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SESSÃO TÉCNICA II 1 dE juNhO dE 2017

Wagner Canelhas é atualmente engenheiro de vendas da divisão de novos equipamentos relativos a turbomáquinas e reatores na MAN Diesel & Turbo Brasil desde 2016. Cursou técnico em propaganda e marketing pela Escola Técnica Estadual Adolpho Bloch entre 2007 e 2009. Trabalhou como diretor de arte em propaganda na AB Comunicações em 2009. Graduou-se em Engenharia Mecânica na Universidade Federal Fluminense em 2016, onde participou do projeto Fórmula SAE por três anos, no qual atuou como responsável pela carenagem do veículo e paralelamente pela gestão de marketing da equipe. Ingressou na MAN como estagiário em setembro de 2014.

TECNoloGIA DE SoprADorES DE váCUo pArA plANTAS TISSUE – UM ESTUDo DE CASo pArA A plANTA DE váCUo MAIS MoDErNA EM MáqUINAS TISSUE No BrASIl WAgNEr CANElhAS ENGENhEIro DE vENDAS –TUrBoMáqUINAS & rEATorES MAN, BrASIl

INOVAÇÕES E MElhOrIAS: SuSTENTABIlIdAdE, dESEMPENhO E ECONOMIA dE ENErgIA

1 < > MAN Diesel & Turbo Author Current topic 00.00.2012 [optional: Brand]

MAN Diesel & Turbo

Wagner Canelhas

Sales Engineer

Rafael Martos

Head of Sales

Tecnologia de sopradores de vácuo para plantas Tissue Um estudo de caso para a planta de vácuo mais moderna em máquinas Tissue no Brasil

2 < > Tecnologia de Sopradores de vácuo para Tissue Wagner Canelhas Tissue World – São Paulo 2017 05.2017

Introdução Parte 1

Introdução - Máquinas de Papel

- Máquinas Tissue

- Capota

- Telas de feltro

- Níveis de vácuo e vazões para cada produto

- Fluxograma de vácuo típico

Sistemas de vácuo para Tissue - Bomba de selo líquido

- Componentes principais

- Características operacionais

- Uso do “Ar Falso”

- Sopradores de vácuo

- Componentes principais

- Características operacionais

- Comparativo entre os sistemas

- Vantagens e desvantagens

- Estudo de caso para a planta Tissue

- Sistema de separação de água


Características Tecnológicas - Eficiência energética

- Velocidade Constante

- Aletas variáveis

- Múltiplos níveis de vácuo

- Variação da velocidade

- Possibilidades de recuperação térmica

- Ar de insuflamento da capota

- Aquecimento da água de chuveiro

- Aquecimento de prédio / Teto falso

- Pré-aquecimento do ar de combustão

- Condicionamento de Feltro

- Curvas de De Crosta (Deságue constante)

- Fenômenos de break-in e drag-load

- Medição e controle do deságue

Modernizações de plantas existentes - Fluxograma típico de vácuo

- Lista de referências de modernizações

Conclusão

Introdução Parte 2


Níveis de vácuo para outras aplicações

Tipo de papel

produzido

Produção Anual

(toneladas/ano)

Pressão manométrica de

vácuo

(metros de coluna d’água)

Vazão total de vácuo

(m³/min)

Vazão máxima de

vácuo

(m³/min)

Tissue 55.000 -2,5 até -5,0 920 580 @ Rolo de

sucção

Tissue 30.000 -4,5 550 550 @ Ponto único

Celulose 250.000 -0,5 até -6,5 900 215 @ Rolo de

sucção

Papel 150.000 -0,2 até -7,0 1200 414 @ Rolo Prensa

Papel 20’000 -0,5 até -7,0 1980 221 @ Caixa seca

feltro

Via de regra o Tissue é um dos processos que mais demanda vácuo em pontos únicos


Sistemas de vácuo para Tissue Bombas de selo líquido

Elementos constituintes:

