPANSÃO – destina-se a liberar a entrada do líquido refrigerante ,de forma gradual

conforme a carga de calor a ser removida do sistema ,está instalada na entrada do evaporador e o seu

funcionamento é automático ,sendo comum o tipo de ação direta por bulbo de expansão termostática e

as por atuador solenóide .

.ACESSÓRIOS - são muitos,conforme a complexidade do sistema, filtros

manômetros,termômetros,visores, termostatos ,pressostatos,válvulas,sensores ,bombas ,painel de

controle .

FIG.V-4.1-CHILLER DE PEQUENO PORTE

FIG.V-4.2 –CHILLER DE GRANDE PORTE

FIG.V-4.3-ESQUEMA DE INSTALAÇÃO DE ÁGUA GELADA DE GRANDE PORTE

CHILLER DE GRANDE PORTE

ESQUEMA DE INSTALAÇÃO DE ÁGUA GELADA DE GRANDE PORTE

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5- RESFRIAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL

5.1- INTRODUÇÃO

Na grande maioria dos processos industriais há anecessidade de resfriamento de equipamentos e maquinaria em geral que geram uma certa quantidade de calor durante sua operação.O fluido geralmente utilizado para dissipar esse calor gerado é a água, devido às suas características físicas (alto calor especifico, baixa viscosidade, alta condutibilidade térmica e alta densidade), além da facilidade de obtenção e a sua atoxidade. Após sua utilização pode-se eliminar a água do sistema, ou então, resfriá-la e reaproveitá-la no sistema de resfriamento. Há tempos atrás era usual optar-se pela primeira alternativa, porém com a dificuldade crescente em obter-se água a custos reduzidos, e com maiores rigores nas leis que regem a poluição de mananciais, chegou-se à conclusão de que o uso de circuitos semi-fechados de resfriamento seria a melhor solução. Desta forma, dentre os vários processos de resfriamento de água existente, surgiu a TORRE DE RESFRIAMENTO DE ÁGUA. A torre de resfriamento é um equipamento que se utiliza processos de evaporação e transferência de calor para resfriar a água. Basicamente, as torres de resfriamento visam transferir ao ar o calor residual dos processos industriais, evitando inicialmente a poluição térmica e química dos cursos d'água e, em segundo lugar, possibilitando usar a mesma água em um ciclo quase fechado, economizando o líquido, que pode ser convenientemente tratado, a um custo menor. Num grande número de aplicações industriais, o calor de processo é removido usando torres de arrefecimento, nas quais a água quente da instalação é continuamente recirculada para ser resfriada usando o princípio do resfriamento evaporativo . O tipo mais comum de torre de arrefecimento, é aquele em que a temperatura da água circulante é reduzida colocando-a em contato direto com o ar; tais torres são chamadas torres de arrefecimento úmidas. 5.2- PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Uma torre de arrefecimento resfria a água fazendo-a entrar em contato com o ar resultando na evaporação de parte dessa água;na maioria das torres ,um ou mais propulsores ou ventiladores centrífugos movimentam o ar verticalmente para cima ou horizontalmente, através delas. A água quente vinda do processo,é pulverizada na parte superior da torre sobre todo o enchimento através de bicos distribuidores ou fazendo a água descer a torre de prateleira em prateleira ( ou chicanas). O arrefecimento é obtido parcialmente pela evaporação de uma fração da água de circulação e parcialmente pela transferência de calor sensível. 5.3- CONSIDERAÇÕES . Enchimento Como as torres geralmente estão separadas da instalação principal,elas são normalmente ignoradas até que uma crise ocorra. Para se resfriar uma mesma quantidade de água, pode-se gastar menos energia na torre, sendo que um dos itens que mais influenciam é o tipo de enchimento escolhido. Os enchimentos possuem diferentes áreas de troca térmica por unidade volumétrica , implicando em demandas de ar menores para o mesmo resfriamento, tendo como conseqüência menor trabalho para os ventiladores já que ele que impelirá a quantidade de ar exigida pelas condições específicas de uma operação a um menor custo. Uma torre de resfriamento de água é um equipamento de operação contínua que utiliza-se de transferência de massa e energia para resfriar a água;como essas transferências se processam através de superfícies, conclui-se que em uma torre de resfriamento deseja-se sempre a formação máxima de superfícies de água expostas ao ar, o que é conseguido através de: (a) borrifamento - para produzir gotículas; (b) enchimento: criam um filme ou gotas devido ao efeito do respingo.

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O enchimento de uma torre deve ser de baixo custo e de fácil instalação, devendo ainda promover uma quantidade adequada de transferência de calor, apresentar baixa resistência ao fluxo do ar e manter uma distribuição uniforme da água e do ar durante toda a vida útil do equipamento. O enchimento das torres de resfriamento são especialmente projetados para criar uma larga área superficial de contato entre as correntes de água e ar,a transferência de calor que ocorre depende dessa área superficial. Ele é classificado em dois tipos: (a) tipo respingo - exclusivo no uso em torre industrial, e encontrado também em outros tipos de torre; consiste de diferentes arranjos, dependendo do projeto da torre e do fabricante –(FIG.V- 5.2) b) tipo filme - mais indicado para unidades compactas ou pequenas torres comerciais.-(FIG.V-5.1)

FIG.V-5.1A – ENCHIMENTO TIPO FILME (DETALHES DOS FLUXOS)

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FIG.V- 5.1B- DETALHE DO ELEMENTO DE RECHEIO TIPO FILME E VISTA INTERNA DA TORRE

FIG.V- 5.2- ENCHIMENTO TIPO RESPINGO ( PLASTICO )

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FIG.V.-5.2A- ENCHIMENTO TIPO RESPINGOS COM PRANCHAS DE MADEIRA( DETALHE)

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. Temperatura de bulbo úmido

É essencial termos em mente as limitações de uma torre;a mínima temperatura de água resfriada que podemos conseguir com o equipamento é função direta das condições climáticas / ambientes. A mais importante variável é a temperatura do bulbo úmido, pois esta influi diretamente no tamanho da torre a ser selecionada. A temperatura do bulbo úmido nos dá a grosso modo, uma idéia de quanto calor o ar pode retirar de uma certa massa de água a ele exposta. Imaginemos um termômetro convencional de mercúrio com seu bulbo envolto por algodão embebido em água. Se fizermos o ar passar através desse bulbo, notaremos um abaixamento da temperatura marcada, pois há uma perda de energia no bulbo, equivalente ao calor latente de evaporação de uma parcela da água que envolve o bulbo do termômetro. Se a umidade relativa ambiente é de 100%, a temperatura do bulbo úmido é igual à temperatura do bulbo seco (ambiente), pois neste caso não há evaporação de água. Para umidades relativas mais baixas temos conseqüentemente bulbos úmidos mais baixos. Por esse motivo é que conseguimos águas resfriadas abaixo das temperaturas ambientes. O limite teórico de temperatura de água fria é a temperatura do bulbo úmido, porém na prática, recomenda-se uma folga de 3ºC, ou seja, se uma determinada região à temperatura de bulbo úmido é de 23ºC, a mínima temperatura de água fria deverá situar-se em torno de 26ºC. A temperatura de bulbo úmido afeta diretamente o tamanho da torre a ser selecionada. Esta deve ser escolhida de acordo com as maiores temperaturas verificadas na localidade da instalação durante os meses de verão. Observações de inúmeras torres em funcionamento tem revelado satisfatório o desempenho nas maiorias das aplicações em torres selecionadas com temperaturas de projeto de bulbo úmido, tais que somente são ultrapassadas durante 5% das horas dos quatro meses mais quentes do ano. Estas horas em que o bulbo úmido é ultrapassado, não necessariamente são consecutivas, e poderão ocorrer em vários períodos de curta duração. O efeito prejudicial dos picos de altas temperaturas de bulbo úmido pode ser amortecido por um maior montante de água no sistema.

. Qualidade da água

A água usada em sistemas de resfriamento,deverá receber tratamento químico para a preservação dos

equipamentos que a utilizam ,bem como para o bom funcionamento da próprio sistema da torre.

Devido a água estar exposta ao ambiente ,absorve gases ,poeiras diversas ,bactérias ,e sofre também

concentração de sólidos dissolvidos por causa das perdas por evaporação e por arraste; para evitar a

formação de depósitos ( foulling) no sistema ( torre,tubulações ,trocadores) a água deve receber

condicionantes químicos que atuam como dispersantes anti-incrustantes e fungicidas ,algicidas para

evitar crescimento de microrganismos .Essas concentrações de sólidos dissolvidos devem ser mantidas

dentro dos limites de solubilidade para evitar a formação de incrustações,por isso é muito importante a

purga periódica de água do sistema e a reposição de água pré-tratada ; embora poucas empresas

adotem, uma filtração contínua de parte do caudal de retorno seria de grande ajuda .

PARÂMETROS BÁSICOS DA ÁGUA A água de recirculação deverá estar dentro dos seguintes parâmetros: pH:.................................................... 7,0 a 9,0 Dureza (CaCO3):.............................. 30 a 500 ppm Alcalinidade (CaCO3):..................... 500 ppm max. Total sólidos dissolvidos:................ 1000 ppm max. Cloretos:......................................... 125 ppm max. Sulfatos:....................................... 125 ppm max.

. Tipos de foulling

Foulling são as formações aderentes que podem estar presentes nos sistemas de torres de resfriamento

as quais podem ser de três naturezas básicas conforme a seguir :

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- Inorgânico : produtos de corrosão,lamas precipitadas por condicionantes,poeiras atmosféricas,

incrustações de dureza.

- Orgânico : contaminações oriundas do processo( vazamentos) ou por manutenção (graxa,óleos ).

- Biológico: chamado também biofoulling ou biofilme ,representado por algas,fungos e bactérias,

formando camadas aderentes as diversas superfícies ,por exemplo : no enchimento da

torre,no fundo e nas paredes da bacia coletora e no interior dos equipamentos

Toda forma de foulling é indesejável porque causa muitos problemas operacionais ,porque causa obstrução a circulação da água nos equipamentos e dificulta a troca de calor ; entope os canais de passagem pelo enchimento, diminuindo a eficiência da torre;em casos mais graves pode até ocorrer o desabamento de todo o enchimento .

5.4- CLASSIFICAÇÃO DAS TORRES DE RESFRIAMENTO

. Quanto ao circuito de água Semi-abertos com retorno - onde a água vinda do processo por tubulação é aspergida no alto da entrando em contato com uma corrente ascendente de ar. Fechado - a água vinda do processo circula em uma serpentina e retorna sem contato com o ar ambiente;o resfriamento acontece por água pulverizada sobre a serpentina em circuito local .Este sistema é formado por dois circuitos independentes: circuito primário(processo) e circuito secundário (local) . . Quanto a circulação do ar Circulação natural – O ar movimenta-se por convecção natural (efeito chaminé) segundo o diferencial de peso específico . Circulação induzida – A circulação é otimizada por meio de exaustores instalados no topo da torre. Circulação forçada – O ar é insuflado na base por sopradores . 5.5- SISTEMAS SEMI- ABERTO COM RETORNO

Numa torre de resfriamento, a principal contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação de parte dessa água que recircula na torre. Para entender esse fenômeno de resfriamento devido à evaporação, pode se mencionar dois exemplo quotidianos. Quando você sai da piscina, tem uma sensação repentina de frio, pois vaporiza parte da água impregnada na sua pele , e quando você transpira logo em seguida você também sente frio como resultado da evaporação do suor .A evaporação da água – transferência de massa da fase líquida (água) para a fase gasosa (ar) – causa o abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. Isso ocorre porque a água para evaporar precisa de calor latente, e esse calor é retirado da própria água que escoa ao pela torre. Vale lembrar que a transferência de massa da água para o ar ocorre porque as duas fases em contato tendem a entrar em equilíbrio. A evaporação de parte da água (calor latente ) é responsável por aproximadamente 75 a 90% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre o ar e a água(calor sensível) é responsável pelos outros 10 a 25 % do resfriamento. Assim uma parte da água é perdida ,numa taxa que pode variar de 0,85 a 1,25% da vazão para cada 5,5°C de diferencial de temperatura entre saída e retorno da água ;também acontecem perdas por arraste na forma de respingos em razão do fluxo de ar que atravessa a torre,essa perda nas torres com ventilador

são da ordem de 0,2 a 0,3% da vazão de recirculação ,depedispositivo separador de gotas (FIG.VAs perdas por evaporação dependem do diferencial de temperatura (saída /retorno) da água e umidade relativa do ar ;assim quanto menor a umidade do ar ,maior é a evaporação e maAs vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa. O aumento das vazões de ar e água causa um aumento da turbulência, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vazões de água e ar torname o ar torna-se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de águou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo tipo de recheio empregado.

FIG.V-5.4 -VISTA EM RAIO-X – TORRE CIRCULAÇÃO INDUZIDA

são da ordem de 0,2 a 0,3% da vazão de recirculação ,dependendo do projeto e das condições do (FIG.V-3).

As perdas por evaporação dependem do diferencial de temperatura (saída /retorno) da água e umidade relativa do ar ;assim quanto menor a umidade do ar ,maior é a evaporação e maior é o resfriamento . As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa. O aumento das vazões de ar e água

, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vazões de água e ar tornam-se muito altas, o contato entre a água

se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de águou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo tipo de recheio empregado.

FIG.V-5.3 –SEPARADOR DE GOTAS

TORRE CIRCULAÇÃO INDUZIDA

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ndendo do projeto e das condições do

As perdas por evaporação dependem do diferencial de temperatura (saída /retorno) da água e umidade ior é o resfriamento .

As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa. O aumento das vazões de ar e água

, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir se muito altas, o contato entre a água

se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de água pela corrente de ar ou a dificuldade de se formar filmes na superfície do recheio que favorecem a transferência de massa. As

SEPARADOR DE GOTAS

FIG.V-5.5 – VISTA EM CORTE TRIDIMENSIONAL TORRE CIRCULAÇÃO FORÇADA

VISTA EM CORTE TRIDIMENSIONAL TORRE CIRCULAÇÃO FORÇADA

FIG.V-5.6 –FOTO TORRE CIRCULAÇÃ

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VISTA EM CORTE TRIDIMENSIONAL TORRE CIRCULAÇÃO FORÇADA

FOTO TORRE CIRCULAÇÃO FORÇADA

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FIG.V-5.6-FOTO TORRE CIRCULAÇÃO INDUZIDA 5.5- SISTEMAS DE CIRCUITO FECHADO

As torres de resfriamento de água em circuito fechado, assemelha-se a semi-aberta nos fundamentos ,onde o calor faz com que água evapore e usam quase sempre os mesmos componentes. A única exceção é a serpentina, em lugar do enchimento de contato usado nas torres de resfriamento semi-abertas vistas anteriormente .Estas torres produzem tipicamente o mesmo resultado das torres de resfriamento de água semi-abertas: o resfriamento de uma corrente de água de uma elevada temperatura para uma temperatura reduzida.

Outros fluidos também podem ser resfriados como por exemplo uma solução de etileno-glicol. O fluido do processo é confinado nas serpentinas que estão dentro do resfriador de fluidos. O calor do fluido passa pelas paredes da serpentina para ser resfriado pela água que é borrifada em cima da parte externa da serpentina.

O processo garante que o fluido interno à serpentina permaneça sem contaminação com ar ou água, enquanto a água no exterior da serpentina é “sacrificada”, evaporando e coletando impurezas do fluxo de ar.

A água na bacia inferior circula constantemente por uma pequena bomba, montada na lateral externa da torre que recalca a água para o seu topo , onde será distribuída novamente sobre a serpentina.

Este sistema é ideal para resfriar equipamentos co m pequenas passagens de água e/ou difíceis de limpar, que incrustariam com água de uma torre de r esfriamento convencional.

A qualidade da água é preservada no circuito fechado não ocorrendo incrustações. Esta e uma razão pela qual o resfriador em circuito fechado tem um custo maior de aquisição do que a torre de resfriamento aberta..As serpentinas geralmente são feitas de aço carbono zincado o por imersão a quente, ou cobre dependendo do fluido e das condições da planta. Resfriadores de fluidos com serpentinas não devem ser utilizados em sistemas abertos à atmosfera. Um sistema aberto faz com que o ar cause corrosão ou

incrustação no interior da serpentina, reduzindo a capacidade de troca de calor e causando perda prematura da serpentina. Outro tipoda mesma forma que um resfriador de fluidos, porem ao invés de reduzir sensivelmente temperaturas de líquidos, ele recebe gases (como o de um compressor em um sistema de refrigeração) latente, fazendo com que o gás se condense.

FIG.V.5.7- VISTA EM CORTE ESQUEMÁTICO DE UM RESFRIADOR DE CIRCUITO FECHADO 5.6 – ALGUNS PARÂMETROS E CÁLCULOS APLICÁVEIS EM SISTEMA DE TORRES DE RESFRIAMENTO SEMI-ABERTAS COM RETORNO . Perdas por evaporação - corresponde a parcela de água que é evaporada na torre numa unidade de tempo,relacionando-se a vazão de recirculação e diferença de temperatura retorno/saída da água. 1,05 x (∆t/5,5) xQvr Ve =------------------------------------ 100

incrustação no interior da serpentina, reduzindo a capacidade de troca de calor e causando perda prematura da serpentina. Outro tipo de resfriador de fluidos é o condensador evaporativo. Ele e construído da mesma forma que um resfriador de fluidos, porem ao invés de reduzir sensivelmente temperaturas de líquidos, ele recebe gases (como o de um compressor em um sistema de refrigeração) latente, fazendo com que o gás se condense.

