PLANEJAMENTO E PROJETOS NA INDSTRIAQUMICA COD. 299

TANQUES DE ARMAZENAMENTO E VASOS DE PRESSO

1. TANQUES DE ARMAZENAMENTO

1.1 INTRODUO: Embora os tanques de armazenamento de produtos lquidos possam ser fabricados de vrios tipos de materiais ( ao carbono, ao inox, plsticos, etc.), nesta apostila trataremos apenas de tanques de chapa de ao carbono, soldadas, verticais, cilndricos, com revestimento interno ou no, no enterrados e sujeitos presso atmosfrica ( conforme norma API de 0 a 0,5 psig).

1.2 CLASSIFICAO DOS TANQUES

1.2.1. Tanque de teto fixo: teto auto-portante, apoiado no costado, suportados por estruturas de perfis metlicos. Quanto forma o teto pode ser: cnico ( forma aproximada de um cone reto), esfrico ou curvo ( forma aproximada de uma calota esfrica), em gomos ( constitudo de tal forma que qualquer seo horizontal seja um polgono regular).

1.2.2. Tanque de teto mvel: no seu interior existe uma cmara de vapor cuja presso responsvel pela movimentao do teto, o qual possui uma selagem entre o costado e o teto. So os chamados gasmetros.

1.2.3. Tanque de teto flutuante: teto flutua sobre a superfcie do lquido, acompanhando sua movimentao. A perda por evaporao nesse tipo de tanque bem menor do que no teto fixo, no entanto seu custo maior do que o tanque de teto fixo.

1.3 VOLUME DE TANCAGEM

A determinao do volume de armazenamento de um tanque ou de vrios tanques depende de vrios fatores, dentre eles citamos: capacidade de produo da planta, autonomia que se requer, caractersticas do produto, tipo de transporte, consumo do produto armazenado, etc. A partir de um volume total que deve ser armazenado podemos projetar um nico tanque ou vrios tanques; sendo que a deciso deve levar em conta principalmente:

- Custo por m armazenado: quanto maior o volume de um tanque menor o custo de armazenamento.

- Segurana operacional: quanto maior o nmero de tanques, maiores os requisitos de segurana, porm maior a flexibilidade operacional.

- Manuteno e Inspeo: quanto maior o nmero de tanques, maior o custo de manuteno e inspeo.

1

- Exigncias de servios: tanques para produtos com qualidade especificada e tanques para produtos fora de especificao para futuro reprocessamento.

- Perdas por evaporao atravs o respiro do tanque: tanque de teto fixo x tanque de teto flutuante.

1.4 DIMENSES DOS TANQUES

As dimenses correspondem aos valores de Dimetro interno e de Altura, ou seja a relao D/H. Para a definio desses valores os seguintes fatores so importantes:

a) Utilizar para definio da altura um nmero inteiro de chapas de ao carbono, ou seja a altura dever sempre que possvel ser um mltiplo da largura de chapas de ao carbono comerciais ( larguras usuais 1800 mm, 2400mm).

b) Para definio da altura calcular as cargas de vento.c) Espao disponvel para o tanque e sua bacia de conteno ( espao pequeno

significa altura maior).d) Para a definio do dimetro lembrar que: dimetro maiores para produtos

inflamveis definir maior distncia entre tanques dentro de uma mesma bacia e portanto rea de armazenamento maior. Dimetros maiores fundaes menores devido a uma maior rea para distribuio de cargas sobre as fundaes.

1.5 DIQUES E BACIAS DE CONTENO

A finalidade das bacias de conteno cercadas por diques com altura que variam de 600 mm at 1800 mm, a de conter o produto armazenado em caso de rompimento do tanque ou tubulao, conter o produto armazenado em caso de falha de operao, limitar um possvel incndio dentro de pequena rea. O volume da bacia de conteno deve possuir a capacidade do tanque, ou no caso de vrios tanques na mesma bacia a mesma deve conter o volume do maior tanque mais o volume dos outros tanques compreendido abaixo da altura do dique.

A distncia mnima entre costados de tanques deve seguir os seguintes valores conforme normas pertinentes:

PNB 216 ( ABNT): Distancia mnima entre costados d = do dimetro do maior tanque.

API ( American Petroleum Institute)Para produtos em geral: d = 1/6 (D1 + D2)Para leos combustveis ou inflamveis: d = (D1+D2).

1.6 NORMAS DE PROJETO PARA TANQUES

As normas habitualmente seguidas para o desenvolvimento do projeto de tanques de armazenamento so:

API 650 : para tanques em ao carbono soldado, cilndricos, verticais no enterrados, fechados ou teto aberto e para presso interna de 0 a 0,5 psig.

PNB 89: Para o projeto de tanques de ao carbono soldados, cilndricos, verticais, no enterrados, para armazenamento de petrleo e seus derivados. Idntica ao API 650.

2

API 620: para tanques em ao carbono soldado, cilndricos, verticais no enterrados, fechados, para armazenamento de petrleo e seus derivados, e para presses internas de 0,5 psig at 15 psig.

API 2000: Recomendaes prticas para o projeto de respiros em tanques atmosfricos e de baixa presso.

1.7. PROJETO DO COSTADO DE TANQUES DE ARMAZENAMENTO.

O projeto da espessura das chapas utilizadas no costado de tanques de armazenamento atmosfricos considera-se que a espessura das mesmas no precisa ser a mesma para todo o costado, isto , o anel mais inferior deve possuir uma espessura maior pois agenta maior presso esttica interna devido altura do lquido, enquanto que o anel mais superior pode ter espessura menor pois agenta menor presso esttica devido a altura do lquido. Abaixo o dimensionamento da espessura das chapas do costado conforme PNB-89

e=0,03983 x D X(H-0,3) x G + c

e= espessura mnima em mmD = dimetro interno do tanque em mH= distancia entre a linha de centro da junta inferior do anel considerado cantoneira de reforo da borda superior do costado ou parte inferior do ladro do tanque em metros.G= densidade relativa do produto a ser armazenado. Esse valor deve sempre ser maior ou igual a 1.C = sobre espessura de corroso em mmOBS.: O clculo da espessura acima calculada comparado espessura comercial oferecida pelos fornecedores e escolhida a espessura imediatamente superior para compor o anel considerado. As espessuras acima sero adotadas se forem maiores ou iguais s espessuras mnimas abaixo consideradas:

Para tanques com D menor que 15 m 3/16 ( 4,75 mm)Para tanques com D menor que 35 m e maior que 15 m (6,3 mm)Para tanques com D acima de 35 m e menor que 60 m 5/16(8,0mm)Para tanques com D maior que 60 m 3/8 ( 9,5 mm)

1.8 PRINCIPAIS ACESSORIOS DE UM TANQUE DE ARMAZENAMENTO.

Conexo ( normalmente flangeada) para entrada de produto no tanque Conexo ( normalmente flangeada) para sada de produto do tanque Bocas de visita no costado e no teto do tanque. Escotilha para medio manual e retirada de amostra no teto do tanque Dreno de fundo do tanque Escada helicoidal de acesso plataforma do topo do tanque Trena para indicao do nvel Poo para termmetro no costado do tanque. Bocal para conexo de manmetro no costado do tanque ou no topo do tanque

3

Agitador mecnico Cmaras de espuma para combate a incndio. Ladro. Respiro ou vlvula de presso e vcuo no topo do tanque.

1.9. PROJETO DE RESPIROS E VLVULAS DE SEGURANA/VCUO PARA TANQUES ATMOSFRICOS. NORMA API 2000.

Os requisitos mnimos de controle de sobrepresso e de preveno de vcuo em tanques atmosfricos segundo a Norma API 2000 so:

A Requisitos para evitar vcuo

A.1 : Esvaziamento: Durante o esvaziamento a capacidade da vlvula de vcuo deve permitir a entrada de 560 ft/h de ar para cada 100 barris ( 4200 gales) por hora de vazo de sada de produto.

A.2. Efeito Trmico: Para uma determinada capacidade de armazenamento, a entrada de ar devido a um decrscimo na temperatura atmosfrica deve seguir a seguinte tabela abaixo:

B - Requisitos para evitar sobrepresso

B.1. Enchimento: a capacidade da vlvula de sobrepresso leva em conta o resultado da evaporao do produto armazenado e para tanto existem duas situaes a saber:

Para produtos com Ponto de Fulgor maior ou igual a 100 F ( 37,8C), o dimensionamento da vlvula de sobrepresso ou vent deve ser equivalente a sada de 600ft/h de ar para cada 100 barris ( 4200 gal) por hora de vazo de entrada de produto.

