controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas · as caracter ísticas de cada tipo de fonte...

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http://intranet/monografias/emissoes/completa.htm 13/07/00

Emissões fugitivas tornou-se tema freqüente na indústria química e petroquímica. Os padrões de qualidade do ar, cada vez mais restritos, aliados à preocupação crescente das pessoas em relação ao seu ambiente de trabalho fizeram com que, nos últimos anos, esforços por parte da indústria e entidades a ela relacionadas fossem direcionados ao monitoramento e controle de tais emissões. A intenção deste trabalho é colaborar com esses esforços a fim de difundir, criar e aplicar conhecimentos nessa área.

Esta monografia foi desenvolvida como parte do Curso de Especialização em Gerenciamento e Tecnologias Ambientais na Indústria, da Escola Politécnica da UFBa. As informações apresentadas aqui são fruto de pesquisa bibliográfica que tem como objetivo reunir os conhecimentos necessários à implantação de programas de redução de emissões fugitivas, na indústria.

O trabalho está dividido em cinco capítulos nos quais são abordados diversos aspectos relacionados com emissões fugitivas. O Capítulo II traz alguns conceitos genéricos sobre a indústria e sua relação com a poluição atmosférica. Nesse capítulo, são apresentadas definições sobre: emissão e poluição do ar; emissões fugitivas e fontes de emissão. Define-se o campo mais amplo das emissões de compostos orgânicos voláteis (VOC), onde se situam as emissões fugitivas.

O terceiro capítulo trata especificamente das fontes de emissões de VOC mais importantes na indústria química e petroquímica. As características de cada tipo de fonte são apresentadas a fim de esclarecer os mecanismos que geram as emissões. Nesse capítulo, é feita a avaliação que mostra como cada tipo de fonte contribui para compor as emissões totais na indústria. A conclusão do capítulo III salienta a importância das emissões fugitivas no contexto mais amplo das emissões de VOC. Aponta-se ainda a destacada participação das emissões fugitivas de válvulas e bombas.

O quarto capítulo faz a apresentação dos métodos mais difundidos na indústria para monitoramento e quantificação de emissões fugitivas. O monitoramento e quantificação de emissões são ferramentas importantes para o controle de tais emissões, pois permitem determinar a situação da indústria em relação à presença dessas emissões, assim como estabelecer mecanismos para o acompanhamento das melhorias implementadas.

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas1. INTRODUÇÃO



O capítulo V traz os principais conceitos sobre o controle de emissões fugitivas na indústria. É apresentado um modelo de programa de redução de emissões com base no monitoramento, manutenção e modificação de equipamentos, com ênfase na otimização de investimentos. O capítulo ainda aborda as alternativas de redução de emissões em válvulas e bombas e sobre a composição de custos para avaliar modificações de equipamentos.

Para definir o que são emissões fugitivas, é necessário, antes, rever alguns conceitos básicos sobre indústria e poluição do ar. Indústria é um termo genérico que se usa para denominar entidades que realizam qualquer tipo de produção material em grande escala. A produção em uma indústria envolve a transformação de matéria-prima em produto. Essa transformação ocorre por meio de um conjunto de atividades o qual se nomeia processo produtivo. As atividades em uma indústria podem variar desde simples tarefas manuais a operações complexas, com emprego de máquinas, equipamentos e sistemas automáticos de controle.

As indústrias, usualmente, são classificadas segundo seu porte: pequenas, médias e grandes; tipo de materiais que processam - metalúrgicas, químicas, petroquímicas e, ainda, por sua posição em relação ao consumidor final, ou seja, indústrias de base ou primeira geração, e de bens de consumo ou última geração. Este trabalho tratará especificamente de indústrias químicas e petroquímicas, em virtude da relevância que as emissões fugitivas têm nessas indústrias.

Em indústrias químicas e petroquímicas de médio e grande porte, é comum o processo de produção estar dividido em subprocessos ou etapas. Cada etapa é desenvolvida em uma unidade de produção, também chamada de planta. A unidade de produção, por sua vez, é dividida em seções. De forma geral, os processos ou subprocessos estão divididos em seis seções: estocagem de matérias-primas; separação ou preparação de reagentes; reação; recuperação de matérias-primas; purificação do produto e estocagem final do produto. Em cada seção, tem-se determinado número de entradas e saídas de produtos, denominadas de correntes de processo.

Na maioria dos processos conhecidos, não é possível estabelecer relação de igualdade entre as entradas de matérias-primas e saídas de produtos e subprodutos. Isso ocorre porque esses processos envolvem perdas e, consequentemente, emissões. Nesse caso, o termo emissão está sendo genericamente empregado para denominar qualquer tipo de perda de produto para fora do processo. Dessa forma, nem sempre uma emissão caracteriza poluição. Primeiro, porque nem todos os produtos manuseados em um processo químico são poluentes. Segundo, porque mesmo as emissões potencialmente poluidoras podem ser capturadas e tratadas em uma seção específica, dentro do próprio processo. Uma emissão, no entanto, será sempre uma perda.

Algumas emissões são inerentes ao próprio processo, normalmente vinculadas a questões de disponibilidade de tecnologia. Outras são decorrentes da má qualidade de insumos e matérias-primas, equipamentos mal concebidos, desempenho operacional insatisfatório, operações de limpeza e, ainda, despejos e vazamentos acidentais. As emissões ou perdas de um processo são classificadas, de acordo com seu estado físico, em: resíduos sólidos, efluentes líquidos e emissões atmosféricas. Exclusivamente essa última será abordada neste trabalho, portanto o termo emissões será sempre utilizado para designar apenas as emissões atmosféricas.

Uma emissão atmosférica consiste em um volume de gás ou vapor que é lançado para fora do processo. A emissão atmosférica pode ser caraterizada como poluição do ar se estiver sendo liberada para a atmosfera em condições ou concentrações que, de alguma forma, prejudiquem o meio ambiente. Segundo o Conselho Estadual de Proteção ao Meio Ambiente, do Estado da Bahia (CEPRAM), poluição é

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas2. O QUE SÃO EMISSÕES FUGITIVAS?



As fontes de emissões atmosféricas podem ser pontuais e não pontuais. Na fonte pontual, como o nome já diz, toda a emissão está concentrada em um único ponto. Os exemplos mais claros de fontes pontuais são as chaminés de exaustão de fornos e caldeiras, e os suspiros dos tanques de estocagem. As fontes não pontuais são caracterizadas por áreas abertas à atmosfera ou, ainda, por fontes múltiplas, geralmente dispersas por toda a unidade. Em áreas abertas, a emissão ocorre em virtude da volatilização de compostos que estão presentes na massa líquida, contida nessas áreas. Um exemplo de área aberta à atmosfera que pode causar emissões são os sistemas de tratamento de efluentes, incluindo bacias e redes coletoras. (Wallace, 1 979)

As fontes múltiplas, que constituem a outra parcela de emissões não-pontuais, são compostas de equipamentos e componentes que integram as redes de transporte de produtos dentro do processo, tais como: compressores, bombas, válvulas e flanges. Esses equipamentos e componentes possuem característica comum, todos eles necessitam de um sistema de vedação para impedir que o produto escape para fora do processo. A emissão em fontes desse tipo decorre, justamente, de pequenos vazamentos nesses sistemas de vedação. O funcionamento e as características de alguns desses sistemas de vedação serão discutidos mais adiante, neste trabalho. Ainda podem ser incluídos, como fontes múltiplas, os pontos de amostragem da planta. Nesses pontos, a emissão só ocorre durante a operação de retirada da amostra.

O conceito de emissão não-pontual aproxima-se da definição do que chamamos de emissões fugitivas. Uma emissão fugitiva é caracterizada por liberação difusa e, portanto, não-pontual de Compostos Orgânicos Voláteis (VOC), na atmosfera. Apesar do conceito abrangente, neste trabalho serão chamadas de emissões fugitivas exclusivamente as emissões provenientes dos sistemas de vedação de equipamentos e componentes. (Wallace, 1 979)

A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), define Compostos Orgânicos Voláteis como qualquer composto orgânico capaz de reagir fotoquimicamente na atmosfera. Os VOC’s são os maiores precursores para formação do ozônio. O ozônio é um composto oxidante, por isso sua presença nas camadas mais baixas da atmosfera é considerada prejudicial ao meio. O ozônio, próximo ao solo, forma-se como resultado de uma reação fotossintética que envolve o composto orgânico, óxido de nitrogênio e oxigênio. Metano e etano são hidrocarbonetos de baixa reatividade fotoquímica, por esse motivo, muitas vezes, não são considerados como VOC. (Siegel, 1 981)

O efeito poluidor das emissões de VOC deve-se a dois fatores. O primeiro, já comentado, é o potencial dos VOC’s em formar ozônio, nas camadas inferiores da atmosfera. O segundo fator é o risco da exposição direta do homem aos compostos orgânicos, com características tóxicas, em concentrações que podem ultrapassar os limites de tolerância. Alguns exemplos de Compostos Orgânicos Voláteis são hidrocarbonetos aromáticos, fenóis, aldeídos e compostos organoclorados.

" a presença, o lançamento ou a liberação, nas águas, no ar, no solo, ou no subsolo de toda e qualquer forma de matéria

ou energia, em intensidade, em quantidade, em concentração ou com características em desacordo com as que forem estabelecidas em decorrência desta Lei que ocasionem

descaracterização nociva da topografia, ou que tornem ou possam tornar as águas, o ar, o solo ou o subsolo:

impróprios, nocivos ou ofensivos à saúde; inconvenientes ao bem-estar público; danosos à flora, à fauna e aos

materiais; prejudiciais à segurança e às atividades normais da comunidade". (CRA, 1 997)

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC



Apesar deste trabalho estar centrado no estudo de emissões de VOC, em bombas e válvulas, convém descrever de forma abrangente as fontes mais comuns de emissão de VOC, na indústria. A descrição pretende dar uma visão geral dos mecanismos que governam as emissões em tais fontes e incentivar algumas idéias para redução das mesmas. A figura a seguir mostra como estão classificadas neste trabalho as emissões de VOC, presentes na indústria.

Figura 3.1 – Classificação das fontes de VOC na indústria

Conforme citado no capítulo anterior, fontes típicas de emissões de VOC incluem equipamentos e componentes das redes de transporte de produto, tanques de estocagem e sistemas de tratamentos de efluentes. Além dessas, inclui-se, como fonte de emissões de VOC, as operações de carregamento de produtos, cujo mecanismo de emissão é bastante similar às emissões em tanques de estocagem.

3.1 Emissões fugitivas

3.2 Emissões em tanques de estocagem

3.3 Emissões em sistemas de tratamento de efluentes

3.4 Operações de carregamento de produto

3.5 Distribuição de emissões de VOC na indústria

Os produtos manuseados em processos químicos e petroquímicos, quase sempre, encontram-se no estado líquido ou gasoso. Por esta condição, existe a necessidade de que sejam utilizadas tubulações e equipamentos adequados para o transporte de produtos, dentro do processo. É comum utilizar o termo linha ao invés de tubulação. O conjunto de equipamentos e componentes de linha usados para o transporte de produtos, dentro de uma unidade, compõe a rede de transporte. São exemplos de equipamentos de transporte de produtos: bombas de diversos tipos, compressores e sopradores. Os principais componentes que integram as redes são válvulas, flanges, drenos e válvulas de alívio de pressão.