VISTA EM CORTE ESQUEMÁTICO DE UM RESFRIADOR DE CIRCUITO FECHADO

ALGUNS PARÂMETROS E CÁLCULOS APLICÁVEIS EM SISTEMA DE TORRES DE RESFRIAMENTO AS COM RETORNO

corresponde a parcela de água que é evaporada na torre numa unidade de se a vazão de recirculação e diferença de temperatura retorno/saída da água.

Onde : Ve= volume evaporado (m³/h) 1,05 e 5,5 = constantes

100 ∆t = diferença de temperatura (°C) Qvr = vazão de recirculação (m³/h) 100= constante

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incrustação no interior da serpentina, reduzindo a capacidade de troca de calor e causando perda de resfriador de fluidos é o condensador evaporativo. Ele e construído

da mesma forma que um resfriador de fluidos, porem ao invés de reduzir sensivelmente temperaturas de líquidos, ele recebe gases (como o de um compressor em um sistema de refrigeração) e extrai calor

VISTA EM CORTE ESQUEMÁTICO DE UM RESFRIADOR DE CIRCUITO FECHADO

ALGUNS PARÂMETROS E CÁLCULOS APLICÁVEIS EM SISTEMA DE TORRES DE RESFRIAMENTO

corresponde a parcela de água que é evaporada na torre numa unidade de se a vazão de recirculação e diferença de temperatura retorno/saída da água.

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. Perdas por arraste – corresponde a parcela de água que é perdida na torre por ação do ventilador, também com base na vazão de recirculação . Onde: A = volume arrastado em (m³/h) 0,15 . Qvr 0,15= constante A =---------------------- demais termos ,já definidos 100 . Purgas – corresponde a parcela de água que deve ser descartada do sistema com o objetivo de desconcentrar e minimizar a formação de depósitos. Ve Onde : P = purgas (m³/h) P=---------------- - A CC = ciclo de concentração* (CC – 1) demais termos ,já definidos *CICLO DE CONCENTRAÇÃO – tem por base a razão da concentração de uma substância inerte no sistema e a sua concentração na água de reposição,muito usado para isso os cloretos ou sílica .Como exemplo,um teor de sílica de 350 ppm na água circulante e 45 ppm na água de reposição ,teremos um CC de 7,77 ~ 8 ( 350/45 ) ; a concentração admissível no sistema deve obedecer certos limites usualmente recomendados. . Cálculo para reposição de condicionantes – em razão das perdas por arraste e purgas , é necessário dosar contínuamente os condicionantes ,que são perdidos . c x (A + D) Onde: Qm = massa adicionada (kg/h) Qm =-------------------- c = concentração desejada no sistema(ppm) 1000 A,D – já definidos 1000- fator p/conversão EXEMPLO APLICADO Um sistema de torres de resfriamento opera a uma vazão de 4,5 m³/s ,sendo que a água sai uma temperatura média de 28°C e retorna a 45°C , a concentração média de cloretos no sistema é de 595 ppm ,e na água de reposição 85ppm ;para o controle de incrustações é dosado dispersante mantendo-se uma concentração média de 35 ppm .Pede-se calcular : 1- Perdas por evaporação 2- Perdas por arraste 3- Purgas necessárias 4- Consumo de condicionante RESOLUÇÃO: 1,05 x (45-28/5,5) x 4,5 x 3600 1,05 x 3,09 x 16200 52560 1-Ve=--------------------------------------------------------=------------------------------=--------------------= 525,6m³/h 100 100 100 525,6 m³/h PERDAS POR EVAPORAÇÃO

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0,15. 16200 2430 2- A=-----------------------=------------ = 24,3 m³/h PERDAS POR ARRASTE OU RESPINGOS 100 100 525,6 525,6 3- P=--------------------- - 24,3 =------------------ - 24,3 = 87,6 – 24,3 = 63,3 m³/h PERDAS POR PURGAS (595/85) – 1 7 – 1 35. (24,3 + 63,3) 35.87,6 3066 4- Qm=-------------------------- =------------------- =------------------= 3,066 kg/h CONSUMO DE CONDICIONANTE 1000 1000 1000

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6 – SISTEMA DE AR COMPRIMIDO

6-1 – INTRODUÇÃO

Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo energético da instalação. Entretanto,nem sempre estas instalações recebem os cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios.

6.2- Instalações

Um sistema de ar comprimido corretamente projetado irá proporcionar maior confiabilidade e ef iciência nas ferramentas pneumáticas, bem como diminuirá os custos com energia.Esse sistema compreende três componentes principais: o compressor, a rede de distribuição e os pontos de consumo.

6.2.1- Compressores

São as máquinas que produzem o ar comprimido,os quais se classificam em dois grupos básicos segundo o princípio de funcionamento;vários fatores influenciam a escolha de um compressor: vazão, pressão e qualidade requerida do ar.Assim temos os compressores de:

deslocamento positivo :alternativos (pistão) ,rotativos (palhetas,roots,parafusos ),os quais operam segundo o princípio de compressão direta ou seja pela redução do volume do ar aprisionado em uma câmara até a sua descarga .

dinâmicos: operam pelo princípio da aceleração do ar imprimida por rotores em alta rotação,os quais podem ser do tipo centrífugo ou axial ,desta forma o ar é arremessado para a periferia e depois para difusores ,onde grande parte da energia cinética é convertida em energia de pressão.

FIG. V- 6.1-VISTA EM CORTE TURBOCOMPRESSOR AXIAL

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. CONSIDERAÇÕES OPERACIONAIS

A questão referente a qualidade do ar é muito importante e envolve:

a) impurezas sob a forma de partículas sólidas, poeira ou ferrugem; b) água; c) óleo (proveniente da lubrificação)

Cada equipamento que consome ar comprimido possui suas exigências específicas quanto a qualidade do ar. Essas exigências devem ser atendidas para que o equipamento possa ter um desempenho adequado. Por exemplo: ar para instrumentação deve ser extremamente limpo; ar para pintura deve ser seco, isento de óleo e limpo.

Para assegurar a operação confiável do compressor, o ar aspirado deve ser limpo e não conter poeira, fuligem ou partículas sólidas, pois caso contrário, esses poluentes ficarão em suspensão no óleo lubrificante ocasionando desgaste excessivo dos cilindros, anéis dos pistões, mancais, etc. e conseqüentemente aumentando os custos de manutenção.

Assim, deve-se evitar que a casa dos compressores fique localizada perto de chaminés, caldeiras, fornos ou equipamentos de jatos de areia. Sua localização ideal é próxima dos principais pontos de consumo do ar, visando redução no custo da tubulação e menor perda de pressão.

Outro aspecto importante para assegurar a aspiração de um ar limpo é a instalação no compressor de um filtro de admissão de ar (no mínimo a 2 metros acima do solo e 2,5 metros de distância de qualquer parede);devem ser instalados diretamente na entrada do compressor.

Em linhas de aspiração muito longas, poderá haver condensação de água e nesse caso, aconselha-se o uso de separadores de umidade antes do cilindro. No caso de várias máquinas deve-se usar de preferência, um duto para cada uma.

Em relação a tubulação de descarga do ar, esta deve ser de diâmetro igual ou superior ao da saída do compressor e ser a mais curta possível até o resfriador posterior ou ao reservatório pulmão.

Um compressor de ar deve ter necessariamente um sistema de regulagem de capacidade de tal ordem que adapte sua produção as condições de consumo. Os tipos básicos para compressores de deslocamento positivo são:

a) Parada e partida

O motor elétrico que aciona o compressor é desligado quando a pressão do reservatório atinge um determinado valor. Geralmente utilizado em compressores pequenos e serviço intermitente.

b) Velocidade constante

O motor elétrico que aciona o compressor permanece sempre ligado. Quando a pressão do reservatório atinge determinado valor pré-fixado, a válvula de aspiração será deslocada e permanecerá aberta. A partir desse momento, todo ar aspirado será descarregado pela válvula.

c) Duplo controle

Permite operar o compressor dos dois modos (Parada/Partida e Velocidade Constante) por intermédio de uma chave seletora. Recomendada para casos de consumo irregular com picos de demanda por um certo período e longos períodos de pouca ou nenhuma utilização de ar comprimido. Atualmente os sistemas de controle dos compressores utilizam a tecnologia dos inversores de freqüência.

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Desse modo, a velocidade do motor elétrico é continuamente ajustada dependendo da demanda de ar, resultando em considerável economia de energia. Isso elimina a necessidade de alterar o controle para "partida" e "parada" ou então promover uma atuação na válvula de sucção.

6.2.2 – Resfriador Posterior ou after-cooler

O ar aspirado pelo compressor contém um determinado teor de umidade. Posteriormente, a medida em que o ar comprimido se resfriar na linha de distribuição, a umidade se condensará na tubulação, provocando corrosão, além de ser extremamente indesejável em certas aplicações como a pintura, transporte pneumático e na vida útil das ferramentas.

Desse modo, após a compressão, torna-se necessário reter o vapor d’água existente no ar. Isso será feito no resfriador posterior que reduzirá a temperatura do ar comprimido a uma temperatura inferior a da linha de distribuição e conseqüentemente condensará esse vapor d’água. Junto a esse resfriador existirá um separador de condensado onde a umidade do ar será retirada manual ou automaticamente.

O melhor local para o resfriamento é diretamente junto ao orifício de saída do ar. O sistema mais simples para os resfriadores posteriores é o de casco e tubos, onde o ar passa através dos tubos em sentido contrário ao percorrido pela água (a queda de pressão em um resfriador posterior é relativamente pequena).

6.2.3- Reservatório Pulmão

Uma instalação de ar comprimido é normalmente equipada com um ou mais reservatórios de ar que têm pôr funções: armazenar o ar comprimido para consumo; equalizar as pressões das linhas de consumo; eliminar umidade do ar.Sua capacidade deve ser de 6 a 10 vezes a capacidade do compressor pôr segundo;deve ser instalado fora da casa dos compressores e preferencialmente na sombra.Todo reservatório deve possuir válvulas de segurança, manômetro e termômetro. Outra questão é que os resfriadores posteriores e separadores de condensado, obtém uma eficiência na retenção da umidade em torno de 80-90%. O restante acompanha o ar comprimido até o reservatório, onde a velocidade é consideravelmente reduzida fazendo com que a maior parte dos condensados residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o fundo deste. Assim é muito importante a existência de uma tubulação de dreno na parte mais baixa do reservatório a fim de permitir a retirada dessa água (cerca de 5% é retirada neste estágio).

Veja na página a seguir ,esquema de instalação de compressor de grande porte.

FIG.V- 6.2 - ESQUEMA DE SALA DE COMPRESSORES

6.2.4 - Secadores de ar

Consiste no terceiro estágio da separação da umidade cpor refrigeração ou com agentes secantesqualidade é requerido ,instrumentação

A secagem por agentes secantes ,tem por princípio as propriedades de absorção ou adsorção de umidadde certas substâncias ,por exemplo sílicabaixar a temperatura do ar(aprox. 10°C abaixo da mínima do ambiente), de modo que todo vapor de água presente atinja o ponto de orvalho e condense ,sen

6.3– Rede de Distribuição

Para determinar-se o melhor traçado da tubulação é necessário conhecer a localização dos principais pontos de consumo, assim como os pontos isolados.

O tipo de rede a ser empregada (aberta ou fecadequado um circuito fechado em anel

DE COMPRESSORES DE GRANDE PORTE

Consiste no terceiro estágio da separação da umidade contida no ar comprimido; os secadores podpor refrigeração ou com agentes secantes. Sua utilização é necessária quando um ar de altíssima

instrumentação por exemplo.

A secagem por agentes secantes ,tem por princípio as propriedades de absorção ou adsorção de umidad,por exemplo sílica-gel (adsorvente) ,CaCl2 ( absorvente) ,já a refrigeração ,faz

baixar a temperatura do ar(aprox. 10°C abaixo da mínima do ambiente), de modo que todo vapor de água presente atinja o ponto de orvalho e condense ,sendo em seguida purgada do sistema .

se o melhor traçado da tubulação é necessário conhecer a localização dos principais pontos de consumo, assim como os pontos isolados.

O tipo de rede a ser empregada (aberta ou fechada) deve ser analisado. Em alguns casosadequado um circuito fechado em anel

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s secadores podem ser Sua utilização é necessária quando um ar de altíssima

A secagem por agentes secantes ,tem por princípio as propriedades de absorção ou adsorção de umidade gel (adsorvente) ,CaCl2 ( absorvente) ,já a refrigeração ,faz

baixar a temperatura do ar(aprox. 10°C abaixo da mínima do ambiente), de modo que todo vapor de água do em seguida purgada do sistema .

se o melhor traçado da tubulação é necessário conhecer a localização dos principais

hada) deve ser analisado. Em alguns casos pode ser adequado um circuito fechado em anel. .

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Outras situações podem exigir uma combinação de anéis e linhas diretas ou ainda somente uma linha direta pode ser suficiente.

A grande vantagem do circuito fechado é que se ocorrer um grande consumo inesperado de ar em qualquer linha, o ar pode ser fornecido de duas direções, diminuindo a queda de pressão.

Mesmo com todos os dispositivos de eliminação da umidade (já vistos), a tubulação nunca estará isenta do mesmo. Poços de drenagem (com purgadores) devem ser instalados ao longo da linha a fim de recolher o condensado formado. Recomenda-se que estes poços tenham diâmetro igual ao da linha e fiquem no máximo a 40 metros de distância entre si. Sempre que possível às tubulações devem ser inclinadas no sentido do fluxo, em pelo menos 5% para facilitar a drenagem e diminuir a perda de carga.

As tomadas de ar devem ser feitas sempre pela parte superior da tubulação, assegurando assim fornecimento de ar de melhor qualidade ao equipamento.

6.4- Conseqüências de um Sistema Ineficiente

Um sistema de ar comprimido ineficiente poderá acarretar um aumento significativo nos custos de operação. Os prejuízos resultantes dessa situação decorrem de uma baixa pressão de trabalho, aumento do ciclo de operação dos equipamentos, baixa qualidade do ar e vazamentos.

6.5– Vazamentos

Os vazamentos merecem uma atenção especial, pois desperdiçam grande quantidade de energia. Na prática é impossível eliminar totalmente os vazamentos de um sistema, no entanto ele não deve exceder a 5% da capacidade instalada.

As tabelas a seguir apresentam o desperdício de energia provocado por vazamentos.

Diâmetro do furo Vazamento de ar

a 6 bar (~6 Kgf/cm2) Potência requerida p/

compressão

mm l/s m3/min kW

1 1 0,06 0,3

3 10 0,6 3,1

5 27 1,62 8,3

10 105 6,3 33

Pressão Manométrica

(bar)(~kgf/cm2)

Descarga de ar em l/satravés de diferentes orifícios

0,5 mm 1 mm 2 mm 3 mm 5 mm 10 mm 12,5 mm

0,5 0,06 0,22 0,92 2,1 5,7 22,8 35,5

1,0 0,08 0,33 1,33 3,0 8,4 33,6 52,5

2,5 0,14 0,58 2,33 5,5 14,6 58,6 91,4

5,0 0,25 0,97 3,92 8,0 24,4 97,5 152,0

7,0 0,33 0,31 5,19 11,6 32,5 129,0 202,0

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6.5– Temperatura do ar aspirado

A temperatura de sucção do ar que será aspirado pelo compressor é um aspecto muito importante, pois quanto mais quente o ar, menor o rendimento da instalação.

Para cada 4ºC de acréscimo na temperatura do ar aspirado, o compressor consumirá 1% a mais de potência para entregar o ar nas mesmas condições. Este aumento de temperatura diminui a massa específica do ar (massa de ar contida numa unidade de volume) em cerca de 1%, resultando também 1% a mais no volume. Para satisfazer essa condição é necessário captar o ar fora da casa dos compressores.

Exemplos:

A 15ºC a massa específica do ar é 1,225 Kg/m3 A 30º C a massa específica do ar é 1,164 Kg/m3 (- 5%)

6.6– Tubulação de admissão de ar

A tubulação de aspiração de ar deve ser projetada de maneira a ter o mínimo comprimento e o menor número de curvas possível a fim de minimizar a perda de carga.

Para cada 25 mbar de perda de carga na aspiração o rendimento do compressor irá cair 2%.

6.7– Capacidade de ar necessária

É de fundamental importância o conhecimento da quantidade exata de ar necessária para todos os equipamentos pneumáticos existentes. Uma estimativa abaixo dessa capacidade resultará em pressões inadequadas nos pontos de consumo e estimativas muito altas acarretarão grande investimento inicial e baixa eficiência do sistema.

A maioria dos equipamentos pneumáticos opera a 6 bar de pressão manométrica. Para se conseguir esse nível de pressão no equipamento final é necessário um cuidadoso cálculo para se determinar a pressão de trabalho do compressor.

Uma das causas da baixa pressão nos locais de consumo pode ser a produção de uma quantidade insuficiente de ar comprimido (é comum acrescentar novas ferramentas a uma linha já existente, sem verificar se isso afeta o desempenho do sistema).

Para evitarmos isso, devemos sempre ter um compressor de capacidade adequada a fim de manter a pressão nos pontos de consumo. Um sistema sobrecarregado, trabalhando além da capacidade original provocará uma baixa pressão nos locais de consumo.

Para obtenção da carga máxima do compressor será necessário somar o consumo total de todos os equipamentos consumidores existentes (em litros/s). A carga média do compressor é obtida multiplicando-se o consumo total de ar pelo fator de utilização (tempo estimado de trabalho de cada ferramenta durante uma hora).

Convém admitir uma tolerância de 10 a 15% da capacidade do compressor devido aos vazamentos e estimar o aumento da capacidade do sistema para futuras expansões também entre 10 a 15% ao ano.