Para produtos com Ponto de Fulgor menor que 100 F ( 37,8C), o dimensionamento da vlvula de sobrepresso ou vent deve ser equivalente sada de 1200 ft/h de ar para cada 100 barris(4200 gal) por hora de vazo de entrada de produto.B. 2. Efeito Trmico: Para uma determinada capacidade de armazenamento e para um determinado Ponto de Fulgor, haver uma capacidade correspondente de sada de gases equivalente sada de ar mostrada na tabela a seguir, em funo do Ponto de Fulgor do produto; devido a um acrscimo na temperatura atmosfrica.

EM TODOS OS CASOS O DIMENSIONAMENTO DA VLVULA DE SGURANA E VCUO DEVE LEVAR EM CONTA A SOMA DOS DOIS FATORES ACIMA A SABER: MOVIMENTAO DO PRODUTO MAIS EFEITO TRMICO.

4

Tabela referente ao requisito referente ao Efeito Trmico( Expressa em ft/h de ar a 14,7 psia e 60F)

CAPACIDADE DO TANQUE EM BARRIS

CAPACIDADE DO TANQUE EM GALES

DECRSCIMO DE TEMPERATURA ATMOSFRICA (VCUO)

AUMENTO DA TEMPERATURA ATMOSFRICA(SOBREPRESSO) PARA PONTO DE FULGOR MAIOR OU IGUAL A 100 F

AUMENTO DA TEMPERATURA ATMOSFRICA(SOBREPRESSO) PARA PONTO DE FULGOR MENOR QUE 100f

60 2500 60 40 60100 4200 100 60 100500 21000 500 300 5001000 42000 1000 600 10002000 84000 2000 1200 20003000 126000 3000 1800 30005000 210000 5000 3000 500010000 420000 10000 6000 10000

5

2.VASOS DE PRESSO 2.1. INTRODUO: Vasos de presso so equipamentos de processo estanques,

de dimenses e formato normalizados, capazes de conter um fludo pressurizado. So classificados em :

Vasos no sujeitos a chama, empregados em trs casos gerais numa indstria qumica: ARMAZENAMENTO DE GASES SOB PRESSO, PROCESSAMENTO DE GASES E LQUIDOS, ACUMULAO INTERMEDIRIA DE GASES E LQUIDOS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS. So exemplos de vasos de presso no sujeito a chama: Vasos de armazenamento e de acumulao intermedirios, Torres de destilao fracionada, Torres de Absoro, Torres de Extrao, Reatores qumicos, Evaporadores, Esferas de armazenamento de gases liquefeitos, Vasos separadores de fases, Trocadores de Calor.

Vasos sujeito a chama: Caldeiras e Fornos.

2.2 DESCRIO

Os vasos de presso so formados pelo: CORPO ( tambm chamado de Casco ou Costado), normalmente cilndrico,

cnico, esfrico ou combinaes dessas formas. TAMPOS utilizados para fechamento do corpo, podendo ter formas elipsoidal,

semi-esfrica, cnica e toro-esfrica. A escolha do tipo de tampo ( tambm chamada de fundo ou calota) mais adequado para cada situao depende de uma srie de fatores como presso, dimenses, material de construo, espessura da chapa, estado fsico de produto armazenado e custo. Algumas regras prticas podem ser seguidas tais como:

Fundos chatos ou planos empregam-se para vasos de presso de pequeno porte e para baixas presses.

Fundos ou tampos toro-esfricos utilizam-se para presses at 400 kPa e/ou dimetros menores que 2 metros.

Fundos ou tampos elpticos para presses superiores a 400 kPa e /ou dimetros superiores a 2 metros.

Fundos ou tampos hemisfricos so os que apresentam a forma ideal quanto espessura necessria para resistir a uma dada presso, porm so restritos armazenamento de gases ou lquidos muito volteis e portanto com alta presso de vapor. Apresentam alto custo de fabricao quando comparado com os outros tipos.

POSIO: Horizontais, verticais ou inclinados PRINCIPAIS DIMENSES:

DI: Dimetro internoDE: Dimetro externoCET: Comprimento entre tangentes.

2.3 NORMA DE PROJETO

6

A norma de projeto mais utilizada para vasos de presso o Cdigo ASME ( American Society of Mechanical Engineers) Seo VIII: Vasos de Presso.

2.4. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DE UM VASO DE PRESSO

A) Definio dos dados de Processo ( ou Operao) Funo do vaso de presso ( torre, acumulador, etc.) Propriedades do produto: composio qumica; concentrao; densidade; corrosividade; vazo,

temperatura e presso de operao de todas as correntes que entram e saem do vaso. Considerar tambm valores mximos e mnimos.

Temperatura e Presso de operao do equipamento. Considerar tambm valores mximos e mnimos .

Volume armazenado ou tempo de residncia: valores normais, mximo e mnimo. Para trocadores de calor: Carga trmica, temperaturas de entrada e sada, viscosidades, coeficientes

de incrustao, calores especficos, condutividades trmicas, perda de carga mxima.

B) PROJETO DE PROCESSO DO VASO: Consiste no clculo das dimenses gerais do equipamento e na definio de todos os detalhes do equipamento ( bocais, peas internas, etc.)

Formato do vaso: cilndrico, esfrico, composto. Dimenses gerais: DI, CET Tipo do tampo ( Elptico, Toro-esfrico, etc.) Posio de instalao ( Vertical, horizontal, inclinado). Posio e elevao dos bocais Detalhes internos: tipo, localizao, formato, dimenses gerais, espaamentos, etc.( bandejas,

vertedouros, enchimento, demisters, chicanas, defletores, quebra vrtices, serpentinas, etc.) Definio da Presso e Temperatura de Projeto Dimetro nominal de todos os bocais ligados s tubulaes, inclusive os de instrumentos. Definio dos nveis mximo, mnimo e normal Elevao do vaso, principalmente se houver necessidade de NPSH para bombas. Necessidade ou no de isolamento trmico Indicao bsica dos materiais de construo Instrues de condicionamento para partida e de parada para limpeza. Enquadramento na Categoria de trabalho conforme norma NR-13. Exigncias especiais de transporte, montagem, manuteno e inspeo. Se for trocador de calor: Tipo conforme norma TEMA; Nmero de passes pelos tubos e pelo casco;

rea de troca trmica; Quantidade, arranjo, espaamento e dimetro dos tubos; Tipo dos tubos ( lisos ou aletados); Tipo de chicanas; Dimetro do casco.

C) PROJETO MECNICO

Seleo/especificao de todos os materiais do vaso, flanges, pescoo, bocais, suportes, peas internas, etc.

Definio da sobrespessura de corroso e proteo interna e externa com pintura. Dimenses finais Tipo de tampos Norma de projeto ( ASME), NR-13 Definio da eficincia de soldas/grau de inspeo. Clculo mecnico: espessura, reforos, etc. Dimenses e espessuras da base e beros. Chumbadores Elevao e orientao dos bocais

7

Clculo da PMTA e presso de teste hidrosttico Clculo do peso vazio/ cheio com gua/ e em operao Condies de transporte e montagem Desenho de detalhes construtivos Tratamento trmico de soldas/especificao de soldagem.

2.5. CONDIES DE OPERAO E DE PROJETO DE VASOS DE PRESSO

2.5.1. Presso Normal de Operao: a presso reinante no topo do vaso nas condies normais de operao. Dependendo do caso se define tambm a presso no fundo do vaso medindo-se a coluna lquida.

2.5.2. Presso Mxima de Operao: a condio de presso no topo do vaso que pode ser atingida em condies normais de operao, em condies anormais como emergncias, partida e parada, falha de sistemas de controle, limpezas especiais para manuteno, etc.

2.5.3. Presso Mnima de Operao: a condio em que em situaes normais e anormais conforme acima citado a presso no topo do vaso poder atingir valores menores que a presso atmosfrica.

2.5.4. Temperatura Normal de operao: consiste na temperatura mdia real da parede do vaso nas condies normais de operao.

2.5.5. Temperatura Mxima de Operao: consiste na temperatura real da parede do vaso em condies normais ou anormais conforme citado acima.

2.5.6. Temperatura Mnima de Operao: o menor valor que a parede do vaso pode atingir em condies normais ou anormais conforme acima descrito.

