universidade de sÃo paulo taline marciano da...

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL/USP

TALINE MARCIANO DA SILVA

PROJETO DE UM SISTEMA DE LIMPEZA DE TANQUES DE PRECIPITAÇÃO UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE DISPERSORES DE PULVERIZAÇÃO

Lorena – SP

2015

TALINE MARCIANO DA SILVA

PROJETO DE UM SISTEMA DE LIMPEZA DE TANQUES DE PRECIPITAÇÃO UTILIZANDO A

TECNOLOGIA DE DISPERSORES DE PULVERIZAÇÃO

Monografia apresentada como requisito parcial para conclusão de Graduação do Curso Engenharia Química.

Orientador: Prof. João Paulo Alves Silva

Lorena – SP

2015

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Silva, Taline Marciano da Projeto de um sistema de limpeza de tanques deprecipitação utilizando a tecnologia de dispersoresde pulverização / Taline Marciano da Silva;orientador João Paulo Alves Silva. - Lorena, 2015. 85 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2015Orientador: João Paulo Alves Silva

1. Fungicidas. 2. Precipitação. 3. Depósito. 4.Pulverização. 5. Bicos. I. Título. II. Silva, JoãoPaulo Alves, orient.

DEDICATÓRIA

Aos meus pais e irmã que são meu

alicerce e foram a minha força durante os

anos de graduação.

AGRADECIMENTOS

Eu agradeço a Deus, pois vejo seu milagre na minha vida todos os dias e acredito em Seu

plano para a minha futura vida como engenheira química.

Agradeço aos meus pais, Sônia e Celso que sempre me incentivaram a crescer e buscar

desafios. Vocês plantaram em mim a vontade de ser diferente e fazer a diferença para um

mundo melhor. Eu dedico a minha formação e a minha vida a vocês.

Agradeço a minha irmã Nicole que sempre me recebeu em casa com amor infinito e, mesmo

sendo mais nova, sempre me ensinou muito.

Agradeço aos meus amigos Tiemi, Bruno, Bárbara e Paulo que foram a minha família em

Lorena.

Agradeço ao Gabriel pelo companheirismo e amor nos momentos bons e conselhos e

paciência nos momentos difíceis.

Agradeço a toda equipe da Dow AgroSciences, em especial a Érica que me ofereceu

conhecimento, amizade e muita ajuda para realizar o projeto.

Agradeço ao meu orientador professor João Paulo por todo auxílio e atenção durante o

desenvolvimento do TCC.

EPÍGRAFE

"Descobri como é bom chegar quando se tem

paciência. E para se chegar, onde quer que seja,

aprendi que não é preciso dominar a força, mas a

razão. É preciso, antes de mais nada, querer."

Amyr Klink

RESUMO

SILVA, T. M. Projeto de um sistema de limpeza de tanques de precipitação utilizando a

tecnologia de dispersores de pulverização. 2015. f 78. Monografia – Escola de Engenharia de

Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.

O presente trabalho consiste em um projeto para melhoria do processo de fabricação do

fungicida Dithane®, produzido pela empresa Dow AgroSciences na planta de Jacareí, São

Paulo. O projeto teve como principal objetivo evitar acúmulo e depósito de material nas

paredes e agitadores dos tanques de precipitação, melhorando assim o desempenho da

síntese do precipitado e trazendo benefícios para todo o processo que ocorre após essa

etapa. Neste sentido foi avaliada a possibilidade da instalação de tecnologia de sistemas de

pulverização para limpeza automática de tanques onde ocorre uma reação de precipitação,

visando determinar qual sistema proporcionaria uma limpeza adequada e quais os custos

decorrentes da sua implantação. Os ganhos serão a redução de desperdícios e perdas de

produção e a garantia da qualidade do produto e confiabilidade do processo. Foi estudada a

possibilidade da utilização da água do tratamento de efluentes gerada pelo processo,

contemplando o estudo do transporte da água até os tanques, ou seja, eficiência da bomba,

perda de carga da linha, possibilidade de incrustação na linha ou problemas com o

equipamento de pulverização. Foi também estudada a possibilidade de utilização da carga de

água já necessária no processo, que é parte do balanço de massa para síntese do precipitado,

contemplando o estudo da vazão e pressão da água disponíveis e a determinação da melhor

tecnologia para atender a necessidade do processo. Verificou-se que o estado de acúmulo do

tanque na reação pode afetar a qualidade do produto final, uma vez que o acúmulo no

tanque gera um precipitado com partículas polidispersas, o que tem um impacto negativo na

qualidade do produto final quanto ao desempenho do processo. Para a automação da etapa

de limpeza dos tanques foram escolhidos os bicos em espiral, que não necessitam energia

para movimentação, tem pouco risco de obstrução e apresentam um custo baixo quando

comparado às demais opções analisadas. As modificações do processo foram consideradas

adequadas contribuindo para maior qualidade do produto final e reduzindo perdas de

processo e problemas em equipamentos.

Palavras-chave: fungicidas, precipitação, depósito, pulverização.

ABSTRACT

SILVA, T. M. Project of a cleaning system to precipitation tanks using spraying system

technology. 2015. f 78. Monograph – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São

Paulo, Lorena, 2014.

The present work consists on an improvement project for the formulation of Dithane®

fungicide, produced in the company Dow AgroSciences, at Jacareí, São Paulo. The main

objective of the project is to avoid material build up and deposit in tanks walls and agitators,

resulting in a better performance of the particles synthesis and bringing benefits for the

whole process after this point. It was studied the possibility to install spraying systems

technology so the tanks will be cleaned automatically, evaluating the best technology and

the costs involved for installation. The main benefits of the project are the decrease in waste,

decrease of production losses, guarantee of the final product quality and guarantee of the

process reliability. The possibility to reuse the effluents water will be studied, what involves

the study for carrying the water to the tanks, pump efficiency, pressure drop, piping and

nozzle build up. It will also be studied the possibility to use the water charge of the process,

that is part of the mass balance of the reaction. For this, the flow rate and the water pressure

need to be analyzed for the determination of the best technology for the application. It will

be demonstrated that the high build up inside the tanks impacts the quality of the final

product because it generates polydisperse particles. To automate the cleaning process it was

chosen the spiral nozzles because they don’t need external energy to work, have low risk of

obstruction and has low cost comparing to other nozzles. The modifications in the process

were considered adequate for a better quality of the final product, reducing production

losses and equipment failures.

