filtro de mangas Filtro de mangas - Despoluição …vortexindustrial.com.br/media//DIR_25601/1fc0282151a9e37fffff8668... · 42 Química e Derivados - junho - 2005 filtro de mangas

Química e Derivados - junho - 200540

f i l t r o d e

m a n g a s

sação de água ou ácido. Por outro lado, problemas de ataques químicos, podem ser solucionados pela comparação entre a faixa de temperatura e composição química dos gases fi ltrados e a faixa de resistências químicas dos elementos fi ltrantes.

A título de ilustração mencionamos os seguintes exemplos da infl uência das variáveis do processo industrial (vide Fig.1):

1) Um combustível rico em enxofre pode resultar em gases de combustão com elevado teor de SO3 (trióxido de enxofre) e conseqüente risco de con-densação ácida.

2) A duplicação da capacidade pro-dutiva de secagem de minérios / grãos implicará um aumento do teor de água nos gases fi ltrados, podendo resultar em condensações e entupimentos das mangas por aglomeração excessiva de particulado.

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

o longo do estudo e solução de problemas de centenas de sistemas de fi ltração in-dustrial foi possível agru-par em quatro categorias as causas de falha:falha na especifi cação do elemento fi ltrante (vide edição de QD-407, de

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

tubulação, fi ltro, ventilador, etc.); falha de operação do sistema;falha de manutenção do sistema.Essas causas3 podem e devem ser

analisadas sob o aspecto mecânico (dimensionais de chaparias, válvulas, velocidades gasosas, etc.) e sob o aspecto químico (condensações, ata-ques químicos, etc.), este só lembrado quando o fi ltro entope ou apresenta seus elementos fi ltrantes com um aspecto “apodrecido”.

Os fatores que geram essas falhas podem resultar da condensação de água ou de ácido, assim como podem ser causadas por composições químicas gasosas incompatíveis com o elemento fi ltrante em uso para dada faixa de tem-peratura de fi ltração.

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

As causas de origem química que levam ao entupimento ou alta emissão de particulados num fi ltro de mangas podem ser adequadamente avaliadas por simulação computacional com base em balanços de massa e de energia. Por exemplo, a determinação do ponto de orvalho se faz útil para solução dos problemas de entupimento por conden-

a

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

por entrada de ar ambiente (também chamado de ar-falso) ou por injeção de água haverá, em cada caso, alteração signifi cativa na composição química gasosa, podendo resultar em ataque químico das mangas.

4) Se o resfriamento for por ar-falso, é preciso observar as condições atmos-féricas, pois num dia quente e chuvoso o gás resfriado apresentará as maiores vazões e umidades possíveis, ao passo que, num dia frio e seco, apresentará as menores vazões e umidades possíveis.

5) Se o particulado possui natureza ácida ou alcalina, pode ocorrer ataque do elemento fi ltrante em presença de umidade condensada, devido à libe-ração em equilíbrio do ácido ou álcali correspondente.

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

Fig.1: Variáveis do processo industrial com influência no aspecto químico da filtração.

Tipo e vazão de combustívelCondensaçãode água ou

ácido

+

Composiçãoquímica dos

gases

Entupimentos

+

Ataquesquímicos

Regime de produção

Regime de resfriamento

Condições atmosféricas

Natureza do particulado

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

F i l t r o d e m a n g a s

2005 - junho - Química e Derivados 41

que a curva do Ponto de Orvalho Ácido é defi nida não apenas com base no teor de umidade dos gases, mas também no

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

rem abaixo da curva (vide Fig.6), haverá condensação de ácido sulfúrico. Quando isso acontece, há corrosão precoce das partes metálicas do fi ltro (como chaparias, gaiolas, etc.). Por exemplo, na Fig.7, é possível observar o esfare-lamento do anel aço-mola de fi xação da manga por oxidação, resultando em

perda do efeito mola e falha de vedação.

Além disso, o ácido con-densado ataca quimicamente o elemento fi ltrante. Na Fig.8, em uma primeira análise, seria pos-sível afi rmar que houve um forte processo abrasivo. No entanto, ao ser verifi cada a possibilidade de rasgo manual do elemento fi ltrante, fi cou caracterizada a ocorrência de ataque químico.

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

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

interessa são os dados de entrada e saída de cada bloco. Nessa metodologia, ba-lanços de massa e de energia aplicados em cada bloco isoladamente permitem o cálculo da vazão, temperatura e compo-sição química gasosa desde o início do processo até a fi ltração.