2.5.7. Temperatura e Presso de Projeto: O Cdigo Asme Seo VIII Diviso 1 no pargrafo UG-21, considera que a presso de projeto a presso correspondente s condies mais severas de presso e temperatura coincidentes que possam ser previstas em servio. Para os vasos que possam estar submetidos simultaneamente, ou sucessivamente presso interna e presso externa, devem ser estabelecidos dois valores de presso de projeto correspondentes a cada uma dessas condies. Normalmente o clculo dever ser feito em funo de cada uma das presses de projeto como agindo isoladamente. De acordo com o cdigo ASME Seo VIII ( pargrafo U.1, Diviso 1), o valor mnimo da presso interna de projeto de 1,0 kgf/cm2, mesmo para os vasos que operam com presso nula ou muito baixa. O pargrafo UG-20 do cdigo ASME Seo VIII, Diviso 1, admite temperaturas de projeto diferentes para diversas partes de um mesmo vaso, desde que essas variaes de temperatura possam ser claramente estabelecidas ( exemplo: coluna de destilao). prtica usual fixar-se a temperatura de projeto 30C ou 50C acima da mxima temperatura que efetivamente possa ocorrer na parede do vaso.

8

2.5.8. Presso de Abertura da Vlvula de Segurana ( Safety valve set pressure): No caso de vasos projetados para presso interna, que tenham dispositivo de alvio de presso, usual adotar-se para a presso de abertura desses dispositivos o maior dos dois seguintes valores:- Presso mxima de operao acrescida de 10%.- Presso mxima de operao mais 1,5 kgf/cm2 manomtricosNota: O Cdigo ASME, Seo VIII, Diviso 2 ( pargrafo AD-121), considera formalmente a presso de projeto como sendo igual presso de abertura do dispositivo de alvio de presso. Nos permutadores de calor temos quase sempre dois valores diferentes de presso de projeto e de temperatura, correspondentes a cada um dos dois circuitos de circulao de fluidos.

2.5.9. Presso Mxima de Trabalho Admissvel: a PMTA, segundo o cdigo ASME, do vaso todo o maior valor permissvel para presso, medida no topo do vaso, na posio normal de trabalho, na temperatura correspondente presso considerada, tomando-se o vaso com espessura corroda. Ser calculada posteriormente. Na maioria das vezes PMTA maior que a presso de projeto.

2.5.10. Presso de Teste Hidrosttico: o teste hidrosttico tem por finalidade a deteco de possveis defeitos, falhas ou vazamentos em soldas, roscas, partes mandriladas e em outras ligaes no prprio vaso ou em seus acessrios externos ou internos. Essa presso maior que a presso de projeto e tambm maior que a PMTA. Segundo o cdigo ASME a presso de teste deve ser no mnimo 1,5 vez a PMTA. Quando o PMTA no for calculada, permite-se que a presso seja 1,5 x a presso de projeto x Sc/Sh em que Sc e Sh so respectivamente, as tenses admissveis do material em temperatura ambiente e na temperatura de projeto do vaso.

2.6. CLCULO DA ESPESSURA DA PAREDE DA PARTE CILINDRICA DO VASO, PARA PRESSO INTERNA.

e = ____P x R + CSxE 0,6 P

e = espessura mnimaR= raio interno do cilindroP = presso manomtrica interna de projeto ( acrescentar o efeito de coluna

hidrosttica de liquido quando for o caso)S= tenso admissvel bsica do material em funo da temperatura de projeto do Vaso ( valor obtido por tabela).E=coeficiente de eficincia de solda Tabela. Depende do tipo de solda e o grau de inspeo adotado.

Radiagrafia total E= 1,0Radiografia parcial E=0,85Sem radiografia E= 0,70

C= sobrespessura de corroso.

9

IMPORTANTE: A espessura que deve ser utilizada para a construo do casco do vaso a espessura comercial imediatamente superior ao e calculado

2.7. CLCULO DA ESPESSURA DO CASCO ESFRICO PARA PRESSO INTERNA.

e = P x R + C 2SxE 0,2P

IMPORTANTE: A espessura que deve ser utilizada para a construo do casco do vaso a espessura comercial imediatamente superior ao e calculado

2.8 CLCULO DA ESPESSURA DE TAMPOS PARA PRESSO INTERNA

Tampos elpticos com relao semi-eixos 2:1

e = P x R + C SxE 0,1P

Tampos toriesfrico e= 0,885 P x L +C onde L= raio da coroa central e coincide com o dimetro do

SxE-0,1Pvaso

Definies importantes :. Espessura Requerida: aquela determinada pelas formulas do cdigo, utilizando a

presso e a temperatura de projeto, antes de somar a sobre espessura de corroso.. Espessura de Projeto: a espessura requerida mais a sobre espessura de corroso.. Espessura nominal ( ou espessura comercial): espessura comercialmente

disponvel, sempre um valor imediatamente superior espessura de projeto.

IMPORTANTE: A espessura que deve ser utilizada para a construo dos tampos do vaso a espessura comercial.

2.9 .PRESSO MXIMA DE TRABALHO ADMISSVEL PARA O CASCO CILINDRICO

Conforme anteriormente definido a presso mxima de trabalho admissvel deve ser calculada, considerando que o vaso j esteja corrodo, ou seja, no incluindo a sobre espessura de corroso: PMTA = S x E x e

R + 0,6 x e Onde a espessura e a espessura comercial utilizada menos a sobre espessura de corroso e os demais termos so os anteriormente definidos.

10

2.10. PRESSO MXIMA DE TRABALHO ADMISSVEL PARA OS TAMPOS

Tampo elptico: PMTA = S x E x e R + 0,1 x eTampo Toriesfrico: PMTA = S x E x e

0,885 x L + 0,1 x e Onde a espessura e a espessura comercial utilizada menos a sobre espessura de corroso e os demais termos so os anteriormente definidos.

2.11. DETERMINAO DO COMPRIMENTO E DO DIMETRO DE VASOS DE PRESSO.

A determinao do volume de um vaso de presso, isto a determinao do comprimento entre tangentes ( CET) e do dimetro interno, comandada pelos dados de processo e necessidades operacionais. Exemplo:

Reatores qumicos velocidade espacial Torre de Destilao mxima vazo de vapor que no arraste lquido e

nmero de pratos e portanto a distncia entre eles ( ou altura de enchimento se for coluna com recheio), mais o volume de surto.

Vaso de Flash velocidade dos vapores e volume de surto do lquido. Esfera Capacidade de armazenamento.

A relao recomendada entre CET/Di para um vaso de presso, est situada entre os valores: 1,5 < CET/D

- Vaso Horizontal.

# Para separar misturas com V/L baixo# Tambor para separao contnua de dois lquidos imiscveis# Desaerador de gua para caldeiras#Tambor de refluxo de torres de destilao# Vaso de descarga intermitente de caldeiras.

2.13. PROJETO DE VASOS DE NORMALIZAO

So tambm conhecidos como tanques de reteno ou pulmes ou intermedirios, possuindo somente a funo de garantir funcionamento uniforme do processo. O volume necessrio guarda uma relao direta com as capacidades das bombas que o alimentam e pelas bombas que retiram produto deles conforme o balano material constante no projeto bsico. Deve haver reserva suficiente para possibilitar uma ao corretiva em perodos anormais de operao. Um estudo de anlise de risco sobre o processo permitir fixar com razovel confiana o tempo de durao de um colapso no consumo ou na alimentao para se poder calcular a capacidade de reteno necessria.

2.13.1. SURTO: Tempo de surto ( ou surge time) o tempo necessrio para esvaziar o vaso, se a alimentao for interrompida, ou seja o tempo de que se dispe para iniciar a ao corretiva na eventualidade de ocorrer uma alterao crtica de vazo. Num sentido mais genrico o tempo de surto o tempo necessrio para o nvel do lquido variar entre dois pontos definidos do vaso, para valores particulares das vazes. Desta forma podemos delimitar um nvel normal de operao em um vaso de presso (Nn); nvel baixo ( Nb)como sendo o menor nvel que o lquido pode atingir em qualquer situao, por falta de alimentao; e nvel alto ( Na) como sendo o nvel mximo que o lquido pode atingir em qualquer situao, por falta de retirada de produto.Definindo: an como tempo de surto necessrio para queda do nvel desde Na at Nn ; nb como o tempo de surto necessrio para a queda de Nn at Nb; e ab como o tempo de surto necessrio para o nvel cair de Na at Nb.

. TABELA DE TEMPOS DE SURTO ( EM MINUTOS) RECOMENDADOS PARA OS PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UMA INSTALAO INDUSTRIAL.