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas

3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC 3.1 Emissões fugitivas



A maioria dos equipamentos e componentes das redes de transporte possui algum tipo de sistema de vedação que impede o produto de vazar para fora do processo. Porém, em virtude das características desses sistemas, a vedação não é perfeita e permite que pequenas quantidades do produto escapem para a atmosfera. A perda de produto através da vedação de um equipamento ou componente constitui a emissão fugitiva. Essa perda ocorre com grande freqüência em torno das partes móveis do equipamento. (Colyer e Meyer, 1 991)

O fato da emissão, em um equipamento ou componente, estar localizada em um ponto fixo poderia caracterizá-la como emissão pontual. Porém, em razão da forma dispersa em que esses equipamentos e componentes são encontrados na planta, os vazamentos em vedações são classificados como emissões não pontuais. As emissões em um único equipamento são extremamente pequenas, às vezes insignificantes. Porém, por causa do grande número de equipamentos em uma unidade de processo, essas emissões são, normalmente, a maior fonte de emissões de VOC e correspondem a 50 ou 60% das emissões de VOC, em uma planta industrial (Siegell, 1997b).

Aproximadamente, metade das emissões fugitivas ocorrem em válvulas de controle e bloqueio seguidas, em ordem decrescente, por bombas, válvulas de alívio de pressão e compressores (Siegell, 1997b). As contribuições de cada tipo de equipamento podem variar, depende do tipo de processo, do projeto do equipamento e das práticas de manutenção empregadas na planta. Algumas vezes, essas emissões podem ser visualmente detectadas, porém, na maioria das vezes, só são localizadas com auxílio de instrumentos de detecção.

Entre os equipamentos classificados aqui como fontes de emissões, dois serão o foco deste trabalho, são eles: bombas e válvulas. Em função da larga utilização desses equipamentos, dentro da indústria e, portanto, a necessidade de estabelecer controles efetivos sobre suas emissões, questões importantes relacionadas às emissões nesses equipamentos receberão atenção especial mais adiante. Serão discutidos os aspectos referentes às características e funcionamento dos sistemas de vedação, monitoramento, quantificação de emissões e alternativas de controle.

Quase toda indústria química necessita de tanques para estocagem de matérias-primas, insumos e produtos. Os tanques permitem que a indústria mantenha estoque estratégico dentro do seus limites, o que garante a continuidade do processo, caso haja interrupção no suprimento de algum produto. Outra finalidade dos tanques de estocagem é acumular a produção e garantir o fornecimento contínuo de produto para os clientes. Os tanques usados para estocagem de compostos orgânicos líquidos podem ter três tipos de cobertura: teto fixo, teto flutuante externo e teto flutuante interno.

Os tanques de teto fixo são os mais simples e comuns na indústria; consistem de um corpo cilíndrico com teto fixo, dotado de suspiro. A função do suspiro é permitir a saída ou entrada do ar quando o produto é adicionado ou retirado do tanque O suspiro evita a pressurização ou formação de vácuo dentro do tanque. Os suspiros mais simples consistem de uma abertura no topo do tanque, normalmente, em forma de cabo de guarda-chuva, para impedir a entrada de umidade, no tanque. É comum, também, o uso de conservation vents, que só permitem a entrada ou saída do ar, quando atendidas determinadas condições de pressão no tanque. Quase sempre, utiliza-se o recurso de injetar nitrogênio no tanque para garantir atmosfera inerte e sem umidade. Os tanques podem ser construídos de diversos materiais, os mais comuns na indústria são tanques de aço carbono e aço inox.

A atmosfera, dentro de um tanque de teto fixo, é composta de uma mistura de nitrogênio, oxigênio - quando há possibilidade de entrada de ar - e vapores de compostos orgânicos, formados a partir da volatilização do produto contido no tanque. Emissões em tanques de teto fixo resultam da operação de adição de produto. O


3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC 3.2 Emissões em tanques de estocagem



volume de produto adicionado ao tanque é compensado pela expulsão de igual volume de gás do tanque. Esse gás tem a mesma composição da atmosfera interna do tanque, isto é, saturado de compostos orgânicos. A saída do gás, pelo suspiro do tanque, caracteriza uma emissão. Outra causa de emissão são as variações de temperatura que fazem oscilar o volume do líquido, dentro do tanque, o que ocasiona a saída de vapores.

Os tanques de teto flutuante externo consistem de um corpo cilíndrico similar aos tanques de teto fixo, porém com teto móvel que flutua no topo do líquido e acompanha as variações do nível do tanque. O chamado tanque de teto flutuante interno possui, além do teto flutuante, teto estacionário no topo. A existência de partes móveis impõe a necessidade de vedação, chamada selo, entre o teto e a parede do tanque. A exemplo do que acontece em equipamentos rotativos, o selo não é estanque e permite pequenos vazamentos. O principal mecanismo de emissão em um tanque de teto flutuante é a evaporação através de aberturas no teto e através do selo. Outro mecanismo é a evaporação do líquido que adere à parede do tanque à medida que o nível do tanque diminui.

A redução de emissões, em tanques de teto fixo, pode ser conseguida por meio da instalação de teto flutuante. A conversão para teto flutuante permite reduções de até 98% nas emissões. Em tanques de teto flutuante, as emissões ainda podem ser minimizadas pela instalação de selos duplos e controle de perdas pelas aberturas. No caso de um tanque de teto flutuante externo, a conversão para teto flutuante interno também é vantajosa. Em última estância, em qualquer tipo de tanque, pode ser instalado sistema de captação e posterior recuperação ou destruição de vapores. Sistemas de recuperação ou destruição de vapores são os mais eficientes em termos de redução de emissões, porém os mais onerosos. (Siegell, 1 995)

Em indústrias químicas, é freqüente a geração de efluentes líquidos. O efluente é originado em diversas fontes dentro do processo e pelo carreamento de águas pluviais. As águas pluviais, a princípio, não seriam efluente contaminado, porém o contato com pisos e equipamentos sujos, dentro da unidade, é o suficiente para contaminá-las. Fontes típicas de geração de efluente líquido, dentro do processo, são: resfriadores de contato direto; ejetores a vapor; bombas de anel líquido; colunas de extração; manobras de drenagem e limpeza de equipamentos.

A composição do efluente é diferente para cada tipo de processo. Além disso, a composição pode variar em função do nível de tecnologia empregada e das condições operacionais da planta. O que caracteriza a contaminação do efluente é a presença de compostos orgânicos que precisam ser eliminados antes do descarte do efluente. A concentração de matéria orgânica é baixa, geralmente na ordem de partes por milhão. A exigência de atendimento aos padrões ambientais, no entanto, impõe a utilização de sistemas de tratamento para eliminação dos compostos orgânicos. Diversos métodos de tratamento podem ser utilizados com a finalidade de especificar a corrente final do efluente, dentro dos padrões exigidos.

Sistema típico de tratamento de efluentes é composto por uma rede de coleta, bacias de neutralização, bacias de decantação e unidade de tratamento químico ou biológico. A rede coletora é formada por canaletas, fossas, poços e, em alguns casos, estações de bombeamento. Os sistemas de tratamento ocupam grandes áreas superficiais, principalmente se considerarmos a área de toda a rede coletora. Por esse motivo, são sistemas abertos e permitem o contato do efluente com a atmosfera.

As emissões em sistemas de tratamento de efluentes são causadas pela volatilização dos compostos orgânicos, contidos nos efluentes. Os fatores que afetam a volatilização são: temperatura, turbulência e composição do efluente. Apesar da baixa concentração de produtos orgânicos, a exposição do efluente em grandes áreas superficiais pode acarretar em emissões significativas, muitas vezes com geração de odor.

A minimização de emissões em sistemas de tratamento pode ser feita de diversas formas. A mais efetiva é a


3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC 3.3 Emissões em sistemas de tratamento de efluentes



redução da quantidade de compostos orgânicos que entram no sistema. Isso pode ser conseguido mediante melhorias na condição operacional da planta e boas práticas operacionais. Outra forma de reduzir o teor de orgânicos no efluente é a instalação de separadores para remover compostos orgânicos do efluente. Reduções significativas podem ser conseguidas também ao se evitar o contato do efluente com o ar. Para tanto, podem ser instaladas coberturas em canaletas e fossas ou utilizar sistema fechado de coleta. Para controle rigoroso, pode ser usado um sistema de captação e tratamento de vapores nas bacias de efluentes. (Siegell, 1 995)

O transporte de produtos líquidos dentro e, principalmente, entre indústrias químicas pode ser feito por meio de compartimentos de carga. O transporte por tubovias, apesar de ser mais prático, torna-se inviável a depender da distância e das quantidades transportadas. Quase sempre, para transportes entre pontos muito distantes ou para pequenas quantidades de produto, opta-se por transporte automotor. Os meios de transporte mais utilizados para esse fim são caminhões, trens e navios. O produto a ser transportado pode ser carregado em grandes compartimentos, como carros-tanque, vagões-tanque, tanques de navio ou compartimentos menores, tais como tambores e bombonas.

Durante o carregamento, de qualquer compartimento, independente do seu tamanho, há emissão de vapores. É claro que em compartimentos maiores o efeito dessas emissões é mais significativo. As emissões em operações de carregamento são causadas pela expulsão do volume de vapor, contido no recipiente. Essa expulsão é imposta pela adição de um volume igual de líquido. Inicialmente, os vapores podem ser formados por evaporação do produto contido no compartimento. Isso não ocorre se o compartimento estiver vazio e limpo, antes do carregamento. Em seguida, as emissões são causadas por vapores do próprio produto, gerados pela agitação durante o carregamento. Em virtude da turbulência do líquido dentro do compartimento, parte do produto se vaporiza e escapa para a atmosfera. A depender do nível de turbulência, gotas do líquido podem também ser arrastadas pelos vapores expelidos

A turbulência é a resultado natural em qualquer processo de mistura de líquidos, mas pode ser minimizada em operações de carregamento. Maneira simples de minimizar a turbulência é substituir o carregamento por despejo de produto por carregamento de fundo ou submerso. No carregamento por despejo, o líquido é introduzido no topo do compartimento e causará grande turbulência. O carregamento de fundo ou submerso é conseguido alimentando-se o produto por baixo, seja por meio de uma entrada lateral no compartimento ou por um tubo submerso. A utilização do carregamento de fundo ou submerso reduz significantemente as emissões. (Siegell, 1 995)

Outra forma de controle de emissões para operações de carregamento são sistemas de captura e posterior recuperação ou destruição de vapores. Sistemas de recuperação incluem condensação, absorção e adsorção. A destruição de vapores é conseguida por incineração. (ibid)

Neste mesmo capítulo já foi exposto que as fontes de emissões de VOC podem ser encontradas em diversas áreas dentro da planta. Não se pode, no entanto, afirmar que todas as áreas apresentam emissões com a mesma intensidade e freqüência, pois cada fonte tem determinada taxa de emissão que varia em função de inúmeros fatores, o tamanho, tipo e estado de conservação da fonte e condições de operação, por exemplo.