Uma representação simplifi cada in-tegra os 4 blocos típicos caracterizados por um processo de queima (caldeira, forno, estufa, calcinador, etc.), um pro-cesso de produção (moinho, secador, reator químico, calcinador, etc.), um processo de resfriamento e um de fi ltra-ção (vide Fig.2).

Dessa forma, com base na concentra-ção de água dos gases, pode ser obtido o “ponto de orvalho da água”, que consiste no limite de temperatura gasosa acima do qual não ocorre a condensação de água.

Se os gases fi ltrados forem mantidos a temperaturas abaixo da curva (vide Fig.3) haverá condensação de água. Essa condensação pode levar as mangas ao entupimento devido à aglomeração ou devido ao empedrecimento do parti-culado (vide Fig.4).

Se o particulado apresentar pH diferente de 7, seja alcalino, ou ácido, pode ocorrer o ressecamento das fi bras de uma manga de poliéster1, por exem-plo, caracterizado pela ocorrência de rachaduras, as quais invariavelmente evoluem para rasgos (vide Fig.5).

Na presença do gás SO3, seja prove-niente da queima de combustíveis com enxofre, seja proveniente do próprio processo produtivo, haverá a reação do gás com a umidade do ar gerando névoa de ácido sulfúrico (H2SO4) em concentração fumegante. Nesse caso, prevalece o ponto de orvalho ácido, ou seja, o limite de temperatura gasosa aci-ma do qual não ocorre condensação de ácido sulfúrico. É importante observar

Fig.2: Processos típicos dos sistemas de filtração atmosférica.

Fig.3: Curva do ponto de orvalho da água

Combustível

Ar

Matéria bruta

Matéria processada

Ar-falso ouÁgua-ar

Resfriamento

Gáslimpo

Particulado

Fig.4: Efeitos da condensação de água nas mangas filtrantes.

Fig.5: Ataque químico da manga de poliéster.

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

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Vapo

r Sec

o

Vapo

r Con

dens

ado

Pont

o de

orv

alho

, o C

Concentração de água, volume %

ProduçãoFiltroForno


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daços, diminuindo consideravelmente sua resistência à tração de ruptura (tipicamente para valores inferiores a 35 daN/5cm). Dessa forma, para carac-terização e compreensão dos principais agentes de ataque químico em sistemas de despoluição atmosférica industrial é apresentado o esquema da Fig.9.

Seja proveniente de um processo de secagem ou de combustão, um elevado teor de água sob dada temperatura pode causar a hidrólise de alguns materiais de mangas (tipicamente os polímeros obtidos por processos de condensação). A etimologia do termo hidro=água, lise=separação reforça a idéia de quebra das moléculas por ação da água; portan-to hidrólise aquosa é redundância. Por exemplo, mangas de poliéster apresen-tarão furos e rasgos em menos de seis meses de operação contínua sob 10% (em volume) de água a 140oC, devido à hidrólise.

A queima de combustível com enxofre em sua es-trutura molecular re-sulta na oxidação do mesmo, formando o gás SO2 (dióxido de enxofre), o qual reage com o oxigênio residual dos gases sujos quando a tem-peratura cai abaixo de 300oC, formando assim o gás SO3. Por sua vez, devido à for-te afi nidade por água do gás SO3, haverá a formação de ácido

sulfúrico. Tanto o SO2 em condições secas, como o ácido sulfúrico, atacam determinados tipos de materiais de mangas fi ltrantes por sulfonação.

A formação de ácido sulfúrico tem um agravante, pois ao reagir com o metal da gaiola (zinco, ferro, etc.) há liberação do gás hidrogênio, que, por sua vez, também ataca a manga fi ltrante.

Em geral, os efeitos deste ataque por hidrogenação antecedem os efeitos da sulfonação, sendo que, no ataque por hidrogenação é possível rasgar o elemento fi ltrante somente nas marcas da gaiola, mas não em outras regiões fora destas marcas. Nesse tipo de ataque, na maioria dos casos, a manga gruda na gaiola de tal forma que é preciso des-pedaçá-la para promover a separação.

Mesmo assim, ainda fi cam algumas fi bras grudadas na gaiola! Proteger a gaiola com pintura antiácida (tipo epóxi ou siliconizada), combinada ou não com o uso de aço-inox, pode auxiliar na solução desse problema, pois difi culta o contato ácido-metal.

De outro modo, haverá formação do gás NO (óxido de nitrogênio) se a houver queima de combustíveis com nitrogênio em sua molécula ou se a temperatura do forno ultrapassar 800oC, caso em que seria permitida a reação do nitrogênio e oxigênio atmosféricos.