Key Words: fungicide, precipitation, deposit, spraying.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Distribuição de tamanhos de partícula para o tempero cúrcuma. ........................................ 13

Figura 2 - Representação de um bico de pulverização criado por John U. Bete (1956). ....................... 14

Figura 3 - Imagem do interior do tanque onde ocorre a precipitação. ................................................. 16

Figura 4 - Imagem do interior do tanque onde ocorre a precipitação. ................................................. 16

Figura 5 - Gráfico representativo de distribuição de tamanhos de partícula que mostra tamanhos de

partícula na abscissa e densidade de distribuição na ordenada............................................................ 21

Figura 6 - Gráfico representativo de distribuição de tamanhos de partícula que mostra tamanhos de

partícula na abscissa e densidade de distribuição na ordenada............................................................ 22

Figura 7 - Diagrama de LaMer para formação de partículas monodispersas (CS: solubilidade; C*min:

concentração mínima para nucleação; C*max: concentração máxima para nucleação; I: período de pré-

nucleação; II: período de nucleação; III: período de crescimento). ....................................................... 23

Figura 8 - Representação da camada eletrônica ao redor da partícula. ................................................ 25

Figura 9 - Representação de agentes surfactantes ao redor da partícula. ............................................ 26

Figura 10 - Esquema de como ocorre a sedimentação em sistemas monodispersos e polidispersos. . 28

Figura 11 - Conceito de arraste de agregados de partículas depositadas em paredes em um caso de

fluxo turbulento. .................................................................................................................................... 29

Figura 12 - Padrões de pulverização de bicos. Os dois primeiros consistem em padrões estreitos e

uniformes; o terceiro em um cone vazio, seguido por cone cheio e por um padrão de jato sólido. .... 32

Figura 13 - a. Representação do padrão de pulverização do bico de cone cheio; b. Representação do

formato da área atingida pelo bico de cone cheio. ............................................................................... 33

Figura 14 - Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida

pelo spray. .............................................................................................................................................. 34

Figura 15 - a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área

atingida pelo spray. ................................................................................................................................ 34

Figura 16 - a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área

atingida pelo spray. ................................................................................................................................ 35

Figura 17- a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida

pelo spray. .............................................................................................................................................. 36


pelo spray. .............................................................................................................................................. 37


pelo spray. .............................................................................................................................................. 37

Figura 20 - Representação do ângulo inicial e do ângulo efetivo de uma pulverização, tal como da

distância real de cobertura. ................................................................................................................... 38

Figura 21 - Comportamento de material pseudoplástico, com diminuição da viscosidade com

aumento da taxa de cisalhamento. ........................................................................................................ 40

Figura 22 - Representação da formação de gotas na atomização. ........................................................ 41

Figura 23 - Esquema do que é necessário para limpeza de tanques. .................................................... 42

Figura 24 - Exemplos de bicos de pulverização estacionários para lavagem de tanques. ..................... 45

Figura 25 - Exemplos de bicos de pulverização rotativos para lavagem de tanques. ............................ 46

Figura 26 - Desenho esquemático da reação de precipitação do EBDC com o Sulfato de Manganês. . 49

Figura 27 – Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em

precipitação realizada em tanque recentemente limpo. Data da amostragem e análise - 13/03/2014.

................................................................................................................................................................ 50

Figura 28 - Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em

precipitação realizada em tanque recentemente limpo. Data da amostragem e análise - 13/04/201451


precipitação realizada em tanque com início de acúmulo de material. Data da amostragem e análise -

13/05/2014. ........................................................................................................................................... 51


precipitação realizada em tanque com acúmulo de material. Data da amostragem e análise -

13/06/2014. ........................................................................................................................................... 52


precipitação realizada em tanque com quantidade significativa de acúmulo de material. Data da

amostragem e análise - 13/07/2014. ..................................................................................................... 52

Figura 32 - Esquema do processo de produção de Mancozeb .............................................................. 53

Figura 33 - Esquema no filtro. ................................................................................................................ 54

Figura 34 - Esquema do secador Spray Dryer e do sistema de lavagem de pó. .................................... 55

Figura 35 - Imagens do interior do tanque de precipitação: a. quarenta dias após a limpeza, b. e pouco

antes da limpeza, c. em seu estado de maior incrustação. ................................................................... 57

Figura 36 - Figura esquemática da situação atual dos tanques de precipitação da fábrica. ................. 60

Figura 37 - Figura esquemática da atual disposição da tampa do tanque de precipitação. .................. 61

Figura 38 - Figura esquemática da disposição desejada da tampa do tanque de precipitação. ........... 62

Figura 39 - Figura esquemática da instalação proposta das tubulações para entrada de água no

tanque através do bico de pulverização. ............................................................................................... 63

Figura 40 - Figura esquemática da instalação das tubulações de água amarela que se direcionam

próximas aos tanques de precipitação (na figura há apenas um tanque representado). ..................... 66

Figura 41 - Figura de bicos movidos a força externa para lavagem de tanques. ................................... 68

Figura 42 - Figura esquemática do bico de pulverização espiral. .......................................................... 70

Figura 43 - Fotos do interior dos tanques de precipitação da planta de Dithane® de Barranquilla,

Colômbia, mostrando o acúmulo de material. (a) Antes da instalação dos bicos de limpeza e após 40

dias de formulação a partir da última fervura; (b) Após a instalação .................................................... 76

Figura 44 - Figura esquematiza a instalação que será realizada para entrada de água no tanque mais

distante e possui as tubulações pintadas para indicar os diferentes cálculos de perda de carga

realizados. .............................................................................................................................................. 81

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tabela com valores que relacionam a vazão e pressão na linha de água bruta para os

tanques de precipitação. Os valores foram obtidos por meio da alteração da abertura de uma válvula

manual na linha. ..................................................................................................................................... 64

Tabela 2 - Tabela com valores dos coeficientes necessários para calcular o coeficiente de perda de

carga dos acessórios da linha. ................................................................................................................ 84

LISTA DE QUADROS

Quadro 1- O quadro mostra diversos métodos para preparação de partículas sólidas a partir de

soluções .................................................................................................................................................. 19

Quadro 2 – Quadro com valor percentual do impacto total teórico em relação ao tipo de bico de

pulverização e o ângulo de pulverização para posterior cálculo do impacto total real. ....................... 43

Quadro 3- Quadro com todas as informações de custos para a instalação do projeto de limpeza

automática dos tanques de precipitação. .............................................................................................. 73

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 13

1.1. Objetivo .................................................................................................................................. 15

1.2. Justificativa ............................................................................................................................. 15

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................................ 19

2.1. Precipitação ............................................................................................................................ 19

2.1.1. Monodispersidade de partículas .................................................................................... 20

2.1.2. Sedimentação de Partículas ........................................................................................... 27

2.1.3. Deposição e Arraste de Partículas .................................................................................. 28

2.2. Tecnologia de Sistemas de Pulverização/Spray ..................................................................... 30

2.2.1. Classificação de Bicos – Fonte de Energia para Pulverização ........................................ 31

2.2.2. Classificação de Bicos – Padrão de Pulverização ........................................................... 32

2.2.3. Classificação de Bicos – Ângulo de Pulverização............................................................ 38

2.2.4. Material a ser Pulverizado.............................................................................................. 39

2.2.5. Tamanho de gota ........................................................................................................... 41

2.2.6. Impacto da Pulverização ................................................................................................ 42

2.2.7. Problemas mais comuns nos bicos de pulverização ...................................................... 44

2.2.8. Bicos de Pulverização para Lavagem de Tanques .......................................................... 44

3. METODOLOGIA .............................................................................................................................. 47

3.1. Método de Pesquisa............................................................................................................... 47

3.2. Estudos Preliminares .............................................................................................................. 47

3.3. Coleta de Dados ..................................................................................................................... 47