FUNO ab an nb

V H V H V HVaso de alimentao de Fornos 8-20 2 10Vaso de refluxo de torre de destilao

3-6 5-15 1 2 2 5

Vaso de flash 3-6 3-6 1 2 2 2Vaso que alimenta uma bomba 5-15 5-15 2 2 5 5Pote de condensado 2-5 1 2Desaerador 8-35 6 15Tambor de vapor de caldeiras 8-35 6 15

12

Coluna de destilao alimentando outra coluna

5-15 2 5

Os tempos de surto acima podem ser alterados em funo da existncia ou no de instrumentao automtica, intertravamentos, alarmes, treinamento dos operadores, distncia entre a casa de controle e os equipamentos, etc.

.CAPACIDADE DE SURTO : A capacidade de surto o volume a ser previsto para permitir que os controles do processo se ajustem alteraes sofrida pela operao, tornando possvel a ao corretiva numa velocidade adequada para minimizar a propagao de efeitos adversos sobre o restante do sistema; exercendo a funo de amortecedora entre a alimentao e a sada. Por exemplo, se a bomba de alimentao de uma coluna for danificada, deve haver capacidade de reserva suficiente para o operador ir at a rea e dar partida na bomba reserva.O volume de surto do vaso o produto do tempo de esvaziamento ( tempo de surto) pela vazo de sada, caso seja interrompida a alimentao.

2.13.2. DIMENSIONAMENTO: Aps efetuada a escolha da posio do vaso ( vertical ou horizontal) com base nos requisitos do processo, espao na planta, custo, etc; proceder-se- ao dimensionamento do vaso com base no tempo de surto total e na vazo de alimentao, fixando-se um volume preliminar. Utilizando-se uma relao geomtrica recomendada entre CET ( comprimento entre tangentes) e dimetro interno do vaso, calcula-se um seo transversal, para posteriormente proceder-se ao clculo das diferenas de nvel a e b a partir dos tempos de surto para enchimento entre Ln e La sem consumo e esvaziamento de Ln at Lb sem alimentao.

Vaso Vertical: Para o caso de vaso vertical em primeiro lugar fixa-se um tempo de surto ba conforme valores recomendados na tabela no. 1 e em seguida calcula-se o volume de surto Vba.

Vba = Qe. ba ( Qe = vazo volumtrica de entrada)Chamando Vba de volume til do vaso podemos tambm escrever que :

Vab = V = D L onde D o dimetro interno do vaso e L = CET 4

Como essa equao possui duas incgnitas, vamos adotar uma relao L/D dentro dos valores recomendados, isto : 1,5 < L/D< 5,0; e portanto a expresso ficar:

Vab= V = . D L4 D

D = [( 4/ ) (V/(L/D))]/

e S = /4 [( 4/ ) (V/(L/D))]/

Posteriormente calcula-se a e b com base nos tempos de surto na e nb, sendo:

13

a = Qe. na b = Qs . nb S S

Lembrando que em regime permanente as vazes de entrada ( Qe) e de sada( Qs) so iguais. Ver exerccios de aplicao. Em certas ocasies podermos projetar um vaso de presso onde somente o tempo de surto de esvaziamento ser importante ou ento onde somente o tempo de enchimento ser importante, e neste caso deveremos determinar somente a distncia a ou a distncia b; adotando-se para o CET do vaso um valor compreendido entre os limites usuais, isto :1,5 < CET/D < 5,0; ou segundo alguns autores 3,0 < CET/D< 5,0

OBS.: Em ambos os casos o volume contido nos tampos dos vasos pode ser desprezado, constituindo-se assim num crdito adicional para o volume de surto.

Vaso Horizontal: Para o projeto de vasos horizontais devemos nos lembrar que a seco transversal varia com o nvel de lquido no tanque e o mtodo mais apropriado seria calcular primeiramente o volume necessrio para acomodar o surto, para depois se obter os valores de a e b com auxilio da tabela abaixo.

Para vasos horizontais o clculo do volume lquido contido no mesmo em nveis intermedirios segue o clculo do volume de uma calha ( excluindo o volume contido nos tampos) e a partir de um vaso com dimetro interno = D e rea da seo transversal = A; estando operando com uma altura de nvel = H a rea da seo transversal correspondente ocupada pelo lquido ser As; guardando portanto a seguinte relao:

As H

A = pi D/4

E nesse caso o volume contido na calha com altura de lquido = H ser As x L onde L o comprimento entre tangentes e As determinado pela tabela acima.Para melhor fixao dos conceitos acima Exerccios sero realizados em classe.

H/D As/A0,100 0,05200,150 0,09410,200 0,14240,250 0,19550,300 0,25230,350 0,31190,400 0,37350,450 0,43640,500 0,500

14

D

2.13.3. EXERCCIOS:

1.)Calcular as dimenses de um vaso cilndrico vertical que funciona como pulmo, sabendo-se que: a vazo de entrada igual a vazo de sada e tem o valor de 30m/h, o tempo de surto para o nvel cair desde o nvel normal at o nvel baixo de 8 minutos e o nvel normal dever corresponder a 40% do CET.2.) Repetir o exerccio acima para um vaso horizontal, adotando como nvel normal 40% do D ( dimetro interno).

3.)Projetar um vaso horizontal pulmo de 1500 mm de dimetro, para conter entre o nvel mnimo e o nvel mximo 6.000 litros. Considerar que o nvel mnimo est a 225 mm do fundo do vaso e o nvel mximo a 225 mm do topo do vaso. Conferir a relao CET/D.

4.) Projetar um vaso de refluxo horizontal para uma coluna de destilao, o qual dever operar com nvel normal de 50%, sabendo-se que a vazo de refluxo dever ser de 12 t/h e a retirada de destilado de 5 t/h ( massa especfica do refluxo e do destilado = 0,79 t/m. Adotar CET/D = 3,0. Adotar tempo de surto conforme tabela apresentada nesta apostila.

5.)Projetar um vaso pulmo vertical cuja vazo de entrada = vazo de sada = 25 m/h onde o tempo de surto na = 3 min e nb = 5 min. Considerar que o nvel baixo dever estar a 150 mm na linha de tangencia inferior e o nvel alto dever estar a 300 mm da linha de tangncia superior. Adotar CET/D = 3,0

6.) Dimensionar um vaso vertical de carga para uma bomba com vazo de entrada = vazo de sada de 20 m/h, sabendo-se que ab = 10 min. Os tempos de surto so: an= 2 min e nb=5 min. Adotar CET/D = 1,5 e reservando um mnimo de 300 mm no topo como espao para o vapor e 300 mm no fundo para garantir carga lquida para a bomba quando for atingido o nvel mximo.

7.) Repetir o problema anterior para um tanque horizontal.

8.) Projetar um vaso de refluxo vertical para uma coluna de destilao que opera com vazo de refluxo de 15 m/h e vazo de produto de 6 m/h sabendo-se que o tempo de surto para esvaziamento dever ser de 4 min e o tempo de surto para enchimento de 7 min. Considera o nvel alto a 150 mm da linha de tangncia superior e o nvel baixo a 150 mm da linha de tangncia inferior. Determinar a percentagem do nvel normal em relao ao CET. Adotar CET/D = 3,5.

9.) Repetir o problema anterior para um vaso horizontal.

10.) Projetar um vaso de flash de 800 mm de dimetro interno, com vazo de lquido de 10 m/h e tempo de surto conforme valores constantes da tabela apresentada no texto.

15

2.14. PROJETO DE VASOS DE PRESSO PARA SEPARAO DE LQUIDO VAPOR

VASOS DE PROCESSO: Os vasos de processo propriamente ditos so os reservados para funes mais complexas do que somente os vasos pulmo, uma vez que devem proporcionar unes como mistura ou separao de fases, dissoluo, neutralizao, cristalizao, aerao ou reao qumica, destilao, absoro, extrao, etc. Geralmente so equipados com acessrios como chicanas, agitadores, bandejas, recheios diversos, etc.

As dimenses principais devem ser fixadas de acordo com a funo que os vasos exercem no processo, utilizando a equao de projeto especfica.