Quando a temperatura dos gases cai para menos de 250oC haverá reação deste gás NO com o oxigênio residual, gerando então o NO2 (dióxido de nitro-gênio) que pode atacar determinados

materiais de mangas fi ltrantes por nitra-ção.

Por fi m, o próprio oxigênio dos gases fi l-trados pode atacar o elemento fi ltrante por oxidação dependendo da temperatura de fi l-tração. Por exemplo, mangas feitas de po-lifenilsulfeto apresen-taram furos e rasgos em menos de um ano de operação contínua sob 18% em volume de oxigênio a 180oC, devido à oxidação.

Muitas vezes, quando é realizada uma amostragem na chaminé para medi-ção da composição química dos gases, o resultado é expresso Fig.8: Furos e rasgos precoces por ataque ácido da manga filtrante.

Fig.7: Oxidação acelerada por ataque ácido.

Fig.6: Curvas do ponto de orvalho ácido para concentrações de água de 10%, 20% e 30% em volume.

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

175

165

155

145

135

1255 10 50 150

Pont

o de

orv

alho

áci

do, O

C

Pont

o de

orv

alho

áci

do, O

C

Pont

o de

orv

alho

áci

do, O

C

Concentração de SO3 nos gases, ppm Concentração de SO3 nos gases, ppm Concentração de SO3 nos gases, ppm

20% vol. H2O

10% vol. H2O

30% vol. H2O

20% vol. H2O

10% vol. H2O


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

Na Fig.10a são exemplifi cadas algu-mas faixas de resis-tência química dos principais plásticos utilizados para con-fecção de mangas fi ltrantes.

Através da iden-tifi cação da condição de cada ataque químico na Fig.10a é possível verifi car os parâmetros que devem ser levados em consideração: tipo de agente quí-mico, sua concentração, temperatura e duração de ataque químico. Sob as condições especifi cadas, os gráfi cos apresentam o percentual da resistência mecânica original obtida após o ataque químico.

A seguir será investigada a infl uên-cia no aspecto químico da fi ltração de alguns parâmetros de processo (vide Fig.1) em casos reais, referentes a

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

Combustível + O2

Ataca a mangaHIDROGENAÇÃO

Produção

Ar + O2

Ataca a gaiolaOXIDAÇÃO

Ataca a gaiolaHIDRÓLISE

Ataca a gaiolaOXIDAÇÃO ÁCIDA

Ataca a mangaSULFONAÇÃO

Ataca a mangaSULFONAÇÃO

Ataca a mangaNITRAÇÃO

Ataca a mangaOXIDAÇÃO

5% vol. SO3

95% vol. SO2

90% vol. NO

10% vol. NO2

H2O

SO2

NO

O2

H2SO4

Temp.< 300oC

Temp.< 250oC

SOSOSO

OAtaca a gaiola

Temperatura de trabalho de mangas filtrantes

Polipropileno (PP)Acríl ico (PAC)Acríl ico (PAN)

Poliéster (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)

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

Politetrafluoreti leno (PTFE, Teflon)

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Temperatura, oC

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

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

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

NaOH / 10% 75OC / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

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

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

NaOH / 10% / 75OC / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

Polipropileno (PP)Poliéster (PS)Acrílico (PAC)Acrílico (PAN)

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

Polipropileno (PP)Poliéster (PS)Poliéster (PS)Acrílico (PAC)Poliéster (PS)Acrílico (PAC)Acrílico (PAN)Acrílico (PAN)Acrílico (PAN) Politetrafluoretileno (PTFE)

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

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

HCI / 10% /

C / ph=7)

NaOH / 10% / C / 72h

HNO3 /10% / 60OC / 24H

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

60HNO60

10080

60

4020

0

100

80

60

40

20

0

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

606060

0000

1001001001001001008080

60


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

Relação ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimensões Ø 154x3658 mm.Concentrações de O2 e H2O estão em vol.%; a concentração de SO2 está em ppm.

Resultados obtidos pelo software “Proteus – simulador de filtração industrial”.

Poliéster hidrólise!Acrílico queima!

Nomex sulfonação!Polifenilsulfeto

Polifenilsulfeto Oxidação

Poliimida aromática -com adição contínua

50 kg/h Ca(OH)2

R e s f r i a m e n t o p o r A r - f a l s o ( 4 0 oC , 7 0 % U R )Temp. Orv. ácido O2 H2O SO2 Vazão, m3/h Qde. Especificação

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.10c: Comparativo entre os preços múltiplos do poliéster para diferentes materiais filtrantes1.

