Baixe 5. Operações Unitárias e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity!
11Torres de Refrigeração
11. 1Água para resfriamento A forma mais comum de absorção do calor gerado em processos industriais é por meio da água, podendo-se destacar o resfriamento de um líquido qualquer por trocadores de calor, equipamentos nos quais dois fluídos trocam energia calorífica durante o escoamento em vazão uniforme. Na maioria das vezes o fluído frio é a água, que deverá receber parte do calor do fluído quente, obje�vando esfria-lo. Nessas condições a água tendo recebido parte do calor do fluído quente terá se aquecido, havendo necessidade da introdução constante de água fria para que o processo possa ocorrer de forma con�nua. Em situação de abundância, a água aquecida é simplesmente descartada na mesma medida em que é subs�tuída por água fria captada de um manancial, conforme a figura 1.
FIGURA 1: Sistemas de Circuitos Abertos, sem circulação de água
Em situações de escassez a água é con�nuamente resfriada para posteriores u�lizações. Esse resfriamento pode ser feito em circuitos semi abertos com recirculação de água, de acordo com a figura 2, ou em sistemas fechados, também com recirculação de água como na figura 3. Enquanto o primeiro e o terceiro são denominados sistemas não evapora�vos, o segundo é dito evapora�vo e reu�liza água após resfriada em diferentes �pos de equipamentos denominados torres de resfriamento. No circuito inclui-se um sistema de tratamento adequado para evitar o acúmulo de material indesejável na super�cie de troca de calor. Esse acúmulo de material é denominado fouling que, pode ser: Fouling inorgânico: produtos de corrosão compostos por depósitos de óxidos de ferro, lama de fosfato de cálcio, poeira atmosférica ou incrustações como carbonato de cálcio, sulfato de cálcio e outras. Fouling orgânico: materiais de altos pesos moleculares, oriundos de vazamentos de fluidos de processo, de composição química variada. Fouling biológico: cons�tuído por algas, fungos e bactérias formadores de limo ou material gela�noso aderente às super�cies metálicas.
FIGURA 2: SISTEMAS EM CIRCUITOS SEMI ABERTOS, COM
RECIRCULAÇÃO DE ÁGUA
FIGURA 4: PIONEIRA CONCEPÇÃO DE TORRE DE RESFRIAMENTO
11.2 TORRES DE RESFRIAMENTO: EVOLUÇÃO
Torres com ven�lação natural As primeiras torres de resfriamento �nham ven�lação natural, pouca eficiência e concepções simples, conforme desenho esquemá�co apresentado na figura 4, adaptada de DREW PRODUTOS QUÍMICOS LTDA (1979). Nesses pioneiros disposi�vos, a água era recalcada até seu topo e nebulizada por bicos, aumentando sua área de contato com a corrente de ar, cuja vazão era controlada por venezianas localizadas nas paredes laterais de acordo com a figura 4.
À medida que caia ao longo da torre, a água entrava em contato com o ar evaporando-se parcialmente. A água resfriada em certo volume era acumulada na bandeja inferior, de onde
PAGE
voltava para o processo e novamente reu�lizada como fonte fria. Essa concepção tornava necessário para se conseguir melhores resultados, que as torres de circulação natural fossem bastante altas e situadas em ângulo reto em relação aos ventos dominantes. Torres com ven�lação natural e “enchimento” Mais tarde verificou-se que a introdução de obstáculos no seu interior, (chamados pelos fabricantes de “enchimento”) permi�a um aumento na eficiência e grau de nebulização, intensificando a troca de calor entre a água e o ar, de acordo com a figura 5.