2.14.1. SEPARADORES VAPOR LIQUIDO.

Em geral os vasos separadores vapor-lquido exercem dupla funo: separar o vapor e o lquido transportados conjuntamente pela tubulao de alimentao e funcionar como vasos de acmulo do lquido separado. So exemplos os vasos de flash, vasos de suco de compressores, colunas de destilao, etc. O princpio que norteia a escolha das dimenses principais desses equipamentos ( comprimento entre tangentes e dimetro interno) a velocidade mxima dos vapores ascendentes que no causa grande quantidade de arraste de gotculas de lquido para a fase vapor ( ou gasosa), isto , busca-se determinar o mnimo dimetro que o vaso de presso ( normalmente vertical) deve possuir para manter o arraste dentro de valores baixos. Qualquer dimetro maior que o calculado provocar velocidades menores que a mxima velocidade que causa arraste de lquido para o vapor. De um modo geral os tanques com grandes volumes de surto devem ser horizontais, como o caso dos acumuladores de lquido para a coluna atmosfrica de uma refinaria de petrleo. Um vaso de coleta interestgio de um compressor ser um vaso verticalNo projeto de vasos separadores V-L a presena de coalescedores ( demisters) no topo do vaso tambm deve ser considerada para permitir maiores velocidades e portanto dimetros menores.A decantao de uma gotcula sob a ao da gravidade ocorre em movimento acelerado at que a fora de atrito fluido sobre a gotcula que cresce medida que a velocidade aumenta, iguala o peso da gotcula. A partir da a decantao ocorre com velocidade constante denominada velocidade terminal de decantao. Para partculas esfricas a velocidade de decantao dada pela seguinte expresso: ______________

u = 4 . g D ( L - G ) __________

3 C Gem funo do dimetro da partcula, das massas especficas do lquido e do gs e do coeficiente de arrasto que dependo do nmero de Reynolds da partcula.

Para simplificao Souders e Brown propuseram uma equao emprica para calcular a velocidade superficial de arrasto v de gotculas entre as bandejas de colunas de destilao,

16

absoro e stripping, representada pela equao abaixo, equao esta que se aplica perfeitamente para o projeto de vasos separadores V-L. ______________

vmax = k ( L - G)/ G)vmax em m/s L = densidade do liquido em kg/m G= densidade do vapor em kg/mk = 0,06096 ( sem demister)k = 0,10668 ( com demister)

RECOMENDA-SE PARA O CLCULO DO DIMETRO UTILIZAR A VELOCIDADE DE PROJETO COMO SENDO 75% DO VALOR DA VELOCIDADE MXIMA ACIMA REFERIDA.

A necessidade de se projetar vasos de presso que favoream a separao da fase lquida e da fase vapor, tais como vasos de flash, vasos de suco de compressores, colunas de destilao, etc.; muito comum nas indstrias qumicas. O principio que norteia a escolha das dimenses principais desses equipamentos ( comprimento entre tangentes e dimetro interno) a velocidade mxima dos vapores ascendentes que no causa arraste de gotculas de lquido para a fase vapor ( ou gasosa), isto , busca-se determinar o mnimo dimetro que um vaso de presso ( normalmente vertical para essas aplicaes) deve possuir, posto que qualquer dimetro maior que o calculado provocar velocidades menores que a mxima velocidade que causa arraste de lquido para o vapor. No projeto de vasos separadores L-V a presena de coalescedores ( demister) no topo do vaso tambm deve ser considerada para permitir maiores velocidades e portanto dimetros menores.

O projeto neste caso visa determinar o menor dimetro que o vaso deve ter de tal sorte que o arraste de lquido pelos vapores ascendentes seja menor que 1%. Qualquer dimetro maior que o mnimo aceitvel. O tempo de surto tambm deve sr calculado nestes casos aps a escolha do dimetro interno do vaso.

Algumas dimenses prticas recomendadas para o caso de vasos separadores verticais:

- Distncia mnima entre o nvel de lquido mximo e o bocal de entrada = 500 mm - Distncia mnima entre o bocal de entrada e o demister = Dimetro interno do vaso ou no mnimo 100 mm.- Distncia entre o demister ( aprox. 100 mm de espessura) e a linha de tangncia do topo = 300 mm

2.14.2. SEPARADOR VERTICAL

Atravs do clculo da velocidade de arrasto v podemos dimensionar o separador, utilizando um valor prtico de 75% da velocidade de passagem do fluido pelo separador ( com ou sem demister). De posse de vp( velocidade de projeto) obtemos:

17

________Q/vp = . Dmin/4 ou Dmin = 4Q/ vp

Q = QG + QL

O volume V do reservatrio de lquido deve ser obtido em funo da vazo QL de alimentao de lquido e do tempo de surto ab ( mnimo de 5 minutos)

V = QL ab = . D. H H = 4V___ 4 . D

Isto permite calcular a altura H de lquido entre o valor baixo e o valor mais alto permitido e posteriormente a altura total CET que deve ficar entre 1,5 e 5,0. Se o volume de lquido for muito pequeno, aumenta-se o tempo de surto de modo a resultar CET/D maior. Por outro lado se, para satisfazer o tempo de surto, se chegar a CET/D maior que 5,0 deve-se aumentar o dimetro do vaso.O bocal de alimentao do gs dimensionado com um velocidade vB obtido pela expresso: ____ ____

4,6 m < vB < 7,6 m onde m = Massa especfica da mistura.

Para o clculo do dimetro do bocal de sada de lquido do vaso, seja por gravidade, seja quando a presso interna superior; dever haver uma altura mnima de lquido no vaso que dever ser fixada durante o projeto a fim de garantir o dimensionamento adequado. Para fins de projeto utiliza-se uma altura mnima crtica de trs alturas de velocidade:

hc = 3 v/2g = 3/2g[(4QL/ .Db)]Onde hc a altura crtica, QL a vazo lquida em m/s, Db o dimetro do bocal em metros e g = 9,8 m/s

2.14.3. EXERCCIOS:

1.) Projetar um vaso de flash vertical cuja vazo de entrada de 24.000 kg/h ( 30% em massa de fase gasosa e 70% m de fase lquida), sabendo-se que a massa especifica da fase gasosa de 11 kg/m e a massa especifica da fase lquida de 984 kg/m. O tempo de surto ab = 8 min e o vaso no dever possuir demister. Determinar o CET, D e dimetro do bocal de entrada

2.) Repetir o problema anterior considerando o vaso com demister.

3.)Projetar um vaso de suco de um compressor vertical cuja vazo total de 36.000 kg/h ( com 80 % em massa de fase gasosa e 20% em massa de fase lquida), sabendo-se que a massa especifica da fase gasosa 55 kg/m e da fase lquida 870 kg/m. Adotando-se como nvel normal do lquido no vaso de 20% do CET, calcular o tempo de surto para esvaziamento do vaso. Considerar CET/D = 4,0. Efetuar os clculos considerando o vaso com demister. Determinar o CET, D e o dimetro do bocal de entrada.4.) Repetir o problema anterior considerando o vaso sem demister.

18

5.). Projetar um vaso de suco de um compressor ( vertical) que recebe uma vazo total de 215.000 kg/h, composta de 92% de gs e restante gua. As massas especficas do gs e do lquido so respectivamente 11,04 kg/m e 990 kg/m. O vaso no dever possuir demister. O tempo de surto para esvaziamento desde o nvel normal at o nvel baixo dever ser de 4 minutos e o tempo de surto para atingir o nvel alto desde o nvel normal dever ser de 8 minutos.

6). Repetir o exerccio anterior instalando-se um demister.7). Deseja-se projetar um vaso separador de lquido arrastado por uma corrente gasosa de uma unidade industrial onde os seguintes valores so conhecidos:

Vazo de gs incluindo o arraste 1200 kmol/h Massa molar do gs 25 Condies de operao: Temperatura 150C Presso 1830 kPa abs. Fator de compressibilidade 1,0 Lquido arrastado

Quantidade em massa 30% Massa especfica 890 kg/mAdotar tempo de surto de 15 min para esvaziamento deste o nvel normal at o nvel mnimo que deve coincidir com a linha de tangncia de fundo. Calcular Sem demister8). Repetir o problema anterior utilizando-se um demister.9). Projetar um vaso de flash cuja vazo total de entrada ( L+V) = 45.000 kg/h sendo composto por 40% de vapor e 60% de lquido. As massas especficas para o lquido e o vapor so respectivamente 984 kg/me 15,60 kg/m. Verificar qual o tempo de surto para esvaziamento desde o nvel normal at o nvel mnimo, que dever estar a 150 mm da linha de tangncia, supondo que o nvel normal de trabalho seja de 30 do CET.