3.4. Análise de Dados .................................................................................................................... 48

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................................................ 49

4.1. Reação de precipitação do Mancozeb ................................................................................... 49

4.2. Influência das partículas pequenas no processo ................................................................... 53

4.3. Atual cenário dos tanques de precipitação............................................................................ 56

4.4. Design do processo ................................................................................................................ 58

4.4.1. Utilização da carga de água bruta da precipitação para limpeza dos tanques .............. 59

4.4.2. Reutilização da água do tratamento de efluentes para limpeza dos tanques ............... 65

4.5. Escolha do tipo de bico de pulverização ................................................................................ 67

4.5.1. Bicos movidos por força externa .................................................................................... 67

4.5.2. Bicos espirais .................................................................................................................. 69

4.5.3. Avaliação dos custos da implementação da lavagem .................................................... 72

4.6. Aprendizado com a fábrica de Dithane® de Barranquilla, Colômbia ..................................... 75

5. CONCLUSÃO ................................................................................................................................... 77

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................................. 79

ANEXO 1 - Memorial de cálculo da perda de carga apresentada no trabalho ...................................... 81

13

1. INTRODUÇÃO

A limpeza interna de tanques em indústrias diversas é um tema que vem recebendo

investimentos pela sua importância para a qualidade do produto final e produtividade das

plantas. Limpeza de tanques é importante para a retirada de materiais indesejados do

processo, que podem gerar contaminações, principalmente em indústrias alimentícias e

farmacêuticas, redução de eficiência de reações químicas ou até mesmo síntese de

subprodutos de risco. Na Figura 1 a seguir, há um exemplo de redução de eficiência em uma

reação química para a produção do tempero cúrcuma, que resultou em partículas de

tamanho excessivo. Este, por exemplo, é um problema evitável por meio da limpeza de

tanques.

Figura 1 - Distribuição de tamanhos de partícula para o tempero cúrcuma.

Fonte: Carvalho, 2015.

Um aspecto importante para o processo industrial, referente a limpeza interna de

tanques é a possibilidade de automação desta etapa. Não só para garantir a qualidade e

confiabilidade dos processos, a limpeza automática de tanques é importante quando se trata

de manuseio de produtos que apresentam riscos, como solventes, produtos básicos ou

ácidos, ou a necessidade de realizar trabalhos em espaço confinado.

14

Estudos nessa área vêm sendo realizados há algumas décadas. Em 1956, foi publicada

uma patente de Bete (1956), criador de uma empresa renomada na área de tecnologia de

pulverização, a respeito da criação de um bico de pulverização que possui alta eficiência na

atomização de líquidos, pouca chance de entupimento e gerador de um padrão bem

distribuído de gotas, que tem a função de impactar superfícies com força suficiente para

carregar partículas presas. A seguir, na Figura 2, segue o desenho apresentado na Patente.

Figura 2 - Representação de um bico de pulverização criado por John U. Bete (1956).

Fonte: Bete, 1956.

Atualmente, a tecnologia de sistemas de pulverização desenvolveu produtos para

qualquer tipo de aplicação. Por exemplo, bicos de lavagem retráteis para locais onde o

equipamento não pode ficar alocado sempre, ou bicos movidos a energia ou ar comprimido,

que alcançam pressões e vazões variadas.

Bicos de pulverização para limpeza são a melhor tecnologia para lavagem de tanques

onde ocorrem reações de precipitação, pois este tipo de síntese gera uma grande quantidade

de sólidos que tende a se depositar nas paredes, chicanas e agitadores dos tanques. Este

acúmulo deve ser lavado para evitar interferência no processo, como arraste dos agregados

formados e perda na qualidade das partículas sintetizadas.

15

1.1. Objetivo

O objetivo do presente trabalho foi desenvolver um projeto para automatizar a etapa de

limpeza interna de tanques de precipitação por meio da instalação de bicos de pulverização,

visando melhorias para o processo de fabricação do fungicida Dithane®, produzido pela

empresa Dow AgroSciences na planta de Jacareí.

Os objetivos específicos são:

- Levantamento e avaliação dos tipos de bicos de pulverização descritos na literatura e

comparação com base em suas vantagens e desvantagens, aplicações, etc.

- Coleta de dados do processo, englobando estudo do depósito formado nos tanques, tempo

em que o depósito se torna crítico para o processo causando perdas na produção, estudo da

maneira que a lavagem manual dos tanques é realizada atualmente.

- Análise da melhor opção para instalação de bicos de pulverização: água de processo (carga

de água bruta utilizada na formulação da reação química) ou água gerada pelo processo que

é direcionada ao tratamento de efluentes (“água amarela”).

- Análise da melhor tecnologia de bicos de pulverização que atende as necessidades do

processo.

- Análise de custos para instalação dos bicos, envolvendo custos nas tubulações (design do

processo), custos dos bicos e custos gerais de serviços (instalações, fabricação das peças,

entre outros).

1.2. Justificativa

Atualmente, os tanques de precipitação são lavados manualmente com água pelos

operadores da planta após o final e transferência de cada lote de precipitação. Essa lavagem

16

é pouco eficiente, pois a força de impacto da água é baixa. Para retirar o grande acúmulo

formado, a fábrica deve parar e os tanques devem ser fervidos com vapor e soda cáustica

periodicamente.

Seguem algumas imagens, Figura 3 e 4 que mostram a quantidade de material

acumulado nos tanques de precipitação.

Figura 3 - Imagem do interior do tanque onde ocorre a precipitação.

Fonte: Dow Agrosciences, 2014.

Figura 4 - Imagem do interior do tanque onde ocorre a precipitação.

Fonte: Dow Agrosciences, 2014.

17

Antes da fervura, o tanque se encontra no estado mais crítico de incrustação de material.

Nesse período, a síntese gera partículas polidispersas, ou seja, com uma grande variedade de

tamanhos. Essas partículas de tamanhos diferentes acarretam em uma série de prejuízos ao

processo.

Após a reação de precipitação, a pasta gerada é encaminhada para uma etapa de

filtração, onde pode ocorrer a obstrução dos orifícios da tela de filtração devido às partículas

de tamanho inferiores ao desejado. A obstrução da tela gera perdas de produção, pois retirar

e lavar a tela são atividades demoradas e complexas. Desta forma, não é possível fazer

manutenção sem impactar a produção e gerar perdas.

Outra etapa impactada pela polidispersão das partículas é o processo de secagem.

Durante a secagem o pó passa por vários equipamentos, e uma parcela de partículas que

possui tamanho muito pequeno acaba sendo arrastada para o processo de lavagem de gases.

No lavador, ficam retidas as partículas pequenas que foram arrastadas. Além de não estarem

no processo para serem embaladas, essas partículas vão gerar maior quantidade de resíduos

a serem encaminhados para o tratamento de efluentes.

A qualidade do produto final também pode ser afetada pela presença de muitas

partículas de tamanho inferior ao desejado, o que poderá causar a rejeição do produto por

não atender as especificações de qualidade necessárias.