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UNIDADE – VI : UTILIDADES (II) - AGUA INDUSTRIAL

1.0 – INTRODUÇÃO : ÁGUAS NATURAIS E SEUS CONSTITUIN TES As águas naturais podem ser classificadas como meteóricas, superficiais ou subterrâneas, e as impurezas presentes na mesma variam devido a natureza do solo, das condições climáticas, origem e grau de poluição. Os diversos tipos de águas encontrados na natureza nunca são puros, pois todos apresentam uma certa quantidade de impurezas granulares ou moleculares. Em seu estado químico puro a água é um líquido incolor, insípido e inodoro, sendo reconhecida como solvente universal. Os constituintes geralmente encontrados junto com a água são sais dissolvidos inorgânicos e orgânicos, matéria orgânica em suspensão, material coloidal, gases dissolvidos e microorganismos. A seguir são apresentados os principais elementos e substâncias encontradas na água e as características que conferem devido à sua presença e os possíveis inconvenientes conforme o uso destinado . a) ferro - o ferro é encontrado nas águas sob a forma de bicarbonato ferroso. Sua concentração varia de acordo com a região, podendo chegar a concentração de até 100 ppm. Possui tendência à formação de depósitos sobre as superfícies dos tubos da caldeira,podendo provocar rupturas ou bloqueamento. A porosidade apresentada pelos depósitos de ferro facilita o acúmulo de substâncias corrosivas sob esta camada, criando um ambiente propício à corrosão. O ferro pode ser removido das águas por aeração, cloração, abrandamento cal sodada, desmineralização ou evaporação. b) manganês - a presença de manganês na água bruta pode acarretar os mesmos problemas referenciados para o ferro. Sua presença ocorre na forma de bicarbonatos numa concentração de até 5 ppm. Pode ser removido por precipitação durante o processo cal sodada, desmineralização ou evaporação. c) sílica - a sílica é um constituinte presente em todas as águas naturais, sua concentração pode variar de 2 a 100 ppm. Juntamente com a dureza, a sílica ocasiona depósitos duros (silicatos) e de difícil remoção sobre os tubos da caldeira, prejudicando a troca térmica. Em caldeiras que operam a uma pressão superior a 28 kgf/cm2 pode ocorrer a volatilização da sílica ocasionando processos incrustantes nos superaquecedores e nas turbinas. Para sua remoção aplica-se a desmineralização ou evaporação. MgCl2 + SiO2 + 2NaOH----���� MgSiO3* + 2NaCl + H2O * incrustações cristalinas muito duras d) dureza total - a dureza de uma água é proporcional à concentração de sais de cálcio e magnésio. Suas concentrações variam de 10 a 200 ppm. A dureza total contida na água é devida a bicarbonatos (HCO3 ,-), sulfatos (SO4,-), cloretos (Cl-) e nitratos (NO3-). Os sais de cálcio e magnésio provocam incrustações nos tubos da caldeira prejudicando a troca térmica. Podem ocasionar um superaquecimento nos tubos, que levará a ruptura do material ou possivelmente a um ataque corrosivo. Os sais presentes na água podem ser removidos por abrandamento, desmineralização ou evaporação. e) alcalinidade total - a alcalinidade total geralmente é devida aos bicarbonatos de cálcio, magnésio e sódio, podendo apresentar concentrações que variam de 10 a 30 ppm. Os bicarbonatos agem da mesma forma que os sais de cálcio quando presentes num sistema de geração de vapor. Além de causar as incrustações, liberam gás carbônico que dissolve-se na água, sendo altamente corrosivo. A alcalinidade pode ser controlada pelo processo de dealcalinização, desmineralização ou evaporação.

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f) sulfatos - apresentam-se nas águas como sulfatos de cálcio, sódio e magnésio,com concentrações que variam de 5 a 200 ppm, dependendo da região proveniente. São responsáveis pelos mesmos inconvenientes citados na dureza total, e para remover-se os sulfatos da água usa-se o abrandamento, desmineralização ou a evaporação. g) cloretos - encontram-se presentes nas águas brutas como cloretos de sódio,cálcio e magnésio, em uma concentração que varia de 3 a 1.000 ppm. Na água do mar sua concentração pode chegar a 25.000 ppm. Os cloretos se não removidos da água por evaporação ou desmineralização, ocasionarão um processo corrosivo no interior da caldeira. h) gás carbônico - o gás carbônico é encontrado dissolvido nas águas brutas, numa concentração de 2 a 15 ppm. Possui características altamente corrosivas ao metal da caldeira. O CO2 pode ser removido por deaeradores ou desmineralizadores. i) oxigênio dissolvido - o oxigênio dissolvido é um agente altamente corrosivo às partes metálicas da caldeira. Está presente na água sob a forma de O2 e sua concentração pode atingir até 10 ppm. A remoção de O2 se dá pelo processo de deaeração. j) amonia - apresenta-se dissolvida nas águas brutas numa concentração que pode atingir 20 ppm. Pode ser encontrado na forma de compostos orgânicos. Na presença de oxigênio dissolvido atua como um agente de corrosão. Em altas concentrações ataca o cobre e suas ligas mesmo sem a presença de O2. A amonia é retirada das águas por cloração, desmineralização ou deaeração. Sua presença numa água bruta indica poluição ambiental. k) matéria em suspensão e coloidal - as quantidades de matéria em suspensão e coloidal são avaliadas pela turbidez e cor. Encontram-se em grandes quantidades nas águas de superfície e em pequenas concentrações nas águas subterrâneas. A matéria em suspensão e a coloidal são constituídas de argila, lama, areia, óleos, matéria orgânica,sílica, ácidos húmicos e fúlvicos, bactérias e esporos. Turbidez de uma água é o termo aplicado a matéria suspensa, proveniente de qualquer natureza. Certos rios apresentam valores de turbidez que podem chegar a 2.000 ppm como SiO2. O desenvolvimento de cor nas águas é proveniente da matéria orgânica. Águas de superfície geralmente apresentam coloração enquanto que as subterrâneas são incolores. A presença de cor em água é indesejável, pois a matéria orgânica pode se carbonizar provocando incrustações nas caldeiras. Além disto a coloração de uma água pode influir no processo industrial de determinados produtos. Filtros de carvão ativado são usados para eliminar a cor, ácidos húmicos e fúlvicos e a sílica coloidal, e os microorganismos são retirados por clarificação e abrandamento cal-sodada. l) sólidos totais dissolvidos - são encontrados numa concentração que varia de 50a 500 ppm. O valor de sólidos totais dissolvidos na água é determinado analiticamente e conforme o resultado viabiliza ou não o uso da água para produção de vapor. Caso a água apresente um alto valor de s.t.d., sua desmineralização para posterior uso em caldeira será antieconômica. Os regimes de descargas de caldeiras são avaliados conforme a concentração de sólidos existente. A remoção deste constituinte na água pode ser feita pela desmineralização ou por evaporação. 2 - REMOÇÃO DE IMPUREZAS PRESENTES NA ÁGUA - PROCESSOS DE TRATAMENTO O significado de purificar uma água consiste na remoção das substâncias que comprometem a qualidade do efluente, sob o ponto de vista químico, físico, organoléptico e bacteriológico. As águas brutas diferem em qualidade e os métodos usados para a sua purificação dependem das condições da água e do grau de purificação necessário.

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2.1- PROCESSOS PRIMÁRIOS Os métodos mais comuns de tratamento são: pré-decantação, coagulação, sedimentação,filtração, neutralização, desinfecção ;são os chamados processos primários, normalmente executados em estágios seqüencias os quais produzem água potável que também é adequada para uso geral nas indústrias,tal como para formulação de produtos químicos diversos e resfriamento de equipamentos e processos.. 2.1.1 - Pré-Decantação Este processo também é chamado de sedimentação simples e é aplicado em águas que possuem sólidos em suspensão em condições de decantar normalmente sem o auxílio do processo de floculação. A pré-decantação é empregada para separar partículas suspensas de tamanho superior a 10 mícrons. Dependendo da porcentagem requerida de remoção de sólidos suspensos, calcula-se um tempo de retenção para que o processo ocorra no pré-decantador.Este tratamento prévio pode ser executado em tanques de concreto providos de equipamentos para a retirada do material depositado ou em bacias naturais ou artificiais de grande capacidade volumétrica. 2.1.2 –Clarificação O processo de clarificação possui três etapas: coagulação, decantação e filtração.Nesse processo usa-se como coagulantes o sulfato de alumínio,policloreto de alumino(PAC) aluminato de sódio, sulfato ferroso, cloreto férrico, sulfato férrico, óxido de cálcio, etc. Os coagulantes são mais eficientes economicamente quando se ajusta o pH, isto é, a acidez ou alcalinidade da água para melhor coagulação. Os produtos normalmente usados para esta finalidade são o carbonato de sódio e a cal, para elevar o pH, e ácido sulfúrico para baixar o pH. Quando há mistura de coagulantes na água, ocorre a formação de flocos, que agrupam a matéria em suspensão facilitando a remoção por decantação. Como coadjuvantes dos coagulantes são usados polieletrólitos que podem ser catiônicos, aniônicos ou não-iônicos. Os polieletrólitos tem função de aumentar o tamanho do floco ajudando na sedimentação. A água após passar pelo processo de coagulação, onde as matérias orgânicas e coloidal ficaram agregadas na forma de flocos, é bombeada para um decantador que tem função de sedimentar a matéria coagulada, assim clarificando a água. O processo de filtração é definido pela passagem da água através de um meio poroso com o propósito de remover a matéria suspensa. A matéria suspensa presente na água dependerá da fonte de captação, podendo esta apresentar lama, argila, óxido de ferro,matéria orgânica, microorganismos, e mais os produtos de reação dos condicionantes utilizados ,entre outros. Os filtros geralmente utilizados são os de gravidade constituídos por areia classificada , as vezes areia e carvão antracito ; e também os pressurizados . 2.1.3 – Neutralização A neutralização tem a finalidade de corrigir a acidez natural ou adquirida no tratamento de coagulação. Normalmente usa-se para tal função a soda barrilha ou água de cal. 2.1.4 – Abrandamento por precipitação com Cal e Carbonato de Sódio A dureza total na água é devida principalmente aos sais de cálcio e magnésio,como já vimos anteriormente;ela causa incrustações e interfere em diversos processos industriais .O abrandamento com cal e carbonatos de sódio consiste em adicionar a cal sob forma de hidróxido de cálcio, e esta reagirá com o CO2 livre e sais de dureza formando precipitados que serão posteriormente separados por decantação e filtração .Veja a seguir as possíveis reações envolvidas no processo :

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Ca(OH)2 + CO2 ---����CaCO3 + H2O Ocorre a eliminação do dióxido de carbono e precipitação de carbonato de cálcio;após o hidróxido de cálcio reage com o bicarbonato de cálcio formando: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O Com o bicarbonato de magnésio ocorre a seguinte reação: Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2--���� CaCO3 + MgCO3 + 2H2O Ocorre a precipitação de carbonato de cálcio e magnésio, que reagirão novamente com o hidróxido de cálcio, conforme a seguinte reação: MgCO3 + Ca(OH)2--���� CaCO3 + Mg(OH)2, precipitando carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio. Para o sulfato de magnésio ocorre a reação: MgSO4 + Ca(OH)2 -����Mg(OH)2 + CaSO4, precipitando o hidróxido de magnésio. Já para o sulfato de cálcio há necessidade do uso de soda barrilha: CaSO4 + Na2CO3 -����CaCO3 + Na2SO4 Novamente há precipitação de CaCO3 e o sulfato de sódio formado não é constituinte de dureza.Após o processo cal-soda a água tratada deve passar por um tanque de sedimentação. Para melhor precipitação de Ca e Mg deve-se ajustar o pH entre 10 e 11. 2.1.5- Cloração A cloração tem duas finalidades : Desinfecção - tem por objetivo garantir um meio isento de microorganismos , destruindo os germes restantes da água decantada, assegurando que todos os organismos presentes na água tenham sido eliminados.No caso da água potável é meio preventivo contra doenças de veiculação hídrica , e para água industrial de resfriamento previne-se formação de biofilme que causa obstruções e corrosão . Oxidação - com o objetivo de destruir substâncias ( por oxidação) causadoras de cor ,cheiro e gosto;são características organolépticas referenciadas a água potável ,entretanto para água industrial algumas dessas substâncias de origem orgânica vegetal ( taninos ,ácidos fúlvicos ,húmicos ) são também prejudiciais danificando resinas de troca iônica e membranas de osmose , e também formam depósitos carbonosos no interior de caldeiras . 2.1.5.1 – Formas de cloração O termo cloração é usado geralmente como sinônimo de desinfecção na prática de serviços de saneamento básico ;consistindo na adição de um oxidante químico clorado à água. A desinfecção é entendida como a redução da população bacteriana a um nível seguro ,enquanto esterilização refere-se a destruição total da população bacteriana . A cloração geralmente é feita com hipoclorito de sódio (3 a 15 % de cloro), hipoclorito de cálcio( 65 a 75 % de cloro),cloro gasoso,ou dióxido de cloro, que devem ser posteriormente removidos se esta água for depois tratada por troca iônica ou osmose reversa, ou ainda diretamente utilizada como alimentação de caldeiras à vapor.

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- Considerações a respeito da cloração A cloração ,além da desinfecção ,tem também outra função muito importante ,que é a oxidação , consistindo na modificação de substâncias causadoras de odores ,gostos e cor . Quando um derivado clorado é adicionado a água bruta, ocorre em primeiro lugar, a oxidação de matéria orgânica e inorgânica, é o que se chama “demanda de cloro “ ; em seguida acontece a reação com amônia ,formando as cloraminas ,chamadas de “cloro residual combinado“.Depois de consumida toda a amônia ,tem-se a presença do chamado“cloro residual livre“, correspondendo a formação do ácido hipocloroso e ânion hipoclorito,á propósito, lembramos que o efeito desinfectante e oxidante obtidos com a cloração ,é devido principalmente a ação do ácido hipocloroso formado e seu residual, embora as cloraminas e o íon hipoclorito também tenham ação desinfectante,são mais fracos;a soma das concentrações de ambos residuais ,é chamado “cloro residual total”. Pelo exposto ,para se conseguir uma desinfecção mais eficiente , é necessário que a cloração seja suficiente para reagir com todas essas substâncias e ainda deixar uma sobra (cloro residual livre e disponível ) expresso em HClO (ácido hipocloroso) e OCl- (ânion hipoclorito ) .A formação das cloraminas dependem do pH ,da temperatura ,do tempo de contato e da razão inicial entre cloro e amônia .A monocloramina e a dicloramina ,se formam na faixa de pH entre 4,5 e 8,5 ;acima do pH 8,5 predominam as monocloraminas ;abaixo do pH 4,5 forma-se a tricloramina .Em termos de proporção ,quando se tem uma relação molar cloro/nitrogênio amoniacal menor que 1:1 ,mono e dicloramina serão formadas ,conforme o pH e outros fatores .No caso de maior proporção de cloro ,haverá a redução da amônia para nitrogênio gasoso e formação de íons cloreto . Com águas praticamente limpas,o cloro gasoso reage formando o ácido hipocloroso ,o qual por sua vez pode ionizar-se para o íon hipoclorito. A um pH 5 ou menos , a dissociação cessa, existindo somente o HClO ; a pH 7,5 ,as concentrações de HClO e ClO – se equivalem;acima de pH 8 ,somente íons hipoclorito predominam. Cl2 + H20 -------�HCl + HClO -<--------------� H+ + OCl- < pH 7 pH > 8 Os hipocloritos formam diretamente ânions hipocloritos NaClO + H2O --------� Na+ + ClO- + H2O Ca(ClO)2 + H2O---------�Ca2+ + 2ClO- + H2O - Métodos de cloração em tratamento de água Na prática da cloração ,a desinfecção pode ser realizada por um dos tres métodos:Cloração simples , cloração ao “break point” e amônia-cloração . Cloração simples- A cloração simples constitui o processo mais elementar e de uso mais generalizado de desinfecção pelo cloro .Com a cloração simples ,não há preocupação de satisfazer a demanda de cloro na água,bastando a aplicação de uma dosagem tal que,ao fim de um determinado tempo de contato ,20 minutos por exemplo, o cloro residual livre se mantenha entre 0,1 a 0,2 ppm considerado suficiente ,na prática,para águas pouco poluídas . Cloração “break point “ – Nos casos de águas muito poluídas,nas quais a cloração simples seria ineficaz,uma vez que o cloro residual seria rapidamente consumido,é aconselhável o método de cloração ao “break point” ,que significa literalmente a adição de cloro até “ponto de quebra”,ponto este que corresponde a decomposição por oxidação de todas as cloraminas As dosagens de cloro ,nesse caso são naturalmente muito variáveis ,segundo as características da água bruta , levando-se em conta o seu conteúdo de compostos amoniacais responsáveis pelo “break point”.Essa dosagem pode ser estimada na proporção de 10 partes de cloro para cada parte de nitrogênio (quantidade

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aproximadamente necessária para chegar ao “break point” ) ,se for preciso controlar sabor e odor, acrescer ao valor obtido,mais 1 a 5 ppm ,considerado suficiente para a garantia microbiológica da água dando um residual livre de até 1 ppm . EM TODOS OS CASOS,O RESIDUAL LIVRE MÁXIMO ADMITIDO É DE 2,5 ppm

CLORAÇÃO AO BREAK-POINT - - - = Derivado clorado adicionado em água sem matéria orgânica e substâncias amoniacais. O-A = Demanda de cloro. A-B = Formação de cloraminas. B-C = Decomposição de cloraminas, por excesso de cloro. Fonte: Santos Filho, 1985. O ponto de quebra (“break point “) ,letra C no gráfico ,corresponde ao ponto onde toda cloramina foi oxidada e começa a aparecer o cloro livre ;entre os pontos A e B ,são formadas as cloraminas ;entre os pontos B e C ,elas são decompostas pelo cloro em excesso ,formando produtos que não são detectados como cloro resídual ,declinando os valores correspondentes até atingir o mínimo valor que é o “break point” C. A partir desse ponto ,qualquer adição de cloro produzirá um residual de cloro livre ,proporcional a dosagem aplicada ,iniciando-se novamente a curva ascendente . Amônia-cloração- Aplica-se à água amônia e cloro com a finalidade de se produzir as cloraminas que proporcionam residuais de cloro combinado mais estáveis ,do que o cloro livre .Esse método pode ser utilizado com vantagens,quando se pretende manter um residual de cloro na rede de distribuição para prevenir a ocorrência de possíveis contaminações ,ou impedir o crescimento de ferro-bactérias e limo no interior das canalizações .Nesse caso, a aplicação do cloro é feita antes da amônia.No caso de águas contendo fenóis ,para se evitar a formação de sabor e odor na água ,aplica-se a amônia antes do cloro ,o que evita a formação de clorofenóis na presença de amônia em excesso.