2.15. PROJETO DE VASOS DE PRESSO PARA SEPARAO DE DUAS FASES LQUIDAS.

O projeto de vasos de presso cujo objetivo consiste na separao contnua de duas fases lquidas imiscveis de diferentes densidades, deve seguir uma das formas da Lei de Stokes, onde a fase pesada desce pela fora da gravidade contra o atrito da fase leve, e com velocidade constante. Neste caso de projeto o objetivo uma eficiente separao de fase, ficando a determinao do volume de surto em segundo plano.A velocidade de separao das fases dada por:

vsep = Ks ( p - l)/ isto vl = Ks ( p - l)/ l e vp = Ks ( p - l)/ p

vsep: velocidade de separao das fases em estudo em in/min p = densidade da fase pesada em lb/ft l = densidade da fase leve em lb/ft = viscosidade da fase em estudo em cp

19

Ks = 1,331 d 10E4 onde d = dimetro de partculaValores tabelados:

MISTURA KsHidrocarbonetos + gua onde a densid. Fase leve menor que 0,85

0,333

Hidrocarbonetos + gua onde a densid. Fase leve maior que 0,85 e menor eu 1,0

0,163

Solvente + gua 0,163Cetona + gua 0,163

Os valores de velocidade de separao esperados so menores ou no mximo igual a 10 in/min. Caso o clculo indique velocidades maiores, indica que as densidades possuem valores muito prximos ou que os lquidos podem formar emulses de difcil separao. Nestes casos a instalao de coalescedores recomendada.A condio de projeto consiste no dimensionamento de um vaso de presso onde o tempo de residncia das fases maior do que o tempo necessrio para a separao das mesmas., levantando em conta a vazo e portanto a percentagem de cada fase.Aps essa determinao o tempo de surto de cada fase poder ser calculado e verificado se o mesmo atende as necessidades operacionais.Os vasos de separao de fases lquidas imiscveis so preferencialmente horizontais.Passos para o clculo das dimenses principais de um vaso separador de 2 fases lquidas imiscveis em processo contnuo.

Calcular as velocidades de separao da fase leve e da fase pesada. Estimar um valor para o D ( dimetro interno do vaso horizontal) Calcular as alturas de fase leve e fase pesada dentro do vaso, supondo o vaso

totalmente cheio; hp = Q p ______ x D hl = = Q l ______ x D

Qp + Ql Qp + Ql

Calcular os valores dos tempos de decantao : tl = hl/ vl e tp = hp/vp

Calcular os valores dos tempos de permanncia ( reteno) de cada fase dentro do vaso.

l = Al . CET/Ql e p = Ap . CET/Qp

Comparar os tempos de separao com os tempos de permanncia.

Se

20

l > tl e p > tp o projeto est encerrado Se

l < tl e/ou p < tp aumentar o D e repetir os clculos.

Os exemplos em classe ilustraram os conceitos acima citados1.) Uma corrente lquida na vazo total de 20.000 lb/h, sendo 70% hidrocarbonetos e 30% gua, devem ser separadas num vaso horizontal. Dimensionar o mesmo sabendo-se que: l = 52 lb/ft , l = 0,550 cp e p = 62,0 lb/ft, p = 0,682 cp

2.) Uma corrente lquida na vazo total de 30.000 lb/h, sendo 40% hidrocarbonetos e 60% gua, devem ser separadas num vaso horizontal. Dimensionar o mesmo sabendo-se que: l = 55 lb/ft , l = 0,4800 cp e p = 62,0 lb/ft, p = 0,682 cp

2.16. PROJETO DE REATOR DE MISTURA PERFEITA.

O clculo do volume de um reator de mistura perfeita, apresenta tambm a facilidade de se determinar o tempo de residncia da mistura reacional dentro do reator em funo de uma determinada converso. Assim sendo podemos determinar o volume de um reator de mistura perfeita atravs da seguinte equao:

V = FAO . XA/ - rA

Onde: FAO = Vazo molar do reagente A na alimentao em mol/tempo. XA = Converso do reagente A. - rA = taxa de reao em mol/vol.tempoCom volume de reao calculado pela equao acima adotamos como volume do vaso um valor 25 % maior ou seja o Vvaso = V/0,75, isto o volume do reator deve ser em mdia 25% maior que o volume de lquido dentro do reator de mistura perfeita. Com o Vvaso podemos calcular o dimetro interno e o CET e a partir da vazo volumtrica de entrada de reagentes, a qual deve ser igual vazo volumtrica de sada de reagentes no convertidos mais produtos ( assumindo massa especfica invarivel), poderemos determinar o tempo de surto para o esvaziamento total do reator. Esse tempo de surto ser igual ao tempo de residncia dentro do reator.Exerccico: Seja uma reao enzimtica A R que se processar num reator de mistura perfeita vertical, onde a vazo de reagente de 25 L/min com concentrao de A de 2 mol/L. Objetivando-se uma converso de 95% de A em R e sabendo-se que a taxa de

21

reao expressa por - rA = 0,1 FA/(1+ 0,5 FA) onde FA = vazo molar de A na sada do reator.Soluo: FAO = 25L/min x 2 mol/L = 50 mol/minFA = 50 mol/min ( 1 0,95) = 2,5 mol/min- rA = 0,1 . 2,5 / ( 1+0,5.2,5) = 0,11 mol/L.minV = 50 mol/min . 0,95/0 ,11 mol/L.min = 432 LVvaso = 432/0,75 = 576 L ou 0,576 m; sendo CET/D = 3 teremos 0,576=( .D/4 ).3Dportanto D=0,625 m e CET = 1,875 m.Tempo de surto para esvaziamento = tempo de residncia da mistura = V/Qsaida s = 0,432 m/ 0,025 m/min = 17,28 min.2.17. ETAPAS DE UM PROJETO DE UM SISTEMA DE DESTILAO.

As seguintes etapas so recomendadas para o projeto de um sistema de destilao, incluindo a coluna de destilao ( com bandejas ou com recheio), o refervedor e o condensador.

1. Definio da qualidade da separao, isto a determinao da pureza dos produtos de topo e de fundo.

2. Balano Material para determinao das vazes e concentraes do destilado e do produto de fundo a partir da vazo e composio da carga.

3. Escolha da presso de operao a partir da definio do fluido de resfriamento que ser utilizado no condensador da coluna; isto uma vez definido o fluido que ser utilizado para condensar os vapores de topo de uma coluna ( geralmente gua de resfriamento) bem como definida as temperaturas de entrada e de sada da gua de resfriamento, aplica-se um approuch ( aproximao) econmico para se fixar a temperatura de topo da coluna e a partir da calcular a presso de operao no topo da coluna utilizando o conceito de clculo do Ponto de Orvalho dos vapores de topo. Para gua de resfriamento o approuch econmico est situado na faixa de 20 a 30F ( de 11 a 17C); isto T topo = temperatura da sada da gua de resfriamento + approuch escolhido. Lembrar que o P.O. definido por yi/ki = 1,0 onde yi = frao de molar de cada componente nos vapores que deixam a coluna pelo topo e ki a constante de equilbrio para cada componente presente nos vapores que deixam a coluna pelo topo.

4. Calcular o nmero de estgios tericos por mtodo grfico ou algbrico, assumindo uma taxa de refluxo na faixa usual ( 1,2 a 1,5 vezes a taxa de refluxo mnima). A seguir calcular o nmero de estgios tericos assumindo um determinado valor de eficincia de prato ou de enchimento.

5. Com o conhecimento do nmero de estgios reais, estimar uma perda de carga atravs dos pratos ou recheio para se ter a primeira estimativa da presso no fundo da coluna e a partir desse valor calcular a temperatura no fundo da coluna utilizando-se o conceito de Ponto de Bolha no fundo da coluna. Lembrar que P.B definido por xi.ki = 1,0 onde xi = frao molar de cada componente no liquido presente no fundo da coluna e ki as respectivas constantes de equilbrio( este valor deve ser verificado posteriormente quando da definio do tipo de prato ou recheio).

22

6. Efetuar o Balano Energtico do sistema de destilao para se efetuar o projeto do refervedor e do condensador. Neste ponto vrias taxas de refluxo podem ser testadas para se verificar o custo total dos equipamentos ( torre, condensador e refervedor).