A implementação de um sistema de lavagem eficiente, que permita reduzir a incrustação

no tanque de precipitação é uma medida que poderia evitar ou reduzir diversas perdas de

processo como as mencionadas há pouco. A instalação de dispersores de água para

automatização da lavagem dos tanques entre o processamento dos lotes poderia aumentar a

eficiência do processo, devido ao maior grau de limpeza proporcionado. Além disso, a

automatização ajudaria a reduzir o risco aos operadores, uma vez que dispensaria a

necessidade de lavagem manual. Desta forma, o presente trabalho buscou propor melhorias

para o processo de fabricação do fungicida Dithane®, produzido pela empresa Dow

AgroSciences na planta de Jacareí, avaliando opções de implantação de um sistema de

18

lavagem automatizado dos tanques de precipitação, a fim de propor um projeto para

instalação de lavagem por dispersores.

19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Precipitação

Reação de precipitação em meio aquoso é um processo amplamente utilizado para

aplicações diversas, como produção de materiais orgânicos, inorgânicos ou para imobilização

de substâncias tóxicas para tratamento de efluentes, e está presente nas indústrias químicas,

de alimentos, farmacêutica, hidrometalúrgica, laboratórios de análise, entre outros

(DEMOPOULOS, 2008).

Existem vários métodos conhecidos presentes na literatura para geração de partículas

por reação de precipitação, como adição de agente precipitante, hidrólise, reação de oxi-

redução, decomposição dos componentes, entre outros. Estes métodos estão descritos no

Quadro 1 a seguir (MASUDA; HIGASHITANI; YOSHIDA, 2006). Porém, atualmente, a busca

maior consiste em dominar esses processos para preparar materiais com propriedades

específicas e controladas a fim de agregar valor aos processos (DEMOPOULOS, 2008). A

pesquisa está voltada principalmente para a obtenção de partículas monodispersas, de

mesmo formato e composição, estáveis no meio a que pertencem e em número controlado.

Quadro 1- O quadro mostra diversos métodos para preparação de partículas sólidas a partir de soluções

Partículas Inorgânicas

Métodos por evaporação de solvente Secagem a frio

Spray Drying

Spray Pirólise

Métodos de precipitação Adição de agente precipitante

Hidrólise

Reação Oxi-Redução

Decomposição

Continua

20

Conclusão

Reações Especiais Hidrotérmica

Fluido Supercrítico

Microemulsão

Partículas Orgânicas

Dispersão Mecânica e Métodos de Mistura

Interfacial

Polimerização em Suspensão

Polimerização por Emulsão

Polimerização por Mini-Emulsão

Métodos Capilares Bicos de Vibração

Membranas Porosas

Métodos por Separação de Fases

Polimerização livre de

emulsificantes

Polimerização por Micro-

Emulsão

Polimerização por Inversão de

Micela

Coacervação

Outros Polimerização com Semente

Fonte: Demopoulos, 2008.

2.1.1. Monodispersidade de partículas

Para que as partículas geradas em uma reação de precipitação tenham alto valor

agregado é necessário que sejam monodispersas. A monodispersidade das partículas é

atribuída à uniformidade de suas propriedades físico-químicas em um sistema, o que torna

possível caracterizar o sistema como um todo com propriedades que são específicas para

cada partícula (SUGIMOTO, 1987).

A monodispersidade de um sistema de partículas pode ser observada no gráfico de

distribuição de tamanhos de partícula, como exemplifica a Figura 5 a seguir.

21

Figura 5 - Gráfico representativo de distribuição de tamanhos de partícula que mostra tamanhos de partícula na abscissa e densidade de distribuição na ordenada.

Fonte: Masuda, Higashitani e Yoshida, 2006.

A figura anterior trata-se de uma distribuição normal (ou Gaussiana), cuja abscissa é

linear. Na ordenada, o termo ̅̅̅ representa a densidade da distribuição de tamanhos em

colunas, representa o mesmo valor, porém está colocado no gráfico em linha pontilhada

e também representa a densidade de distribuição de tamanhos, contudo, de forma

cumulativa. A abscissa do gráfico, x em [mm], representa tamanhos de partícula (MASUDA;

HIGASHITANI; YOSHIDA, 2006).

22

Também é possível representar a distribuição de partículas em um gráfico com abscissa

logarítmica, chamada distribuição de Poisson, como representado na Figura 6 a seguir, onde

os termos na ordenada e abscissa representam o mesmo descrito anteriormente.

Figura 6 - Gráfico representativo de distribuição de tamanhos de partícula que mostra tamanhos de partícula na abscissa e densidade de distribuição na ordenada.


Para que um sistema seja monodisperso, é necessário que essas curvas sejam o mais

estreitas possível, indicando que para apenas um tamanho de partículas, há uma grande

densidade de partículas.

Um estudo feito por Matijevic (1985) aponta que por meio do controle da cinética da

reação de precipitação é possível obter apenas uma fase de nucleação, que posteriormente

apresentará crescimento uniforme, resultando assim em partículas com uma distribuição

23

estreita de tamanhos. Essa teoria foi estudada inicialmente por Victor K. Lamer (1950), e

posteriormente, resumida um estudo feito por Sugimoto (1987). Segundo Sugimoto (1987),

existem duas principais condições que um sistema de partículas deve seguir para ser

caracterizado como monodisperso:

a) Separação entre o processo de nucleação e crescimento.

A teoria sobre o processo de nucleação e crescimento pode ser entendida por meio do

diagrama, representado na Figura 7 a seguir.

Figura 7 - Diagrama de LaMer para formação de partículas monodispersas (CS: solubilidade; C*min: concentração mínima para nucleação; C*max: concentração máxima para nucleação; I: período de pré-nucleação; II: período de nucleação; III: período de crescimento).

Fonte: Lamer, 1950.

Durante o estágio I, a concentração da substância aumenta e não ocorre precipitação.

Quando a concentração alcança a concentração mínima para início da precipitação, C*min, o

estágio II é iniciado. Neste estágio, a concentração da substância continua aumentando até

chegar à concentração máxima, C*Max, e depois diminui. No estágio II, inicia-se a nucleação,

formando as primeiras partículas, e a concentração da substância começa diminuir, pois é

24

consumida pela formação das partículas de precipitado. Quando ainda no estágio II, a

concentração atinge C*min novamente, o processo de nucleação termina e inicia-se o estágio

III. O estágio III consiste no crescimento das partículas, onde é possível observar que a

concentração da substância diminui até um ponto mínimo, CS, que é a quantidade da

substância que sempre estará solúvel no meio. Nessa etapa, o consumo do soluto deve ser

suficientemente rápido, mantendo a supersaturação baixa, para eliminar a chance de

continuar ocorrendo nucleação (DEN OUDEN, 1991).

Caso a concentração da substância a ser precipitada atinja uma concentração máxima

menor que C*Max, esse valor não será alto o suficiente para o processo correto, e o

crescimento das partículas ocorrerá em paralelo à nucleação. Dessa forma, um sistema

monodisperso não será obtido. Por esse motivo a separação do processo de nucleação e

crescimento é uma condição fundamental para obtenção de um sistema com partículas

monodispersas (SUGIMOTO, 1987; LAMER, 1950).