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. Cálculos em cloração com hipoclorito de cálcio e hipoclorito de sódio em ETA 1- Preparação de solução As soluções de hipoclorito devem ser preparadas bastante diluídas ,usualmente com 2% de cloro ativo em peso. Exemplo prático Preparar 500 litros de solução a 2 % de cloro ativo ,empregando-se hipoclorito de cálcio com 70% de teor de cloro disponível;calcule a massa necessária em Kg . Resolução : Aplicar a fórmula ... Vs . Cs onde: M - massa do concentrado (Kg) M= ----------------------------- Vs - vol. Solução (L) %Cl (no sólido) Cs - conc. Solução (%) 500 . 2 M= ------------ = 14,286 Kg de hipoclorito de cálcio sólido é a massa necessária 70 Nota : Para calculos usando hipoclorito de sódio ,os procedimentos são os mesmos . 2- Cálculo de consumo de solução ,conforme o valor da dosagem a ser aplicada na cloração da água . Exemplo prático Calcular o consumo (L/h)de solução a 2% de cloro ativo suficiente para obter uma dosagem de 5 ppm ,no tratamento de água a uma vazão de 350 m3/h . Resolução: Aplicar a fórmula onde: Vat . dosagem Vs = vol.sol a ser gasta em (L) Vs =------------------------- Vat = vol.ou vazão de água tratada em (L) ou (L/h) Cs dosagem = desejada em (ppm ou mg/L) Cs = concentração solução empregada em (ppm) 350000 . 5 Vs =--------------------- = 87,5 L /h volume de solução diluída a ser aplicada 20000 350 . 5 ou Vs = --------------- = 87,5 L/h onde : Vat em m³ , dosagem em ppm ou mg/L 20 e Cs em g/L Considere as equivalências seguintes : 1% = 10 g/L = 10000 ppm ; 1 g/L = 1000 ppm 1 ppm = mg/L= 1g/m³

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. Cálculos de estimativa de consumo de coagulante em ETA Os cálculos a seguir são bastante úteis para o acompanhamento operacional de ETAs,permitindo a determinação do consumo de condicionante em base seca e base solução. 1-Cálculo do consumo de coagulante em base seca dosagem . Qv Onde : dosagem em ppm Qm=- ------------------------- Qv= vazão em m³/h da ETA 1000 Qm= vazão em kg/h 1000= fator conversão(kg) 2- Cálculo do consumo em volume Onde :Qv = vazão em m³ consumida coagulante Qm . 100 100= fator (%) Qv =--------------------------- % conc. % conc =% concentração da solução coagulante EXEMPLO Determinar o consumo em m³/d de solução de sulfato de alumínio a 48 % em uma ETA operando a 28,5 m³/s ,sendo praticada uma dosagem de 12,5 ppm . Resolução: 12,5 . 28,5 . 3600 1282500 1- Qm =-----------------------------------=----------------------= 1282,5 kg/h 1000 1000 1282,5 . 100 128250 2- Qv =-----------------------------------=---------------------= 2671,875 L/h 48 48 2671,875 . 24 Qv(L/h) .24 Consumo = ----------------------------= 64,125 m³/d 3- Consumo =-------------------------------(m³/d) 1000 1000 Consumo 64,125 m³ por dia de solução de sulfato de alumínio 48%

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3.0 – PROCESSOS SECUNDÁRIOS São processos destinados a obtenção de água com qualidade mais refinada ,além do que é possível obter pelo processo primário;isso inclui normalmente valores muito baixos para dureza (abrandamento),ou até a quase eliminação de substâncias dissolvidas de qualquer natureza .Tais requisitos podem ser necessários para águas de geradores de vapor de média /alta pressão ,fabricação de medicamentos,alimentos, têxteis ,papéis e materiais gráficos foto-sensíveis entre outros . Os processos mais usados são : Abrandamento por precipitação com cal e soda a quente Abrandamento por troca iônica Desmineralização por troca iônica Desmineralização por osmose reversa 3.1- ABRANDAMENTO POR PRECIPITAÇÃO CAL/SODA A QUENTE Aplicado exclusivamente para água de caldeiras de baixa pressão ;o processo é bastante eficiente em razão de se operar com temperaturas próxima ao ponto de ebulição da água proporcionando reações mais rápidas e eficazes ,uma vez que os compostos resultantes das reações do abrandamento tem solubilidade reduzida com o aumento da temperatura,além do mais ,boa parte dos gases dissolvidos ( O² e CO²) é expulsa . Este processo é realizado pela adição dos reagentes cal e barrilha ,em um vaso compacto onde a água é aquecida por vapor ,neste vaso acontece a coagulação e decantação ,posteriormente a água é filtrada em filtros de areia pressurizados . Quando se opera até grau máximo de complementação ,com um pH de 10 ~11 a dureza poderá cair para 20~25 ppm ou até menos .Normalmente é feito um tratamento adicional (interno) como veremos mais adiante reduzindo ainda mais esses valores . Nos casos de água para caldeiras de média /alta pressão ,menores valores são exigidos sendo então feito abrandamento por troca iônica ,ou então desmineralização , que também pode ser feito por troca iônica ou osmose reversa . 3.2- TROCA IÔNICA 3.2.1-O que é troca iônica Trata-se de uma reação química,onde dois íons hidratados móveis de um sólido são trocados ,equivalente por equivalente pelos íons de mesma carga presente numa solução . A resina que suporta o grupamento ativo é um sólido com estrutura aberta ,lembrando uma rede ,onde íons móveis neutralizam elètricamente os grupos carregados (fixos) a matriz sólida polimérica . Existem basicamente dois tipos de trocadores de íons: trocadores catiônicos possuidores de grupos funcionais negativos , e os trocadores aniônicos ,possuidores de grupos funcionais positivos . 3.2.2-Resinas trocadoras iônicas : histórico,fabricação e características

As resinas de troca-iônica constituem formidável ferramenta na química moderna. A primeira resina de troca-iônica sintética foi preparada por dois ingleses, Adams e Holmes, por aquecimento de vários fenóis com formaldeído. Dá-se uma reação de poli-condensação com eliminação de água. O produto é a seguir sulfonado. Pode-se tambem usar ácidos fenol-sulfônicos que são diretamente condensados;estas seriam resinas catiônicas.

Para obter resinas aniônicas Adams e Holmes condensaram m-fenileno diamina com formaldeído. Em 1944 D'Alelio preparou a resina que ainda hoje é a mais usada por co-polimerização de estireno com divinil-benzeno (DVB) e posterior sulfonação com ácido sulfúrico.

A preparação de ligações entre as cadeias formando um copolímero espacial (crosspela quantidade de divinil-benzenoestrutura tipo gel ou gelular,por outro lado uma quantidade elevada resultará uma estrutura macroreticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidadecopolimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de benzeno dos monômeros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o mais comum é o ácido sulfônico produzindo a resina catiônica fortemácido carboxílico ,produzindo a resina catiônica fracamente ácida . Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que produzem resinas fracamente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente básicas .As resinas com grupamentos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociadacatiônicas ,Na+ e H+ ;e nas aniônicas ,mais freqüentemente a hidroxila OHcadeias poliméricas ,são os grupos funcionaisA troca iônica acontece ,quando osinteriores e superfícies dos cristais pelos cátions ou

A primeira resina produzida comercialmentecomercial Dowex-50 .em 1948 a mesma ecomo o nome comercial Amberlite IRA Estas resinas,quando em contato com captam desta mesma água ,cátions e ânionsíons , indesejáveis a muitos processos industriais por polimerização em forma de emulsão ,que ao solidificar

DVB –(CH2=HC-C6H5-CH=CH2) ESTIRENO

ESTRUTURAL A estrutura tridimensional destas pequenas esferas ou cristais ,varia com a quantidade de DVB para a copolimerização ,que poderá oscilar entre 6 e 16 %.Pequena quantidade de DVB dará uma estrutura tipo gel ou gelular,por outro ladreticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidade. Após a copolimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de benzeno dos monômeros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o mais comum é o ácido sulfônico produzindo a resina catiônica fortemente ácida ,e o menos comum ,um ácido carboxílico ,produzindo a resina catiônica fracamente ácida . Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que produzem resinas fracamente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente básicas .As resinas com grupamentos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociada ,nas resinas catiônicas ,Na+ e H+ e nas aniônicas ,mais freqüentemente a hidroxila OHcadeias poliméricas .A troca iônica acontece ,quando cátions e ânions dissolvidos na água crua ,são trocados nos interiores e superfícies dos cristais ,por Na+ ;

A preparação de ligações entre as cadeias formando um copolímero espacial (crossbenzeno que pode variar de 6 a 16 %; pequena quantidade de DVB dará uma

estrutura tipo gel ou gelular,por outro lado uma quantidade elevada resultará uma estrutura macroreticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidade

olimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de benzeno dos monômeros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o mais comum é o ácido sulfônico produzindo a resina catiônica fortemente ácida ,e o menos comum ,um ácido carboxílico ,produzindo a resina catiônica fracamente ácida . Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que

amente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente básicas .As resinas com grupamentos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociadacatiônicas ,Na+ e H+ ;e nas aniônicas ,mais freqüentemente a hidroxila OH- , as outras ficam presas às cadeias poliméricas ,são os grupos funcionais

os íons móveis das resinas ( Na+ ou H+ ,e OHinteriores e superfícies dos cristais pelos cátions ou ânions dissolvidos na água ,conforme o processo.

primeira resina produzida comercialmente ,foi pela Dow Química , no fim deem 1948 a mesma empresa produziu a primeira resina aniônica

como o nome comercial Amberlite IRAando em contato com água , liberam seus íons móveis (sódio,hidrogênio ou hidroxila

desta mesma água ,cátions e ânions que vão ocupar o lugar dos íons liberadosindesejáveis a muitos processos industriais são removidos da água.Essas resinas

em forma de emulsão ,que ao solidificar-se forma pequenas e perfeitas esfera

CH=CH2) ESTIRENO –( C6H5CH=CH2)

ESTRUTURAL ESTRUTURAL

A estrutura tridimensional destas pequenas esferas ou cristais ,varia com a quantidade de DVB para a copolimerização ,que poderá oscilar entre 6 e 16 %.Pequena quantidade de DVB dará uma estrutura tipo gel ou gelular,por outro lado uma quantidade elevada resultará uma estrutura macroreticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidade. Após a copolimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de

meros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o mais comum é o ácido sulfônico produzindo a resina catiônica fortemente ácida ,e o menos comum ,um ácido carboxílico ,produzindo a resina catiônica fracamente ácida . Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que produzem resinas fracamente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente

tos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociada ,nas resinas catiônicas ,Na+ e H+ e nas aniônicas ,mais freqüentemente a hidroxila OH- , as outras ficam padeias poliméricas .A troca iônica acontece ,quando cátions e ânions dissolvidos na água crua ,são

trocados nos interiores e superfícies dos cristais ,por Na+ ; ou H+ e OH- conforme o processo .

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A preparação de ligações entre as cadeias formando um copolímero espacial (cross-linking) é controlada equena quantidade de DVB dará uma

estrutura tipo gel ou gelular,por outro lado uma quantidade elevada resultará uma estrutura macro-reticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidade. Após a

olimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de benzeno dos monômeros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o

ente ácida ,e o menos comum ,um ácido carboxílico ,produzindo a resina catiônica fracamente ácida . Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que

amente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente básicas .As resinas com grupamentos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociada ,nas resinas

, as outras ficam presas às

íons móveis das resinas ( Na+ ou H+ ,e OH- ) são trocados nos ,conforme o processo.

de 1945 com o nome mpresa produziu a primeira resina aniônica fortemente básica

como o nome comercial Amberlite IRA-400. sódio,hidrogênio ou hidroxila) e

que vão ocupar o lugar dos íons liberados;desta forma os são removidos da água.Essas resinas são elaboradas

se forma pequenas e perfeitas esferas .

A estrutura tridimensional destas pequenas esferas ou cristais ,varia com a quantidade de DVB utilizada para a copolimerização ,que poderá oscilar entre 6 e 16 %.Pequena quantidade de DVB dará uma

o uma quantidade elevada resultará uma estrutura macro-reticular; a primeira estrutura tem pouca porosidade e a segunda ,alta porosidade. Após a copolimerização processada,grupamentos ácidos ou básicos poderão ser inseridos nos núcleos de

meros utilizados,dando a funcionalidade às resinas .Entre os grupamentos ácidos,o mais comum é o ácido sulfônico produzindo a resina catiônica fortemente ácida ,e o menos comum ,um

Entre os grupamentos básicos inseridos nas cadeias das resinas aniônicas temos ,aminas terciárias que produzem resinas fracamente básicas e os quaternários de amônio que produzem resinas fortemente

tos ácidos ou básicos ,ao contrário da soluções aquosas de ácidos e bases ,não se dissociam em duas espécies iônicas.Sómente uma espécie é dissociada ,nas resinas

, as outras ficam presas às adeias poliméricas .A troca iônica acontece ,quando cátions e ânions dissolvidos na água crua ,são

conforme o processo .

Veja abaixo e na página seguinte, ilustrações dos

FIG.VI-1 - REPRESENTAÇÃO DE UM CRISTAL RESINA CATIÔNICA

Veja abaixo e na página seguinte, ilustrações dos cristais de resinas trocadoras catiônicas e aniônicas .

REPRESENTAÇÃO DE UM CRISTAL RESINA CATIÔNICA

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cristais de resinas trocadoras catiônicas e aniônicas .

FIG.VI-2 - REPRESENTAÇÃO DE U 3.2.3-.TIPOS DE RESINAS TROCADORAS Como já foi apresentado,os grupos ionizáveis presos as estruturas poliméricas, e que dão a resina a sua característica funcional ;assim elas são classificadas em quatro grupos específicos : Catiônica forte -catiônica fraca - Resina catiônica forte Base polimérica poliestireno e divinilbenzeno ,tendo o grupo funcional SO3benzênicos dos copolímeros.Estas resinas podse na forma de sal de sódio ,utilizadas para o abrandamento de água,ou na forma de hidrogênio (ácida ) utilizadas para a descarbonatação ou desmineralização .