3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC 3.4 Operações de carregamento de produto


3. PRINCIPAIS FONTES DE EMISSÕES DE VOC 3.5 Distribuição de emissões de VOC na indústria



A taxa de emissão representa a quantidade de produto liberado para a atmosfera, por unidade de tempo.

A quantidade de emissão apresentada por cada tipo de fonte também varia de acordo com as características do processo e dos produtos. Alguns estudos (Siegell, 1 997b),entretanto, mostram que existe distribuição, mais ou menos uniforme, das emissões de VOC dentro da planta. Isso quer dizer que, genericamente, algumas fontes contribuem mais do que outras para a emissão total da planta. Esse fato pode ser verificado nas figuras abaixo, obtidas a partir dos dados de emissões de VOC, em seis refinarias diferentes.

Figura 3.2 – Distribuição de fontes de emissão de VOC, em seis refinarias (Siegell, 1 997b)

Figura 3.3 – Distribuição de fontes pontuais de VOC, em seis refinarias (Siegell, 1 997b)



Figura 3.4 – Distribuição de fontes não pontuais de VOC, em seis refinarias (Siegell, 1 997b)

De acordo com as figuras 3.2 a 3.4, é notável a maior participação das emissões fugitivas na composição das emissões totais da planta. Nesse caso, estão sendo chamadas de emissões fugitivas todas as emissões de VOC provenientes de equipamentos e componentes das redes de transferência de fluido, ou seja, bombas, compressores, válvulas, conexões etc.

Esses dados representam a distribuição de emissões em seis refinarias diferentes, o que reforça a idéia de que mesmo em plantas distintas existe forte tendência de que os equipamentos supracitados apresentem mais emissões que as demais fontes. As seis refinarias em questão adotam diferentes regulamentações para o controle de poluição. Este é o principal fato que determina a diferença entre a quantidade de emissões em cada refinaria. As refinarias D e E, por exemplo, não têm programa de monitoramento e reparo de equipamentos. A refinaria B, além da implantação de programa de monitoramento e reparo, estabeleceu limite reduzido para as emissões o que resultou em maior controle de emissões. (ibid)

O gráfico seguinte mostra a distribuição de emissões fugitivas entre os diversos equipamentos da planta. É evidente a superioridade das emissões em válvula e bombas, o que não quer dizer que as emissões, nos demais equipamentos, sejam desprezíveis. As figuras 3.6 e 3.7, extraídas de Siegel (1 997), mostram a distribuição de emissões em duas plantas de produtos diferentes, no caso, tolueno e xileno. Novamente, as emissões fugitivas sobressaem em relação às demais, porém em proporções diferentes. (Siegell, 1 997b)

Figura 3.5 – Distribuição de emissões fugitivas, em seis refinarias (Siegell, 1997b)



3.6 – Distribuição de emissões em uma planta de xileno (Siegell, 1997b)

3.7 – Distribuição de emissões em uma planta de tolueno (Siegell, 1997b)

4.1 Monitorando emissões fugitivas em plantas industriais

4.2 Métodos estimativos de taxas de emissão

O monitoramento de emissões fugitivas é uma ferramenta imprescindível em qualquer programa de redução de emissões. O monitoramento possibilita, no primeiro momento, retratar a condição inicial da planta; em seguida, por meio de medições periódicas, acompanhar o desempenho do programa de redução de emissões. Como será visto no capítulo V, são os resultados do monitoramento que definem as ações para a redução dentro do programa.

Entende-se por monitoramento de emissões fugitivas o acompanhamento periódico das emissões fugitivas de uma planta ou de um equipamento específico. A taxa de emissão é a medida precisa da quantidade de emissões fugitivas, pois representa a medida direta da quantidade de poluente liberada para a atmosfera. Na prática, entretanto, é mais viável que o monitoramento se respalde na medida da concentração de poluente, nas proximidades de cada equipamento. Essa medida de concentração é chamada Valor Representativo de Concentração (VRC) e é definido como a máxima concentração do poluente em torno da fonte de emissão fugitiva, detectada por um analisador portátil. O VRC seria, então, uma medida indireta da taxa de emissão. (Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991).

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas4. MONITORAMENTO E QUANTIFICAÇÃO DE EMISSÕES FUGITIVAS

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas4. MONITORAMENTO E QUANTIFICAÇÃO DE EMISSÕES FUGITIVAS

4.1 Monitorando emissões fugitivas em plantas industriais



Diversos métodos de monitoramento de emissões fugitivas são citados na literatura. Alguns deles são aplicáveis para o monitoramento de emissões, na operação de plantas industriais, pois permitem monitorar toda a planta e identificam as fontes de emissões fugitivas. Outros métodos são específicos para o monitoramento individual de uma fonte e são utilizados para quantificar taxas de emissão ou para realizar testes de performance em equipamentos. Para o monitoramento em plantas, destacam-se: o monitoramento na fonte; o monitoramento por área e o monitoramento em pontos fixos. (Wallace, 1 979)

O monitoramento por área consiste na medição das emissões de VOC a uma dada distância de cada equipamento. As medidas são realizadas por um operador um analisador portátil de VOC. Deve-se previamente estabelecer o roteiro a ser seguido dentro da unidade de processo. Se um pico de concentração é observado, a localização deve ser registrada para que em seguida se possa fazer pesquisa detalhada para identificação da fonte. (ibid)

Estima-se que cerca de 50% das emissões significativas, na planta, podem ser detectadas valendo-se do monitoramento por área. A vantagem desse método é que grande parte dos vazamentos pode ser detectada rapidamente. A desvantagem é a falta de confiabilidade de algumas leituras em virtude da dispersão dos vapores, pelo vento e influência de unidade próximas. Além disso, sempre será necessário outro monitoramento para identificar exatamente a fonte de emissão. (ibid)

No monitoramento, em pontos fixos, são colocados analisadores em pontos específicos da unidade para monitorar continuamente as emissões fugitivas. Nesse monitoramento, os analisadores são colocados junto aos equipamentos críticos que trabalham com VOC ou espalhados pela unidade e formam uma rede de monitoramento. Novamente, se um pico de concentração é observado, o operador deve proceder pesquisa detalhada em cada equipamento para detectar a fonte. (ibid)

A maior vantagem desse tipo de monitoramento é que ele pode ser adaptado às necessidades específicas de cada unidade, especialmente se o monitoramento por área também é usado. Outra vantagem é que o monitoramento em pontos fixos tem menor custo de mão-de-obra, comparado com outros métodos de monitoramento. As desvantagens centram-se nos fatos de exigir investimento inicial alto para adquirir e instalar os equipamentos de monitoração, e a necessidade do uso de analisadores portáteis para localizar as fontes. Estima-se que esse método seja capaz de detectar um terço de todos os vazamentos, dentro da planta. Porém, se houver, dentro da unidade, grandes fontes de emissões, estas podem mascarar os resultados do monitoramento. (ibid)

O monitoramento na fonte é aplicado com mais freqüência e sua eficiência melhor comprovada. Esse método de monitoramento detecta as emissões e mede as fontes individualmente - válvulas, flanges, selos de bombas - entre outras. Nesse monitoramento, também é usado um analisador portátil de VOC. A sonda do instrumento é direcionada para os pontos de cada equipamento onde a emissão pode ser encontrada. A sonda deve estar afastada apenas um centímetro da fonte. Para fontes em que as emissões ocorrem em áreas abertas para a atmosfera, tais como canaletas e válvulas de alívio, a sonda é colocada tanto no centro quanto ao redor da área de emissão. (ibid)

4.1.1 Monitoramento por área

4.1.2 Monitoramento em pontos fixos

4.1.3 Monitoramento na fonte



Para detecção de emissões fugitivas, em selos de bombas, a sonda do analisador portátil é colocada próxima à interface, entre o selo e o eixo da bomba. A sonda é movimentada por toda circunferência do eixo de modo que todos os pontos da interface sejam amostrados. A sonda deve ser mantida o mais próximo possível da interface do selo com o eixo. (ibid)

Para o monitoramento em válvulas, a sonda do analisador é colocada na interface entre a haste da válvula e a gaxeta. O monitoramento deve ser feito circundando a sonda por todos os pontos em torno da haste. Se existirem outros pontos na válvula, onde seja possível ocorrer emissões, estes devem ser monitorados da mesma maneira. (ibid)

O monitoramento na fonte, comparado com os métodos anteriores, exige maior aplicação de mão-de-obra uma vez que as medições devem ser feitas em todo equipamento da planta com potencial para ser uma fonte de emissão fugitiva. As fontes de emissão, no entanto, são identificadas imediatamente no primeiro monitoramento e torna mais ágil a manutenção do equipamento. (ibid)

Alguns métodos de monitoramento não são aplicáveis no monitoramento de plantas industriais, em condições normais de operação; pois é necessário isolar cada equipamento antes do monitoramento. Esses métodos são muito utilizados em testes de estanqueidade de equipamentos ou na determinação de taxas de emissão. Os métodos empregados em testes de estanqueidade são simples e têm como objetivo determinar apenas se o equipamento é suficientemente estanque ou não para atender as condições de operação. Os exemplos mais comuns de testes de estanqueidade são os testes de pressão positiva e os testes de retenção. Já a determinação de taxas de emissão envolve métodos mais complexos porque o objetivo é obter medida precisa da quantidade de poluente emitida.

No teste de pressão positiva, o equipamento, isolado e completamente vedado, é pressurizado com ar ou nitrogênio. A fonte de gás é fechada e a queda de pressão estática ao longo do tempo é registrada. Esse método é útil porque pode ser utilizado para detecção de vazamentos em seções inteiras de linhas e inclui flanges e válvulas. O método de retenção é similar ao teste de estanqueidade, porém a perda de pressão, em virtude do vazamento, é compensada pela injeção de gás. A indicação da estanqueidade do equipamento passa a ser a vazão de gás necessária para manter a pressão estática constante. (ibid)

Os métodos mais difundidos para determinação de taxas de emissão são os chamados métodos de enclausuramento. Esses métodos consistem em enclausurar o componente e capturar as emissões e medi-las volumetricamente. As emissões são capturadas e resfriadas de forma que a água e os hidrocarbonetos pesados condensem e possam prevenir a sujeira. Um rotâmetro mede a vazão de gás e um manômetro mede a pressão para permitir a conversão da concentração volumétrica para os valores padrões. A concentração da amostra é determinada analiticamente e, conhecendo-se a vazão de gás no sistema, calcula-se a vazão mássica de emissão fugitiva. As fontes de emissão, nas quais os métodos de enclausuramento podem ser utilizados, incluem válvulas de processo, flanges, selos de bombas e compressores, válvulas de alívio e drenos. (ibid)

O monitoramento de válvulas não deve ser confundido com os testes de desempenho. O monitoramento é feito na planta após a válvula entrar em operação. Os testes de desempenho são realizados pelo próprio fornecedor com o intuito de garantir a confiabilidade de seus produtos. As plantas, cada vez mais, têm

4.1.4 Outros métodos de monitoramento

4.1.5 Testes de desempenho em válvulas



exigido produtos que necessitem de pouca ou nenhuma manutenção e que, além disso, sejam capazes de lidar com ciclos térmicos e também tenham extensa vida útil (Miles, 1 995). Portanto, o desafio dos fornecedores é aprimorar os testes de desempenho de tal forma que estes sejam capazes de reproduzir as condições a que o equipamento estará submetido durante a operação.