Morales (1992) fez um estudo para preparação de um sistema monodisperso de

partículas de α - Fe2O3. Foi observado que alguns casos de precipitação aparentam ser mais

complexos do que Lamer (1950) apontou em seu estudo inicial. No caso de sua análise

ocorreu agregação de partículas menores geradas no início da reação e ainda assim foi

obtido um sistema monodisperso (MORALES, 1992).

Um estudo feito por Den Ouden (1991) propõe uma teoria diferente em relação à

separação entre nucleação e crescimento das partículas para garantir um sistema

monodisperso. Chamada de metodologia de equilíbrio das populações, o estudo prova que

pode ocorrer crescimento das partículas juntamente com a nucleação se o crescimento tiver

uma velocidade baixa em relação à velocidade da nucleação, e ainda será gerado um sistema

monodisperso. A metodologia também revela que a energia de interface das partículas

formadas é um parâmetro determinante para um bom resultado da precipitação, pois

qualquer modificação nessa energia altera a taxa de nucleação e seu ponto máximo (C*Max).

Quanto maior a energia interfacial das partículas, o tempo de nucleação é menor e mais

estreita é a curva de distribuição de tamanho de partículas (DEN OUDEN, 1991).

25

Uma opção para garantir a separação da nucleação e crescimento visando um sistema

monodisperso é utilizar partículas sementes, processo que consiste em adicionar um número

controlado de partículas sólidas no meio reacional para que o crescimento ocorra a partir

dessas partículas pré-existentes, ou seja, a etapa de nucleação é eliminada, garantindo que

só o crescimento ocorra (SUGIMOTO, 1987). No caso de uma reação de precipitação que

ocorre com a adição de um sal que fará papel de agente precipitante, a semente pode ser

uma quantidade prévia de agente precipitante do meio. Dessa forma, quando o soluto a ser

precipitado entrar no meio, reagirá com esse número específico de íons do agente

precipitante e a reação de nucleação ocorrerá a partir desse número específico de íons, e não

de forma descontrolada, como ocorreria caso o agente precipitante e o soluto fossem

adicionados simultaneamente.

b) Inibição da coagulação

Como as partículas estão em contato direto umas com as outras, existe a possibilidade de

aderência entre elas de forma irreversível. Na superfície de contato entre as partículas pode

ocorrer uma troca entre os íons que resultará em ligações fortes, causando a coagulação das

partículas e, consequentemente, gerando partículas com tamanhos distintos. Portanto, é

fundamental evitar que a coagulação ocorra (SUGIMOTO, 1987).

Uma forma de inibir a coagulação é garantindo que haja uma camada eletrônica ao redor

das partículas, como mostrado na Figura 8, com mesma carga, para que ocorra repulsão,

evitando a proximidade das partículas e possível união.

Figura 8 - Representação da camada eletrônica ao redor da partícula.

Fonte: Criação própria.

26

Além disso, é possível utilizar um gel precursor na reação, logo após a etapa de

nucleação, dessa forma, as partículas irão crescer e o gel estará envolvendo, evitando a

interação e possível coagulação das partículas.

Também é possível utilizar agentes de proteção, como surfactantes e agentes

complexantes, como indicado na Figura 9, que fazem parte da estrutura das partículas. Esses

agentes auxiliam as partículas a terem uma estrutura mais regular e, dessa forma, ocorre a

repulsão de Coulomb entre elas, evitando a coagulação (SUGIMOTO,1987).

Figura 9 - Representação de agentes surfactantes ao redor da partícula.


Além dos itens citados, é importante que haja sempre uma agitação adequada durante a

reação e que, após o término, caso haja outras etapas no processamento do produto, não

ocorra tempos elevados de espera com o produto parado e sem agitação.

Há ainda influência da monodispersidade de partículas em outras propriedades físico-

químicas de um sistema. Essa influência na viscosidade de um fluido, por exemplo, foi

analisada por Chong (1971). A viscosidade é um parâmetro fundamental a ser estudado, pois

dela depende o transporte de fluidos. O estudo mostra que a alteração de um sistema

monodisperso para polidisperso pode reduzir a viscosidade de uma pasta em até 14%

(CHONG, 1971).

27

Um sistema monodisperso é importante não somente para obtenção de um produto de

melhor qualidade e maior valor agregado, mas também para manter um processo industrial

confiável e sem perdas de produção. Partículas com tamanho diferentes possuem maior

chance de sedimentação, depósito e posterior arraste de agregados, como será detalhado a

seguir. Além disso, podem ocorrer problemas como obstrução de sistemas de filtração,

dificuldade de transporte de sólidos em gás ou pastas (sólidos dispersos em líquido) e até

mesmo controle de temperatura em alguns equipamentos.

2.1.2. Sedimentação de Partículas

Sedimentação é um fenômeno importante que deve ser observado, pois tem influência

tanto nas medições das características de partículas como pode alterar o comportamento

das partículas em determinadas operações unitárias, como mistura, transporte, agitação,

entre outros (MASUDA; HIGASHITANI; YOSHIDA, 2006).

A taxa de sedimentação de partículas em uma suspensão bem distribuída é mais baixa

que a velocidade de sedimentação de uma partícula única, pois a proximidade entre elas

causa influencia na movimentação. Apesar disso, o fenômeno ainda ocorre de forma

considerável em sistemas monodispersos (RHODES, 2008).

A sedimentação ocorre de maneira mais acentuada em sistemas polidispersos, pois, por

possuírem partículas de tamanhos diferentes, as forças exercidas entre as partículas são

distintas. Dessa forma, a taxa de sedimentação não é diminuída como explicado

anteriormente. Segue um exemplo do que ocorre na Figura 10.

28

Figura 10 - Esquema de como ocorre a sedimentação em sistemas monodispersos e polidispersos.


2.1.3. Deposição e Arraste de Partículas

Deposição de partículas é um fenômeno na qual as partículas de um fluido são

transportadas próximas a superfícies (parede de tanques, chicanas, agitadores, tubulações) e

ali se fixam. Este fenômeno é importante em várias situações, como, por exemplo,

incrustação em paredes de tubulações que transportam fluido com alto teor de sólidos ou

gases com partículas sólidas, problemas de micro-contaminação em processamento de

materiais avançados, desempenho insatisfatório de filtros de gases ou líquidos ou ainda

incrustação no interior de tanques. Quando as partículas são depositadas na superfície, elas

se ligam por adesão na superfície e entre elas. Se um fluido com determinada força que seja

suficientemente alta colidir com essas partículas, ocorrerá o arraste (MASUDA; HIGASHITANI;

YOSHIDA, 2006).

29

O arraste significa a retirada das partículas depositadas de seu local e retorno para o

fluido. Em geral, pequenas partículas dificilmente sairão da sua camada de depósito, porém,

um grupo de partículas agregadas sairá com maior facilidade. Esse tipo de agregado de volta

ao fluido influencia vários setores da engenharia, como dispersão de pó ou partículas em um

líquido, medição do tamanho de partícula, transporte pneumático de pó, reações de síntese

de partículas, entre outros.