A – Rotor com pás

B – Selo líquido

C – Carcaça da bomba

D – Seção de sucção

E – Seção de descarga

F – Interface Pás / Selo líquido

Detalhes adicionais:

Entradas e saídas de ar e água

Suporte em rolamentos

Operação em simples ou duplo estágio

Um motor para múltiplas bombas

Configuração com polias


Características do sistema:

Máquina volumétrica

Pulsações e vibrações

Grande variação de pressão

Grandes níveis de vácuo (>80 kPa)

Vida útil pequena a média

Requer água de selagem

Pequena variação de vazão

− Operação sob “Ar-Falso”

Pequena vazão máxima por carcaça

− Grande número de bombas por

instalação (>4)

Menor eficiência de compressão

Pequena variação do consumo sob

cargas parciais

Sistemas de vácuo para Tissue Características das bombas à rotação constante

Ponto de Sucção

𝐕 = Cte


Sistemas de vácuo para Tissue Soprador de vácuo

Elementos constituintes:

Rotor e Impelidor(es)

Estator

Carcaça

Mancais hidrodinâmicos (óleo)

Até 4 pontos de sucção

Detalhes adicionais:

Simples ou múltiplos estágios

Um motor por máquina

Um soprador para múltiplas máquinas

de vácuo

Sistema de lubrificação dedicado

Aletas difusoras

Caixa multiplicadora


Características do sistema:

Máquina dinâmica

Pouca variação de pressão

− Supre até 4 níveis simultâneos

− Válvulas de estrangulamento

Níveis de pressão até 80 kPa

Vida útil longa, excedendo 25 anos

Comprime apenas ar

− Maior eficiência de compressão

Grande variação de vazão

− 110 a 80% para a tecnologia RC

− 110 a 30% para a tecnologia RT

Poucas máquinas por instalação

− Para Tissue de 1 a 4 máquinas

Economia em cargas parciais

Possibilidade de recuperação

térmica complementar

Ponto de Sucção

𝑷 = Cte

Sistemas de vácuo para Tissue Características dos sopradores à rotação constante


Comparação entre tecnologias Vantagens e desvantagens

Requerimento / Característica Soprador de Vácuo Bomba de selo líquido

Faixa operacional de vazão por carcaça Vazões maiores Vazões menores

Faixa operacional de pressão Até 80kPa Até cerca de ~98 kPa

Variação da pressão Baixa: Válvula de

estrangulamento Elevada

Variação da vazão Elevada Baixa: Ar falso

Quantidade de máquinas por planta Tissue 1 a 3 4 ou mais

Eficiência de compressão Elevada Baixa

Possibilidade de recuperação térmica Grande – Ar de exaustão Menor – Água aquecida

Consumo de água Muito Baixo Elevado

Vibrações e pulsações Pequenas Elevadas

Dimensões e Peso Pequenos Grandes

Nível de ruído Similar

Disponibilidade Maior Menor

Requerimentos de manutenção Pequenos Frequentes


Comparação entre tecnologias Sistema de separação Ar/Água

Bombas de vácuo:

Separadores com pernas

barométricas

Pacotes de pré-separadores

Um separador por perna de vácuo

Ciclo de água aberto ou fechado

para sistema de selagem

− Torres de resfriamento

Soprador de vácuo:

Ao menos uma caixa de separação

por nível de vácuo (pressão)

− Caixas em concreto ou aço

− Posicionamento no mesmo nível

da máquina e papel ou inferior

− Bombas de extração de água


Estudo de caso – Planta Tissue Comparativo de nova planta Tissue no Brasil

Item avaliado Soprador de Vácuo Bomba de selo líquido

Potência nominal (motor elétrico) 57% (redução de 43%) 100%

Potência consumida máxima 50% (redução de 30%) 80%

Potência consumida média 40% (Redução de 40%) 80%

Quantidade de carcaças 1 x RT 71-1 5 Bombas de vácuo

Recuperação térmica preliminar 14 % (Redução de 86%) 80%

OPEX / LCC 55 % (Redução de 45%) 100%

Consumo de água em circuito aberto < 1% (Redução de 99%) 100%

Para esse projeto os sopradores consomem, sob potência média, metade da potência das bombas