Tradicionalmente, as válvulas são testadas apenas hidrostática ou pneumaticamente. Essa técnica tem sido contestada recentemente. Testes adicionais devem ser feitos para qualificar a válvula dentro de toda a faixa de pressão e temperatura de operação. O objetivo, obviamente, é identificar qual a taxa de emissão e qual a vida útil da válvula, em diferentes condições de operação. Muitos fornecedores já estabeleceram padrões de teste para qualificar seus produtos dentro da nova visão. (ibid)

Um dos grandes problemas que as plantas enfrentam na hora de confrontar os dados oferecidos pelo fabricante com as suas necessidades é o fato de que esses dados raramente são obtidos em testes realizados sob condições realísticas. O fornecedor da válvula, normalmente, respalda-se em testes simples para garantir que seu produto atende aos critérios de emissões fugitivas. Essa garantia é suportada por análises estatísticas de testes feitos com válvulas novas que usam o ar ou nitrogênio como fluido. Raramente encontra-se algum dado sobre temperatura e pressão do teste, efeitos de ciclos térmicos e taxas de emissão, durante o ciclo de atuação da válvula ou ao longo de sua vida útil. Alguns fornecedores ainda se calcam em testes visuais. (Gardner, 1 991; Gardner e Spock, 1 992)

Parâmetro de teste muito importante é o ciclo térmico. A magnitude e a velocidade da variação de temperatura afetam diretamente a habilidade da válvula para controlar emissões fugitivas. Uma válvula apta para operar com emissão fugitiva, controlada a temperatura ambiente, pode, por exemplo, vazar se a temperatura de operação cair rapidamente. A perspectiva é de que futuramente só sejam aceitas válvulas cujos testes incorporem ciclos térmicos já que esse é o tipo de teste mais rigoroso. (Spock, 1 993; Miles, 1 995)

Outro parâmetro muito importante, que deve ser levado em consideração nos testes de desempenho, é o número de ciclos de atuação da válvula, ao longo de sua vida útil. Esse teste pode ser feito de várias maneiras, mas para obter dados mais precisos é comum utilizar técnicas de enclausuramento. A Tabela 4.1 apresenta resumo do padrão da Fluid Control Institute para teste de desempenho em válvulas. (Miles, 1 995)

É fundamental em testes desse tipo investigar quais as variáveis que afetam o desempenho da válvula e quais as taxas de emissão que podem ser esperadas ao longo da sua vida útil se forem utilizadas gaxetas de diferentes materiais. Os dados obtidos com esses testes são muito úteis na hora de decidir que equipamento deve ser usado. A Figura 4.1 mostra as emissões observadas em um teste realizado com seis válvulas diferentes, em condição estática e durante os ciclos de atuação. (ibid)

Tabela 4.1 - Padrão de teste do Fluid Control Institute para desempenho de válvulas. (ibid)

Número de ciclos de atuação

Número de ciclos

térmicos

Máxima emissão permitida

Ajuste Permitido

100 000 3 500 ppm Não

25 000 3 500 ppm Não

100 000 0 500 ppm Não

25 000 0 500 ppm Não

5 000 1 500 ppm Sim

Condições de teste: 43oC a 0.68 atm Fluido de teste: Ar, Metano ou Nitrogênio



Figura 4.1 - Emissões em diferentes válvulas em condição estática e dinâmica. (ibid)

A quantificação de taxas de emissão em equipamentos e componentes, como válvulas, bombas, flanges e compressores é mais difícil de ser realizada do que em chaminés ou outras fontes pontuais. A taxa de emissão, em fontes pontuais, pode ser obtida a partir de medição direta da vazão de gás. No caso de emissões fugitivas, no entanto, essa medição não é tão simples. Os métodos tipo enclausuramento são úteis na determinação da taxa de emissão de alguns equipamentos; mas tornam-se inviáveis para serem aplicados em todos os equipamentos da planta, em virtude da complexidade desses métodos e dos custos envolvidos.

Em razão dessa dificuldade, alguns métodos para estimativa de taxas de emissões fugitivas foram desenvolvidos ao longo dos anos e visam tornar a quantificação dessas emissões menos complexa e menos onerosas. Os métodos disponíveis para estimativa de emissões fugitivas variam desde a aplicação de fatores de emissão até o uso de correlações matemáticas, calcadas em dados de medições em campo.

As taxas de emissão para a mesma fonte, mas em processos diferentes, podem variar significativamente. Esse fato pôde ser constatado num estudo realizado por Monsanto Research Corp.’s Dayton Laboratory, em quatro plantas petroquímicas que produziam monoclorobenzeno, butadieno, óxido de etileno e dimetiltereftalato. Na planta de monoclorobenzeno, a taxa de emissão em bombas era cinco vezes maior que em válvulas, e os vazamentos em flanges eram 29 vezes maiores que em bombas. Já na planta de butadieno, as válvulas concentravam taxa de emissão dez vezes maior que as bombas, e os flanges não apresentavam emissões fugitivas. (Wallace, 1 979)

Alguns métodos utilizam fatores de emissão para estimar as emissões fugitivas totais da planta. Esses fatores respaldam-se em taxas médias de emissão, padronizadas para cada tipo de equipamento, em diferentes condições. Na aplicação desses métodos, a primeira etapa para estimar as emissões de VOC é proceder a contagem do número de equipamentos existentes na planta e separá-los por tipo e aplicação. Se

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas4. MONITORAMENTO E QUANTIFICAÇÃO DE EMISSÕES FUGITIVAS 4.2 Métodos estimativos de taxas de emissão

4.2.1 Fatores de emissão



os diagramas de tubulação e instrumentação não estiverem disponíveis, a USEPA sugere que sejam feitas aproximações para simplificar a contagem.

Determinado o número de equipamentos dentro da planta, as emissões de VOC podem ser estimadas e utilizados os fatores de emissão apropriados, como os listados nas tabelas a seguir. Tais fatores estão calcados em medições de campo e refletem a taxa média de emissão para cada tipo de fonte. A multiplicação do fator pelo número de fontes de determinado tipo (ex. válvulas, bombas, compressores) resulta na taxa de emissão para esse tipo de fonte dentro da unidade. (Siegel, 1 981; Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

Fatores de emissão médios da SOCMI (Indústria de Fabricação de Compostos Sintéticos Orgânicos)

Os fatores da SOCMI foram desenvolvidos a partir de estudos realizados em refinarias de petróleo, diferentes plantas de processos petroquímicos e áreas de manutenção. O uso dos fatores da SOCMI considera que a freqüência de emissão de uma planta em particular é similar à freqüência de emissão média da indústria. Outra consideração é que todos os equipamentos possuem taxa de emissão próxima à taxa de um equipamento similar, numa refinaria de petróleo. (Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

O uso dos fatores de emissão da SOCMI normalmente implica em taxas de emissão superestimadas porque os autores foram bastante conservadores no desenvolvimento dos fatores a partir dos dados de campo. A aplicação dos fatores SOCMI, em plantas químicas e petroquímicas, pode resultar em estimativas de até duas ordens de grandeza maiores que os valores reais.

Tabela 4.3 - Fatores de emissão médios da SOCMI (Suprenant, 1 990 e Schaich,1 991)

Fatores de emissão por estanqueidade

Fatores de emissão (kg/h/fonte)

Equipamento Serviço Surprenant(1 990)

Schaich(1 991)

Válvulas Gás 0.0123 0.0056

Líquido leve 0.0156 0.0071

Líquido pesado 0.00051 0.00023

Bombas Líquido leve 0.1087 0.0494

Líquido pesado 0.0471 0.0214

Compressores Todos 0.228

Válvulas de alívio Todos 0.104

Flanges Todos 0.0018 0.00083

Linhas desconectadas Todos 0.0017

Pontos de amostra Todos 0.0150



A aplicação desses fatores respalda-se na medição de valores representativos de concentração (VRC), de modo a diferenciar os equipamentos estanques e não-estanques. Nesse caso, o termo estanque não significa necessariamente que o equipamento não apresente emissão, mas que o valor de concentração medido está dentro de uma faixa tolerável de aceitação. Equipamentos considerados estanques são aqueles que o VRC medido é menor que 10 000ppm. Por outro lado, os equipamentos que apresentam VRC maiores que 10 000ppm são ditos não-estanques. (Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

De forma similar aos fatores da SOCMI, a estimativa de emissão é feita multiplicando o número de equipamentos pelo fator correspondente. Existem dois fatores de emissão, um para fontes estanques e outro para fontes não-estanques. A Tabela 4.4 apresenta fatores de emissão por estanqueidade para diversas fontes. Os autores citados nesta tabela não fizeram nenhuma inferência sobre os dados dos quais foram obtidos tais fatores, portanto não é possível estabelecer uma causa para as diferenças entre os valores apresentados. (ibid, ibid)

Fatores de emissão estratificados

Os fatores de emissão estratificados necessitam de medidas mais precisas que os fatores de estanqueidade, pois os fatores estratificados são divididos em três faixas: 0-1 000ppm; 1 000-10 000ppm; e maiores que 10 000ppm. A aplicação desses fatores é idêntica aos fatores de estanqueidade, porém, após a medição dos VRC, os equipamentos são classificados dentro das três categorias citadas. (ibid, ibid)

Algumas considerações devem ser feitas ao serem usados os fatores estratificados ou fatores de estanqueidade. Primeiro, deve-se assumir que menos da metade das fontes apresenta valor de concentração zero. Dados atuais, entretanto, revelam que porcentagem muito maior de fontes apresenta valor de concentração zero. Segundo, as plantas devem desenvolver fatores de resposta para seus instrumentos. Fator de resposta é a razão entre o valor real de concentração de um composto e a sua concentração, medida na fonte. (Schaich, 1 991)

Tabela 4.4 - Fatores de emissão calcaados na estanqueidade da fonte (Siegel, 1 981; Suprenant, 1 990; Scaich, 1 991)


Equipamento Serviço Siegel (1 981) Surprenant (1 990) Schaich (1 991)

Nãoestanque

Estanque Nãoestanque

Estanque Nãoestanque

Estanque

Válvulas Gás 0.059 0.005 0.0992 0.0011 0.0451 0.00048

Líquido leve

0.024 0.006 0.1874 0.0038 0.0852 0.00171

Líquido pesado

0.0005 0.0005 0.00051 0.00051 0.00023 0.00023

Bombas Líquido leve

0.25 0 0.9614 0.0264 0.437 0.0120

Líquido pesado

0.046 0.046 0.8547 0.0297 0.3385 0.0135

Compressores Todos 1.4 0 1 608 0.0891

Válvulas de alívio

Todos 0.19 0 1 691 0.0447



Tabela 4.5 - Fatores de emissão estratificados (Suprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

O emprego de correlações matemáticas, para o cálculo de taxas de emissões fugitivas, representa um nível de refinamento mais elevado que os métodos calcados em fatores de emissão, descritos anteriormente. Essas correlações relacionam o valor de concentração medido em cada equipamento à sua taxa de emissão, por meio de funções matemáticas contínuas, em toda escala de concentração. Essas funções são formuladas a partir de medições em campo, das taxas de emissão versus valores de concentração para cada tipo de fonte. ( Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

A USEPA dispõe de um conjunto de equações geradas a partir de dados coletados em plantas industriais. Essas correlações representam as regressões dos dados de taxa de emissão versus concentração de diversos equipamentos, em diferentes processos. As medidas de taxas de emissão são feitas utilizando-se métodos tipo enclausuramento, enquanto os valores de concentração são obtidos por medição direta com analisador portátil. Essas correlações resultam numa estimativa de grande precisão, porém os dados que suportam as equações têm poucos pontos abaixo de 100ppm. A margem de erro, pois, no início da faixa de concentração, é bem maior.

