APOSTILA DE TANQUES E VASOS DE PRESSO-2006

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PLANEJAMENTO E PROJETOS NA INDSTRIA QUMICA COD. 299TANQUES DE ARMAZENAMENTO E VASOS DE PRESSO 1. TANQUES DE ARMAZENAMENTO1.1 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 TANQUES1.2.1. 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 TANCAGEMA 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.

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-

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 TANQUESAs 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 CONTENOA 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 TANQUESAs 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 PNB89 e=0,03983 x D X(H-0,3) x G + c e= espessura mnima em mm D = dimetro interno do tanque em m H= 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 mm OBS.: 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

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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.

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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

60 100 500 1000 2000 3000 5000 10000

2500 4200 21000 42000 84000 126000 210000 420000

60 100 500 1000 2000 3000 5000 10000

40 60 300 600 1200 1800 3000 6000

60 100 500 1000 2000 3000 5000 10000

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2.VASOS DE PRESSO2.1. 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 DESCRIOOs 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 interno DE: Dimetro externo CET: Comprimento entre tangentes.

2.3 NORMA DE PROJETO

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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 PRESSOA) 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 doequipamento 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

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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 PRESSO2.5.1. 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.

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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 manomtricos Nota: 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 SxE 0,6 P +C

e = espessura mnima R= raio interno do cilindro P = 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= 1,0 Radiografia parcial E=0,85 Sem radiografia E= 0,70 C= sobrespessura de corroso.

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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 INTERNATampos elpticos com relao semi-eixos 2:1 e=P x R SxE 0,1P +C

Tampos toriesfrico e= 0,885 P x L SxE-0,1P +C onde L= raio da coroa central e coincide com o dimetro do vaso 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 CILINDRICOConforme 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.

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2.10. PRESSO MXIMA DE TRABALHO ADMISSVEL PARA OS TAMPOSTampo elptico: PMTA = S x E x e R + 0,1 x e Tampo 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 tl l < tl

e

p

> tp

o projeto est encerrado aumentar o D e repetir os

e/ou

p

< tp

Os exemplos em classe ilustraram os conceitos acima citados 1.) 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 sabendose 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 sabendose 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/ - rAOnde: FAO = Vazo molar do reagente A na alimentao em mol/tempo. XA = Converso do reagente A. - rA = taxa de reao em mol/vol.tempo Com 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

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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/min FA = 50 mol/min ( 1 0,95) = 2,5 mol/min - rA = 0,1 . 2,5 / ( 1+0,5.2,5) = 0,11 mol/L.min V = 50 mol/min . 0,95/0 ,11 mol/L.min = 432 L Vvaso = 432/0,75 = 576 L ou 0,576 m; sendo CET/D = 3 teremos 0,576=( .D/4 ).3D portanto 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 a23

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/ft k = 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 ALTURA DO SELO LQUIDO NO PRATO EM IN ENTRE PRATOS (POLEGADAS) EM IN (POLEGADAS) 0,5 1 2 6 0,02/0,04 12 0,09/0,11 0,07/0,09 0,05/0,07 18 0,15 0,14 0,12 24 0,185 0,17 0,16 30 0,195 0,185 0,18 36 0,205 0,195 0,19

3 0,09 0,15 0,175 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) atmosfrica 50 a 100 psig 200 a 500 psig

0,5 a 1,5 1,0 a 2,0 1,5 a 3,0 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 2,5 a 4,0 5,0 a 20,0 Espaamento entre pratos em in 18 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/h Vazo de vapor 270 lbmol/h 310 lbmol/h Massa molar do vapor 70 110 Temperatura 220F 260F Presso 1,0 atm 1,1 atm Massa especifica do lquido 44 lb/ft 42 lb/ft O espaamento entre os pratos dever ser de 24 in e o selo lquido de 1 in.

2.17.2. O PROJETO DE TORRES COM RECHEIOAs 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

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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 processados D. 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.

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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.

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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 Quantidade Peso em do recheio de peas lb/ft ( dimetro por ft da pea) em in 5/8 1 1 1/2 2 5950 1400 375 170 37 30 24 22 rea superficial ft/ft Percentagem Fator de de espao empacotamento, livre ( %) caracterstico do tipo e do tamanho do enchimento 93 70 94 48 95 28 96 20

104 63 39 31

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 piloto Como exemplo citamos que para a maioria das separaes de compostos orgnicos a seguinte tabela pode ser utilizada para o caso de Pall Rings

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Dimetro do Recheio 5/8 in 1 in 1 in 2 in

HETP 0,8 a 1 ft 1,0 a 1,5 ft 1,5 a 2 ft 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.

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