Sistema termico e ar comprimido, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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CURSO DE F ORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA

UTILIDADES – SISTEMA TÉRMICO E AR C OMPRIMIDO

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536.44 Pereira, Carlos Augusto Arentz. P436 Curso de formação de operadores de refinaria: utilidades, sistema témico e ar comprimido / Carlos Augusto Arentz Pereira, Edison Luis Santério, Virgílio Lagemann; organização [de] Uzias Alves. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002. 48 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP.

1. Sistema térmico. 2. Caldeira. 3. Distribuição de vapor. 4. Condensado.
2. Sistema de ar comprimido. I. Santério, Edison Luis. II. Lagemann, Virgílio. III. Alves, Uzias. IV. Título.

Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.

Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-

renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de

você e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o

Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada

pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos

que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.

Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos

de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-

nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-

dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um

processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado

pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da

Petrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras

fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar

seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na

Petrobras.

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Sistema

Térmico

1.1 O Vapor d’água

1.1.1 Finalidades do Vapor

Os principais usos do vapor em refinarias de petróleo, são:

• Fluido motriz, para acionamento de bom- bas, compressores, tubo-geradores, etc.
• Agente de aquecimento.
• Transporte de fluidos através de ejeto- res de vapor.
• Agente de remoção de gases tóxicos ou combustíveis de equipamentos ou tu- bulações.
• Agente de arraste das frações do petró- leo nas torres de resfriamento, etc.

O vapor d’água apresenta várias qualida- des que tornam seu uso atraente para ativida- des industriais, como elementos de transferên- cia de energia, dentre as quais se destacam:

• alto poder de armazenamento de ener- gia sob a forma de calor;
• transferência de energia à temperatura constante;
• capacidade de possibilitar transforma- ções de energia de calor para outras formas;
• uso cíclico e em vários níveis de pres- são e temperaturas;
• passível de ser gerado em equipamen- tos com alta eficiência;
• limpo, inodoro, insípido e não tóxico;
• de fácil distribuição e controle;
• matéria-prima (água) de baixo custo e suprimento farto.

Considerando-se as diversas qualidades ci- tadas, o vapor d´água é largamente utilizado como:

• agente de aquecimento na injeção de poços de petróleo;
• agente de aquecimento de petróleo e seus derivados (óleo combustível, re- síduo asfáltico) em tanques de arma- zenamento e linhas;
• agente produtor de trabalho para acio- namento mecânico de bombas, turbo- geradores, compressores, etc.;
• agente de arraste em ejetores para pro- dução de vácuo em torre de destilação a vácuo, condensadores das turbinas, etc.;
• agente de arraste na remoção de oxigê- nio em desaeradores de caldeiras.

1.2 O Processo de Vaporização da Água O objetivo de um gerador de vapor con- siste na transformação de água líquida em va- por, pela absorção de calor obtido a partir da queima de um combustível. Quando o calor é fornecido a uma certa massa de água à pressão constante, observa- se aumento da temperatura da água líquida até que se inicie o processo de vaporização. A partir deste ponto, não é observada mudança de temperatura até que a vaporização se com- plete, quando, então, qualquer transferência de calor adicional implicará no superaquecimen- to do vapor. A Figura a seguir ilustra o processo de va- porização da água na pressão atmosférica, mostrando a elevação da temperatura à medi- da que se fornece calor de uma fonte externa.

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Pressão Temperatura de (kgf/cm^2 abs.) vaporização (oC) 1,033 100, 12 187, 42 252, 88 300, 100 309,

1.3 Pressão e Temperatura de Saturação Repetindo-se o processo de vaporização em pressões mais elevadas, observa-se que a vapo- rização ocorre em temperaturas mais altas:

Variação do volume com a temperatura.

Durante a fusão do gelo, ocorre uma con- tração de volume (trecho), em torno de 8%. Quando a água começa a vaporizar (pon- to D), o volume aumenta muito devido à for- mação do vapor d´água, permanecendo a tem- peratura constante durante a vaporização.

Este é o princípio do funcionamento das “panelas de pressão” para uso doméstico. Da mesma forma, trabalhando-se em pressões abaixo da atmosférica, a água vaporiza-se em temperaturas inferiores a 100oC. A pressão na qual a água se vaporiza é denominada pressão de saturação , enquanto que a temperatura de vaporização também é chamada de temperatura de saturação. Para cada pressão de saturação correspon- de uma temperatura de saturação, e vice-ver- sa. Durante o processo de vaporização, a tem- peratura do líquido e do vapor permanece cons- tante, como exposto na Figura 1. Valores da pressão e da temperatura de saturação podem ser encontrados nas “Tabe- las de Vapor Saturado”.

1.4 Qualidade do Vapor Será focalizada, a seguir, a região de duas fases entre os pontos 1 e 2 da Figura 1, onde coexiste uma mistura de líquido e vapor em equilíbrio. O título ou qualidade do vapor (x) pode ser definido como a relação entre a massa da fração de vapor e a massa total de líquido e vapor: Obviamente, o título só é definido para a mistura em equilíbrio, varia entre x = 0 e x = 1, conforme seja:

• líquido saturado: x = 0;
• vapor saturado seco: x = 1 (ou 100%);
• vapor úmido: x intermediário (vapori- zação incompleta, presença de líquido) ( L) + vapor (V).