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

Preço relativo entre mangas filtrantes (poliéster = 1)

Polipropileno (PP)Acríl ico (PAC)Acríl ico (PAN)

Poliéster (PES)Polifenilsulfeto (PPS Ryton, Procon)

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

Politetrafluoreti leno (PTFE)

Fig.11: Caracterização da consulta técnica referente ao Caso Prático 1.

Resfriamento

Particulado

Gáslimpo

Óleo

Ar

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

Dados fornecidos:11320 Nm3/h a 280oC

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

Questões:Qual resfriamento econômico?Vazão e temperatura do gás?

Quantidade e tipo de mangas?

FiltroForno


consultas realizadas por fabricantes de equipamentos de despoluição e usuários de filtros de mangas.

Para tanto, foi utilizado o softwa-re Proteus - Simulador de Filtração Industrial, versão 2.4, para análise da viabilidade do projeto do filtro de man-gas, especificação dos elementos fil-trantes, assim como das condições ope-racionais ótimas através da utilização. Trata-se do primeiro simulador nacional para projeto e avaliação de sistemas de filtração englobando a físico-química do processo industrial de geração de particulados. Elaborado pelo autor deste texto, é direcionado para pesquisa e de-

senvolvimento de novas tecnologias filtrantes, reenge-nharia de equipa-mentos falhos3, determinação de condições opera-cionais ótimas e projeto completo desses sistemas.

1º Caso prático – O cliente in-formou a com-posição, vazão e temperatura dos

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

Algumas questões foram levanta-das:

1) Qual o método de resfriamento econômico, ou seja, será a adição de ar-falso ou a adição de água o método que permitirá a menor vazão gasosa, tal que o filtro de mangas seja o menor possível (mais acessível economicamente)?

2) Qual a faixa de temperatura tal que possam ser utilizadas as mangas no material mais econômico sob uma Fig.13: Resultados de simulação para resfriamento por nebulização de água.

Relação ar-pano de 1,3 m/min para mangas nas dimensões 154x3658 mm.Concentrações de O2 e H2O estão em vol.%; a concentração de SO2 está em ppm.

Resultados obtidos pelo software “Proteus – simulador de filtração industrial”.

Condensação ácida

Risco condensação

Polifenilsulfeto

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

Resfriamento por água-ar comprimido (40oC, 81% peso H2O)Temp. Orv. ácido O2 H2O SO2 Vazão, m3/h Qde. Especificação

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.14: Relação de custo-benefício para o sistema de filtração com base no método de resfriamento.

200oC -

190oC -

180oC -

170oC -

160oC -

150oC -

140oC -

130oC -

120oC -

- 200oC

- 190oC

- 180oC

- 170oC

- 160oC

- 150oC

- 140oC

- 130oC

- 120oC

290 mangas deP84

R$ 159.000,00com neutralização

360 mangasPolifenilsulfetoR$ 119.000,00

Não recomendável

170 mangasPolifenilsulfetoR$ 56.000,00

Não recomendável

175 mangas de P84R$ 96.000,00

com neutralização

Ar-falso Água-ar

Comparação entre alternativas


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para Simulação Dinâmica do Processo Industrial. A estratégia de simulação foi adotar uma temperatura para o gás resfriado (gás mistura) e verificar a composição, ponto de orvalho ácido e vazão resultante (vide Fig.12).

A concentração de O2 e H2O está em porcentagem volumétrica, ou seja, 6,2% em volume equivale dizer que existem 6,2 m3 de água (líquida ou gasosa) para cada 100 m3 de gás. Da mesma forma, a

operação normal por, pelo menos, dois anos, ou seja, sem condensações ou ataques químicos?

3) Qual a área filtrante necessária para filtração sob a vazão resultante da soma das vazões do gás quente e do gás de resfriamento na temperatura escolhi-da para operação Ideal?

Para solução destas questões foi implementada a metodologia anterior-mente citada com o Simulador Proteus

concentração de SO2 está em ppm (par-tes por milhão em volume), ou seja, 274 ppm equivale dizer que há 274 mililitros de SO2 para cada 1m3 de gás.