REPRESENTAÇÃO DE UM CRISTAL RESINA ANIÔNICA

TIPOS DE RESINAS TROCADORAS

Como já foi apresentado,os grupos ionizáveis presos as estruturas poliméricas, e que dão a resina a sua característica funcional ;assim elas são classificadas em quatro grupos específicos :

catiônica fraca - aniônica forte - aniônica fraca

Base polimérica poliestireno e divinilbenzeno ,tendo o grupo funcional SO3benzênicos dos copolímeros.Estas resinas podem ser do tipo gelatinosa ou macroreticular , apresentandose na forma de sal de sódio ,utilizadas para o abrandamento de água,ou na forma de hidrogênio (ácida ) utilizadas para a descarbonatação ou desmineralização .R – SO3 - H

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Como já foi apresentado,os grupos ionizáveis presos as estruturas poliméricas, e que dão a resina a sua

Base polimérica poliestireno e divinilbenzeno ,tendo o grupo funcional SO3- H ligado aos anéis em ser do tipo gelatinosa ou macroreticular , apresentando-

se na forma de sal de sódio ,utilizadas para o abrandamento de água,ou na forma de hidrogênio (ácida )

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- Resina catiônica ácida fraca Base polimérica metacrilato de metila com divinilbenzeno ,o grupo funcional presente é o de um ácido carboxílico R –COOH , ligado ao núcleo benzênico dos copolímeros. São usadas na remoção de cálcio,magnésio e sódio ,ligados a carbonatos e bicarbonatos ,nunca aos demais ânions . - Resina aniônica de base forte Base polimérica de poliestireno ou metacrilato com o divinilbenzeno;o grupo funcional é do quaternário de amônio que se liga ao núcleo benzênico do copolímero.Estas resinas apresentam-se em duas configurações : tipo I – basicidade mais forte - são recomendadas para águas com maior teor de sílica , e com tolerância mais rigorosa no escape tipo II- de basicidade um pouco mais fraca – aplicada nos casos de maior tolerância na fuga de sílica ,ou se a água bruta apresenta baixos teores de sílica,ou ainda se teores de cloretos e sulfatos são mais altos que os demais ânions .A regeneração de resinas tipo II ,tem como vantagem usar menor proporção de regenerante . Segue abaixo as fórmulas estruturais dos grupos funcionais citados ,onde R representa a resina . Fórmula estrutural (tipo I)- trimetilamina – apresenta três grupos metila CH3 OH I R - C - N - CH3 H2 I CH3 Fórmula estrutural(tipo II)-dimetiletanolamina –apresenta um grupo do etanol CH3 OH I R - C - N - C - C - OH CH2 I CH2 CH2 CH3 - Resina aniônica de base fraca Base polimérica estirênica ou metacrílica ,copolimerizada com o divinilbenzeno ;o grupamento funcional é uma amina terciária ligada ao núcleo benzênico.Estas resinas só removem ânions fortes ,não removendo os fracos.Também necessita menor proporção de regenerante ,sendo assim mais econômica

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Fórmula estrutural – dimetilamina H2 C - OH R- C - N C - OH H2 3.3.ABRANDAMENTO POR TROCA IÔNICA COM RESINA CATIÔNICA FORTE (CICLO SÓDIO) É o tipo de abrandamento muito usado para água de caldeiras , quando são exigidos valores de dureza na água de alimentação menores que 1 ppm como CaCO3 ;trata-se de um processo parcial de troca iônica ,onde são retidos principalmente os cátions bivalentes causadores da dureza ( Cálcio e Magnésio ) ,e também Fe , Mn e Al.O processo consiste em passar a água bruta através de um leito de resina catiônica forte no ciclo sódio,quando então os íons cálcio e magnésio ,solúveis na água ,são retidos nos grupamentos de ácido sulfônico e os íons sódio ,da resina ,liberados para ´água formando sais com os ânions antes combinados com cálcio e magnésio e outros . Quando todos os íons sódio presos aos grupamentos de ácido sulfônico forem trocados por cálcio e magnésio e outros,a resina se encontrará no estado saturado,deixando de funcionar ; então ela deverá ser regenerada para readquirir a sua capacidade funcional. O ciclo completo do abrandamento ,compreende quatro estágios : Exaustão :– Saturação da resina com os cátions retirados da água bruta . Expansão :– Contra-lavagem do leito saturado da resina , de modo a expandir o seu volume entre 50 a 70 %,com finalidade de soltar as impurezas depositadas nos grãos de resina , que funcionam fisicamente como um filtro ,retendo sólidos suspensos vindos com a água bruta .Esta agitação serve também para descompactar o leito ,igualando a permeabilidade e evitando a formação de canais e perda de carga . Regeneração :- É a remoção dos cátions cálcio e magnésio, os quais foram captados pelos grupamentos sulfônicos da resina durante a exaustão e a reposição dos cátions sódio perdidos nos respectivos grupamentos . .Reações envolvidas no processo de abrandamento (esquema ) -Exaustão Ca+2 } { Ca+2 Mg+2} ânions + 2 R- Na -------- 2Na+ ânions + 2 R { Mg+2 Água bruta resina água tratada resina saturando - Regeneração com solução de NaCl {Ca+2 Ca +2} 2R {Mg+2 + 2 NaCl-------------� 2 R-Na + Mg+2} Cl2 resina saturada solução de sal resina regenerada dreno(esgoto)

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Enxaguamento :- Deve ser feito de modo lento por um pouco tempo,para completar a regeneração, e a seguir um enxágüe rápido , para a remoção de todo o excesso de regenerante ( solução de NaCl a 10 % ) . .Seqüência operacional para a regeneração da resina catiônica sódica 1- Retirar a unidade de serviço ,passando a operar a unidade reserva ( se existir ) 2- Efetuar a retrolavagem alimentando água limpa pelo fundo do vaso sob pressão com uma taxa de vazão suficiente para expandir todo o leito 3- Acompanhar atentamente todo o processo, evitando a perda de resinas o que é feito ,observando-se pelo visor o aspecto da água efluente e a subida da resina;esta operação pode levar de 20 a 30 minutos normalmente . 4- Uma vez limpa a resina , iniciar o processo de regeneração , passando a solução de NaCl ,a uma vazão de 4 a 8 VL/h ;o tempo para esta operação pode variar entre 30 a 40 minutos . 5- Após a regeneração ,fazer outra lavagem para a remoção dos traços de impurezas ,ficando pronta a unidade para a operação . Veja abaixo e na página seguinte fotos de abrandadores

FIG.VI-3 - FOTO DE UM ABRANDADOR PARA GRANDES VAZÕES ( 56 m³/h)

FIG.VI - 4 - ABRANDADOR PRÉ

FIG.VI.

R PRÉ-MONTADO PARA PEQUENA VAZÃO (500 L/h)

FIG.VI. – 5- VISTA CORTE ABRANDADOR

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MONTADO PARA PEQUENA VAZÃO (500 L/h)

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3.3.1- Equipamentos básicos de unidades de troca iônica Uma unidade de troca iônica é composta basicamente de: vasos de pressão de material anticorrosivo (plásticos ou de aço carbono revestido ) , dotado externamente de diversas conexões para válvulas e instrumentos ; visores e boca de visita .Internamente dispõe de distribuidores de água bruta e coletores de água de lavagem , distribuidores de regenerante ( no topo ); coletores de água tratada instalados no fundo do vaso(dispositivo constituído de um tubo distribuidor com várias derivações tipo espinha de peixe ,onde são montados pequenos cones pelo lado inferior dos tubos (crepinas é como são chamados esses cones ) . A unidade deverá dispor ainda , de tanques para as soluções de regenerante utilizados , tanques para armazenar a água produzida ,e bombas para o transporte . 3.4 - DESMINERALIZAÇÃO POR TROCA IÔNICA A desmineralização é um processo de troca iônica onde se consegue praticamente a eliminação de todos os íons (cátions e ânions ) referentes as substâncias presentes na água bruta .Neste processo ,basicamente se utilizam dois tipos de resinas , que poderão estar dispostas em dois vasos separados(colunas) ou em um só vaso, formando um leito misto (unidade monoleito =monobed ) ,ou ainda ,uma associação em série de três ou quatro vasos , com resinas ácidas forte ou fraca, resinas básicas forte ou fraca ,e um vaso de leito misto no final da série, os quais poderão ser agrupados de diferentes formas conforme a concentração e as características químicas(tipos de substâncias dissolvidas) presentes na água a ser tratada ;o degaseificador ,se necessário ,deverá ser inserido após um vaso ,em uma posição predeterminada no sistema . Quando o esquema for de apenas dois vasos ,teremos um vaso com resinas catiônicas do ciclo ácido forte e outro vaso com resinas aniônicas do ciclo básico forte ou fraca,podendo ter ou não ,intercalado um degaseificador ,se for de vaso único,teremos um vaso de leito misto ,onde estarão misturadas as duas espécies de resinas . As resinas catiônicas fortemente ácidas (ciclo hidrogênio) ,atuam removendo todos os cátions da água ,os quais ocuparão o lugar do H+ na resina ,por outro lado, os ânions liberados daqueles cátions,serão combinados com os cátions H+(ácido) liberados pela resina ,formando ácidos na água efluente . Como o que foi descrito acima, a água efluente de uma coluna catiônica ácida,apresenta ácidos dissolvidos ,sendo então passada em seguida ,numa coluna de resinas trocadoras aniônicas básicas para a neutralização da acidez presente,podendo ser fraca ou forte ;se a resina aniônica for do tipo fraca ,não haverá remoção de sílica .Veja a seguir ,fotos de desmineralizador.

. FIG.VI – 6 - DESMINERALIZADOR DE LEITOS SEPARADOS

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. FIG.VI – 7 - COLUNA DESMI MONOBED (LEITO MISTO) : RESINAS CATIÔNICAS E ANIÔNICAS NUM SÓ VASO 3.4.1 -Regeneração das resinas Todas as resinas trocadoras tem uma capacidade de troca limitada ( gramas de sais retidos/Kg de resina ) , então após um certo tempo de operação é natural que venha ser exaurida a sua capacidade de retenção, devido a troca de todos os radicais móveis ;uma vez atingido este ponto , ela deixa de funcionar ,ou seja,os cátions presentes na entrada do sistema ,não serão retidos e continuarão dissolvidos na água efluente.Entretanto a sua capacidade poderá ser restituída, procedendo-se a retirada dos íons retidos durante o processo ,bastando para isso colocar o leito de resinas em contato com soluções que contenham os seus respectivos íons funcionais ,observando-se parâmetros e procedimentos específicos. As resinas catiônicas ácidas são regeneradas por soluções de HCl - 5 a 10%-ou H2SO4- 1 a 6 % ,com um tempo de contato variando de 30 a 40 minutos. As resinas aniônicas (básicas fortes ),regeneram-se por soluções de NaOH- 4 a 7 % por um tempo de contato variando de 30 a 50 minutos As resinas aniônicas(básicas fracas) ,regeneram-se por soluções de barrilha ou NH4OH - 2 a 10%, por um tempo de contato variando de 10 a 15 minutos. Importante lembrar,que igualmente como é feito no caso das catiônicas ciclo sódio , aqui também deve ser feito a retrolavagem e enxágüe antes de proceder a regeneração das colunas catiônicas e aniônicas . .Esquemas de reações – resina catiônica ácida forte - Em operação de exaustão : CÁTIONS-ÂNIONS + 2 R – H + ---------� 2 R- CÁTIONS + H + -- ÂNIONS Água bruta resina resina saturando água efluente( ÁCIDA)

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- Em regeneração : 2 R- CÁTIONS + H+ - SO4 ---------� 2R-- H+ + CÁTIONS –SO4 (SULFATOS) Resina saturada solução ácida resina regenerada dreno (esgoto) .Esquemas de reações – resina aniônica básica forte - Em operação de exaustão : H+ - ANIONS + 2R – OH- ---------------� 2R – ÂNIONS + H+ - OH- = (H2O) Água efluente da coluna resina trocadora resina saturando água desmi( NEUTRA) Trocadora ácida básica forte - Em regeneração : 2R – ÂNIONS + Na – OH -------------�2R – OH + Na – ÂNIONS ( sais de sódio diversos) Resina saturada sol.4-7% resina regenerada dreno(esgoto) 3.5. CONTROLES EM PROCESSOS DE TROCA IÔNICA Para o obtenção de água com a qualidade pretendida ,é necessário conhecer o momento adequado da regeneração ,bem como outros parâmetros de controle ,veja a seguir. - Abrandamento O parâmetro utilizado para o monitoramento do processo ,é o valor da dureza da gua efluente , que pode variar de 0 até 5 ppm (como CaCO3 ) ,conforme o uso destinado .Esse valor pode ser determinado por titulação com solução de EDTA 0,1M ,usando-se indicador eriochromo preto T,que na presença de dureza dará cor vinho e na ausência a cor azul . - Desmineralização O critério mais correto ,e normalmente utilizado no controle da água desmineralizada , é o da condutividade elétrica ,onde 2 microsiemens/cm correspondem a 1 ppm de sólidos inonizáveis .O controle é feito de forma automática ,com instrumentos posicionados na saída da água do sistema ,medindo continuamente (condutivímetros ou resistivímetros) a condutividade ou a resistividade da água produzida .Pode ser controlado também pelos parâmetros acidez e pH . . Considerações importantes - Oxidantes Os oxidantes,normalmente encontrados na água a ser processada por troca iônica,são compostos de cloro que dão o íon hipoclorito .Íons hipocloritos , atacam fortemente as ligações cruzadas dos polímeros ,comprometendo a estrutura tridimensional do cristal , reduzindo a capacidade de troca iônica . Tanto as resinas catiônicas como as aniônicas são vulneráveis a estes íons ,nos casos de unidades compostas de várias colunas,desmineralização por exemplo , a primeira coluna (catiônica ácida forte ) é a

que mais sofre , entretanto de a ocorrência íon hipoclorito for continuada e consistente , o ataque atingirá também outras unidades seguintes .Os íons hipoclorito ,poderão ser eliminados por présódio conforme a reação abaixo : Na2SO3 + HClO ------- Na2SO4 + HCl - Contaminação orgânica O mais sério problema em troca-iônica é a contaminação irreversível da resina aniônica do ciclo base forte .Águas de superfície ,normalmente contém substâncias orgânicas naturais ,resultantes de decomposição de vegetais de natureza ácida ,as quais podem estar no estado livre como os ácidos tânicos,húmicos e fúlvicos ,ou complexados com metais ,ferro ,manganês ,por exemplo .Estas substâncias atuam na resina aniônica degradando o grupo funcional de base forte ,para base fraca e depois neutralizando-a totalmente , deixando inativa . Esta contaminação pode ser evidenciada pela coloração de chá ou castanha no efluente ,durante a baixo pH e alta condutividade . 3.5- DESMINERALIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA Trata-se de um processo pelo qual a água é forçada sob pressão ,através de uma membrana semipermeável(filtro molecular) , resultando numa águbacteriológica.O processo retira substâncias orgânicas e inorgânicas dissolvidas , microrganismos e colóides ; não remove gases ionizáveis dissolvidos.Membranas são barreiras composta de polímeros do tipo acetato ,po

FIG.VI- 8 -ELEMENTO DE MEMBRANA EM ESPIRAL

que mais sofre , entretanto de a ocorrência íon hipoclorito for continuada e consistente , o ataque atingirá também outras unidades seguintes . Os íons hipoclorito ,poderão ser eliminados por pré-filtração em carvão ativado ou reação com sulfito de

Na2SO4 + HCl

iônica é a contaminação irreversível da resina aniônica do ciclo base malmente contém substâncias orgânicas naturais ,resultantes de

decomposição de vegetais de natureza ácida ,as quais podem estar no estado livre como os ácidos tânicos,húmicos e fúlvicos ,ou complexados com metais ,ferro ,manganês ,por exemplo .

stâncias atuam na resina aniônica degradando o grupo funcional de base forte ,para base fraca e a totalmente , deixando inativa . Esta contaminação pode ser evidenciada pela

coloração de chá ou castanha no efluente ,durante a regeneração e enxágüe;também causa um

DESMINERALIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA

se de um processo pelo qual a água é forçada sob pressão ,através de uma membrana semipermeável(filtro molecular) , resultando numa água de altíssima qualidade química e bacteriológica.O processo retira substâncias orgânicas e inorgânicas dissolvidas , microrganismos e colóides ; não remove gases ionizáveis dissolvidos. Membranas são barreiras composta de polímeros do tipo acetato ,poliamidas ,polisulfonas e outros

ELEMENTO DE MEMBRANA EM ESPIRAL –VISTA EM CORTE TRIDIMENSIONAL

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que mais sofre , entretanto de a ocorrência íon hipoclorito for continuada e consistente , o ataque

u reação com sulfito de

iônica é a contaminação irreversível da resina aniônica do ciclo base malmente contém substâncias orgânicas naturais ,resultantes de

decomposição de vegetais de natureza ácida ,as quais podem estar no estado livre como os ácidos tânicos,húmicos e fúlvicos ,ou complexados com metais ,ferro ,manganês ,por exemplo .

stâncias atuam na resina aniônica degradando o grupo funcional de base forte ,para base fraca e a totalmente , deixando inativa . Esta contaminação pode ser evidenciada pela

regeneração e enxágüe;também causa um

se de um processo pelo qual a água é forçada sob pressão ,através de uma membrana a de altíssima qualidade química e

bacteriológica.O processo retira substâncias orgânicas e inorgânicas dissolvidas , microrganismos e

liamidas ,polisulfonas e outros.

VISTA EM CORTE TRIDIMENSIONAL

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Essas membranas ,na prática são concebidas como elementos de diferentes formas , sendo montados em módulos dos tipos : tubulares,enrolados em espiral, e módulos de fibras ocas ;esses módulos são então agrupados em uma estrutura de suporte e interconectados conforme a configuração adequada.O processo pode alcançar uma eficiência de até 99% para retenção de orgânicos e inorgânicos , podendo atingir 99,9 % para microrganismos e colóides .Diferente de uma filtração convencional ,onde os contaminantes se acumulam na superfície e/ou interior do meio filtrante ,na osmose reversa o líquido processado divide-se em duas correntes ,á saber ,uma corrente purificada que atravessa a membrana(líquido permeado ) ,que é conduzida para um coletor ,e outra corrente de líquido remanescente ,mais concentrado(rejeito ) ,que segue para outras etapas de processo,ficando cada vez mais concentrado até o último estágio ,onde é descartado para o esgoto .

• Filtração por Membranas

Com Fluxo Transversal

Alimentação

Concentrado

Permeado

Purificação por membranas

FIG.VI- 9- ESQUEMA DA FILTRAÇÃO POR MEMBRANA DE OR - Mecanismos de rejeição de solutos por membranas de OR Uma grande variedade de fatores,a maioria dos quais pouco compreendida,influencia a rejeição de solutos por membranas : tamanho da molécula,íon ou partícula,formato ,tamanho dos poros da membrana, carga elétrica da membrana e dos materiais dissolvidos ,rugosidade e propriedades químicas da superfície da membrana ,propriedades químicas da solução a ser processada e fatores hidrodinâmicos do fluido. A importância relativa de cada fator ,depende em particular do : tipo de membrana ,natureza do soluto a ser rejeitado e condições operacionais da unidade . - Desempenho das membranas As seguintes causas podem alterar o desempenho e o tempo de vida das membranas usadas em OR: 1- pH da água : a variação do pH nas faixas fortemente ácidas ou fortemente básicas ,afeta as diferentes membranas utilizadas.As de acetato de celulose sofrem hidrólise ,fora da faixa de valores 4,5 - 6,0 ; as de poliamidas são mais resistentes a essas variações,aceitando operar numa faixa de 4,0 – 11,0 . 2- Temperatura : As membranas de acetato de celulose se hidrolisam em temperaturas acima de 30º©.