Flanges Todos 0.00056 0.00056 0.0826 0.00013 0.0375 0.00006

Linhas desconectadas

Todos 0.005 0 0.01195 0.00150


Equipamento Serviço Surprenant (1 990) Schaich (1 991)

0-1 000 ppm

1 000-

10 000 ppm

> 10 000 ppm

0-1 000 ppm

1 000-

10 000 ppm

> 10 000 ppm

Válvulas Gás 0.00031 0.0036 0.0992 0.00014 0.00165 0.0451

Líquido leve

0.0028 0.0212 0.1874 0.00028 0.00963 0.0852

Líquido pesado

0.00051 0.00051 0.00051 0.00023 0.00023 0.00023

Bombas Líquido leve

0.0044 0.0737 0.9644 0.00198 0.0335 0.437

Líquido pesado

0.0084 0.2637 0.8547 0.00380 0.0926 0.3885

Compressores Todos 0.01132 0.264 1.608

Válvulas de alívio

Todos 0.0114 0.279 1.691

Flanges Todos 0.00004 0.0193 0.0825 0.00002 0.00875 0.0375

Linhas desconectadas

Todos 0.00013 0.00876 0.01195

4.2.2 Correlações entre VRC e taxa de emissão



Dados recentes mostram que muitos equipamentos apresentam valores de concentração abaixo do limite de detecção do instrumento. Logo, é importante fazer medições em campo, das taxas de emissão, em alguns equipamentos com valores de concentração não detectáveis. Essa condução facilita certificar-se de que as emissões, nesses equipamentos, são realmente pequenas. Por outro lado, equipamentos com valores de concentração acima do limite de leitura do instrumento também devem ter suas taxas de emissão medidas ao invés de estimadas. ( Schaich, 1 991)

Tabela 4.6 - Correlações matemáticas entre valores de concentração e taxas de emissão (Schaich, 1 991)

O uso dessas correlações, publicadas pela USEPA, pressupõe duas considerações. Primeiro, as equações somente relacionam os valores de concentração e taxas de emissão, dentro da faixa de concentração dos dados que geraram as equações, logo extrapolações não são bem aceitas. Segundo, deve-se assumir valor zero-padrão de 8ppm para equipamentos com concentração medida entre 0 e 8ppm. Os valores de taxas de emissão associados ao valor zero-padrão de concentração refletem as emissões das fontes com valores de concentração entre 0 e 8ppm. (ibid)

As correlações apresentadas pela USEPA foram formuladas a partir de dados de diversos processos diferentes, portanto essas equações matemáticas representam o comportamento "médio" de cada fonte. Isso implica que, ao aplicar estas correlações na estimativa de emissões de um processo específico, os resultados deverão ser encarados dentro de uma margem de erro. Normalmente, o desenvolvimento de correlações específicas para cada processo leva a estimativas mais precisas do que aquelas feitas com as correlações da USEPA.

O desenvolvimento de correlações específicas requer trabalho adicional que inclui a medição direta de taxas de emissão, associada à medição de valores de concentração na fonte. É adequado que sejam medidas as taxas de emissão, em pelo menos trinta fontes, para desenvolver novas equações. Com os dados de taxas de emissão e concentração, é possível formular novas correlações, específicas para cada processo. ( Surprenant, 1 990; Schaich, 1 991)

O controle de emissões fugitivas na indústria torna-se cada vez mais relevante perante as exigências ambientais. Além disso, o controle de emissões vai ao encontro das necessidades de aumento da produtividade da indústria, visto que toda emissão caracteriza perda de produto do processo para o meio ambiente. O controle de emissões fugitivas é conseguido por meio da implantação de um programa de redução de emissões fugitivas na planta. Um programa de redução de emissões fugitivas compreende um

Equipamento Serviço Taxa de emissão (kg/h)

Válvulas Gás 1.71(10-5.35)(Concentração em ppm)0.693

Líquido leve 3.73(10-4.342)(Concentração em ppm)0.47

Bombas Todos 1.33(10-5.34)(Concentração em ppm)0.898

Flanges Todos 0.92(10-4.733)(Concentração em ppm)0.818

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS



conjunto de ações corretivas e preventivas, tomadas sistematicamente, com o intuito de minimizar a taxa global de emissão da planta.

Numa planta industrial, a redução de emissões pode ser conseguida de três maneiras diferentes: intensificar o monitoramento e manutenção de equipamentos; instalar novos equipamentos e acessórios que garantam menor taxa de emissão ou capturar as emissões e enviá-las para sistemas de tratamento, tais como incineradores e colunas de adsorção com carvão ativado.

A eficiência do monitoramento e manutenção em válvulas e bombas depende do tipo, quantidade e tamanho dos equipamentos, condições de operação e das características dos fluidos de processo. Estudos indicam que as emissões fugitivas, nesses equipamentos, podem ser reduzidas em pelo menos 50% a 75% por meio de um programa de monitoramento e manutenção de equipamentos. (Suprenant, 1 990)

A instalação de novos equipamentos, projetados para o controle de emissões fugitivas, talvez seja a maneira mais eficiente de conter tais emissões. A aplicação de tecnologia mais avançada em selos de bombas, assim como em sistemas de vedação de válvulas, é altamente eficiente e, muitas vezes, tem custo relativamente baixo. A Tabela 5.1, abaixo, traz uma idéia da melhoria que se obtém a partir da instalação de sistemas de vedação mais avançados em bombas centrífugas. Essa tabela faz comparação entre os índices relativos de emissão de alguns tipos de vedação. Esses índices indicam a proporção entre as taxas de emissão de cada sistema de vedação. A Tabela 5.2 faz comparação similar entre alguns tipos de válvulas. (ibid)

Tabela 5.1 - Índices de emissão em bombas centrífugas (Lipton e Sydney, 1989)

Tabela 5.2 - Índices de emissão em válvulas (Lipton e Sydney, 1 989)

Os sistemas de captura de emissões fugitivas têm sido aplicados com sucesso no controle de emissão, em: válvulas de alívio. Em sistemas de tratamento de efluentes e grandes equipamentos, como compressores, somente quando instalados em espaços confinados. A captura e destruição de vapores podem ter eficiência de redução de emissões próxima a 100%, porém para válvulas e bombas esse tipo de controle não é

Tipo de vedação Índice de emissão

Gaxeta sem selante 100

Gaxeta com selante 10

Selo simples 1.2

Selo Tandem 0.15

Selo duplo 0.004

Tipo de válvula

Estudo API Bussenius (1 981)

Kremer(1 982)

Bussenius (1 986)

British Occupational

Health Society

Gaveta 1 1 1 1 1

Esfera 0.027-0.040 0.33 0.05 0.009 0.003

Plug 0.88-1.19 0.3

Globo 1.51-2.10 1

Borboleta 1.52-1.61 0.3



utilizado porque esses equipamentos encontram-se espalhados por toda a planta, e os custos envolvidos na instalação de um sistema de captação desse porte não compensaria o ganho em termos de redução de emissões. (ibid)

5.1 Programa de redução de emissões

5.2 Reduzindo emissões em bombas

5.3 Reduzindo emissões em válvulas

5.4 Composição de custos

5.5 Conclusão

Conceitualmente, um programa de redução de emissões fugitivas em, válvulas e bombas, pode ser dividido em duas partes: monitoramento e manutenção de equipamentos e projetos de melhoria. A estrutura detalhada do programa depende do nível de emissão considerado aceitável pela planta. Portanto, é imprescindível definir quais as bases que serão utilizadas, isto é: (1) emissão máxima permitida - concentração de poluente em ppm, detectada na fonte; (2) performance mínima desejada para a planta - porcentagem de equipamentos com emissão superior ao nível de emissão máximo; (3) prazos de execução para a manutenção de equipamentos; (4) abrangência do programa, ou seja, quais equipamentos da planta deverão ser incluídos; (5) freqüência de monitoramento que será utilizada.

Se existir algum conhecimento sobre a situação atual dos equipamentos da planta em relação a emissões fugitivas, essa informação pode ser usada para definir as bases do programa. A Figura 5.1 mostra um exemplo de programa de redução de emissões fugitivas no qual foram utilizados os padrões de nível máximo de emissão e performance mínima de emissão da norma da USEPA (Colyer e Meyer, 1 991), para emissões fugitivas em válvulas. O Anexo B apresenta resumo da norma que regulamenta as emissões fugitivas, em válvulas e bombas, nos Estados Unidos.

O programa de redução de emissões inicia com o processo de monitoramento e manutenção de equipamentos. Sempre que for identificado um equipamento com emissão superior ao nível máximo, a manutenção do equipamento se faz necessária. Após cada jornada de monitoramento, deve ser levantado o percentual de equipamentos que apresentou emissões acima do limite, se esse percentual for maior que a performance mínima desejada para a planta, a freqüência de monitoramento deve ser aumentada.

A eficiência do processo de monitoramento e manutenção depende do cumprimento dos prazos estipulados para execução dos reparos. A execução do reparo garante à planta que aquele equipamento estará em conformidade com os padrões de emissão no próximo monitoramento. Dessa forma, consegue-se melhorar continuamente a performance de emissões da planta. Porém, a performance da planta estará sempre limitada aos níveis de emissão para o quais os equipamentos foram projetados. Isso quer dizer que se um determinado equipamento foi projetado para apresentar emissões na faixa de 500ppm e o nível de aceitação da planta for 100ppm, o monitoramento e reparo desse equipamento não será suficiente para garantir a performance desejada. Nesse caso, se faz necessário um projeto de melhoria, ou seja, modificação de projeto capaz de reduzir seu nível de emissão.

O estudo de melhoria começa com a análise das causas básicas do problema. Para tanto, deve-se coletar o maior número possível de informações. Na análise das causas, é necessário que sejam envolvidas pessoas de diferentes disciplinas que possam contribuir para a solução do problema. O objetivo é desvendar a


5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS 5.1 Programa de redução de emissões



verdadeira causa da emissão para que seja definida melhoria a ser feita. Essa melhoria pode envolver tanto alterações nas condições e procedimentos de operação da planta quanto modificações em equipamentos ou sistemas de vedação.

Figura 5.1 - Programa de redução de emissões fugitivas . (Colyer e Meyer, 1 991)

Muitas vezes, por questão de segurança, a planta opta por solução mais eficiente e certamente de custo mais elevado. Quando se trata de modificações em apenas um ou dois equipamentos, talvez essa seja a decisão correta; porém, quando se pretende modificar grande número de equipamentos, decisão como essa pode inviabilizar o programa de redução de emissões. A saída para esse impasse é buscar a solução otimizada de forma que a planta possa atender sua performance de emissão com o menor custo.