Tendo em vista que o Ponto de Orvalho Ácido (113oC) é inferior à temperatura de operação (120oC), te-oricamente não deveria ocorrer a con-densação de ácido. Contudo, deve ser lembrado que as paredes da tubulação, filtro e ventilador não estão a 120oC, mas a uma temperatura muito inferior, dependendo da temperatura ambiente. Por isso, tem sido verificado e utilizado com sucesso, para inibir condensações, o critério de adotar uma temperatura de trabalho de, pelo menos, 20oC acima do ponto de orvalho ácido para sistemas isolados termicamente e de, pelo menos, 30oC acima do ponto de orvalho ácido para sistemas não isolados.

Como sempre, se for atingida uma temperatura na chaminé acima do ponto de orvalho ácido, também podem ser evitados danos no ventilador, chaminé, filtro, etc. Por este motivo, muitas ve-zes, a temperatura do gás é monitorada tanto na entrada do filtro (para evitar ultrapassar a temperatura de trabalho das mangas – vide Fig.10b), como na chaminé (para evitar condensações).

Para a faixa de 130 a 150oC, é pos-sível verificar que o poliéster (PES) não pode ser escolhido devido ao elevado teor de água nos gases, caso em que ocor-reria a hidrólise do material1. Embora a manga de acrílico tipo poliacrilonitrila copolímero (PAC) resista perfeitamente a esse teor de umidade, sua temperatura de trabalho é de apenas 115oC, portanto ela queimaria/encolheria a 150oC. Já as mangas em poliamida aromática ou m-aramida (cujos nomes comerciais podem ser Nomex, Conex, etc.) resistem perfeitamente à temperatura e umidade indicadas, mas o teor de SO2 está acima do seu limite operacional, desaconse-lhando o seu uso no caso.

A manga escolhida foi a de polifenil-sulfeto (cujos nomes comerciais podem ser Ryton, Procon, etc.), pelo fato de suas faixas de resistência química apresenta-rem limites superiores aos limites das faixas de concentrações de composição química deste gás.

Quando se examina a faixa de 160°C a 200oC, verifica-se teor de oxigênio excessivo para o polifenilsulfeto, uma Fig.16: Resultados de simulação para os 6 cenários de operação possíveis.

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

Óleo 2A469 kg/h (bs)3,2% peso S

Gás natural396 kg/h (bs)

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

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

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

18700 m3/hAcrílico (PAN)

11022 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO


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

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

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


13457 m3/hPolifenilsulfeto+ 35 kg/h CaO


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

Fig.15: Caracterização da consulta técnica referente ao caso prático nº 2.

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

Gás natural (396 kg/h) Cenário 3 Cenário 6

CombustívelProdução de cinzas 4,5 ton/h

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

(umidade inicial 10% peso)

Questões:Qual combustível mais econômico (madeira, óleo ou gás natural)?

Vazão e temperatura do gás?Quantidade e especificação das mangas?

Qual a influência das condições da matéria-prima?

Cinza úmida(10 a 20% peso de H2O)

Cinza seca(0% peso de H2O)

Gáslimpo

Par ticuladoCombustível

Ar650OC

130OC

Combustível

Produção de cinzas

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

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

SecadorFiltroForno


vez que nessa temperatura a reação de oxidação se apresenta vigorosa. O uso de manga em poliimida aromática (cujo nome comercial é P84) também não seria possível devido ao elevado teor de SO2. Contudo, com a utilização do artifício de neutralização química2, no caso, com hidróxido de cálcio (cal hi-dratada), foi possível reduzir não apenas o teor de SO2, mas também o ponto de orvalho ácido.

Conforme verifi cado na Fig.6, o ponto

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

A faixa de operação de 120°C a 140oC não é recomendada devido ao risco condensação de ácido conforme as razões já explicadas anteriormente (vide Fig.13). Contudo, como os gases de combustão possuem baixo teor de

Fig.18: Caracterização da consulta técnica referente ao caso prático 3.

Fig.17: Relação de custo-benefício para o sistema de filtração com base no tipo de combustível.

Madeira acácia 1560 kg/h (bu)

Óleo 2A469 kg/h (bs)

Gás natural396 kg/h (bs)

160 mangas de acrílico (PAN)16 válvulas Ø11/2” + 1 economizador 20

120 mangas polifenilsulfeto12 válvulas Ø11/2” + 1 economizador 12

130 mangas de acrílico (PAN)13 válvulas Ø11/2” + economizador 20

RS 22.980,00

R$ 34.910,00

R$ 19.280,00

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

Relação Ar-pano = 1,3 m/min – Dimensões das mangas Ø 160 x 3000 mmResultados obtidos pelo software Proteus – Simulador de Filtração Industrial.

Questões:Há risco de condensações nos dutos e nas mangas?