O conceito de arraste de agregados de uma camada de partículas depositadas em uma

parede ou tubulação está representado na Figura 11 a seguir. Como a camada de partículas

não é lisa, os agregados mais salientes experimentam uma força de arraste maior, e por este

motivo são quebradas e retornam ao meio (MASUDA; HIGASHITANI; YOSHIDA, 2006).

Figura 11 - Conceito de arraste de agregados de partículas depositadas em paredes em um caso de fluxo turbulento.


Após um arraste de um agregado da superfície de depósito, uma nova superfície estará

exposta ao fluido, e o arraste seguinte provavelmente ocorrerá próximo ao local do primeiro

(MASUDA; HIGASHITANI; YOSHIDA, 2006).

É importante apontar que o depósito de camadas de partículas também está associado à

rugosidade da superfície do tanque ou tubulação por onde o fluido passa e das condições de

30

vibração da superfície onde o depósito pode ocorrer. Já o arraste está associado à velocidade

e turbulência do fluido que passa pela camada de depósito, e também à probabilidade de

quebra de um agregado da superfície.

2.2. Tecnologia de Sistemas de Pulverização/Spray

A partir de todas as considerações relatadas anteriormente a respeito da importância de

um sistema de partículas monodisperso e todas as descrições de problemas causados por

depósito de partículas em superfícies de tanques, segue uma revisão sobre tecnologia de

sistemas de pulverização para limpeza automática de tanques.

Como é detalhado nos objetivos do presente trabalho, há a necessidade de manter dois

tanques onde ocorre reação de precipitação limpos para melhorar a síntese das partículas,

obter um sistema monodisperso e manter todo o processo em sequência com maior

confiabilidade e qualidade.

A tecnologia de pulverização, ou spray é utilizada em diversas indústrias como

farmacêutica, automobilística, de papel, tintas, química, além de ser utilizada para fins de

irrigação e pulverização de agroquímicos em plantações (PAGCATIPUNAN, 2005; TEEJET

TECHNOLOGIES, 2003).

Dentre as várias aplicações de um bico, sua função pode ser limpeza de tanques,

reatores, telas de filtração, pode ser pintura de metais, secagem de produtos, lubrificação,

resfriamento, hidratação, rinsagem, controle de pó, proteção contra incêndio, entre outros.

Isso mostra a grande variedade de indústrias e operações que podem ser melhoradas por

meio da tecnologia de spray.

Os bicos de pulverização são desenhados de acordo com sua aplicação e suas condições

de operação. Seu desempenho depende do tipo de bico utilizado, do padrão que a

pulverização atinge no local de atuação, de sua capacidade, pressão e vazão de operação,

31

material de construção, velocidade das gotas, e ângulo e impacto da pulverização

(PAGCATIPUNAN, 2005).

2.2.1. Classificação de Bicos – Fonte de Energia para Pulverização

Há mais de 150.000 combinações de design e capacidade de bicos de pulverização

disponíveis. Portanto, para definir o melhor bico para a aplicação necessária, é importante

conhecer como os bicos são classificados em relação à sua fonte de energia (LIPP,2014).

a) Energia Cinética do Líquido

A pulverização ocorre por meio da combinação da formação do filme de líquido e de sua

turbulência, o que causa a quebra do líquido em gotas (LIPP,2014). A energia cinética do

líquido pode tanto causar a quebra do fluido em gotas para pulverização quanto realizar essa

quebra e rotacionar um bico móvel para maior cobertura de pulverização.

b) Energia Cinética do Gás

Um gás em alta velocidade em contato com uma corrente de líquido causa a quebra do

fluido em gota.

c) Energia Mecânica

O líquido sai por um equipamento rotativo de alta velocidade que pode ser movido por

energia elétrica ou ar comprimido.

d) Energia Vibratória

Vibrações em alta frequência na superfície de saída do líquido causam ondas que formam

um padrão de pulverização.

32

2.2.2. Classificação de Bicos – Padrão de Pulverização

O padrão de pulverização descreve a dispersão das gotas em um plano perpendicular ao

eixo do bico. Os tipos mais comuns de padrão estão representados na Figura 12 a seguir. O

padrão de pulverização é o primeiro critério que exclui grande número de bicos no momento

da busca pela tecnologia correta. O padrão de cone cheio é um dos mais utilizados, pois

permite uma distribuição uniforme do fluido por uma área (LIPP, 2014).

Figura 12 - Padrões de pulverização de bicos. Os dois primeiros consistem em padrões estreitos e uniformes; o terceiro em um cone vazio, seguido por cone cheio e por um padrão de jato sólido.

Fonte: Lipp, 2014.

A seguir, segue uma descrição a respeito dos diferentes tipos de padrão de pulverização

gerados por bicos e suas principais aplicações. Os exemplos dados são a combinação de

informações de empresas diferentes que trabalham com essa tecnologia (SPRAYING

SYSTEMS CATALOG, 2014).

a) Bico de Cone Cheio

Este bico utiliza um sistema de palhetas internas para produzir um spray com padrão de

cone sólido. O tamanho das gotas varia entre médio e grande. A seguir, segue a Figura 13.a.

com a representação do padrão de pulverização e a Figura 13.b. com a imagem referente ao

formato da área atingida pelo spray. O bico pode trabalhar em ângulos de 15° a 125°

(SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014). As principais aplicações para esse tipo de bico são:

injeção química, supressão de pó, proteção contra incêndio, resfriamento de metais, lavagem

e rinsagem.

33

Figura 13 - a. Representação do padrão de pulverização do bico de cone cheio; b. Representação do formato da área atingida pelo bico de cone cheio.

a. b.

Fonte: Spraying Systems Catalog, 2014.

b) Bico Espiral de Cone Cheio

O bico produz um padrão de pulverização de cone cheio por meio da passagem do fluido

pelos vazios do espiral. O padrão é menos uniforme quando comparado ao bico anterior e as

gotas geradas são mais grossas. A seguir, segue a Figura 14.a com a representação do padrão

de pulverização e a Figura 14.b com a imagem referente ao formato da área atingida pelo

spray. O bico pode trabalhar em ângulos de 50° a 170° (SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014).

As principais aplicações para esse tipo de bico são: supressão de pó, proteção contra

incêndio, dessulfurização de gases de combustão, lavagem de tanques.

c) Bico Oval de Cone Cheio

O bico utiliza um sistema de palhetas internas para produzir um spray com padrão de

cone sólido em formato oval, onde a largura é aproximadamente metade do comprimento. O

tamanho das gotas varia entre médio e grande. A seguir, segue a Figura 15.a com a

representação do padrão de pulverização e a Figura 15.b com a imagem referente ao

formato da área atingida pelo spray. O bico pode trabalhar em ângulos de 60° a 105°

(SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014). As principais aplicações para esse tipo de bico são:

lavagem de ar/gases, resfriamento, controle de pó, supressão de fogo.

34

Figura 14 - Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida pelo spray.

a. b.