Programação matemática é a ferramenta que pode ser utilizada para otimizar um programa de redução de emissões de forma a garantir sua continuidade. Otimizar a solução para o problema de emissões fugitivas significa selecionar, para cada equipamento que precisa ser modificado, aquela alternativa que garanta para a planta o desempenho de emissão dentro dos padrões de menor custo possível. Do ponto de vista técnico, o custo total seria a função-objetivo a ser minimizada, e o nível de performance mínimo seria uma das

5.1.1 Otimização de custos



restrições do problema.

Se a planta tiver capital previamente alocado para as modificações, a otimização pode ser usada com abordagem pouco diferente, que seria: utilizando todo o capital alocado, atingir a melhor performance de emissão. Em qualquer uma das duas abordagens, a otimização poderá trazer resultados altamente positivos para a planta; são eles: o cumprimento dos padrões de emissão com o mínimo de investimento ou alcançar o melhor padrão de emissão e utilizar os recursos existentes.

Para exemplificar o uso da otimização no programa de redução de emissões fugitivas, imagine uma situação em que, numa planta, existam dez equipamentos que precisem ser modificados para atender os padrões de emissão da planta que são: quatro bombas centrífugas com selo simples e seis válvulas de controle engaxetadas. Para cada bomba, é possível implantar três modificações diferentes: um selo simples redimensionado; um selo duplo com fluido selagem externo e a substituição do equipamento por uma bomba hermética. Para cada válvula teríamos duas possibilidades: a substituição do material da gaxeta e a instalação de foles.

No total, seriam mais de 5 000Nota 1 alternativas de melhorias para a planta, e alternativa terá custo e desempenho de emissão diferente. O número de alternativas é obtido pelo somatório de todas as combinações entre os equipamentos da planta e as possíveis modificações para cada um deles. Para exemplificar, suponha quatro bombas com três modificações cada uma e seis válvulas com duas modificações cada.

A otimização, nesse caso, teria o objetivo de encontrar, entre todas as alternativas, o conjunto de modificações que, com o menor custo, fosse capaz de colocar a planta numa situação cuja performance mínima de emissão fosse alcançada. Esta tarefa pode parecer difícil de ser executada, mas com a utilização de algoritmos automatizados, a execução torna-se factível. Basta que seja criado um banco de dados com as alternativas disponíveis para a modificação dos equipamentos e definidas as funções-objetivo e a restrição a serem atendidas. As três últimas seções deste capítulo reúnem algumas informações relevantes para modificações em sistemas de vedação de válvulas e bombas e composição dos custos associados a essas modificações.

O uso dos recursos da otimização para minimizar investimentos é uma ferramenta muito difundida; porém existem poucos trabalhos publicados que fazem referência a esse uso em programas de redução de emissões ou, até mesmo, em qualquer programa ambiental, na indústria. Sem dúvida, o programa de redução de emissões é a oportunidade para aplicar todos os conceitos de otimização e, assim, aprimorar os resultados do programa.

Os selos mecânicos são, hoje, a alternativa mais utilizada para o controle de emissões fugitivas em bombas. Dependendo do tipo de projeto e da natureza da aplicação, tais sistemas podem apresentar baixas taxas de emissão ou até nenhuma emissão. Mesmo um selo simples, o modelo mais econômico disponível no mercado, pode controlar as emissões em níveis inferiores a 1 000ppm. (Adams, 1 991)

Pesquisa em 107 bombas de três refinarias, nos Estados Unidos, conduzida em 1 990, revelou alguns dados interessantes sobre a utilização de selos mecânicos. Apesar de 99% dos selos testados serem simples, 91% das emissões estavam abaixo de 10 000ppm. Além disso, 83% dos selos testados apresentaram emissões

Nota 1 : Total = (alternativas) (bombas) x (alternativas) (válvulas) = 34 x 26 = 81 x 64 = 5184


5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS 5.2 Reduzindo emissões em bombas



inferiores a 1 000ppm. Do ponto de vista prático, o achado mais importante dessa pesquisa foi o fato de que apenas 9% dos selos contribuíam para 91% do total de emissões. (ibid)

A análise estatística dos dados dessa pesquisa e investigação mais profunda das causas de emissão nos selos levaram a três conclusões de relevância imediata para as plantas. Primeiro, taxas de emissão excessivas são sintomas direto da aplicação errada de determinado tipo de selo e/ou operação imprópria do mesmo ou, ainda, do equipamento associado a ele. Segundo, poucos selos apresentam emissões anormais, e eles podem ser facilmente identificados e reparados. Por último, existe forte relação entre o nível de emissão do selo e o tempo médio entre falhas (MTBF) dos equipamentos associados a ele. A Figura 5.1 apresenta algumas recomendações para a seleção de selos mecânicos a partir da densidade do produto e do nível de emissão desejado. (ibid)

Figura 5.1 - Seleção de selos mecânicos (ibid)

As emissões fugitivas em bombas podem ainda ser minimizadas, ou seja, substituir bombas convencionais por bombas herméticas ou de acoplamento magnético. Essa última alternativa é extremamente eficiente, pois bombas herméticas em condições normais apresentam emissão zero. Porém, modificação desse porte, implica em maiores custos do que a simples adequação de um selo mecânico. Além disso, bombas herméticas possuem limitações de vazão e temperatura. (Suprenant, 1 990)

Além da imposição de normas ambientais para a redução de emissões atmosféricas, emissões fugitivas podem significar perdas econômicas para as plantas. A perda de produto por um selo com emissão superior a 10 000ppm é algo em torno de 437g/h ou 3 800kg/ano. Admitindo-se, por exemplo, custo médio de US$0,32/kg para produtos químicos industrializados, essa perda é superior a US$ 1 200/ano por selo. (Adams, 1 991)

Trazendo a performance do selo para níveis entre 1 000 – 10 000ppm, consegue-se economia de 3 535kg/ano, ou seja, US$ 1 131/ano por selo. Porém, análise do efeito de reduzir as emissões de 1 000 – 10 000ppm para zero mostra economia de apenas US$ 90/ano. Essas considerações devem ser avaliadas na hora de decidir como investir num programa de redução de emissões fugitivas. (ibid)

5.2.1 Justificando o investimento



Virtualmente, todas as válvulas são capazes de atender os padrões de emissão desejados, desde que elas sejam propriamente instaladas e mantidas. Porém, selecionar a melhor válvula para cada serviço, considerando o controle de emissões, não é tarefa fácil, além disso depende de um número de fatores, como: freqüência de atuação e amplitude e freqüência de ciclos térmicos. (Gallupe, 1 993)

A redução de emissões fugitivas, em válvulas pode ser conseguida a partir da adoção das seguintes medidas: mudar o tipo de válvula; melhor o sistema de vedação e utilizar válvulas especiais. O tipo de válvula desempenha papel importante no controle de emissões. Válvulas com haste de movimento linear são mais susceptíveis a apresentar emissões fugitivas do que válvulas com haste de movimento angular, pois o movimento linear causa atrito entre a haste e a gaxeta e danifica o material da gaxeta. (ibid)

A alternativa mais simples para reduzir emissões é aprimorar o sistema de vedação da válvula. Esse aprimoramento implica utilizar a caixa de gaxeta existente e modificar apenas a gaxeta. Essa solução pode ser ainda mais eficaz se for estudada a possibilidade de utilizar composição de diferentes materiais. O Anexo B apresenta um guia prático para melhorar a performance de sistemas de vedação em válvulas. (Gallupe, 1 993)

Dentre as alternativas existentes, a utilização de válvulas, especialmente projetadas para o controle de emissões, é a mais onerosa para a planta. Geralmente, essas válvulas são instaladas em aplicações com freqüência de ciclos de atuação elevada, e elas estarão sujeitas a grandes ciclos térmicos e variações bruscas de pressão. Consequentemente, válvulas especiais são mais robustas que as válvulas convencionais, a haste é mais forte, o corpo é maior e mais espesso, e o sistema de vedação é mais complexo. O custo dessas válvulas varia de acordo com os recursos técnicos empregados na sua fabricação. (ibid)

Um tipo de válvula especial, freqüente na indústria, são as válvulas com fole. Essas válvulas apresentam performance de emissão zero, desde que o fole permaneça intacto. A substituição por uma válvula com fole é a única solução para válvulas globo e gaveta, em aplicações onde nenhuma emissão é tolerada. Materiais e processos especiais utilizados na fabricação do fole e testes rigorosos, após a confecção da válvula, fazem dela a solução mais efetiva; porém de custo mais elevado, no controle de emissões fugitivas - ver Figura 5.2 . (ibid)

A seleção de uma válvula depende especificamente da aplicação a qual ela se destina. Porém, duas recomendações gerais podem ser aplicadas à seleção de qualquer válvula. A primeira é não acreditar que uma válvula possa ser substituída por qualquer outra. A simples substituição de uma válvula com emissão acentuada por outra similar só irá postergar o problema. (ibid)

Figura 5.2 - Custo relativo de vedação em válvulas (ibid)


5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS 5.3 Reduzindo emissões em válvulas



A segunda recomendação é evitar a superespecificação. Na intenção de reduzir as emissões tão rápido quanto possível, algumas plantas são tentadas a substituir muitas válvulas por válvulas especiais. Esse tipo de válvula tem sua aplicação; porém, na maioria dos casos, uma válvula convencional mais barata pode ser usada sem detrimento do controle de emissões. (ibid)

Tradicionalmente, as plantas tendem a ser guiadas por uma visão de curto prazo, durante o processo de seleção de novo equipamento. É aceitável que as atenções estejam voltadas para o custo inicial, porém é preciso levar em consideração as necessidades de monitoramento e manutenção, ao longo da vida útil do equipamento. Em outras palavras, os custos, durante a operação, são tão importantes quanto o custo inicial. (Spock, 1 993)

Logo, quanto realmente custa um equipamento para ser colocado em uso? Além do custo de aquisição ou custo inicial, um equipamento tem outros custos associados a ele - monitoramento, manutenção e reposição. O custo inicial é apenas uma porção do custo total de um equipamento. (Hassebrock, 1 995)

Os custos de monitoramento do equipamento variam de acordo com diferentes fatores. A freqüência e o método de monitoramento são fatores extremamente importantes. Se, por exemplo, for utilizado um método de monitoramento com analisador portátil, pode-se considerar um custo de monitoramento em torno de US$6,00 por equipamento e por inspeção. Porém, se for utilizado um método mais elaborado, como enclausuramento, o tempo de execução e os custos serão maiores. (Hassebrock, 1 995)

Na avaliação dos custos de manutenção e reposição, é importante considerar o tempo de serviço do equipamento. A definição de tempo de serviço muda significativamente com a adoção de programas de redução de emissões fugitivas. Antes, um equipamento só seria considerado impróprio para a operação quando não fosse mais capaz de atender as necessidades do processo. Dentro da visão de um programa de redução de emissões, o tempo de serviço é considerado a partir do momento da instalação do equipamento até a identificação de emissões fugitivas acima dos limites aceitáveis, uma vez que o programa prevê o reparo imediato para estes equipamentos.