FIGURA 5: TORRE DE RESFRIAMENTO COM ENCHIMENTO
A introdução do conceito de “enchimento” reduziu substancialmente os custos de construção, na medida em que possibilitou a mesma dissipação de calor, u�lizando torres menores. Nesses equipamentos ocorriam perdas rela�vamente grandes de água , pois as go�culas dispersadas por arraste através das venezianas, correspondiam a cerca de 0,3 a 1,0% da vazão da torre. A par�r do final da Segunda Guerra Mundial a popularidade das torres com circulação natural de ar declinou, sendo subs�tuídas por torres de circulação mecânica de ar, com �ragem forçada ou induzida. Torres de resfriamento com �ragem forçada Estes equipamentos u�lizam um ven�lador situado na base, ou nos lados da torre, para forçar o ar a entrar horizontalmente, e após subir para encontrar as go�culas descendentes de água. Modernamente, disposi�vos eliminadores de go�culas colocados no topo da torre, minimizam a quan�dade de água arrastada pela corrente de ar que sai. Torres de resfriamento com �ragem induzida Nessa concepção o ar é puxado para o interior da torre por meio de um exaustor localizado em seu topo ou em sua base. Para o primeiro caso, existem duas alterna�vas: �ragem induzida em contra corrente, onde o ar é dirigido para cima contra o fluxo das go�culas que caem sobre o enchimento, e a de �ragem induzida de fluxo cruzado onde o enchimento é colocado bilateralmente, logo à entrada do ar que passa pelo seu interior. ÁGUA PARA TORRES DE REFRIAMENTO As considerações apresentadas neste item, dizem respeito ao consumo e a qualidade de água para torres de resfriamento
11.3 CONSUMO DE ÁGUA: REGRAS PRÁTICAS As atuais torres de �ragem mecânica são projetadas de modo a minimizar as perdas de água pelo vento e arraste , man�das entre 0,01 e 0,3% da vazão de recirculação , definida no item seguinte, segundo DREW PRODUTOS QUÍMICOS LTDA (1979). Genericamente, a quan�dade de água perdida por evaporação pode ser avaliada aplicando-se um fator de 0,85 a 1% da vazão de recirculação para cada 5,55 ºC de queda de temperatura ao longo da torre, sendo 1,0% geralmente adotado para aproximações. Nessas condições, uma torre de resfriamento com uma vazão de recirculação de 24.000 m 3 /h e uma queda de temperatura de 14ºC, perderia por evaporação cerca de 2,5%, ou 600 m 3 /h.
11.4 CONSUMO DE ÁGUA: BALANÇO DE MASSAS A seguir são apresentadas as terminologias adotadas para a elaboração do balanço de massas dos três �pos de sistemas. A: água de alimentação (make u p ), u�lizada para compensar a perda no sistema (m 3 /h). E: água de evaporação de sistemas evapora�vos, principal responsável pelo abaixamento da temperatura da água circulante (m 3 /h). R: água de respingo que sai junto com o fluxo de vapor e com o ar (m 3 /h). P: água de purga (blow do w ) u�lizada para limitar as concentrações salinas da água, em sistemas evapora�vos (m 3 /h). C: ciclo de concentração , indicador do número de vezes que uma dada porção de água se concentra num sistema evapora�vo. V: volume está�co no sistema. Nos sistemas evapora�vos é dado pela soma dos volumes das bacias das torres, das tubulações e dos trocadores de calor (m 3 ).
11,5PROBLEMAS EM SISTEMAS DE CIRCUITOS ABERTOS, SEM CIRCULAÇÃO DE ÁGUA
- Sólidos suspensos PAGE
São comuns quando no tratamento da água se u�lizam tripolifosfatos ou polimetafosfatos de sódio empregados como inibidores de corrosão, agentes an� incrustantes e como dispersantes. PROBLEMAS EM SISTEMAS FECHADOS, COM CIRCULAÇÃO DE ÁGUA
11.7 - SISTEMAS DE ÁGUA GELADA Não apresentam problemas de incrustação devido a temperatura ser inferior àquela necessária para provocar precipitação de dureza. Problemas com microrganismos, somente poderão exis�r quando a temperatura da água es�ver acima de 0ºC e mesmo assim de pequena monta. Os problemas nesses sistemas estão restritos à corrosão, principalmente provocada pelas diferenças de potenciais entre os diferentes materiais u�lizados.
- SISTEMAS DE ÁGUA QUENTE São usados para calefação ou para processos em indústrias alimen�cias quando se requer água quente ou superaquecida, com temperatura variando entre 80 a 160ºC. Esses sistemas podem apresentar problemas de corrosão ou incrustações, quando a água apresentar dureza.