Figura 1 – Vaporização da água à pressão de 1 atm.

No trecho 0-1, entre 0oC e 100oC, tem-se a água no estado de líquido sub resfriado. O ca- lor fornecido é denominado calor sensível , pois é utilizado somente no aquecimento da água. No ponto 1, a água está na temperatura de saturação (100 oC a 1 atm), ou seja, é um líquido saturado. Nestas condições, qualquer calor fornecido adicionalmente é utilizado somente na vaporização da água, sem qualquer variação na temperatura. A qualidade de ca- lor necessária à vaporização total da água denomina-se calor latente de vaporização. Na pressão de 1 atm, 1 kg de água requer 539 kcal para se transformar em vapor. No trecho entre os pontos 1 e 2, a água está parcialmente vaporizada, ou seja, trata-se de uma mistura de líquido + vapor saturados. No ponto 2, toda a água transformou-se em vapor, constituindo o vapor saturado seco , ou seja, sem a presença de gotículas de líquido. Acima do ponto 2, o calor adicional for- necido é usado no aumento da temperatura (calor sensível), consituindo o vapor supera- quecido. A diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura de saturação (ou vapo- rização), na mesma pressão, é denominada de grau de superaquecimento (GSA) do vapor. A Figura abaixo mostra a evolução do vo- lume da água à medida que a temperatura é au- mentada, partindo do estado sólido (ponto A).

1 2

0 oC H 1 H 2

Diagrama de “Mollier”

Entalpia (h) kcal/kg Entalpia (h) kcal/kg

Entropia (S) kcal/kg ºK

Entropia (S) kcal/kg ºK

Tabela de vapor d’água saturado

(1/3)

Tabela de vapor d’água saturado

(3/3)

Tabela de vapor d’água superaquecido

(1/6)

Tabela de vapor d’água superaquecido

(3/6)

Tabela de vapor d’água superaquecido

(4/6)

Tabela de vapor d’água superaquecido

(6/6)

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Caldeiras

A NR-13, redação aprovada pela portaria 23 de 26/04/95, define caldeira a vapor como todo equipamento destinado a produzir e acu- mular vapor sob pressão superior à atmosféri- ca, utilizando qualquer fonte de energia. Quanto à pressão de operação, podem ser classificadas como:

• caldeiras de baixa pressão 6 a 16 kgf/cm^2
• caldeiras de média pressão 22 a 39 kgf/cm^2
• caldeiras de alta pressão 60 kgf/cm^2 acima

Como pode ser visto, a interface entre ti- pos é um dado referencial não rígido, que ser- ve para estudos comparativos. Quando a energia utilizada na produção de vapor é retirada de uma fonte como escape de motores ou gases residuais de processo, a caldeira é dita caldeira de recuperação. Para efeito da NR-13, as caldeiras são clas- sificadas em categorias: A pressão de operação igual ou superior a 1960 kPa (19,98 kgf/cm^2 ) C pressão de operação igual ou inferior a 588 kgf/cm 2 (5,99 kgf/cm^2 ) e volume igual ou inferior a 100 litros. B todas as outras não enquadradas nas ca- tegorias anteriores.

2.1 Classificação quanto a montagem As caldeiras também podem ser classifica- das quanto ao seu grau de pré-fabricação. Por este critério, as caldeiras são agrupadas em:

• caldeiras compactas;
• caldeiras montadas parcialmente no local;
• caldeiras montadas totalmente no local. Considera-se uma caldeira como compacta quando a mesma é embarcada pelo fornece- dor completamente montada com: queimado- res, ventiladores, controles e acessórios. Estas caldeiras são mais baratas, mais fáceis de ins-

talar e têm menor prazo de entrega. A grande restrição prende-se a problemas de transporte, quando se necessitam de caldeiras de maior porte ou de pressões mais elevadas. Assim, caldeiras de capacidades acima de 250 t/h são totalmente montadas no local, caldeiras na fai- xa de 100 a 250 t/h são, geralmente, montadas no local, embora tenham parte de seus com- ponentes montados na fábrica, já as caldeiras até 100 t/h são, em geral, compactas.

Classificação quanto a concepção

As caldeiras podem ser agrupadas em:

• Flamotubulares
• Aquotubulares

Caldeiras Flamotubulares – Estas cal- deiras caracterizam-se pela passagem dos ga- ses quentes por dentro de tubos, geralmente em três passes antes de saírem para a chami- né. Todo este conjunto de tubos, por onde pas- sam os gases está imerso na água a ser vapori- zada. São empregadas para baixas pressões (até 10 kg/cm^2 ), baixas capacidades (até 15 t/ h) e onde possa ser utilizado vapor saturado (título normal 80/90%). São os equipamentos mais baratos, com- pactos e que requerem menos cuidados de ope- ração e manutenção.

Caldeira flamotubular de três passes