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Algumas considerações a respeito do fator temperatura A variação da temperatura da água influente ,afeta a operação da OR de diversas formas . . A diminuição de temperatura poderá reduzir a fuga de salinidade na água produzida ,entretanto essa diminuição da temperatura reduz a vazão do processo em cerca de 3 % para cada 1 º© de redução . . Para uma melhor vazão de escoamento ,sem afetar as membranas ,operar com temperaturas variando de 30 º© a 35 º© . .Quando o objetivo for a produção de água de máxima pureza , a vazão poderá ser bastante restringida em razão das temperaturas necessárias para o processo , ficarem por volta de 16 a 26 º© . 3- Compactação (deformação) :Estes problemas podem acontecer nas membranas quando as pressões de bombeamento da água bruta exceder os 90 Kgf/cm2 . 4- Cloro livre : Sendo o cloro livre um agente oxidante enérgico ,ele pode afetar a maioria das membranas,sendo nestes casos, necessário a decloração prévia da água Entretanto recentamente foram desenvolvidas membranas de polisulfonas ,as quais podem resistir a dosagens de até 100 ppm de cloro livre . 5- “Fouling”biológico :Também chamado “biofilme “ ,é produzido no interior do elemento ,devido a associação de sólidos suspensos e material biológico ,que aí se depositam Consegue-se evitá-lo pela cloração e filtração da água bruta em filtros de cartucho de 0,2 microm . 6- “Fouling “ inorgânico (incrustações ) : Na malha da membrana a água bruta precipita sais de dureza carbonácea e não carbonácea ;a dureza carbonácea pode ser impedida de precipitar mantendo-se um pH ligeiramente ácido 4,5 - 5,0 , e a não carbonácea evita-se pela dosagem de um sequestrante (antiincrustante ) ,por exemplo hexametafosfato de sódio . - Considerações operacionais Fuga Salina : Definida como sendo a relação entre a concentração salina na água produzida da unidade e a concentração salina na água influente ;esta fuga aumenta quando o gradiente de pressão diminui . Taxa de conversão(Tc) : ou rendimento numa unidade de OR ,é a relação percentual entre a vazão (m3/h ) de água produzida e a vazão (m3/h) de água alimentada . Gvp Tc(%) = --------- . 100 Gv- vazão em m3/h Gva Pressão de filtração (Pf) : é definida como sendo a média aritmética entre as pressões: de alimentação (Pa) e de saída do rejeito (Ps) ,menos a pressão do permeado(Pp) . Pa + Ps Pf= --------------- - Pp Pressão em - Kgf/cm2 ou bar 2 Perda de carga ( ∆ P): é a diferença de pressão entre a entrada e a saída do módulo ∆ P = Pa - Ps

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Polarização concentrada : trata-se do fenômeno da rejeição de sais na superfície da membrana na interface do lado da água influente durante o seu escoamento;este fenômeno prejudica o processo ,uma vez que a pressão osmótica junto a membrana ,aumenta em relação a pressão osmótica da solução ,reduzindo a vazão da água permeada . O aumento da concentração salina no local ,chega a exceder os limites de solubilidade, tornando possível a ocorrência de precipitação e incrustações sobre a membrana . As unidades de OR,são constituídas por módulos montados em configuração paralelo, série ou mista. Para a perfeito funcionamento do sistema , a água a ser processada deverá ter passado por um processo primário eficiente . Na entrada da unidade ,deverá existir um declorador para a eliminação de cloro residual ,um filtro de cartucho para remoção de eventuais sólidos suspensos.e bombas dosadoras para a adição de condicionantes ( ajuste de pH , anti-incrustantes ). Os equipamentos ,além dos acima citados e dos módulos de membranas são : bombas de alta pressão (entrada), bombas de baixa pressão(saída),válvulas ,tubulações ,vasos receptores ,tudo em material a prova de corrosão , medidores de vazão ,manômetros , e outros instrumentos de controle e segurança .

Equipo de Membranas:Equipo de Membranas:Equipo de Membranas:Equipo de Membranas:Configuração Típica de uma Máquina

Alimentação

Concentrado

Permeado

Pré-Filtro

Bomba

Membrana

Válvulade Concentrado

FIG.VI- 10 - FLUXOGRAMA BÁSICO SIMPLIFICADO DE UMA UNIDADE DE OSMOSE

FIG.VI – 11 – ELEMENTOS MEMBRANAS ESPIRAIS

FIG.VI – 12- UNIDADE COMPACTA DE MEMBRANAS PRÉ

FIG.VI -12- UNIDADE COMPACTA ESPECIAL

UNIDADE COMPACTA DE MEMBRANAS PRÉ-MONTADA

UNIDADE COMPACTA ESPECIAL

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UNIDADE – VII : 1- ENXOFRE 2- ÁCIDO SULFÚRICO 3- ANIDRIDO FTÁLICO 4- CELULOSE

1 – ENXOFRE : INTRODUÇÃO

O enxofre é um elemento de grande versatilidade, cuja gama de usos vem atravessando séculos. Os antigos egípcios (2000 a.C) já o utilizavam para branquear linho e como pigmento para pinturas. Os chineses (500 a.C) empregaram o enxofre como componente da pólvora; os gregos e, posteriormente, os romanos, além de utilizá-lo em cerimônias religiosas de purificação, em lamparinas e em tratamento de pele, ampliaram grandemente seu uso medicinal. O enxofre elementar, até 1838, obtido de depósitos superficiais de origem vulcânica, tinha na Itália (Sicília) o seu maior produtor, daí gerando um monopólio. Como é comum acontecer, o monopólio fez subir os preços em demasia propiciando a utilização industrial de fontes alternativas (piritas), principalmente na Espanha e em Portugal, ainda na metade do Século XIX. Até então, os principais usos do enxofre eram: a fabricação de pólvora, elaboração de branqueadores e manufatura de compostos medicinais. No início do século passado, a utilização nos Estados Unidos do método Frasch possibilitou custos produtivos mais baixos e a conseqüente hegemonia americana na produção, a partir de 1913. Com o advento da química industrial moderna, ao longo do século, o enxofre passou a ter sua maior aplicação na produção do ácido sulfúrico, considerado por muitos como o “pão da indústria”, já que seu consumo per

capita indicaria o nível de industrialização de um país. Tabela 1: Propriedades e formas do enxofre. Propriedade Alfa Beta Gama Cor Amarela Amarela pálida Amarela pálida

Cristalização Ortorrômbica Monoclínica Amorfa Densidade relativa (20ºC) 2,07 1,96 1,92

Ponto de fusão (ºC) 112,8 118,75-119,3 120 Ponto de ebulição (ºC) 444,6 444,6 444,6

No que tange à solubilidade, alfa é insolúvel em água, ligeiramente sóluvel em álcool, tolueno, benzeno, éter e amônia líquida e solúvel em bissulfeto de carbono e tetracloreto de carbono. Beta é insolúvel em água, ligeiramente solúvel em éter e álcool e solúvel em bissulfeto de carbono, tetracloreto de carbono e benzeno. Gama é insolúvel em água e bissulfeto de carbono.

1.1- GEOLOGIA O enxofre, quando sob a forma nativa, encontra-se associado a domos salinos e erupções vulcânicas. Também é extraído de sulfetos metálicos e sulfatos, além de ser recuperado de gases naturais e/ou industriais. A retortagem de xistos betuminosos contendo enxofre é outra possível fonte de obtenção deste elemento. O enxofre de origem vulcânica é proveniente da oxidação, próxima à superfície, das emanações de gases sulfídricos que acompanham as erupções. Sua pureza depende da quantidade de cinzas que esteja

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associada à sua deposição. Quanto existe sublimação do enxofre em camadas magmáticas, é obtido um produto de maior pureza. São conhecidos depósitos de enxofre em todas as regiões vulcânicas do mundo. As reservas mundiais de enxofre são da ordem de cinco bilhões de toneladas, correspondentes ao enxofre associado ao gás natural, petróleo, sulfetos metálicos de cobre, chumbo, zinco, molibdênio e ferro, na forma de elemento nativo nos depósitos em rochas sedimentares deformadas e vizinhas a domos salinos, em depósitos vulcânicos (resultantes da sublimação de vapores sulfurosos de origem magmática) e arenitos betuminosos. 1.2- USOS NA ECONOMIA Segundo dados amplamente conhecidos, pelo menos 85% do enxofre produzido mundialmente é usado como ácido sulfúrico, cujo emprego em fertilizantes é da ordem de 65%. Resulta que, do enxofre, pelo menos 55% destinam-se à indústria de fertilizantes, que elabora os diversos produtos que os agricultores utilizam para reposição dos nutrientes de solos esgotados ou para melhoria da qualidade de solos originalmente pobres, visando ao aumento da produtividade agrícola. Outro uso agropecuário é na formulação de defensivos e complemento alimentar de gado. Na elaboração de artefatos de borracha ,o enxofre é aplicado na vulcanização ,para melhoria das propriedades da mesma . A larga aplicação do ácido sulfúrico resulta em mercado crescente para o enxofre, o que sempre incentivou sua recuperação de diversas fontes, além dos depósitos minerais convencionais, subterrâneos ou superficiais, ou das piritas já citadas, quais sejam: gases (naturais, de refinarias e de processos metalúrgicos), anidrita e gesso.

1.3- LAVRA E PROCESSAMENTO Os sulfetos metálicos, através da ustulação, produzem anidrido sulfuroso. Este último é normalmente empregado na produção de ácido sulfúrico, de forma direta, ou reduzido a enxofre elementar. Os principais sulfetos metálicos que produzem enxofre e/ou ácido sulfúrico são: pirita e marcassita (FeS

2), e

calcopirita (CuFeS2).

Alguns sulfatos, principalmente anidrita (CaSO4), gipsita (CaSO

4.2H2O) e barita (BaSO

4), têm sido

reduzidos com carvão para produção de SO2. Daí, o processamento é idêntico àquele obtido com o

anidrido sulfuroso proveniente dos sulfetos metálicos. Existe uma rota, denominada Processo MULLER-KUHNE, que utiliza anidrita e carvão para a obtenção simultânea de cimento e ácido sulfúrico. Atualmente, apenas a África do Sul tem uma unidade em operação, utilizando tal metodologia. Dos gases naturais e/ou industriais contendo H

2S, também é extraído o enxofre. Países como Canadá e

França têm nos gases naturais sulfurosos sua maior fonte de produção de enxofre. Quanto maior for o impacto financeiro das multas impostas pelo lançamento na atmosfera, mais atrativa se torna a recuperação do enxofre contido nas emissões gasosas. No que diz respeito à recuperação do enxofre contido em xistos ou folhelhos betuminosos, através de retortagem, conquanto seja tecnicamente viável, esbarra no extraordinário volume de run of mine a movimentar, no caso de uma produção em larga escala, o que dificilmente poderá ser compatibilizado com normas ambientais, referentes a emissões de particulados durante a lavra, independente de uma discutível viabilidade econômica do processo. Os processos de obtenção de enxofre dependem de sua origem e podem, resumidamente , ser assim classificados: .Refino de petróleo: com o emprego do processo Klauss faz-se a transformação do H

2S em enxofre

elementar, com o auxílio de um catalisador aquecido em determinada temperatura;processo similar é usado para a recuperação de enxofre de gás natural e de coquerias. O processo baseia-se na queima de uma parte da corrente de gases H2S gerando SO2 , que em seguida reagirá com o restante de H2S mediante catalisador em solução aquosa em uma torre de absorção.A mistura de gases entrará pela parte inferior e a solução aquosa será injetada no topo ,pelo fundo será retirada uma suspensão contendo o enxofre elementar .

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Reações do processo : 1ª parte – H2S (g) + 3/2 O2(g) --� SO2 (g) + H2O(g) A conversão chega a mais de 98%

2ª parte - 2H2S (g) + SO2(g)--- --� S(l) + 2H2O(l) .Metalurgia: a partir da ustulação de sulfetos de Cu, Zn, Ni, etc. e minéros sulfetados de ouro, sendo o ácido sulfúrico obtido da conversão do SO

2. Processo similar é empregado para a obtenção de ácido

sulfúrico a partir de pirita (FeS2).

Reações do processo : (Calcopirita ) 2CuFeS2 (s)+ 5 O2(g) -� 2Cu (l) + 2 FeO (s) + 4 SO2(g) FeO + SiO2 ----------� FeSiO3 (escória) (Galena) PbS (s) + O2(g)---------� Pb (l) + SO2 (g) (Blenda) ZnS (s) +O2(g)----------� ZnO (s) + SO2 (g) ZnO + C--------------� Zn(l) + CO (g) .Frasch:processo inventado por Hermann Frasch no final da década de 1890; consiste da fusão do enxofre localizado em grande profundidade e seu transporte à superfície(FIG.VII-1). Consta de quatro tubos concêntricos dispostos no poço da rocha.: tubulação externa de proteção; um tubo para entrada de água superaquecida (165ºC) para a fusão do enxofre da rocha; um tubo para introdução de ar comprimido (40 bar) para forçar o enxofre liquefeito até a superfície, através da tubulação mais interna. Este processo é aplicado na exploração do enxofre contido em intrusões calcáreas nos domos salinos de Louisiana(Texas) e no México ,em profundidades variando entre 150 a 760 m. .Mineração convencional (a céu aberto ou subterrânea): para minérios de alto e médio teor de enxofre, faz-se a ustulação para a geração de SO

2 e sua conversão para ácido sulfúrico (H

2SO

4). Com minérios de

baixo teor, fusão e destilação do enxofre, obtendo-se o enxofre elementar. Em nível mundial, o enxofre provém 87% da co-produção decorrente de outros produtos primários e 13% de processos diretos de produção de enxofre, com a seguinte distribuição aproximada:

• co-produto do refino de petróleo: 19%; • co-produto da metalurgia de sulfetos: 18%; • co-produto do gás natural: 13%; • co-subproduto não diferenciado (petróleo, gás natural etc.): 28%; • co-produto não especificado: 8%; • processo Frasch: 4%; • a partir de pirita: 8%; • a partir da mineração de enxofre nativo: 1%. VEJA ESQUEMA DO PROCESSO FRASCH NA PÁGINA SEGUINTE

FIG.VII-1- ESQUEMA DO PROCESSO FRASCH Fonte: Rochas e Minerais Industriais

ESQUEMA DO PROCESSO FRASCH

: Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 135

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2- ÁCIDO SULFÚRICO 2.1- HISTÓRICO A origem de sua fabricação não é sabido ao certo ,mas é mencionado desde o século X .A fabricação pela queima do salitre do Chile e enxofre foi descrita pela primeira vez por Valentinus no século XV.em 1746 ,Roebuck ,de Birmingham (Inglaterra),introduziu o processo por câmaras de chumbo ;no início do século XIX,os processos contínuos substituíram os descontínuos.em 1827 foi aperfeiçoado o processo de câmaras de chumbo , e em 1831 foi inventado o processo de contato pelo também inglês Phillips. Este processo ficou esquecido por mais de 40 anos ,sem receber aperfeiçoamentos ,isto porque não existia demanda para ácidos fumegantes . Com o desenvolvimento da indústria de corantes ,surgiu então as atenções para o processo de contato;então em 1889 ,pesquisas demonstraram que um excesso de oxigênio favorecia o processo de contato,sendo motivo para a introdução de muitas melhorias no método original,e hoje este é um processo mundialmente empregado ,de operação contínua e quase todo automatizado. 2.2- USOS NA ECONOMIA É de grande importância o seu emprêgo na economia dos países ,que o índice de desenvolvimento técnico-econômico de um país pode ser avaliado pelo seu consumo “per capita” . O ácido sulfúrico é matéria-prima para a obtenção de diversos sulfatos e derivados orgânicos sulfonados ,empregados nas indústrias de fertilizantes ,tensoativos e corantes têxteis , e na forma de ácido para purificação de petróleo e auxiliar em diversos processos químicos . Damos a seguir uma relação das diversas concentrações de ácido sulfúrico comercial : Ácido de bateria 29ºBé d - 1,25 33,33 % Fertilizantes 50ºBé d - 1,526 62,18 % Ácido de Glover 60ºBé d - 1,706 77,67 % Ácido concentrado 66ºBé d - 1,835 93,19 % ( ou óleo de vitríolo) Ácido concentrado 98% d - 1,841 Ácido concentrado 100% d - 1,845 Óleum 20 % d - 1,915 104,5 % Óleum 40 % d - 1,983 109,0 % Óleum 66 % d - 1,992 114,6 % NOTA: Os ácidos concentrados e óleuns são fortíssimos desidradantes,resultando em poderosa ação destrutiva de tecidos vegetais e animais,exigindo extemos cuidados no seu manuseio . Óleum é como são chamadas as soluções obtidas pela absorção de SO3 em H2SO4 concentrado 100%,caracterizadas pela % de SO3 absorvidas por unidade de massa do ácido,assim um óleum 20% é aquele que ,em 100 Kg contem 20 Kg de SO3 absorvido em 80 Kg de H2SO4 , e que sendo hidrolizado convenientemente fornecerá uma solução ácida a 104,5 % de concentração .