Primeira referência da máquina de simples estágio no Brasil

Previsão de já ter entrado em operação em 2019

Maior rolo Yankee já feito para máquinas Tissue no mundo

Tida como a planta de vácuo mais moderna de Tissue do Brasil

Efeitos de ganhos com Break-in não foram considerados nesse estudo


Sopradores de vácuo Eficiência energética – Rotação constante


Sopradores de vácuo Aletas difusoras variáveis

Funcionalidade:

Impor maior resistência ao fluxo e

assim modificar a curva operacional

da máquina

Propiciar modulagem de vazão e

pressão da máquina

Maximizar a operação durante o

condicionamento e vida útil do feltro

Dados adicionais:

Variação de 10 a 26º

Operadas por válvula pneumática e

servo-motor integrados à carcaça

Permitem redução da vazão de

design em até 30%

Sistema automático


Sopradores de vácuo Eficiência energética – Aletas difusoras


Sopradores de vácuo Eficiência energética – Variação da rotação


Condicionamento de Feltro Desague constante – Curvas de De Crosta

Curvas de De Crosta (1980)

Feltro deve ter o deságue constante

ao longo de sua vida útil

Estudo em feltros novos, usados e a

meia vida

Conclusão da curva ideal de vácuo

para máquinas de papel

Tempo de vida (30 dias)

Transição para usado (5~7 dias)

Fenômenos conhecidos:

Break-in

− Tempo gasto na compactação do

feltro

Drag Load

− Carga nos rolos

− Ruptura prematura do feltro


Condicionamento de Feltro Comparativo ao longo da vida útil do feltro


Soluções possíveis

Medição do nível de desague dos feltros e automatização do sistema de vácuo

Acionamento no sistema de vácuo fazendo o uso de válvulas de estrangulamento e

aletas difusoras reduzindo os efeitos de Break-in

Variação da vazão para valores inferiores ao de design, reduzindo o efeito de drag-

load

Soluções usuais

Compactação química ou mecânica dos feltros durante o início de sua vida útil

Operação com baixa em produção para compensar operação fora do ponto de design

do sistema de vácuo

Condicionamento de Feltro Possíveis soluções


Recuperação térmica Princípio teórico – Cálculo preliminar

Entalpia de ar úmido

Considerações sobre troca térmica a pressão constante (calor específico cp)

Considerar umidade absoluta para cálculo da entalpia da água separadamente

Considerar entalpia do vapor d’água disperso no ar

ℎ = 𝑐𝑎𝑟 ∗ 𝑇 + 𝑥 ∗ (𝑐á𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑇 + ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟)

Estudo de caso para a máquina de Tissue

Temperatura que o ar deixa o soprador – 150 ºC

Temperatura ideal de recuperação térmica para o ar – 60 ºC

Consideração do calor específico da água como 1,84 kJ/kgºC

Consideração do calor específico do ar como 1,006 kJ/kgºC

Consideração da entalpia de vapor como 2501 kJ/kg

Umidade absoluta de 0,15 kg H2O/kg Ar

Vazão mássica de 25 t/h = 25.000 / 3600 kg/s

Resultado obtido: 798 kW de energia térmica a ser recuperada

Somado à eficiência energética, economia de 80% comparado ao consumo das bombas de vácuo


Recuperação térmica Ar de insuflamento da capota – Simpliicado


Recuperação térmica Ar de insuflamento da capota – Pré-aquecimento


Recuperação térmica Ar de insuflamento da capota – Queimador


Recuperação térmica Ar de insuflamento da capota – Vapor


Recuperação térmica Pré-Aquecimento da água de chuveiros


Recuperação térmica Aquecimento predial / Teto Falso

Aquecimento predial

Relevantes em regiões do sul do Brasil, onde o inverno é severo e pode-se

economizar energia térmica utilizando o ar do soprador para aquecimento do prédio.