Além dos custos da manutenção propriamente dita - mão-de-obra e materiais -, os custos para remoção e reinstalação do equipamento também devem ser considerados. Em alguns casos, em que a manutenção implica em perda de produção, os custos relativos a essa perda devem ser contabilizados dentro do custo de reparo. (Hassebrock, 1 995)

Conforme visto neste trabalho, emissões fugitivas consistem na liberação de compostos orgânicos voláteis para atmosfera. Essa liberação ocorre a partir de pequenos vazamentos, nos sistemas de vedação de equipamentos e componentes da rede de transporte de produtos. O efeito dessas emissões, no meio ambiente, deve-se à formação do ozônio a partir de reações que envolvem os compostos orgânicos voláteis na atmosfera, e à exposição do homem a compostos com toxicidade elevada. Além disso, a emissão constitui sempre uma perda de produto.


5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS 5.4 Composição de custos


5. CONTROLE DE EMISSÕES EM VÁLVULAS E BOMBAS 5.5 Conclusão



Comparada a outras fontes de emissões de VOC, as emissões fugitivas contribuem com a maior parte, na composição das emissões totais da planta. Estratificação das fontes de emissões fugitivas revela que as emissões em válvula e bombas são significativamente superiores aos demais equipamentos. Esses fatos traduzem a real necessidade de se estabelecer programas de redução de emissões fugitivas, em válvulas e bombas. Esses programas consistem no monitoramento e manutenção dos equipamentos da planta, aliados à implantação de projetos de melhoria.

O monitoramento visa retratar a condição da planta em relação à presença de emissões fugitivas. Por meio de monitoramentos periódicos deve-se acompanhar o desenvolvimento do programa. A manutenção ou reparo dos equipamentos garante a anulação das fontes de emissão.

O simples reparo do equipamento, muitas vezes, não é suficiente para reduzir a taxa de emissão. Isso acontece quando a emissão é inerente ao próprio projeto do equipamento. Nesse caso, consegue-se a redução quando forem feitas modificações que implicam na realização de projetos de melhoria. Em bombas, a alternativa mais comum é o uso de selos mecânicos aprimorados e a utilização de bombas herméticas. A redução de emissões fugitivas em válvulas pode ser conseguida ao se mudar o tipo de válvula, modificar o sistema de gaxeta ou, ainda, utilizar válvulas especiais.

As modificações em equipamentos são onerosas e contribuem para a elevação do custo do programa de redução de emissões. Portanto, é necessário buscar soluções otimizadas para as modificações. Otimizar soluções significa selecionar as alternativas que garantam a redução da taxa de emissão da planta ao menor custo possível. Essa abordagem torna economicamente viável atingir padrões ambientais cada vez mais elevados.

A norma americana, publicada pela USEPA, em 1 991, regulamenta os programas de monitoramento e controle de emissões fugitivas, nos Estados Unidos. Neste trabalho, é apresentada breve descrição da norma no que diz respeito ao monitoramento e controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas. O material aqui apresentado foi extraído de Colyer (1 991). O conteúdo é o mesmo do documento original, o qual consta na edição de Agosto de 1 991 da Chemical Engineering Progress.

6.1 O padrão americano para monitoramento e controle de emissões fugitivas

6.2 Como melhorar a performance da gaxeta

"Até a última década, os padrões normativos, existentes nos Estados Unidos, haviam sido desenvolvidos numa época em que não se tinha muita experiência no controle de emissões fugitivas. Tais padrões eram direcionados principalmente para a identificação e controle de grandes vazamentos. Ao longo dos anos, o conhecimento e a experiência sobre o controle de emissões em equipamentos aumentaram, tornando necessárias algumas modificações nas normas vigentes. Muitas destas modificações foram decorrentes das exigências do Clean Air Act Amendments (CAAA) de 1990 para poluentes perigosos no ar (Hazardous Air Pollutants - HAP). Nesta ocasião, o CAAA listou 189 HAP dos quais 149 eram compostos orgânicos. Em

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas6. ANEXO A - A NORMA DA USEPA PARA CONTROLE DE EMISSÕES FUGITIVAS

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas6. ANEXO A - A NORMA DA USEPA PARA CONTROLE DE EMISSÕES FUGITIVAS 6.1 O padrão americano para monitoramento e controle de emissões fugitivas



vista a esta necessidade de mudança, no final de 1991, a USEPA publicou uma norma que veio a se tornar um guia-mestre para o monitoramento e controle de emissões fugitivas."

"A partir de então, normas federais e estaduais, nos Estados Unidos, têm cada vez mais dado importância às emissões fugitivas, estimulando os esforços para a redução de tais emissões. Estas normas, basicamente, exigem que os equipamentos sejam inspecionados periodicamente com um analisador portátil para detectar emissões. Se uma concentração de VOC maior ou igual a 10.000 ppm, base metano ou hexano, é detectada, o equipamento é identificado como uma fonte de emissão, e é necessário que seja feita manutenção. Este tipo de programa de monitoramento e controle de emissões fugitivas é conhecido como LDAR (Leak Detection and Repair)."

"Toda unidade de processo, que utilize um HAP ou um de seus derivados como reagente ou produto, é afetada pela norma da USEPA. Todos os equipamentos e linhas associados com a operação desta unidade, inclusive sistemas de estocagem, transferência de produtos e tratamento de efluentes, que contenham um fluido de processo com concentração de HAP igual ou superior a 5%, estão sujeitos ao cumprimento da norma. A norma não é aplicável àqueles equipamentos e linhas que não contêm fluidos de processo, tais como sistemas de utilidades."

"A norma se aplica tanto para unidades novas quanto para aquelas já existentes. Os equipamentos regulamentados por esta norma incluem válvulas de processo, bombas, compressores, válvulas de alívio de pressão, conexões, sistemas (ou pontos) de amostra e sistemas de alívio de tanques e vasos. O termo conexões refere-se a todos os flanges, roscas ou outras junções usadas para conectar duas tubulações ou uma tubulação a um equipamento."

"A norma da USEPA também faz referência a agitadores e sistemas de instrumentação. Apesar de não serem tratados nas normas anteriores, alguns dados indicam que agitadores podem ser uma fonte significativa de emissões fugitivas. Os sistemas de instrumentação são constituídos especialmente por válvulas e conexões, porém estes sistemas são tratados como uma classe especial, porque, primeiro não fazem propriamente parte do processo, e segundo, nestes sistemas, os componentes estão muito próximos e algumas vezes fica difícil fazer um monitoramento individual em cada componente."

"A norma da USEPA define uma série de medidas que devem ser adotadas a fim de promover a implantação de um programa LDAR em plantas industriais. A norma divide o programa em três fases. A primeira fase da norma para válvulas, a qual começou a vigorar nos Estados Unidos seis meses após a promulgação, especifica um programa LDAR, definindo o limite máximo para as emissões em 10.000 ppm. As plantas devem monitorar suas válvulas a cada três meses e reparar qualquer válvula que apresente uma concentração igual ou superior a 10.000 . A segunda fase também especifica um monitoramento trimestral, porém o limite de emissão passa a ser de 500 ppm."

6.1.1 Aplicação e escopo da norma

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas6. ANEXO A - A NORMA DA USEPA PARA CONTROLE DE EMISSÕES FUGITIVAS 6.2 A norma da USEPA para válvulas



Figura A.1 – Norma da USEPA para controle de emissões fugitivas em válvulas (Colyer e Meyer, 1991)

"A terceira fase estabelece um nível de performance mínimo para as válvulas dentro da planta. Este nível de performance determina que apenas 2% do total de válvulas da planta podem apresentar uma concentração maior que 500 ppm. Se a planta apresentar 1% ou menos das válvulas com concentração superior a 500 ppm, a frequência de monitoramento estende-se de três para seis meses, e se o número de válvulas for reduzido para menos de 0,5%, o monitoramento na planta só será feito anualmente. Por outro lado, se a unidade apresentar uma porcentagem de válvulas com concentração maior que 500 ppm superior a 2% do total de válvulas, a frequência de monitoramento passa a ser mensal. Como uma alternativa ao monitoramento mensal, a planta pode optar por um programa de melhoria de qualidade."

"Um programa de melhoria de qualidade deve garantir que toda vez que for necessário a substituição de um equipamento na planta, a substituição será feita por outro tecnologicamente superior, em termos de performance de emissões, até que os níveis mínimos de emissão sejam atingidos. Além disso, deve ser implementado um programa de controle de qualidade, de forma a assegurar que a melhor tecnologia aplicável está sendo utilizada. O Clean Air Act Amendments de 1990 define a melhor tecnologia aplicável para o controle de emissões como sendo aquela que proporciona a máxima redução de emissões, e que a empresa, considerando os custos para obtenção de tal redução, julga aplicável a uma unidade nova ou em operação."

"O reparo das válvulas que apresentam emissões assim que estes são detectados é uma das chaves para o sucesso do programa, e é uma exigência da norma. As primeiras ações para o reparo da válvula devem ser tomadas o mais breve possível após a detecção e não devem exceder cinco dias. O reparo deve estar completo num prazo máximo de quinze dias. Em alguns casos, onde o reparo da válvula envolve a necessidade de um parada da planta, o que, além de caro, pode gerar emissões ainda maiores, a manutenção da válvula pode ser postergada até a próxima parada da planta."

"A porcentagem de válvulas com emissões é calculada usando a média de dois períodos de monitoramento consecutivos. Isto assegura que as flutuações normais a qualquer monitoramento não forcem a planta a um monitoramento mais frequente. Quando o monitoramento é anual pode-se usar a média de três ou quatro



anos para calcular a porcentagem de válvulas com emissões."

"O padrão abre uma exceção às válvulas, cujo monitoramento é considerado inseguro. Válvulas de monitoramento inseguro são definidas como aquelas que podem expor pessoas a perigos iminentes como temperaturas e pressões elevadas, ou condições de explosão, tais como válvulas localizadas no topo de reatores de alta pressão. Tais válvulas devem ser monitoradas somente em situações em que o risco esteja minimizado."

"A norma também abre uma exceção para válvulas, cujo monitoramento só pode ser feito mediante algum artifício que ponha em risco o executante durante o monitoramento. Por exemplo, o monitoramento de rotina não é exigido para válvulas, que necessitem da elevação de pessoas acima de dois metros, independente do tipo de suporte que seja usado para elevação. Porém esta exceção só é feita para unidades já em operação, porque para unidades novas, o acesso a válvulas, que tenham potencial de emissão, deve ser considerado no projeto da unidade, visando o monitoramento futuro."

"Plantas pequenas podem ter limitações técnicas ou financeiras para implantação do programa de monitoramento, além disso, emissões em plantas pequenas que já seguem um programa de monitoramento trimestral são relativamente baixas. Portanto para plantas como menos de 250 válvulas não é exigido um monitoramento com frequência maior que três meses."

"A primeira fase da norma da USEPA para bombas especifica uma programa mensal de monitoramento e reparo, definindo o limite máximo para emissões em 10.000 ppm. Na fase II este limite é reduzido para 5.000 ppm, e na fase III para 1.000 ppm. Porém, na fase III, o reparo só é necessário se o equipamento apresentar uma emissão superior a 2.000 ppm, pois os custos de manutenção para bombas com emissões menores que 2.000 ppm é bastante elevado e o ganho com a redução das emissões não é muito significativo."