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2.3 - PROCESSO DE FABRICAÇÃO – MÉTODO DE CONTATO O processo original foi gradualmente melhorado , passando a ser de dupla catálise e absorção ,obtendo-se rendimentos mais elevados e menores emissões de poluentes aéreos – o SO2 residual - , as conversões alcançadas ficam na média de 97 a 98 % . 2.3.1- SEQÜÊNCIA OPERACIONAL DO PROCESSO ( SIMPLIFICADO ) . Fusão do enxofre ,seguido da filtração para a remoção de impurezas . Filtração ,compressão e secagem do ar de combustão . Bombeamento e atomização no forno de queima,produzindo o SO2 . Recuperação do calor dos gases de combustão (SO2) ,com geração de vapor. . Purificação do SO2 por filtração à quente. . Oxidação do SO2 à SO3 em conversor catalítico de vários leitos . Controle das temperaturas,por meio de resfriamento contínuo em trocadores casco-tubos , efetuando trocas gás-gás em diversos estágios . . Absorção do SO3 em ácido concentrado . Resfriamento do ácido dos absorvedores (torres de absorção) . Bombeamento contínuo do ácido para o topo das torres de absorção . Bombeamento do ácido produzido para estocagem . O vapor gerado na recuperação de calor dos gases de SO2,obtidos na queima do enxofre,é empregado na fusão do enxofre , acionamento de turbogeradores e demais necessidades energéticas da planta.Lembramos também ,que o resfriador de gases após o 1ºestágio de oxidação e o resfriador dos gases antes da torre de absorção intermediária , também geram vapor de alta pressão . 2.3.2- PRINCIPAIS REAÇÕES DO PROCESSO . Queima do enxofre : (oxidação por combustão ) S (pulv.) + O² ( g ) -----------------------� SO2 ( g ) ∆H = - 70,9 Kcal/Kg Combustão . Oxidação catalítica ------------------ SO2 ( g ) + ½ O² ( g ) SO3 ( g ) ∆H = - 23,4 Kcal/Kg ------------------� 2.3.3 - ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O PROCESSO A oxidação do SO2 à SO3 nos conversores é uma reação exotérmica reversível,sendo influenciada pela ação das pressões parciais ,segundo a lei da ação das massas dos componentes da mistura .Nota-se também que a conversão do SO2 diminui com o aumento da temperatura,sendo então desejável que a reação seja efetuada a temperatura mais baixa possível.Essa condição é favorável à um equilíbrio quase 100%,porém a velocidade é pequena.Em temperaturas maiores,a velocidade aumenta bastante,porém o

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equilíbrio é prejudicado.Assim existe o conflito de condições,sendo portanto necessário na prática operacional de uma usina de contato,procurar aproveitar as duas características. Para se obter o máximo de eficiência na conversão,deve-se considerar os seguintes fatores : . O equilíbrio varia inversamente com a temperatura e diretamente com a razão O² /SO² . A velocidade da reação é uma função direta da temperatura . A composição e a razão entre a quantidade de catalisador e a quantidade de SO³ formado afetam a velocidade de conversão ou a cinética da reação,assim a remoção do SO³ formado ,provoca a conversão de mais SO² . Levando-se em conta esses fatores, procurou-se aperfeiçoar o processo,em especial o reator (conversor),sendo então desenvolvido o tipo de passos múltiplos ou múltipla catálise.neste tipo de reator,os gases passam inicialmente por um 1º leito catalítico a temperatura aproximada de 410-430ºC para uma máxima conversão ,o que faz a temperatura subir a medida em que a reação avança,aumentando a velocidade até chegar ao equilíbrio .A maior conversão acontece nesse estágio,chegando a valores de 60- 74 %, quando a temperatura chega a aproximadamente 600ºC e areação cessa .Neste ponto os gases do 1º estágio são resfriados a aprox. 440ºC num trocador recuperador de calor e introduzidos no conversor em um 2º leito (estágio) de catálise ,onde acontece conversão de aprox. 18% e a temperatura chega a aprox. 485ºC.Saindo deste estágio os gases são novamente resfriados em um tocador gás-gás até aprox. 435ºC e introduzidos em um 3º leito de catálise ,onde acontece conversão de aprox.4% e a temperatura chega a atingir aprox.443ºC. Saindo deste estágio ,os gases passam por dois trocadores em série ,um gás-gás e outro gás-líquido,sendo resfriados a aprox. 60C e introduzidos em uma torre de absorção intermediária.Os gases efluentes dessa torre,após reaquecidos em dois estágios de trocadores de calor gás-gás,são introduzidos no 4º leito de catálise com temperatura de aprox.425ºC,ocorrendo aí a conversão de pouco mais de 1%.Os gases efluentes deste estágio,após resfriados em um trocador gás-gás (aquecedor de vapor saturado) são finalmente enviados a torre de absorção final e daí para a atmosfera . 2.3.4 -TRATAMENTO DOS GASES DO QUEIMADOR O SO² gasoso do queimador para o processo de contato,contém poeiras,CO² ,nitrogênio e oxigênio,além de impurezas como cloro,arsênio e flúor ,sendo estas últimas encontráveis quando se queimam materiais diversos do enxofre . Para a prevenção da corrosão ,é usual secar o ar de combustão do enxofre e o ar de oxidação no conversor ,por meio de absorção da umidade em torres de lavagem a ácido concentrado . Os gases de combustão ( SO² )obtidos no queimador saem com elevada temperatura aprox.1000ºC , sendo resfriados para aprox.410-430ºC em trocadores recuperadores de calor gerando vapor de alta pressão .Nos casos de gases oriundos da queima de sulfetos,é necessário o acréscimo de separadores de poeira e torres de depuração e precipitador de névoa ácida . 2.3.5- CATALISADORES Um catalisador típico é constituído de terra diatomácea impregnada com V2O5,variando desde 7% até mais conforme o processo;em alguns casos usam-se dois tipos num conversor .No 1º leito coloca-se o catalisador mais pobre ( menos ativo ,já usado) com mais resistência a temperatura , e um outro mais ativo ,porém mais frágil (novo) em outras passagens subseqüentes .Os catalisadores têm vida útil longa

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cerca de 20anos ,e não estão sujeitos a envenenamentos ,exceto pelo flúor que pode atacar os suportes de sílica . Os fabricantes mais conhecidos de catalisadores são a Monsanto ,Cyanamid , e Stauffer Chemical. 2.3.6 -ABSORVEDORES As torres de absorção operam com H2SO4 98-99% ,em razão da sua maior eficiência na absorção do gás SO3.Esta capacidade notória de absorção atribui-se a baixa pressão de vapor do ácido que é m ais acentuada nesta concentração do que em qualquer outra ;a água não é usada devido a formação de névoa ácida quando esta entra em contato com o SO3 .Com a absorção contínua do SO3 ,a solução inicial fica cada vez mais concentrada ,sendo necessário passar contínuamente por processo de diluição e resfriamento,o que pode ser feito pela adição de ácido diluído ou água ,ao mesmo tempo em que é recirculado para o topo da torre . Uma quantidade de ácido é bombeada contínuamente para a estocagem . 2.3.7- TEMPERATURAS E CONVERSÃO PERCENTUAL EM CADA ESTÁGIO DE UM CONVERSOR TÍPICO DE QUATRO ESTÁGIOS (TECNOLOGIA DA MONSANTO ) ESTÁGIOS TEMPERATURAS % CONVERSÃO DOS GASES EM ºC 1º Entrada 410,0

Saída 601,8 74,0 Elevação 191,8 2º Entrada 438,0 Saída 485,3 18,4 Elevação 47,3 3º Entrada 432,0 Saída 443,0 4,3 Elevação 11,0 4º Entrada 427,0 Saída 430,3 1,3 Elevação 3,3 Elevação total d temperatura 253,4

FIG.VII- 2 : FLUXOGRAMA DO PROCESSO CONTATO 4 LEITOS

FIG.VII -3 : VISTA EM CORTE TORRE DE ABSORÇÃO

2 : FLUXOGRAMA DO PROCESSO CONTATO 4 LEITOS E DUPLA ABSORÇÃO

3 : VISTA EM CORTE TORRE DE ABSORÇÃO

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E DUPLA ABSORÇÃO

FIG.VII – 4 : VISTA EM CORTE DO CONVERSOR DE 4 LEITOS

: VISTA EM CORTE DO CONVERSOR DE 4 LEITOS

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3- ANIDRIDO FTÁLICO

3.1- HISTÓRICO O anidrido ftálico ,segundo a literatura começou a ser produzido comercialmente ,por meio da oxidação do naftaleno e derivados ;o método usado nas últimas décadas do século dezenove empregava ácido crômico ou nítrico como oxidantes ,por via úmida ( fase líquida ) ,sendo um processo muito custoso .Durante a última década desse século , o crescimento da demanda de anidrido ftálico necessário para a fabricação do corante índigo , leva a encabeçar pesquisas para decobrir um processo menos dispendioso para a sua produção . Foi descoberto então por E. Sapper ( Alemanha) ,um processo que empregava ácido sulfúrico fumegante auxiliado por um sal de mercúrio como catalisador , o qual foi logo patenteado pela Badische Anilin und Soda Fabrik ( BASF) Alemanha , em 1896 .Desde então esse processo foi comumente descrito como método comercial para a obtenção do anidrido ftálico . Esse processo foi empregado em larga escala pela BASF ,para ter assim o intermediário para a fabricação do índigo sintético ; é importante notar que o atual processo de contato para produção do ácido sulfúrico é um resultado dos esforços para a utilização do SO² gerado na produção do anidrido pelo método descrito anteriormente . Durante a 1ª Guerra Mundial , as importações do anidrido alemão foram interrompidas ,assim muitos tentaram o processo desenvolvido pela BASF ,mas encontraram muita dificuldade ,obtendo baixo rendimento , tal fato levou vários pesquisadores a desenvolverem outras tecnologias na época,enquanto alguns aperfeiçoaram por algum tempo o processo acido e mercúrio ,sendo patenteado no Japão por Takahashi em 1917 e nos EUA em 1918 ,por Greenley . Mesmo assim ,o processo ainda apresentava muitas desvantagens ,e as pesquisas prosseguiram e descobriram ser possível a oxidação direta do naftaleno pelo oxigênio do ar,em fase gasosa a altas temperaturas , na presença de catalisador ,de uma forma mais simples e econômica ; ao mesmo tempo também verificou-se a possibilidade da oxidação tolueno , a benzaldeído e acido benzóico ,dando ao final também o anidrido ftálico ,isso na presença de pentóxido de vanádio e trióxido de molibdênio,segundo Gibbs ,o qual patenteou o processo usando o naftaleno (processo Gibbs USA ,1918 ) . Atualmente temos aperfeiçoados três processos de oxidação em fase gasosa : Von Heyden (Alemanha) , Rhone-Poulenc (França) e BASF (Alemanha) ,todos podendo usar o orto-xileno ou naftaleno ,ou mistura em diferentes proporções . Temos ainda um em fase líquida ,onde reage uma mistura de ácido acético , orto-xileno e catalisador , um processo pouco importante . 3.2 - USOS NA ECONOMIA O anidrido ftálico é de largo emprego entrando na composição de muitos produtos por exemplo : resinas alquídicas ,plastificantes ,poliésteres ,a maior parte ;síntese da fenolftaleina e diversos corantes : ftalocianinas,rodaminas,eosina,eritrosina,quinolina ,antraquinona e seus derivados ,inseticidas ,intermediários farmacêuticos, etc . 3.3 - PROCESSO DE OBTENÇÃO POR OXIDAÇÃO CATALÍTICA EM FASE GASOSA 3.3.1- Matérias-primas Conforme já mencionado ,pode ser utilizado o naftaleno ou orto-xileno ,ou ainda uma mistura dos mesmos em variadas proporções ,mais o ar atmosférico em grande excesso .

3.3.2 - Equipamentos principais – Unidade de oxidação Esta planta emprega processo contínuo com alto intertravamento por questões de segurança devido o alto risco presente , isto porque devido a alta inflamabilidade e temperaturas elevadas,incêndios ou explosões podem ocorrer .Os equipamentos são : Compressoreaquecedor de orto-xileno,vaporizador ,reator multitubular catalítico de leito fixo com trocador interno , trocadores casco-tubos pós-reator(gásque são reversíveis ,funcionando como câmaras de condensação e de fusão do AF ,vasos ,tanques diversos ,torre de absorção para lavagem de gases e bombas para transporte. 3.3.3 - Equipamentos principais –Unidade de purificação Esta planta já não apresenta grandes riscos e o processo é semide aquecimento de fluido térmico automaticamente controlado , responsável pela operacionalização do refervedor e tanques de tratamento do AF cru proveniente : Caldeira de fluido térmico ,tanques de tratamento,refervedor com coluna e condensadores ,bombas de vácuo , escamadores , ensacadeira , tanques diversos e bombas . 3.3.4 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO (BÁSICO ) Trata-se de um processo de oxidação catalítica ao ar de modo controlado (oxidação parcial) do naftaleno ou ortoxileno,ou misturados em proporções variáveis conforme as disponibilidades e/ou custos dos mesmos . O naftaleno é mais barato ,no entanto contém baspureza resulta num anidrido muito mais fácil de atingir as especificações ,sendo de melhor rendimento na oxidação . A reação de oxidação é muito exotérmica,necessitando de rigoroso controle no acompanhamentotemperaturas de reação nas várias regiões no interior do reator . O controle dessas temperaturas é conseguido por meio de circulação de uma mistura de sais alcalinos fundidos por volta dos tubos , os quais são resfriados por meio de um feixe tubulachamado serpentina ,onde é injetado na parte inferior água sob alta pressão a qual sendo vaporizada,remove o calor para fora do reator ( geração de vapor saturado de 20 Kgf/cm² ) .Em seguida ,as reações principais de oxidação ,lembrando que ocorrem reações paralelas formando outros compostos em mínimas quantidades , por exemplo : água,CO2,ácido benzóico ,ftalida, acido citracônicoácido ftálico e em maior porcentagem o anidrido maléico o qual é apfumárico,sendo os outros descartados .

(A) NAFTALENO Além dos produtos secundários,acontece também um pouco de oxidação completa (queima) do naftaleno ou ortoxileno .A temperatura da reação varia conforme a zona do reator,à partir da entrada,atingindo em um determinado ponto a sua temperatura máxima,bem distinta das demais.Essa temperatchamado “HOT SPOT “ ;a temperatura dos sais influi diretamente no valor dessa temperatura,sendo a variável chave para o controle do processo( reações) .

Unidade de oxidação

Esta planta emprega processo contínuo com alto índice de automação,e complexos sistemas de intertravamento por questões de segurança devido o alto risco presente , isto porque devido a alta inflamabilidade e temperaturas elevadas,incêndios ou explosões podem ocorrer . Os equipamentos são : Compressores de ar de processo do tipo centrífugo,pré-

xileno,vaporizador ,reator multitubular catalítico de leito fixo com trocador interno , reator(gás-coolers),trocadores colméias reversíveis ( swit

que são reversíveis ,funcionando como câmaras de condensação e de fusão do AF ,vasos ,tanques diversos ,torre de absorção para lavagem de gases e bombas para transporte.

Unidade de purificação

ta já não apresenta grandes riscos e o processo é semi-contínuo.O coração da planta é o sistema de aquecimento de fluido térmico automaticamente controlado , responsável pela operacionalização do refervedor e tanques de tratamento do AF cru proveniente da unidade de oxidação .Os equipamentos são : Caldeira de fluido térmico ,tanques de tratamento,refervedor com coluna e condensadores ,bombas de vácuo , escamadores , ensacadeira , tanques diversos e bombas .

(BÁSICO )

se de um processo de oxidação catalítica ao ar de modo controlado (oxidação parcial) do naftaleno ou ortoxileno,ou misturados em proporções variáveis conforme as disponibilidades e/ou custos dos mesmos . O naftaleno é mais barato ,no entanto contém bastante impurezas ,já o ortoxileno é o ideal,sua pureza resulta num anidrido muito mais fácil de atingir as especificações ,sendo de melhor rendimento na

A reação de oxidação é muito exotérmica,necessitando de rigoroso controle no acompanhamentotemperaturas de reação nas várias regiões no interior do reator . O controle dessas temperaturas é conseguido por meio de circulação de uma mistura de sais alcalinos fundidos por volta dos tubos , os quais são resfriados por meio de um feixe tubular (trocador interno) imerso nesse banho usualmente chamado serpentina ,onde é injetado na parte inferior água sob alta pressão a qual sendo vaporizada,remove o calor para fora do reator ( geração de vapor saturado de 20 Kgf/cm² ) .

ções principais de oxidação ,lembrando que ocorrem reações paralelas formando outros compostos em mínimas quantidades , por exemplo : água,CO2,ácido benzóico ,ftalida, acido citracônicoácido ftálico e em maior porcentagem o anidrido maléico o qual é aproveitado na produção de ácido fumárico,sendo os outros descartados .Veja abaixo as reações principais para cada reagente

(B) ORTO-XILENO

,acontece também um pouco de oxidação completa (queima) do naftaleno ou ortoxileno .A temperatura da reação varia conforme a zona do reator,à partir da entrada,atingindo em um determinado ponto a sua temperatura máxima,bem distinta das demais.Essa temperatchamado “HOT SPOT “ ;a temperatura dos sais influi diretamente no valor dessa temperatura,sendo a variável chave para o controle do processo( reações) .

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índice de automação,e complexos sistemas de intertravamento por questões de segurança devido o alto risco presente , isto porque devido a alta

-aquecedor de ar, pré-xileno,vaporizador ,reator multitubular catalítico de leito fixo com trocador interno ,

coolers),trocadores colméias reversíveis ( switches condensers ) que são reversíveis ,funcionando como câmaras de condensação e de fusão do AF ,vasos ,tanques diversos

contínuo.O coração da planta é o sistema de aquecimento de fluido térmico automaticamente controlado , responsável pela operacionalização do

da unidade de oxidação .Os equipamentos são : Caldeira de fluido térmico ,tanques de tratamento,refervedor com coluna e condensadores ,bombas de

se de um processo de oxidação catalítica ao ar de modo controlado (oxidação parcial) do naftaleno ou ortoxileno,ou misturados em proporções variáveis conforme as disponibilidades e/ou custos dos

tante impurezas ,já o ortoxileno é o ideal,sua pureza resulta num anidrido muito mais fácil de atingir as especificações ,sendo de melhor rendimento na

A reação de oxidação é muito exotérmica,necessitando de rigoroso controle no acompanhamento das temperaturas de reação nas várias regiões no interior do reator . O controle dessas temperaturas é conseguido por meio de circulação de uma mistura de sais alcalinos fundidos por volta dos tubos , os

r (trocador interno) imerso nesse banho usualmente chamado serpentina ,onde é injetado na parte inferior água sob alta pressão a qual sendo vaporizada,remove o calor para fora do reator ( geração de vapor saturado de 20 Kgf/cm² ) .