Pode ser aplicada de forma complementar às recuperações propostas anteriormente.

Dispensa o uso de trocadores de calor

Aquecimento de teto falso

De forma a evitar a precipitação de gotas no teto onde fica instalada a máquina de

papel, é comum construir um teto falso aquecido.

Aplicação irá largamente variar conforme temperaturas presentes, tamanho e produção

da máquina de papel em questão.

Também pode vir a ser aplicada como recuperação térmica complementar às

anteriores

Dispensa o uso de trocadores de calor


Recuperação térmica Pré-Aquecimento do ar de combustão


Modernizações de plantas existentes Adaptações propostas

O que é, ou pode ser mantido

Sistema de bombas de vácuo

(backup temporário)

Pré-separadores de ar/água

Tubulações de vácuo entre as

bombas e máquina de papel

O que deverá ser implementado:

Novo sistema de vácuo (sopradores)

Novos motores para acionamento dos

sopradores

Caixas de separação em concreto ou

aço

Válvulas de controle no ponto de

maior vazão e pressão.

Opcional

Inversor de frequência

Transformadores


Modernizações de plantas existentes Operação comum – Lista de referências mundial

Plant Customer Product Country Year

Archangelsk BM2 JSC Arkhangelsk Sack Kraft Paper Russia 2016

Shiwha Shindaeyang BM1 Shindaeyang Paper Linerboard Korea 2015

Shintanjin PM 1 Hansol Paper Co. Ltd Art Paper Korea 2015

Oberkirch PM 5 Koehler Paper Group Paper Germany 2015

Duffel TAD Tissue Sofidel Benelux NV. TAD Tissue Belgium 2015

Osan BM 1 Dong Won Paper C. Ltd Testliner Korea 2015

Daejeon BM 31 Hansol Paper Co. Ltd White Board Korea 2015

Daejeon BM 32 Hansol Paper Co. Ltd White Board Korea 2015

Ovaro BM 1 & 2 Reno di Medici Board Italy 2015

Ansan Korea BM 1 Korea Paper Linear Board Korea 2014

Dörpen PM 3 UPM Nordland Fine Paper Germany 2014

Lexington NW 1 Kimberly-Clark Non Woven USA 2014

Banpong PM 3 Thai Paper Printing/Writing Thailand 2014

Hyunpoong BM 1 Kyungsan Paper Corrugated Medium Korea 2014

Nortrup BM 1 Delkeskamp Fluting/Liner Germany 2014

Mislata PM 7 Miquel y Costas & Miquel Silk/Tipping paper Spain 2014

Olsany PM 5 OP Papirna Finepaper Czech Republic 2013

Beech Island TM 3 Kimberly-Clark Tissue USA 2013

Allo TM 1 Georgia-Pacific Company Tissue Spain 2011


Conclusão

Tecnologia de sopradores de vácuo

Possui diversas vantagens para o processo de fabricação de papel, especialmente

no setor de papeis sanitários (Tissue)

Tendência de se expandir e difundir-se no Brasil (tal como ocorrido na China)

Estudos de modernização sendo feitos em diversas plantas e obtendo bons

resultados com retornos do investimento entre 1 a 3 anos.

Tecnologia de bombas de vácuo

Ideal para níveis elevados de vácuo e aplicações onde a selagem do fluido é crucial.

Mais competitiva em termos de eficiência em plantas pequenas quando menos

bombas são aplicadas (<400 cfm)

Comumente usada em larga escala em plantas de celulose (menor preocupação com

consumo de água e recuperação térmica, além de geração própria)

Tecnologias de recuperação térmica

Grande potencial de aplicação, porém reduzido quando comparado a países com

invernos severos

Pode vir a ser associada a soluções de geração com turbinas a gás e a vapor

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MAN Diesel & Turbo

Wagner Canelhas

Sales Engineer

Rafael Martos

Head of Sales

Tecnologia de sopradores de vácuo para plantas Tissue Um estudo de caso para a planta de vácuo mais moderna em máquinas Tissue no Brasil

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