Vazão e temperatura do gás no filtro?Quantidade e especificação das mangas?

Qual a influência das condições atmosféricas

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

Ensacadeiras16000 m3/h, ambiente

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

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

6200 m3/h, ambiente

Ar

GLP

Granito úmido

Granito seco

Ramais A, B, D de despoeiramento

Ramal C deprocesso

Gás limpo

Par ticulado

FiltroJ1

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

Britador

A

C

B

47

SecadorFiltroForno

Ramais A, B, D de despoeiramento

Ramal C deprocesso

Gás Gás limpolimpo

Par ticuladoPar ticulado

Filtro

A

D


f i l t r o d e

m a n g a s

oxigênio e é utilizado apenas 19% em peso de ar para nebulização da água de resfriamento, o teor resultante de oxigê-nio é baixo, permitindo assim, o uso de mangas de polifenilsulfeto até a tempe-ratura limite de operação (180oC).

Na faixa de 190°C a 200oC, foi ne-cessário usar a mesma solução adotada para as mangas em poliimida aromática (P84) no caso anterior.

O estudo autoriza as seguintes con-clusões:

Para cada faixa de temperatura, foi escolhida a maior vazão, tendo sido divi-dida pela relação ar-pano para obtenção da área fi ltrante total correspondente. A razão entre a área fi ltrante total e a área

para somente então ser possível uma tomada de decisão defi nitiva.

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

Algumas questões precisavam ser resolvidas:

1) Qual o combustível econômico, ou seja, qual material (madeira, gás ou óleo) permitirá a menor vazão gasosa, tal que o fi ltro de mangas seja o menor possível?

2) Qual o material das mangas mais econômico sob uma operação normal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem condensações ou ataques químicos?

3) Qual a área fi ltrante necessária para operar sob a vazão resultante da soma das vazões do gás de combustão e do gás de proveniente da secagem?

4) Qual a infl uência da umidade da matéria-prima no desempenho do fi ltro de mangas, ou seja, quando a umidade for máxima, deve-se esperar o entupi-mento do fi ltro devido à condensação de umidade?

A resolução dessas questões usou a mesma metodologia do caso ante-rior associada ao software Proteus 2.4 para Simulação Dinâmica do Processo Industrial. A estratégia adotada foi a de realizar a simulação da composição gasosa, temperatura e vazão dos gases de combustão acrescidos dos gases da secagem para cada um dos seis cenários possíveis (vide Fig.16).

Foram considerados os consumos de combustível, tal que fosse liberado o mesmo montante calórico necessário e sufi ciente para secagem em escala industrial das cinzas úmidas. A produ-ção de cinzas citada refere-se às cinzas secas até uma umidade próxima de 0% em peso.

Nos cenários nos quais há queima de madeira ou gás natural não são esperadas condensações, porque o ponto de orvalho da água está muito abaixo da temperatura de operação. Porém, o elevado teor de

Fig.19: Resultados de simulação para os dois cenários possíveis.

Fig.20: Resultados de simulação para os dois cenários possíveis após otimização da tubulação.

AB

C

D

J1J2 J3

Avaliação das condensações nos dutos e no filtro

160

155

150

145

140

135J1 J2 J3

Temperatura do gásTemperatura do gás

Ponto de orvalho ácido

155157

151

149

139138

Tem

pera

tura

, OC

Condição 35OC - 100%UR

Junção de tubulação

160

155

150

145

140

135J1 J2 J3

Temperatura do gás


Temperatura do gás


147

152

146

138

144

136

Tem

pera

tura

, OC



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

Na Fig.14 é possível observar que a combinação de faixa de temperatura e método de resfriamento que gerasse o menor número de mangas (fi ltro mais econômico) com o material de mangas menos oneroso (vide Fig.10c) correspon-de àquela indicada pelo quadro em desta-que: 170 mangas em polifenilsulfeto.

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

185

175

165

155

145

135

Temperatura do gás

150

157

178

141 139 138

Tem

pera

tura

, OC


J1 J2 J3



Temperatura do gás

150

157

178

Ponto de orvalho ácido141 139 138

185

175

165

155

145

135


Temperatura do gás


178

Temperatura do gás


178

J1 J2 J3Junção de tubulação

152144

138136

141

Tem

pera

tura

, OC

Solução da condensação no dutoA

B

C

D

J1 J2 J3


umidade defi ne a utilização de mangas em acrílico tipo poliacrilonitrila homo-polímero (PAN) ou a indicação de man-

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

Contudo, devido ao elevado teor de enxofre no óleo, os gases resultantes de sua queima apresentaram ponto de orvalho ácido (167/169oC) muito acima da temperatura de operação (130oC). Devido ao fato de não ser recomendável a operação contínua de um sistema de fi ltração sob condensação de ácido sulfúrico, foi utilizado o artifício da neutralização química dos gases ácidos através da adição de pó alcalino2, no caso, a cal virgem (óxido de cálcio) para baixar o ponto de orvalho ácido para valores aceitáveis.