11.8 PROBLEMAS EM SISTEMAS EM CIRCUITOS SEMI ABERTOS, COM RECIRCULAÇÃO DE ÁGUA
- Depósitos Originam-se de uma ou mais causas como:
- água com decantação deficiente, provocando pós precipitação no sistema;
- deficiência na filtração, permi�ndo a passagem de flocos da decantação;
- absorção de poeira do meio ambiente;
- teores elevados de íons de ferro (II), Fe 2+ , que pela ação das bactérias ferro-oxidantes são oxidados, e posteriormente precipitados como tubérculos nas tubulações. - Crostas As seguintes condições propiciam a formação de crostas:
- presença de dureza temporária; - presença de silicatos solúveis junto a sais de magnésio. - Fouling Consiste num aglomerado de materiais, onde o ligante normalmente é a biomassa e, em outros casos, óleo mineral ou fluidos de processo com material aglu�nado, sólidos suspensos como silte, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos. - Depósitos metálicos Podem aparecer na super�cie de tubos de aço-carbono, decorrentes da redução de sais metálicos solúveis em água e que nela foram colocados para determinados fins, ou então como produto de ataque de um meio corrosivo. - Borras ou lamas de fosfato São comuns quando no tratamento da água se u�lizam tripolifosfatos ou polimetafosfatos de sódio empregados como inibidores de corrosão, agentes an� incrustantes e como dispersantes.
11.9 PROBLEMAS EM SISTEMAS FECHADOS, COM CIRCULAÇÃO DE ÁGUA
- SISTEMAS DE ÁGUA GELADA Não apresentam problemas de incrustação devido a temperatura ser inferior àquela necessária para provocar precipitação de dureza. Problemas com microrganismos, somente poderão exis�r quando a temperatura da água es�ver acima de 0ºC e mesmo assim de pequena monta. Os problemas nesses sistemas estão restritos à corrosão, principalmente provocada pelas diferenças de potenciais entre os diferentes materiais u�lizados. - SISTEMAS DE ÁGUA QUENTE São usados para calefação ou para processos em indústrias alimen�cias quando se requer água quente ou superaquecida, com temperatura variando entre 80 a 160ºC. Esses sistemas podem apresentar problemas de corrosão ou incrustações, quando a água apresentar dureza. TABELA 2: Qualidade da água de reposição “MAKE UP” para uso em sistema de resfriamento com circuitos semi abertos, com recirculação de água. PARÂMETRO a LIMITE RECOMENDADO b Cl - 500 Sólidos totais dissolvidos 500 Dureza 650 Alcalinidade 350 pH 6,9 – 9, DQO 75
PAGE
Sólidos em suspensão totais 100 Turbidez 50 DBO 25 Material orgânico c 1, NH4-N 1, PO4 4 SiO2 50 Al 0, Fe 0, Mn 0, Ca 50 Mg 0, HCO3 24 SO4 200 a –Todos os valores em mg/l, exceto pH b –Water Pollu�on Control Federa�on, 1989 c – Substâncias a�vas ao azul de me�leno
12 Transferência de Fluidos
12. 1) Caracterís�cas Fluido (lê-se fluido e não fluído) Fluido [do la�m fluidu ] –
• 1. Diz-se das substâncias líquidas ou gasosas.
• 2. Que corre ou se expande à maneira de um líquido ou gás.
Fluídico [do la�m fluidu ] -
• 1. Rela�vo ou semelhante a fluido.
• 2. Etérico ou imponderável.
Chamam-se de fluidos os líquidos e os gases, estes úl�mos geralmente denominados fluidos elás�cos, por sua grande compressibilidade. Há, porem, um �po especial e superior de gás, o Plasma, que se forma quando todos os átomos ou moléculas neutras, sob poderosa excitação elétrica, são transformados em pigmentos carregados de íons ou elétrons
PAGE
B. Nas Bombas Volumétricas, ou de Deslocamento Posi�vo, a movimentação do fluído é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão da bomba que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). Dá-se o nome de volumétrica porque o fluído, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba, com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluído dá-se na mesma direção das forças a ele transmi�das, por isso a chamamos de deslocamento posi�vo.