7. Escolha e dimensionamento da coluna.1.1. Torre de Pratos ou bandejas: determinao da altura da seo de pratos a partir

da definio do espaamento entre os pratos, determinao do dimetro da coluna utilizando a equao emprica de Sounders e Brown para a seo de topo e do fundo escolhendo o maior valor, projeto dos pratos ( tipo do prato, downcomers, etc.), determinao da perda de carga total e real pela coluna para verificao do ponto de bolha no fundo da coluna, determinao do prato de carga, determinao do dimetro e localizao dos bocais, determinao do volume de surto no fundo da coluna, definio da presso e temperatura de projeto no topo e no fundo para definio da espessura do costado e dos tampos e conseqente emisso da folha de dados da torre que tambm um vaso de presso.

1.2. Torre de Recheio: escolha do tipo e tamanho do recheio, determinao da altura da seo de recheio a partir da conhecimento da HETP , determinao da perda de carga total e real pela coluna para verificao do ponto de bolha no fundo da coluna, determinao do dimetro da coluna a partir da utilizao do grfico de perda de carga generalizada para a seo de topo e do para a seo do fundo escolhendo o maior valor, determinao da altura de entrada de carga, projeto de distribuidores, coletores e suportes do enchimento, determinao do dimetro e localizao dos bocais, determinao do volume de surto no fundo da coluna, definio da presso e temperatura de projeto no topo e no fundo para definio da espessura do costado e dos tampos e conseqente emisso da folha de dados da torre que tambm um vaso de presso.

2. Projeto de Instrumentao: Definio das malhas de controle abertas e fechadas para o controle da operao da torre de destilao.

NOTA: Para o clculo do nmero de estgios tericos poderemos utilizar o mtodo grfico de McCabe Thiele ou os variados mtodos algbricos existentes na literatura, sejam eles rigorosos e no rigorosos. A ttulo de exemplo nesta apostila utilizaremos o mtodo algbrico de Fenske/Underwood e Gillilland ( FUG) para misturas binrias e para misturas de multicomponentes, o qual apresenta boa preciso num grande nmero de casos de destilao de multicomponentes onde todos os componentes mais volteis que o chave leve ( light key LK) saem somente pelo topo da coluna e todos os componentes menos volteis do chave pesada ( heavy key HK) saem somente pelo fundo da torre. Por sua vez o chave leve est mais concentrado no topo da coluna do que no fundo da coluna e o chave pesada est mais concentrado no fundo da coluna do que no topo.Com a equao de Fenske determina-se o Nmero Mnimo de estgios tericos o qual corresponde a situao de refluxo total, enquanto que com as equaes de Underwood determina-se a Razo de Refluxo Mnima correpondente situao de infinitos estgios para cada tipo de carga, e a

23

seguir utilizando-se o grfico de Gillilland determina-se o nmero de estgios tericos a partir de uma taxa de refluxo adotada. As equaes sero apresentadas em exerccios em sala de aula.

2.17.1. DETERMINAO DO DIMETRO DE TORRES DOTADAS DE PRATOS.

A determinao do dimetro de torres de pratos se baseia na limitao da velocidade do gs, a um ponto em que o arraste de lquido no excessivo. Esta limitao usualmente estabelecida pela expresso emprica de Sounders e Brown: ______________

v = k . [( L - G)/ G] v = velocidade superficial disponvel para o vapor, ft/s L = massa especfica do lquido em lb/ft G = massa especfica do gs( na absoro) ou do vapor ( destilao) em lb/ftk = constante emprica que depende do sistema, das caractersticas do prato, do espaamento entre os pratos, da altura do selo lquido existente no prato, e da formao maior ou menor de espuma durante o borbulhamento do gs no lquido. prtica usual adotar-se como velocidade de projeto de 65 a 80% da velocidade calculada acima, dependendo da maior ou menor formao de espuma respectivamente.A tabela mostrada abaixo bastante fiel pra destilao de hidrocarbonetos em colunas de pratos perfurados, valvulados ou com borbulhadores ( bubble cap). O dimetro calculado por essa expresso baseado na rea total da seo transversal da coluna

VALORES DE K EM FUNO DO ESPAAMENTO ENTRE PRATOS E DA ALTURA DO SELO LQUIDO.

ESPAAMENTO ENTRE PRATOS EM IN (POLEGADAS)

ALTURA DO SELO LQUIDO NO PRATO EM IN (POLEGADAS)

0,5 1 2 36 0,02/0,04 - - -12 0,09/0,11 0,07/0,09 0,05/0,07 -18 0,15 0,14 0,12 0,0924 0,185 0,17 0,16 0,1530 0,195 0,185 0,18 0,17536 0,205 0,195 0,19 0,185

O selo liquido pode ser estimado em funo da presso de operao da torre conforme a tabela abaixo:

Presso Altura do selo lquido ( in)

24

Vcuo ( 50-200 mmHg) 0,5 a 1,5atmosfrica 1,0 a 2,050 a 100 psig 1,5 a 3,0200 a 500 psig 2,0 a 4,0

O espaamento entre pratos pode ser estimado em funo do dimetro conforme a tabela abaixo:

Dimetro da torre em ft Espaamento entre pratos em in2,5 a 4,0 185,0 a 20,0 24

EXERCCIO: Determinar o dimetro de coluna de destilao de pratos perfurados que deve operar nas seguintes condies:

NO TOPO DA TORRE NO FUNDO DA TORRE

Vazo de liquido 245 lbmol/h 273 lbmol/hVazo de vapor 270 lbmol/h 310 lbmol/hMassa molar do vapor 70 110Temperatura 220F 260FPresso 1,0 atm 1,1 atmMassa especifica do lquido 44 lb/ft 42 lb/ftO espaamento entre os pratos dever ser de 24 in e o selo lquido de 1 in.

2.17.2. O PROJETO DE TORRES COM RECHEIO

As torres com recheio so utilizadas para o contacto contnuo contracorrente ente lquidos e vapores ( ou gases), tendo em vista que o recheio apresenta uma grande superfcie de contacto. Assim sendo so largamente utilizadas para operaes de separao por Destilao, por Absoro ou por Extrao. O lquido distribudo sobre o leito de recheio e escoa tortuosamente para o fundo da torre molhando a superfcie externa do recheio, enquanto os vapores ( ou gases) que fluem ascendentemente, efetuando igualmente um caminho tortuoso, passa entre os vazios do recheio efetuando troca de calor e massa com o lquido. As torres com recheio apresentam menor perda de carga para os vapores ( ou gases) ascendentes quando comparadas com torres providas de bandejas e por isso so preferidas quando o head para os vapores for baixo, no entanto no so indicadas para fluidos com grande quantidade de partculas slidas em suspenso uma vez que a limpeza do enchimento difcil quando comparada com a torre de pratos. Os recheios devem possuir as seguintes caractersticas:

A. Propiciar uma grande superfcie interfacial de contacto entre o lquido e o vapor ( ou gs), para isso a superfcie do recheio por unidade volume do espao recheado deve ser grande.

B. O recheio deve possuir caractersticas desejveis para o escoamento do fluido, portanto a frao de vazios no leito recheado deve ser grande. O recheio deve

25

permitir a passagem de grandes volumes de fluido atravs da seo transversal da torre sem no entanto atingir o flooding ( inundao da torre).

C. Ser quimicamente inerte aos fluidos processadosD. Ter resistncia estrutural para permitir o seu fcil manuseio e instalao

TIPOS DE RECHEIOS

Os recheios podem ser classificados em dois grandes grupos: randmico ou aleatrio e estruturado ou arrumado.Os recheios randmicos so simplesmente jogados na torre durante a montagem do equipamento e portanto se distribuem ao acaso. Os tipos mais comuns so :

a) Anis de Raching que so cilindros ocos com dimetros variando de a 4 in, podendo ser fabricados em porcelana, de ao carbono, ao inox, metais nobres ou de plsticos. Os Pall Rings so cilindros com orifcios laterais e partes internas na forma de ganchos que aumentam a rea de contacto e so fabricados preferencialmente de metais e de plstico

b) Selas de Berl com a forma de selas, disponveis nos tamanhos de a 3 in. O Intalox uma variao desse tipo de recheio. As selas so fabricadas preferencialmente de metais.

De uma forma geral os recheios randmicos de pequena dimenso oferecem grandes superfcies de contacto quando comparados com recheios maiores, no entanto devido melhor acomodao na torre eles apresentam maior perda de carga para a fase gasosa. Os recheios maiores apresentam menor custo por p cbico uma vez que nesse volume cabem menos peas de grande tamanho do que de menor tamanho. Durante a instalao do recheio randmico, para evitar quebra na queda , a torre pode ser primeiro cheia com gua para reduzir a velocidade de decantao

Os recheios estruturados ou arrumados se apresentam na forma de grades ou colmias ( chapas de vrias camadas de metal com superfcie ondulada), podendo ser fabricados em metais e plsticos. Embora com custo mais elevado que os randmicos eles tem a vantagem de apresentar menor perda de carga para os vapores ascendentes.