É possível observar pequena infl u-ência na vazão total dos gases tanto na condição produtiva de maior, como de menor umidade inicial de cinzas. Assim como no caso prático anterior, foi calculada a área fi ltrante total pela razão da vazão pela relação ar-pano e, sem seguida, foi calculado o total de

mangas pela razão da área fi ltrante total pela área fi ltrante de uma manga.

É possível concluir que:Os resultados obtidos são demons-

trados na Fig.17, onde são apresentados não apenas os custos das mangas, mas também os custos das válvulas solenóides e de seu controlador tipo economizador (limpeza por demanda de pressão).

É possível verifi car que a opção de 130 mangas em poliacrilonitrila homo-polímero (PAN) apresentou o menor custo de investimento.

O custo do fi ltro de mangas será proporcional ao número de válvulas e mangas, uma vez que, foi adotada a mesma relação ar-pano e que as mangas possuem as mesmas dimensões para cada cenário.

Obviamente, a decisão fi nal deverá levar em consideração o custo do con-sumo de combustível, custo do sistema de neutralização e da cal virgem, custo de aquisição, operação e manutenção do

Vazão 161770 / 161140 m3/h

Temperatura 150 / 144 OC

Umidade 10,0 / 9,3 % vol.

Mangas 1380 mangas de Polifenilsulfeto

Temperatura 150 / 144 OC

Umidade 10,0 / 9,3 % vol.

Mangas 1380 mangas de

Dimensionamento do filtroe especificação das mangas

Relação ar-pano de 1,3 m/min Dimensões das mangas ø160 x 3000 mmProteus – Simulador de Filtração Industrial

Fig. 21: Dimensionamento do sistema de filtração e rede de dutos com base nas condições ambientais.


f i l t r o d e

m a n g a s

O AUTORTito de Almeida Pacheco é formado em Engenharia Química pela UFRGS tendo se especializado em Simulação Computacional aplicada para o Projeto e Avaliação Dinâmica de Sistemas de Despoeiramento Industrial. Foi responsá-vel pela Engenharia da Renner Têxtil Ltda. desde 1997, atividade que integrou

as funções de engenharia de aplicação e assistência téc-nica. Tem larga experiência em avaliação de processos industriais exis-tentes para so-lução de proble-mas e também na avaliação de plantas indus-triais futuras

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

[email protected]

condensações ou ataques químicos?3) Qual a área filtrante necessária

para filtração sob a vazão resultante da soma das vazões do gás de cada coifa de captação?

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

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

É possível concluir que há risco de condensação de ácido na junção J1 num dia quente e chuvoso, e há certeza de condensação de ácido sulfúrico num dia frio e seco, uma vez que, o ponto de orvalho ácido está acima da temperatura de operação, obtida pela mistura dos gases de cada coifa nas temperaturas indicadas na Fig.18.

Desta forma, é esperado o entupi-mento da tubulação devido à condensa-ção, conforme já verificado em dezenas de casos similares. Nesse caso, haveria a incrustação de material (granito + sulfato de ferro ou zinco) com diminui-ção da área de passagem gasosa. Com a constrição do diâmetro de passagem do gás na tubulação, a velocidade de transporte pneumático poderia facil-mente subir de 18 a 20 m/s para 30 m/s ou mais, situação na qual, o particulado facilmente poderia causar abrasão na próxima curva ou mudança de direção da dutovia. Com isso, poderiam ocorrer furos nos tubos seja pela abrasão do ex-cessivo fluxo gasoso, seja pela corrosão ácida destes tubos.

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

É possível observar que o problema de condensação ácida na junção J1 foi adequadamente resolvido, pois a tem-peratura do gás no local está bem acima do seu ponto de orvalho ácido. Porém, dada a proximidade dessas temperaturas na junção J3, onde há entrada dos gases no filtro de mangas, é recomendável a instalação de isolamento térmico a partir da junção J2 até a chaminé.

É possível concluir que:

forno adequado para cada combustível.