Figura 15 - a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida pelo spray.

a. b.


d) Bico Estreito Uniforme

O bico produz uma distribuição uniforme em um padrão de pulverização estreito

retangular com gotas finas. A seguir, segue a Figura 16.a com a representação do padrão de

pulverização e a Figura 16.b com a imagem referente ao formato da área atingida pelo spray.

35

O bico pode trabalhar em ângulos de 25° a 65° (SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014). As

principais aplicações para esse tipo de bico são: pintura, resfriamento, hidratação e limpeza.

Figura 16 - a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida pelo spray.

a. b.


e) Bico Cone Vazio

O bico utiliza uma câmara de turbilhonamento para rotacionar o fluido e produzir um

padrão circular. Seu padrão é uma combinação de gotas pequenas e alta capacidade. A

seguir, segue a Figura 17.a com a representação do padrão de pulverização e a Figura 17.b

com a imagem referente ao formato da área atingida pelo spray. O bico pode trabalhar em

ângulos de 40° a 165° (SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014). As principais aplicações para

esse tipo de bico são: resfriamento de ar, gases e água, resfriamento produtos durante

transporte, controle de pó, dessulfurização de gases de combustão, aeração de água.

36

Figura 17- a. Representação do padrão de pulverização; b. Representação do formato da área atingida pelo spray.

a. b.


f) Bico de Jato Sólido

Produz um jato sólido com o maior impacto por unidade de área. A seguir, segue a Figura

18.a com a representação do padrão de pulverização e a Figura 18.b com a imagem referente

ao formato da área atingida pelo spray. O bico não trabalha com ângulos variados (SPRAYING

SYSTEMS CATALOG, 2014). As principais aplicações para esse tipo de bico são: limpeza de

tanques quando a remoção completa do material depositado é necessária.

g) Atomizador de Ar

Produz uma variedade de cones e jatos estreitos por meio de atomização do líquido com

ar comprimido. Gera gotas finas. A seguir, segue a Figura 19.a com a representação do

padrão de pulverização e a Figura 19.b com a imagem referente ao formato da área atingida

pelo spray. O bico trabalha com ângulos de 18° a 360° (SPRAYING SYSTEMS CATALOG, 2014).

As principais aplicações para esse tipo de bico são: pintura, resfriamento por evaporação,

umidificação, hidratação.

37


a. b.



a. b.


38

2.2.3. Classificação de Bicos – Ângulo de Pulverização

O ângulo efetivo de pulverização, dado fundamental para descrever um bico, é

diferente do ângulo inicial de pulverização. Este ângulo efetivo varia com a distância do

objeto a ser pulverizado ao bico, como indica a Figura 20. Como as gotas, logo que saem do

bico, estão sob a ação de forças externas, como gravidade e gases da atmosfera do local de

aplicação, elas são desaceleradas, e o ângulo efetivo é menor que o ângulo inicial. Da mesma

maneira, a área de cobertura do spray é menor do que a ideal que seria gerada pelo ângulo

inicial (BETE, 2014).

Figura 20 - Representação do ângulo inicial e do ângulo efetivo de uma pulverização, tal como da distância real de cobertura.

Fonte: Lipp, 2014.

39

2.2.4. Material a ser Pulverizado

As propriedades físicas do material que será pulverizado e as condições de pulverização

são fundamentais para definir a tecnologia adequada. Densidade, tensão superficial,

viscosidade e temperatura influenciam diretamente o tamanho das gotas geradas pelo bico,

o ângulo efetivo, entre outros parâmetros (LIPP, 2014).

a) Densidade

Ao observar um catálogo de bicos de pulverização, é possível descobrir sua vazão, porém,

se sua viscosidade for maior do que a da água, a vazão volumétrica da pulverização será mais

baixa do que a indicada, pois mais energia seria necessária para acelerar o fluido (LIPP, 2014).

A relação entre a vazão (Q) do fluido e sua gravidade específica (GE) é a seguinte Equação 1

(lembrando que a gravidade específica consiste na razão da densidade do fluido pela

densidade da água) (BETE, 2014):

√

Equação 1

b) Tensão Superficial

Líquidos com tensão superficial menor do que a da água tendem a gerar partículas com

menor tamanho sob mesmas condições.

A tensão superficial diminui com pequena variação de aumento da temperatura, e pode

ser medida pelo número Weber (We), Equação 2, adimensional, que relaciona as forças de

inércia com a força de tensão superficial:

Equação 2

ρg é a densidade do gás (kg/m3), D é o diâmetro da gota (m), Δv é a diferença entre a

velocidade da gota (vd) e a velocidade do gás ao redor da gota (vg) (m/s) e é a tensão

40

superficial (N/m). Quando o número de Weber está acima de um patamar crítico, as gotas

quebrarão em partículas pequenas (LIPP, 2014).

c) Viscosidade

Materiais mais viscosos geram gotas maiores em comparação com materiais menos

viscosos (LIPP, 2014). Para materiais com viscosidades muito altas, acima de 100 cP, é difícil

realizar pulverização, exceto por atomização com ar comprimido (BETE, 2014). A viscosidade

dos materiais varia com a temperatura e, em casos de materiais mais complexos, como

misturas, varia com o cisalhamento na entrada do bico (LIPP, 2014).

Na Figura 21 há um gráfico que mostra a viscosidade relacionada com a força de

cisalhamento. Na tubulação, o material se comporta como fluido viscoso, com uma taxa de

cisalhamento de 100 s-1. Já durante a atomização no bico, o taxa de cisalhamento varia entre

5000 e 20000 s-1, e a viscosidade se torna menor, a seguir de 10 cP, indicando que o material

será facilmente pulverizado. Este é o comportamento típico de materiais pseudoplásticos

(LIPP, 2014).

Figura 21 - Comportamento de material pseudoplástico, com diminuição da viscosidade com aumento da taxa de cisalhamento.

Fonte: Lipp, 2014.

41

2.2.5. Tamanho de gota

Um tamanho de gota preciso é um fator importante para a efetividade da operação de

pulverização. A maioria das aplicações dos bicos de pulverização depende dessa informação.

Por exemplo, para resfriamento por evaporação, supressão de fogo, spray dryer, lavagem de

tanques, essa informação é fundamental (SHICK, 2014; BETE 2014).

O processo de formação da gota é chamado de atomização e ele é iniciado ao forçar a

passagem do material por um bico. O potencial de energia do líquido (medido por meio da

pressão do líquido) juntamente com a geometria do bico faz com que o líquido saia como

pequenos filetes compridos e estreitos. Esses filetes, posteriormente, são quebrados em

pedaços menores, que são as gotas ou partículas de líquido. O processo está esquematizado

na Figura 22 a seguir (SCHICK, 2014).

Figura 22 - Representação da formação de gotas na atomização.

Fonte: Schick, 2014.

Cada bico de pulverização promove uma faixa de tamanhos de gotas, que é chamada de

distribuição de tamanho de gota. O desenho do bico, ou seja, o caminho que ele promove

para que o líquido percorra, é responsável pelo tamanho das gotas e pelo padrão formado,

como mostrado no item 2.2.2. Além do bico, propriedades do material a ser atomizado,

capacidade do bico, pressão de pulverização, entre outros, também influenciam no tamanho

das gotas.