Suporte do Recheio: Um espao vazio no fundo da torre necessrio para assegurar uma boa distribuio do gs ( ou vapor) no recheio, o qual deve ser estar suportado por uma grelha de barras que agente o seu peso. Suportes especial projetados para fornecerem caminhados separados para o lquido e para os gases so hoje preferidos ( suporte na forma de calhas devidamente arrumadas).

Distribuidor de Lquido: Este um dos equipamentos mais importantes nas torres de recheio para se efetuar destilao, absoro ou extrao. A eficincia do distribuidor est diretamente ligada com a adequada distribuio do lquido por todo o recheio, garantindo o molhamento total do mesmo, uma vez que recheio seco completamente ineficiente. Bicos de spray, calhas de distribuio, distribuidor tipo vertedor, etc. Quanto maior o dimetro coluna, maior e dificuldade de distribuio do lquido. Geralmente considera-se necessrio ter no mnimo cinco pontos de introduo de lquido para cada p quadrado de rea de seo transversal de uma torre.

26

O projeto de torres de recheio apresenta problemas semelhantes ao projeto de torres de pratos, envolvendo consideraes ligadas operao mecnica e eficincia do equipamento. Os fatores mecnicos de maior interesse em torres de recheio so:

Queda de presso Capacidade Distribuidores e Suportes

Os fatores relacionados com a eficincia do equipamento so a distribuio e redistribuio do lquido e a rea de contacto vapor-lquido. Princpios que devem ser lembrados:

a) A torre deve usualmente ser projetada para operar na regio chamada de loading ( de 40 a 80% do limite mximo de flooding (inundao). Com isto teremos a rea tima para a qual a eficincia ser mxima. A distribuio inicial do lquido e a sua redistribuio no topo de cada seco muito importante para corrigir a migrao de lquido para as paredes.

b) A dimenso do recheio no deve ser maior que 1/8 do dimetro da torre; isto no h objeo nenhuma em se utilizar recheios de dimenses pequenas, a menos que a vazo de lquido no seja suficiente para molhar toda a rea disponvel.

c) A altura de cada seco limitada a aproximadamente 3D para anis de Raching e 5D para anis de Pall. No recomendvel utilizar-se seces recheadas superior a 20 ft ( aprox. 6 metros) devido ao fenmeno de capilaridade que provoca o fluxo preferencial do lquido pelas paredes, quando a altura supera esse valor, provocando queda na eficincia.

d) Recheios estruturados ou arrumados so economicamente comparados com o recheio aleatrio para dimetros de recheio superiores a 2 in.

A ESCOLHA DO RECHEIO

medida que a dimenso do recheio aumenta, a capacidade mxima e o HETP ( altura equivalente a um prato terico) aumenta tambm, porm o custo por unidade de volume e a perda de carga so reduzidos. Portanto para um determinado servio o tamanho do recheio influencia no dimetro e na altura da coluna, na perda de carga total e no custo do recheio. Um aumento na altura da torre freqentemente mais oneroso do que um aumento no dimetro, devido as construes, estruturas internas, tubulaes e suportes

Est perfeitamente claro que a eficincia, a perda de carga e a capacidade de recheios so funes da rea superficial e porosidade apresentadas por estes recheios. As qualificaes importantes so: percentagem de molhabilidade da rea total e formato aerodinmico. Ento anis de Rasching e anis de Pall tm rea especfica e porosidade aproximadamente equivalentes, mas comportamento diferente devido aerodinmica da pea.

O tamanho nominal de um recheio no deve ser superior que 1/8 do dimetro da torre, seno haver srios riscos de mal distribuio do lquido.

O recheio deve apresentar algumas qualidades, tais como: alta porosidade e rea especfica, baixa perda de carga, resistncia qumica e mecnica, formato irregular de modo a evitar escoamento preferencial, baixo custo e peso especfico.

27

2.17.3. DETERMINAO DO DIMETRO DE TORRES COM RECHEIO

Numa torre de recheio, sendo irrigada por uma determinada vazo de lquido, h um limite superior para a vazo de gs e portanto para a velocidade do gs, velocidade essa denominada velocidade de inundao, acima da qual o lquido fica bloqueado e no consegue descer pelo recheio. A perda de carga no ponto de operao mais eficiente de uma torre de recheio est situada entre 0,50 e 1,00 in H2O/ft de recheio. No ponto de flooding ( inundao) entre 2,0 e 3,0 in H2O/ft de recheio..O clculo do dimetro de uma torre de enchimento que esteja operando para destilao ou para absoro pode ser efetuada pelas CURVAS DE CORRELAO GENERALIZADA PARA PERDA DE CARGA, onde em abscissa entramos com a relao L/G( g/ l)0,5 em funo da perda de carga em in H2O/ft de recheio, obteremos o valor em ordenada em funo das massas especficas do lquido e do gs, da viscosidade do lquido em cp, da relao entre a massa especfica da gua e do lquido e em funo do fator de empacotamento que uma caracterizao do recheio. Valor este apresentado em catlogos e fornecedores de recheio

Catlogo de Anis de Pall ( Pall Rings)Tamanho do recheio ( dimetro da pea) em in

Quantidade de peas por ft

Peso em lb/ft

rea superficial ft/ft

Percentagem de espao livre ( %)

Fator de empacotamento, caracterstico do tipo e do tamanho do enchimento

5/8 5950 37 104 93 701 1400 30 63 94 481 1/2 375 24 39 95 282 170 22 31 96 20

2.17.4. DETERMINAO DA ALTURA DE UMA TORRE DE RECHEIO

Para o clculo da altura de uma coluna de recheio devemos levar em conta que:a) Para uma coluna de Destilao: quanto maior a razo de refluxo, menor ser a

quantidade de estgios de equilbrio e portanto menor ser a altura da coluna, no entanto com maiores razes de refluxo e portanto maiores vazes de refluxo, maior ser o trafego de lquido e vapor dentro da coluna e portanto maior ser o dimetro da coluna. Uma vez fixada razo de refluxo e calculado o nmero de estgios tericos e posteriormente o nmero de estgios reais utilizando a eficincia do recheio, podemos determinar a altura da seo de recheio atravs do conhecimento da HETP ( altura equivalente a um prato terico) para o tipo de recheio escolhido e para as substncias envolvidas), esta determinao trabalhosa teoricamente e muitas vezes levantada na prtica em plantas pilotoComo exemplo citamos que para a maioria das separaes de compostos orgnicos a seguinte tabela pode ser utilizada para o caso de Pall Rings

28

Dimetro do Recheio HETP

5/8 in 0,8 a 1 ft1 in 1,0 a 1,5 ft1 in 1,5 a 2 ft2 in 2,0 a 2,5 ft

b) Para colunas de absoro uma vez determinada a vazo de solvente que ser utilizada para absorver o gs da mistura gasosa, ser calculada o nmero de estgios tericos e a seguir calculada a altura mediante uma tabela semelhante anterior.

EXERCCIO: Para destilar fenol de uma carga contendo 40% mol de fenol com 60% de orto-cresol, a coluna dever operar com presso no topo de 90 mmHg ( 0,118 atm). Ela dever ser projetada com 27 pratos reais e operar com uma razo de refluxo de 10:1. A vazo de vapores que deixa o topo da coluna dever ser de 12.000 lb/h, e a mxima perda de carga permitida de 0,45 in de H2O/ft de recheio. O produto de topo dever possuir 98% mol de fenol e a massa molar no topo de 94,3 lb/lbmol e no fundo 101,4 lb/lbmol. Ser utilizado Pall Rings de 1 in como recheio( fator de empacotamento 28) e numa planta piloto foi determinado que o HETP para esse processo de 1,7 ft, no entanto para prover segurana ser adotado HETP igual a 2 ft para esse projeto. A viscosidade do lquido no topo pode ser adotada 0,648 cp e no fundo 0,610 cp. Calcular os dimetros do topo e do fundo da coluna.

Preparada pelo prof. Edson Roberto Tavolaro

Bibliografia: - Operaes Unitrias Reinaldo Gomide- Unit Operations of Chemical Engineers McCabe Smith- Chemical Engineers`Handbook Perry- Vasos de Presso Pedro Silva Teles.

29

PLANEJAMENTO E PROJETOS NA INDSTRIA