3º Caso prático – Nesse caso, o cliente informou, desde logo, as temperaturas, vazões e composições químicas gasosas em cada coifa de captação. Porém, duas coifas captam ar ambiente. Como a tem-peratura do ar ambiente varia de 15°C a 35oC e sua umidade de 55% a 100% de umidade relativa ao longo do ano, poderá haver influências das condições ambientais no desempenho do sistema de filtração (vide Fig.18).

Nesse sistema, são apresentados os blocos destacados pelo pontilhado vermelho através de uma planta baixa com a localização das coifas de captação e do filtro de mangas.

Questões a resolver:1) Tendo em vista a captação de ar

ambiente, há possibilidade de condensa-ção de umidade e entupimento dos dutos ou do filtro em algum momento ao longo da operação?

2) Qual material das mangas será mais econômico sob uma operação nor-mal por, pelo menos, 2 anos, ou seja, sem

Carlos A. Silva

mailto:[email protected]


1 Artigo: “Como obter o rendimento máximo do filtro de mangas” oferece maiores detalhamentos sobre especificação de elemen-tos filtrantes. Este artigo foi atualizado com base em artigo homônimo do mesmo autor publicado e apresentado no “V Congresso Brasileiro de Cimento Portland” – ABCP - em Novembro de 1999 – Belo Horizonte/MG. Uma versão atualizada foi publicada na Revista Química e Derivados nº 407, de agosto de 2002.

2 Artigo: “Lavagem seca do SO2 através de filtros de mangas” traz mais informações sobre a técnica de neutralização química de gases ácidos. Foi publicado e apresentado no “I Congresso Interamericano da Qualidade do Ar” - ABES - em Julho de 2003 – ULBRA/RS.

3 Artigo: “Como fazer uma avaliação de Sistemas de Despoeiramento” descreve a metodologia ótima para identificação e solução dos problemas típicos em filtração industrial seca. Este artigo foi publicado na edição no14 da Revista Meio Filtrante. (http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?action=detail&id=158)

Não foi verificada diferença signi-ficativa entre os dados simulados de vazão e temperatura gasosa para os ce-nários quente-chuvoso e frio-seco, pos-sibilitando assim, a seleção da mesma especificação e quantidade de mangas filtrantes sem majorações técnicas.

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

Conclusões complementares – A ava-liação do aspecto químico da filtração é indispensável nas investigações de falhas de projetos ou de solução de problemas crônicos de sistemas de filtração, seja por entupimento, seja por alta emissão de pó devido ao ataque químico dos elementos filtrantes. No entanto, é fortemente recomendável a avaliação concomitante do aspecto me-cânico, como por exemplo, a eficiência do sistema de limpeza3.

Ao longo dos três casos práticos foi exemplificada a realidade observada junto à maioria dos usuários de filtros quanto às características dos gases filtrados como: vazão, temperatura e composição química na entrada do filtro de mangas. Sem esses dados, o

dimensionamento do equipamento e a especificação do material do elemento filtrante tornam-se tecnicamente inviá-veis, ou, no mínimo, pouco confiáveis. Além disso, tem sido observado que muitos questionários sobre o sistema de filtração, envidados por usuários, apresentavam dados omissos, contradi-tórios, quando não absurdos.

A tecnologia de Simulação Dinâmica de Processos Industriais foi desenvol-vida para viabilizar a solução destes problemas no cotidiano da atividade de consultoria industrial. Incorporada no software Proteus 2.4, ela permite identi-ficar as condições operacionais do filtro de mangas a partir dos dados do processo industrial de domínio do usuário.

Isso não invalida, mesmo assim, a necessidade de realizar amostragens da chaminé ou da entrada do filtro para caracterização da vazão, temperatura e composição química gasosa para iden-tificação, pelo menos, de um cenário operacional. Vale a analogia: enquanto as amostragens constituem uma fotogra-fia do processo industrial, a simulação computacional apresenta um filme deste processo industrial. Obviamente, as amostragens são extremamente úteis para ajuste fino do modelo matemático protagonizado no procedimento de si-mulação computacional. Dessa forma, com o uso da simulação é possível ava-

liar adequadamente o aspecto químico da filtração, permitindo a identificação precoce de problemas, determinação de garantias de performance confiáveis e solução de problemas que por outro método não tenham sido possíveis.

Leitura de apoio mencionada no texto:

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filtro de mangas Filtro de mangas - Despoluição …vortexindustrial.com.br/media//DIR_25601/1fc0282151a9e37fffff8668... · 42 Química e Derivados - junho - 2005 filtro de mangas