ções principais de oxidação ,lembrando que ocorrem reações paralelas formando outros compostos em mínimas quantidades , por exemplo : água,CO2,ácido benzóico ,ftalida, acido citracônico,

roveitado na produção de ácido Veja abaixo as reações principais para cada reagente

,acontece também um pouco de oxidação completa (queima) do naftaleno ou ortoxileno .A temperatura da reação varia conforme a zona do reator,à partir da entrada,atingindo em um determinado ponto a sua temperatura máxima,bem distinta das demais.Essa temperatura é o chamado “HOT SPOT “ ;a temperatura dos sais influi diretamente no valor dessa temperatura,sendo a

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Durante o uso ,por várias razões o catalisador sofre redução de sua atividade ,sendo necessário então subir a temperatura dos sais para melhorar o processo ( reações) . Com o catalisador em plena atividade ,pode-se operar com os sais em temperaturas um pouco acima dos 300ºC ,320ºC por exemplo , dependendo do fabricante do catalisador ; essa temperatura poderá ser elevada em algumas dezenas de graus até o final de sua vida útil . As temperaturas de reação podem variar desde a entrada e outras regiões ,até a saída ,com valores desde aprox. 420ºC até próximo de 460ºC (máximo) em plantas brasileiras,podendo chegar 590ºC ,em plantas nos EUA . 3.3.5- SEQÜÊNCIA DO PROCESSO DE OXIDAÇÃO .Captação do ar atmosférico através de filtros de lã de polipropileno .Aquecimento a 150 ºC em trocadores colméias a vapor .Aquecimento do ortoxileno ou naftaleno, ou mistura a 140-150ºC .Pulverização e mistura com o ar de processo aquecido .Introdução na câmara superior do reator,em fluxo tangencial ,onde por meio de placas defletoras a mistura é direcionada para o interior dos tubos de reação .Resfriamento dos gases efluentes do reator em trocadores casco-tubos em dois estágios, gerando vapor de 10 e 2,5 Kgf/cm² .Condensação do anidrido em câmaras condensadoras resfriadas a óleo térmico,na verdade o anidrido dessublima cristalizando –se na forma de agulhas a ~58ºC. .Lavagem dos gases nâo condensáveis e partículas arrastadas em torres de lavagem ,por absorção em solução aquosa .Fusão do anidrido ftalico condensado e descarga das câmaras em ciclos alternados .Bombeamento do anidrido cru descarregado para estocagem NOTA : As câmaras condensadoras funcionam alternadamente , por tempos programados,ora resfriando gases e condensando (CONDENSAÇÃO) , ora fundindo o anidrido condensado, tempo em que fica fechada a entrada/saída de gases ,ora resfriando após a descarga , até a temperatura suficiente para nova condensação,quando então serão abertas a entrada e saída dos gases .Normalmente sempre uma ou mais câmaras estarão em condensação ,uma em fusão e outra em resfriamento . 3.3.6- SEQÜÊNCIA DA PURIFICAÇÃO .O anidrido cru do tanque de estocagem é bombeado para os tanques de tratamento (depuradores térmicos) .Aquecidos em atmosfera inerte até 270ºC a pressão atmosférica e mantida essa temperatura por 1 hora no mínimo .Descarga do anidrido tratado para o tanque de estocagem de anidrido tratado .Transferência contínua do anidrido cru para o alambique de destilação (refervedor) á vácuo .A destilação é operada a uma temperatura de 210 – 230 ºC sob vácuo de ~660 mm Hg .O anidrido é condensado (líquido) ~ 140ºC em dois condensadores operando em paralelo,sendo uma parte refluxada para a coluna em proporções variáveis segundo a pureza do destilado que depende da qualidade do anidrido alimentado . .Outra parte do destilado poderá ser direcionada para tanques de estocagem , carregamento a granel em caminhão-tanque ,ou escamadores que alimentarão o sistema de acondicionamento ( em sacos ou big-bags) Veja na página seguinte FIG.VII- 5 : fluxograma simplificado produção de AF (rota O-xileno)

FIG. VII - 5

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. ALGUNS DADOS DO PROCESSO DE OXIDAÇÃO CATALÍTICA EM FASE GASOSA Matéria-prima Naftaleno Ortoxileno Catalisador V2O5 V2O5 Temperatura 420ºC~594ºC 420ºC~594ºC Equipamento Reator multitubular catalítico de leito fixo c/trocador interno Calor de reração 5090~5850Kcal/Kg 5260~6520Kcal/Kg Tempo de residência 0,4~0,5 s 0,15 s Kg de ar/Kg de reagente 25~30 20~28 . ALGUMAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS : MATÉRIAS-PRIMAS MATERIAL P.MOL (g/mol) PF(ºC) DENS. (g/cm³) PE ( ºC) Orto-xileno 106 - 0,88 144 Naftaleno 128 80 1,24 - . PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DO ANIDRIDO FTÁLICO ( AF ) Cor branco Densidade a 25ºC (g/cm³) 1,527 Estado físico sólido Forma agulhas cristalinas Odor característico irritante P.molecular g/mol 148 Ponto de ebulição (p.atmosférica) ºC 287 Ponto de fulgor ( vaso aberto ) ºC 165 Ponto de solidificação ºC 131 Temperatura de autoignição ºC 584 Solubilidade solúvel em água formando ácido ftalico CLASSE DE RISCO : 8 TIPO DO RISCO : CORROSIVO , FORMA ÁCIDO EM CONTATO COM UMIDADE ,CAUSANDO QUEIMADURA QUÍMICA

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4 – CELULOSE 4.1- INTRODUÇÃO . O QUE É A CELULOSE É o constituinte estrutural fibroso de todos os vegetais,formando as folhas,caule ,raízes , e também constituinte de muitos frutos .Excetuando-se os frutos , as outras partes vegetais tem como ligante a lignina que une fortemente as fibras dando a conhecida rigidez das madeiras . A lignina é uma substância complexa polimérica formada por unidades de fenilpropano substituído ,de natureza muito aromática ,insolúvel em água e muito resistente a reação química . Devido a grande dificuldade de processar esse complexo polimérico e aos custos elevados ,a sua exploração trem sido pouco atraente ,razão pela qual normalmente é queimada nas caldeiras de recuperação. Estima-se que de 40 a 50 % do peso da madeira seca corresponde a celulose , 20 a 27 % corresponde a lignina ,o restante a outras substâncias dentre elas predominando gomas ,resinas ,óleos essenciais, taninos ,alcoóis e sais inorgânicos . . HISTÓRICO DE OBTENÇÃO Em 1844,na Saxonia,Keller inventou o processo mecânico de fazer a polpa da madeira;processo a soda foi desenvolvida em 1851 por Watt e Burgess .Em 1867 , o químico americano Tilghman conseguiu patente para o processo ao sulfito . O processo ao sulfato ,foi desenvolvido pelo alemãoDahl ,em Danzig-Alemanha no ano de 1884;desde então a indústria de celulose experimentou grande desenvolvimento chegando ao estágio atual ,sendo um ramo industrial de grande importância .A celulose ,além do seu emprego básico na fabricação de papéis,serve também como intermediário para a fabricação de diversos outros produtos por exemplos: fibras ,plásticos ,resinas ,tecidos filtrantes , reforço de materiais estruturais ,etc. 4.2- MÉTODOS DE FABRICAÇÃO Os métodos conhecidos são eles : PROCESSO MECÂNICO – PROCESSO AO SULFITO – PROCESSO SEMI-QUÍMICO E PROCESSO KRAFT OU AO SULTATO . Devido a sua maior participação no volume de produção da celulose nos dias atuais , estaremos estudando as bases do processo KRAFT . 4.3- PROCESSO KRAFT OU AO SULFATO ( ALCALINO) – É o processo responsável pela maior parte de celulose fabricada hoje em dia;servindo-se de madeira mole ou dura.As reações químicas um tanto complexas,envolvem a hidrólise da lignina a alcoóis e ácidos;também gera mercaptanas e sulfetos os responsáveis pelo habitual mal cheiro das fábricas de polpa ao sulfato . Equipamentos – a seguir relacionamos alguns dos principais: transportadores de esteiras,para toras e cavacos,picadores,silos ,peneiras,alimentadores ,bombas ,válvulas , tubulações,tanques diversos, aquecedores de licor,digestores,peneiras ou difusores,filtros , espessadores ,secadores,evaporadores de licor ou lixívia,caldeira de recuperação, precipitadores eletrostáticos,forno de cal ,ciclones etc. A matéria-prima básica ,como visto acima pode ser qualquer tipo de madeira dura ou mole ,entretanto por razões comerciais , objetivando-se melhor qualidade e produtividade , utilizam-se as madeiras do tipo coníferas ( espécies de pinheiros) e das folhosas ( espécies de eucaliptos ),as coníferas são do tipo mole e fornecem celulose de fibras longas mais resistentes ,as folhosas são madeiras duras e fornecem celulose de fibras curtas , ideal para papeis mais absorventes ,macios .

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Como insumos básicos para o processamento entram a cal virgem , a barrilha e sulfato de sódio e muita água (25 a 40 m³/t de celulose Kraft branqueada) . 4.3.1- DIGESTÃO OU COZIMENTO O fenômeno principal que ocorre no digestor é a hidrólise da lignina ,o que resulta na perda do seu poder aglutinante ,liberando as fibras ,enquanto isso forma-se alcoóis ,ácidos ,mercaptanas e sulfetos . Composição do licor de cozimento- cerca de 12,5% de sólidos dissolvidos constituídos por NaOH ,Na2S, e Na2CO3 ,uma análise típica do resíduo sêco aponta a seguinte composição :58,6 % NaOH /27,1 % Na2S/ 14,3 % Na2CO3/ ,sendo a soda cáustica e o sulfeto as substâncias ativas no processo. Condições do processo- cozimento a temperatura de 170 a 180 °C , a uma pressão de 6,8 a 9,2 atm por um tempo de 2 a 5 h ,no processo batelada ;lembramos que já existe processos de cozimento contínuos . Características da polpa bruta: polpa na cor parda ou marrom ,muito resistente,a qual deve passar por estágios de alvejamento ,se não for utilizada para a fabricação de embalagens (sacos e caixas de papelão convencionais). 4.3.2 - SEQÜÊNCIA RESUMIDA DO PROCESSO DE POLPEAMENTO KRAFT . Trituração das toras em pequenos cavacos de 20 a 25 mm . Peneiramento dos cavacos em peneiras rotatórias ou vibratórias para eliminação da serragem e graúdos,sendo a serragem descartada e os graúdos reprocessados em desintegradores. . Acumulação dos cavacos em grandes montes . Transportes para silos e posterior alimentação para os digestores,pode ser também alimentado o licor enquanto é feito esse carregamento . Alimentação do licor de cozimento na carga . Início de aquecimento até aprox. 170°C e pressão de 7 atm ,o que leva entre 1 a 2 h . Cozimento nessas condições por mais 1 a 2 h ,conforme as características da madeira e do licor . Redução da pressão para aprox. 5,5 atm e descarregamento num tanque de esgotamento . Lavagem da polpa com água quente e reciclo da água para o tanque de esgotamento . Peneiramento da polpa pra separação de fragmentos não desfeitos (nós,lascas mais duras) . O licor ou lixívia negra é bombeado para estocagem e posterior recuperação . A polpa lavada é peneirada segue para filtros e espessadores . O alvejamento é feito em dois ou até oito estágios,normalmente tres a seis , com produtos oxidantes tendo por finalidade destruir as as substâncias corantes ( taninos e resinas ) acentuadas pela presença de sulfetos do licor . Depois do alvejamento a polpa é lavada e re- espessada, e em seguida segue para secadores,podendo ser conformada finalmente em folhas contínuas (bobinas) ,ou cortadas em fardos 4.3.3- LICOR NEGRO OU LIXÍVIA NEGRA O licor negro ou lixívia negra separado da polpa no lavador ou difusor,contém 90 a 95% das substâncias não celulósicas que adentraram o digestor.Os compostos orgânicos do enxofre estão presentes em combinação com o sulfeto de sódio;o carbonato de sódio está presente ,assim como pequenas quantidades de sulfato de sódio,cloreto de sódio,sílica ,traços de cal ,entre outros inorgânicos,esses sólidos podem atingir teores de em média 20%. 4.3.3.1- SEQÜÊNCIA OPERACIONAL – RECUPERAÇÃO DA LIXÍVIA . Do evaporador a contato ,segue para um tanque de mistura com sulfato de sódio . . Deste tanque , é bombeado através de um aquecedor ,indo direto alimentar queimadores da fornalha da caldeira de recuperação .

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. Na fornalha decompõem-se os produtos orgânicos , e os inorgânicos são fundidos , . As substâncias fundidas são em seguida lançadas em um vaso de dissolução,onde contem licor de dissolução proveniente da unidade de caustificação. A dissolução é rápida e a solução formada é chamada de” licor verde “.Este licor contém cerca de 20% de de carbonato de sódio e 5% de sulfeto de sódio e substâncias em suspensão (borras carbônicas ) vindo da caldeira e acompanhada por sílica sulfetos metálicos e outros compostos . . Em seguida o licor verde é clarificado em um decantador onde as impurezas insolúveis são sedimentadas e o sobrenadante clarificado vai para tanques de estocagem. . O lodo é bombeado para lavadores ,sendo as águas de lavagem recuperada e enviada para dissolução das substâncias fundidas que escoam da fornalha da caldeira ;e o resíduo final descartado . . O sobrenadante clarificado (licor verde ) é bombeado para estocagem no setor de caustificação , onde será regenerado o hidróxido de sódio . . A caustificação envolve a adição de óxido de cálcio ,ao licor verde acontecendo a hidratação ,resultando em hidróxido de cálcio que em seguida reage com o carbonato de sódio ,regenerando hidróxido de sódio e precipitando carbonato de cálcio.Embora a caustificação inicie já na hidratação (extintor de cal ) ,a conversão é completada em reatores tipo tanque em série ,comumente 4 estágios(reatores ) com agitação moderada e tempo de residência de aproximadamente 40 min em cada um . . Dos caustificadores , a solução resultante a qual contém na maior parte sulfeto de sódio e hidróxido de sódio, segue para clarificadores em dois estágios,para a remoção do carbonato de cálcio precipitado sendo agora o sobrenadante chamado “licor branco” o qual é estocado para consumo nos digestores de cozimento dos cavacos . . O lodo de carbonato de cálcio retirado do fundo do clarificador é enviado para um tanque homogeinizador ,onde tem o teor de sólidos acertado para cerca de 35 a 40 % ; . A seguir vai para o lavador de lama ,tendo por objetivo recuperar o máximo de hidróxido de sódio do lodo ,antes de envia-lo para o forno de cal . . O líquido de lavagem (transbordo do decantador ) vai para estocagem e posterior consumo na dissolução dos fundidos descarregados da caldeira de recuperação( elaboração do licor verde ) ; . A lama resultante é enviada ao tanque de estocagem de lama , e depois segue para filtragem à vácuo, onde o filtrado volta para o tanque homogeneizador do lodo de carbonato extraído dos clarificadores de licor branco ; . A torta obtida (com teor de 60 a 70% de sólidos ) vai para o forno de cal ,onde o carbonato é convertido a óxido de cálcio(cal) . 4.3.3-2 - REAÇÕES DO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO DA LIXÍVIA . Na fornalha da caldeira ,todos os compostos orgânicos são decompostos ,havendo carbonização – formação de carbono livre – sendo que uma boa parte reage com o sulfato de sódio que fora adicionado no licor antes da queima ,formando sulfeto de sódio ,conforme abaixo : Na2SO4 + 2C --------���� Na2S + 2 CO2 Acontece também a formação de óxidos alcalinos ,que combinam-se com o dióxido de carbono formando carbonatos ,os quais saem fundidos junto com os sulfetos . .Na caustificação do licor verde acontecem as seguintes reações : . Extinção do cal ( hidratação ) CaO + H2O ------���� Ca (OH) 2 + 270 Kcal /Kg

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. Caustificação do carbonato de sódio Na2CO3 + Ca(OH) 2 -----���� 2NaOH + CaCO3 . Recuperação do cal CaO na calcinação (forno de cal ) CaCO3 ------------------ > CaO + CO2 ∆ Nota: Quando se emprega madeiras moles resinosas ,por exemplo do tipo coníferas :Pinus e abetos ,o licor negro apresenta-se rico em material valioso ,chamado tall-oil , o qual é rico em ácidos graxos e terpenos ,além da lignina .Nesses casos ,o licor deve sofrer uma extração desse produto antes de ser concentrado para a recuperação dos alcalinos . FLUXOGRAMA DE OBTENÇÃO DA POLPA DE CELULOSE AO SULFATO NA PÁGINA SEGUINTE

FIG.VII - 6 : FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO

6 : FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO – POLPEAMENTO AO SULFATO (KRAFT)

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POLPEAMENTO AO SULFATO (KRAFT)

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Preparado por prof. Benedito Ap. Rodrigues Suzano,28 de julho de 2008 – Rev. 7