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas6. ANEXO A - A NORMA DA USEPA PARA CONTROLE DE EMISSÕES FUGITIVAS 6.3 A norma da USEPA para bombas



Figura A.2 – Norma da USEPA para controle de emissões fugitivas em bombas (Colyer e Meyer, 1991)

"Na fase III, é estabelecido um nível de performance mínimo que define que apenas 10% das bombas podem apresentar emissões superiores ao limite máximo (1.000 ppm). Se o nível de performance mínimo não for obtido, a planta deve implementar um programa de melhoria de qualidade."

"As atenções feitas com relação aos prazos para realização dos reparos em válvulas que apresentam emissões, cinco dias para a primeira ação e quinze dias para conclusão, também são válidas para bombas. Em alguns serviços, não são instaladas bombas reservas para a necessidade de manutenção na bomba titular, estes equipamentos não podem ser reparados sem a parada da planta. Para estes casos, a norma admite que os prazos para manutenção do equipamento sejam postergados até a próxima parada da planta."

"Devido a variabilidade dos resultados de performance de bombas (expressos em porcentagem de bombas com vazamento) ser bastante elevada, a norma indica que a performance seja medida pela média de um período de seis meses consecutivos. Bombas equipadas com selos duplos ou bombas sem selo (por exemplo, bombas herméticas) podem ser incluídas no cálculo da performance como equipamentos sem emissões. Desta forma, a norma incentiva o uso de equipamentos tecnologicamente superiores na prevenção de emissões."

"Para bombas com selo duplo, a norma proíbe o uso de fluidos barreira que sejam poluentes voláteis. Isto evita que o próprio fluido barreira, que deveria conter as emissões do fluido de processo, seja um gerador de emissões fugitivas. Produtos poluentes que nas condições de processo sejam líquidos pesados podem ser usados como fluido barreira, desde que o monitoramento realizado seja suficiente para garantir que não haverá emissões. Bombas sem selo estão sujeitas apenas à inspeções visuais a cada semana e não é exigido o monitoramento de concentração de VOC para estes equipamentos."

Este material foi extraído de Brestel et al (1 991). O conteúdo aqui exposto é o mesmo do documento original, o qual consta na edição de Agosto de 1 991 da Chemical Engineering Progress. Neste guia prático, são apresentados quatro princípios básicos que visam garantir a eficiência e aumentar o tempo de vida útil dos sistemas de gaxetas. Em linhas gerais, os princípios são: (1) prevenir que a gaxeta sofra extrusão; (2) manter a haste da válvula alinhada; (3) minimizar os efeitos adversos dos ciclos térmicos e (4) aplicar compressão suficiente e constante.

Princípio 1 - Utilizando anéis antiextrusão

"De acordo com o mecanismo de funcionamento da gaxeta, esta deve deformar-se, de maneira a vedar o espaço entre a haste e a cavidade da gaxeta. Esta deformação é conseguida, comprimindo-se um anel guia contra a gaxeta. Esta carga comprime a gaxeta axialmente, fazendo esta expandir-se na direção radial. Sabe-se que durante a operação normal da válvula o material da gaxeta perde-se gradualmente. Esta perda pode ocorrer por erosão ou extrusão do material."

"As perdas por erosão ocorrem devido ao atrito da haste com a gaxeta, que lentamente, a cada ciclo, vai arrancando pequenos pedaços da gaxeta. Esta causa pode ser minimizada, mantendo a haste amaciada e livre de corrosão. As perdas por extrusão ocorrem porque a compressão imposta sobre a gaxeta, apesar de necessária para efetuar a vedação, pode também forçar o material da gaxeta a sair da área de vedação.

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas7. ANEXO B - COMO MELHORAR A PERFORMANCE DA GAXETA



Neste aspecto, gaxetas de Teflon são mais susceptíveis a perdas por extrusão que outros materiais de uso comum."

"Quando ocorre a perda de material, a compressão na gaxeta diminui, enfraquecendo a vedação entre a haste e a gaxeta. A vedação pode ser restabelecida, reapertando a gaxeta (movendo o anel) frequentemente. Porém esta ação só terá efeito enquanto houver material suficiente na área de vedação."

"A perda da gaxeta por extrusão pode ser prevenida pela contenção do material com um outro elemento, chamado anel anti-extrusão. O anel anti-extrusão deve ser menos flexível que a gaxeta, a ponto de transferir a carga do anel para a gaxeta, porém deve ser flexível o suficiente para formar uma vedação que contenha o material das gaxetas. Os anéis devem ser instalados nos dois lados das gaxetas, de forma a manter as gaxetas confinadas. O anel anti-extrusão não precisa reter o fluido de processo, ele deve apenas se ajustar à haste para conter o material. É muito importante para um bom desempenho do sistema que os anéis anti-extrusão se ajustem à haste sem danificá-la."

Princípio 2 - O alinhamento da haste

"Vedar a haste de uma válvula que não se mantém concêntrica requer que a gaxeta mude continuamente sua forma. Por isso, é imprescindível que a haste esteja sempre alinhada. Um sistema de vedação com componentes de flexibilidade gradativa pode ajudar a manter o alinhamento da haste. O material mais flexível, a gaxeta, é contido nas extremidades por um menos flexível, o anel anti-extrusão, que por sua vez é contido por buchas inflexíveis. As buchas, além de manter a haste alinhada, servem para prevenir a extrusão dos componentes mais internos do sistema de vedação."

Princípio 3 - A quantidade certa de material

"Se a perda do material da gaxeta é a maior causa de vazamentos em válvulas, parece razoável que um excesso de material deveria ser usado. Porém, na realidade, testes de performance mostram que usar excesso de material reduz o tempo de vida da gaxeta e aumenta a frequência de vazamentos. Medidas da compressão em gaxetas demonstram que a deformação radial máxima, e portanto, a melhor vedação entre a gaxeta e a haste, ocorre para uma altura bastante limitada do arranjo de gaxetas. Logo, a efetividade da vedação não aumenta com o aumento da quantidade de material empregado. Utilizar quantidades adicionais de material flexível não acrescenta nada à estanqueidade da válvula. No entanto, o material excedente pode reduzir a efetividade da vedação de três formas."

"Primeiro, a adição de mais material aumenta a área da haste em contato com as gaxetas, aumentando o atrito. Em gaxetas de grafite, por exemplo, este atrito adicional pode até requerer o uso de um atuador maior. Segundo, usando mais material, aumenta-se a tendência a compactação das gaxetas. Compactação é a redução do volume das gaxetas, imposto pela eliminação dos espaços vazios dentro e entre as gaxetas durante a compressão. A compactação tem um efeito negativo sobre a vedação, similar a perda de material. Por último, o efeito adverso dos ciclos térmicos aumentará, pois mais material estará expandindo a cada ciclo, aumentando as perdas por extrusão."

Princípio 4 - Mantendo a compressão na gaxeta

"Gaxetas levemente comprimidas podem promover uma boa vedação se a aplicação da válvula não for muito crítica. Porém, quando se trabalha sobre condições mais severas de operação, o uso de molas é essencial para manter constantemente a compressão sobre a gaxeta."

"Apesar deste princípio ser citado como uma melhoria no sistema de vedação, há controvérsias sobre o uso



de molas. Em algumas circunstâncias, estes acessórios podem reduzir a vida da gaxeta e prejudicar a vedação. Por exemplo, na falta de anéis anti-extrusão, a gaxeta sendo constantemente comprimida irá perder material por extrusão continuamente. À medida que a quantidade de material diminui, as molas se expandem, reduzindo a compressão sobre a gaxeta e diminuindo a eficiência da vedação."

"O uso de molas deve ser avaliado individualmente para cada aplicação. Deve-se lembrar que para não haver redução no tempo de vida da gaxeta, as molas devem ser usadas em conjunto com anéis anti-extrusão apropriados e a compressão aplicada deve ser adequada para cada tipo de gaxeta e válvula."

ADAMS, W. V., Control Fugitive Emissions from Mechanical Seals, Chem. Eng. Prog., pp. 36-41 (Agosto 1991)

CRA, Meio Ambiente: Legislação Básica do Estado da Bahia. - 3a edição, revista e atualizada - Salvador: Centro de Recursos Ambientais, 1997, 266 p.

BRESTEL, R. et al., "Minimize Fugitive Emissions With a New Approach To Valve Packing", Chem. Eng. Prog., pp. 42-47 (Agosto 1991)

COLYER, R. S. e Meyer, J., "Understand the Regulations Governing Equipment Leaks", Chem. Eng. Prog., pp. 22-30 (Agosto 1991)

CROWLEY, E. D. e Hart, D. G., "Minimize fugitive emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 93-96 (Julho 1992)

FRUCI, L., "Valves put a plug on emissions", Chem. Eng., pp. 139-142 (Junho 1993)

GALLUPE, W., "Retrofit methods reduce valves’ fugitive emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 97-100 (Junho 1993)

GARDNER, J. F., "Selecting valves for reduced emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 87-92 (Agosto 1991)

GARDNER, J. F. e Spock, T. F., "Control emissions from valves", Hydrocarbon Processing, pp. 49-52 (Agosto 1992)

GOMAA, H. e Allawi, A., "Minimize air toxic emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 121-130 (Agosto 1994)

HASSEBROCK, F., "Reduce losses through smarter valve selection", Hydrocarbon Processing, pp. 53-55 (Outubro 1995)

KARASSIK, I. J. e Carter, R., "Bombas Centrifugas: Seleccion, Operacion Y Mantenimiento", 6ª Edição, Compania Editorial Continental, 1976

LIPTON, S., "Fugitive Emissions", Chem. Eng. Prog., pp. 42-47 (Junho 1989)

MILES, M. E., "Valves: meeting proof of design", Hydrocarbon Processing, pp. 51-

Controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS



56 (Maio 1995)

MILLER, M. e Jackson, R., "New valves packing technology extends service life", Hydrocarbon Processing, pp. 105-115 (Outubro 1993)

SAMDANI, G., "Nonpoint emissions get pinpoint scrutiny", Chem. Eng., pp. 42-46 (Maio 1990)

SCHAICH, J. R., "Estimate Fugitive Emissions from Process Equipment", Chem. Eng. Prog., pp. 31-35 (Agosto 1991)

SIEGEL, R. D., "Control developing for fugitive emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 105-108 (Outubro 1981)

SIEGELL, J. H., "Control VOC emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 77-80 (Agosto 1995)

SIEGELL, J. H., "How to comply with VOC emissions requirements cost-effectively", Hydrocarbon Processing, pp. 121-127 (Setembro 1996)

SIEGELL, J. H., "Improve VOC emissions predictions", Hydrocarbon Processing, pp. 119-121 (Abril 1997a)

SIEGELL, J. H., "Control valve fugitive emissions", Hydrocarbon Processing, pp. 45-47 (Agosto 1997b)

SPOCK, T., "Control Emissions fugitive from valves", Chem. Eng., pp. 82-86 (Fevereiro 1993)

SURPRENANT, N., "Shutting off fugitive emissions", Chem. Eng., pp. 199-202 (Setembro 1990)

WALLACE, M. J., "Controlling fugitive emissions", Chem. Eng., pp. 78-92 (Agosto 1979)

controle de emissões fugitivas em válvulas e bombas · as caracter ísticas de cada tipo de fonte...

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