12.4. 4. FUNCIONAMENTO :
A Bomba Centrífuga tem como base de funcionamento a criação de duas zonas de pressão diferenciadas, uma de baixa pressão (sucção) e outra de alta pressão (recalque).Para que ocorra a formação destas duas zonas dis�ntas de pressão, é necessário exis�r no interior da bomba a transformação da energia mecânica (de potência), que é fornecida pelo máquina motriz (motor ou turbina), primeiramente em energia ciné�ca, a qual irá deslocar o fluído, e posteriormente, em maior escala, em energia de pressão, a qual irá adicionar "carga" ao fluído para que ele vença as alturas de deslocamento. Para expressar este funcionamento, existem três partes fundamentais na bomba (figura 1): a) corpo (carcaça), que envolve o rotor, acondiciona o fluído, e direciona o mesmo para a tubulação de recalque (figuras 1, 2 e 3); b) rotor (impelidor), cons�tui-se de um disco provido de pás (palhetas) que impulsionam o fluído (figuras 4, 5 e 6); c) eixo de acionamento (Figura 1), que transmite a força motriz ao qual está acoplado o rotor, causando o movimento rota�vo do mesmo. Antes do funcionamento, é necessário que a carcaça da bomba e a tubulação de sucção (), estejam totalmente preenchidas com o fluído a ser bombeado. Ao iniciar-se o processo de rotação, o rotor cede energia ciné�ca à massa do fluído, deslocando suas par�culas para a extremidade periférica do rotor. Isto ocorre pela ação da força centrífuga. Com isso, inicia-se a formação das duas zonas de pressão (baixa e alta) necessárias para desenvolver o processo: A. Com o deslocamento da massa inicial do fluído do centro do rotor (figura 1) para sua extremidade, formar-se-á um vazio (vácuo), sendo este, o ponto de menor pressão da bomba. Obviamente, novas e sucessivas massas do fluído provenientes da captação ocuparão este espaço, pela ação da pressão atmosférica ou o utra força qualquer; B. Paralelamente, a massa do fluído que é arrastada para a periferia do rotor, agora comprimida entre as pás e as faces internas do mesmo, recebe uma crescente energia de pressão, derivada da energia potencial e da energia ciné�ca, anteriormente fornecidas ao sistema. O crescente alargamento da área de escoamento (Teorema de Bernoulli), assim como as caracterís�cas constru�vas do interior da carcaça da bomba (voluta ou difusores) (figuras 2 e 3) ocasionam a alta pressão na descarga da bomba, elevando o fluído a altura desejada. () Nas bombas autoaspirantes, é necessário preencher apenas o caracol (corpo) da mesma. NOTA : Convém salientar, que somente um estudo mais aprofundado sobre as diversas equações e teoremas que determinam o funcionamento de uma bomba hidráulica irá jus�ficar como estes processos desenvolvem-se em suas inúmeras variáveis, não sendo este o obje�vo deste. No entanto, resumidamente, podemos dizer que o funcionamento de uma bomba centrífuga contempla o principio universal da conservação de energia, que diz: "A energia potencial transforma-se em energia ciné�ca, e vice-versa". Parte da energia potencial transmi�da à bomba não é aproveitada pela mesma pois, devido ao atrito, acaba transformando-se em calor. Em vista disto, o rendimento hidráulico das bombas pode variar em seu melhor ponto de trabalho (ponto ó�mo) de 20% a 90%, dependendo do �po de bomba, do acabamento interno e do fluído bombeado pela mesma. Figura 1: Vista lateral do caracol e rotor em corte de uma bomba centrífuga; Figura 2: Vista frontal do caracol e rotor em corte de uma bomba centrífuga; Figura 3: Caracol de descarga centralizada com difusor fixo;
PAGE
Bombas Centrífugas
Aplicações Gerais: Saneamento, irrigação e bombeamento de líquidos em geral. Vazão até: 2.000 M3/H Diâm. flange recalque: 32mm até 300mm Altura manométrica até: 120 m.c.a Rotação até: 3500 rpm Temperatura até: 350º C
Bombas de Vácuo Aplicações Gerais: Em cozedores, evaporadores, filtro a vácuo, extração a vácuo em fábricas de papel e celulose, tecidos, químicas e petroquímica, alimen�cia, usinas de açúcar e álcool, etc. Vazão até: 200 CFM Diâmetro do flange de recalque: 150 mm Altura manométrica até: 8 inHg até 26 inHg Rotação até: 560 rpm Bombas autoescorvantes
Estas bombas foram projetadas para recalque de esgoto bruto, efluentes industriais e captação de água bruta. Em seu "design" foram introduzidos os mais atualizados conceitos tecnológicos no sen�do de se eliminar as inconveniências operacionais e os freqüentes e elevados custos de manutenção das bombas submersas.
MÚLTIPLAS VANTAGENS:
Aplicações Gerais: Saneamento, tratamento de água e esgoto, construção, drenagem, indústrias em geral e irrigação. Vazão até: 1200 M3/H Diâm. flange recalque: 3" até 12" Altura manométrica até: 60 m.c.a Rotação até: 2150 rpm Temperatura até: 80º C
Fácil acesso, ficam instaladas fora do poço; Dispensam o uso de válvula de pé;
PAGE