42

2.2.6. Impacto da Pulverização

Para bicos de pulverização utilizados com a finalidade de limpeza de tanques, deve ser

feita a combinação de três itens: reação química, temperatura e energia mecânica. Segue

um esquema na Figura 23.

Figura 23 - Esquema do que é necessário para limpeza de tanques.


Em relação à reação química, para limpeza de tanques com tinta, por exemplo, é

interessante usar um solvente para facilitar a retirada dos resíduos do tanque. Em relação à

temperatura, deve ser analisada a solubilidade do material que deve ser retirado do tanque.

Para materiais que tem sua solubilidade aumentada com a temperatura alta, a limpeza deve

ser feita em alta temperatura. Já a energia mecânica é obtida pelo impacto, que é necessário

para que um bico seja eficiente na limpeza de superfícies e é uma grandeza que relaciona a

vazão e pressão do fluido que sai do bico. Portanto, o impacto das gotas durante a

pulverização, juntamente com o tamanho da gota citado anteriormente, é extremamente

importante, dependendo da aplicação do bico. Para lavagem de tanques, é importante que

as gotas sejam grandes e tenham alto impacto, já para resfriamento, por exemplo, as gotas

devem ser menores, para haver mais área de contato, e não é necessário alto impacto.

A Equação 3 a seguir pode ser usada para calcular o impacto teórico da pulverização.

√ Equação 3

Onde I é a medida do “impacto teórico” em quilogramas, K uma constante adimensional

(para quilogramas, utilizar 0,024), Q é a vazão em L/min e P a pressão do líquido em kg/cm2

43

(BETE, 2014). Os bicos de jato sólido não seguem a equação 3. Eles geram um impacto

equivalente a 1,9 vezes a pressão do fluido logo antes da saída do bico. Portanto, o maior

impacto é obtido utilizando estes bicos.

Para os outros modelos de bico, é necessário utilizar a Equação 3 em conjunto com o

Quadro 2 a seguir, multiplicando o valor de impacto teórico obtido pela porcentagem da

tabela a seguir, obtendo assim, o “impacto real” do fluido na superfície do tanque.

Quadro 2 – Quadro com valor percentual do impacto total teórico em relação ao tipo de bico de pulverização e o ângulo de pulverização para posterior cálculo do impacto total real.

Padrão de

pulverização

Ângulo de

pulverização

Percentual do valor

teórico do impacto total

Estreito uniforme

15° 30%

25° 18%

35° 13%

40° 12%

50° 10%

65° 7,0%

80° 5,0%

15° 11%

Cone cheio

30° 2,5%

50° 1,096

65° 0,4%

80° 0,2%

100° 0,1%

Cone vazio 60°, 80° 1,0 a 2,0%


44

2.2.7. Problemas mais comuns nos bicos de pulverização

Durante operação, os bicos de pulverização podem sofrer alguns problemas que

impactam seu desempenho, pois mudam tamanho de partícula, impacto e

consequentemente o padrão e ângulo de pulverização (PAGCATIPUNAN, 2005).

Os problemas mais comuns são:

a. Erosão: Com o tempo, os bicos sofrem desgaste e as passagens internas e orifícios

tornam-se mais largos. Como resultado, é comum o fluxo aumentar, a pressão diminuir, o

padrão de pulverização tornar-se irregular e as gotas aumentarem.

b. Corrosão: O material dos bicos de pulverização pode ficar corroído devido a agentes

de limpeza, composição do líquido que está sendo pulverizado e a atmosfera do local onde

está instalado. Os resultados são parecidos com os apresentados para erosão. Essa é uma

preocupação principalmente para bicos utilizados para spray dryer e lavagem de tanques.

c. Altas temperaturas: Alguns líquidos são pulverizados em altas temperaturas ou a

atmosfera é aquecida. O material desse bico deverá ser resistente a temperatura ou sofrerá

danos. Problema comum em spray dryer, onde as temperaturas são elevadas.

d. Incrustação: Evaporação de líquido ao redor do bico pode causar pequenas

incrustações na parte interna e no orifício dos bicos. Esse problema resulta em uma restrição

do fluxo e consequentemente, deformação no padrão de pulverização.

e. Entupimento: Partículas sólidas indesejadas entopem os orifícios de saída dos bicos,

causando restrição do fluxo e deformação no padrão de pulverização. Esse problema ocorre

principalmente em bicos para lavagem de tanques, e é a causa de lavagens inadequadas e

possível contaminação de lotes (PAGCATIPUNAN, 2005).

2.2.8. Bicos de Pulverização para Lavagem de Tanques

45

Há três principais modelos de bicos de pulverização para lavagem de tanques disponíveis:

Bicos estacionários, bicos rotativos e máquinas de limpeza.

Os bicos estacionários são caracterizados por necessitarem de pouca manutenção e

podem ser instalados com uma tubulação estreita para entrada de líquido de limpeza. Seu

preço não é muito elevado e possui orifício de saída do líquido de lavagem largo (FOG

NOZZLE, INC, BETE, 2013). A seguir, seguem exemplos de bicos estacionários na Figura 24.

Figura 24 - Exemplos de bicos de pulverização estacionários para lavagem de tanques.

Fonte: Fog Nozzle, INC, BETE, 2013.

Os bicos rotativos são impulsionados por uma força externa, que pode ser energia

elétrica ou ar comprimido, ou pela própria vazão e pressão do líquido. Eles possuem maior

impacto quando comparados com os bicos estacionários, porém, o preço é mais elevado. O

ângulo de pulverização pode ser de até 360°, eles utilizam pouco líquido, operam em pouco

tempo e tem orifícios de saída mais estreitos, aumentando a possibilidade de incrustação ou

entupimento. A seguir, seguem exemplos de bicos rotativos na Figura 25.

46

Figura 25 - Exemplos de bicos de pulverização rotativos para lavagem de tanques.

Fonte: Fog Nozzle, INC, BETE, 2013.

Já as máquinas de limpeza são utilizadas apenas em situações extremas, como containers

de malte ou armazenagem de leite, que necessitam de uma limpeza muito eficiente e

descontaminação (FOG NOZZLE, INC, BETE, 2013).

47

3. METODOLOGIA

3.1. Método de Pesquisa

O método de pesquisa utilizado no presente trabalho foi o Estudo de Caso. O qual

consistiu na investigação e análise de um problema encontrado na planta de Dithane da Dow

AgroSciences. O método estudo de caso permite um real entendimento dos eventos, com

definição completa do problema, indicação de todas as consequências envolvidas e proposta

de solução do problema.

3.2. Estudos Preliminares

Este projeto previu estudos aprofundados e multidisciplinares. Ao final de cada um

destes estudos, foram realizadas reuniões para discussão sobre os aprendizados obtidos e

discussão sobre os pontos seguintes dos estudos, além das avaliações sobre as ações a serem

tomadas.

3.3. Coleta de Dados

Para realização de coleta de dados foi realizado um estudo em campo. Os tanques foram

observados e fotografados, tal como seus agitadores. As tubulações, bombas e instrumentos

em linhas envolvidos no projeto foram observados e medidos em campos e a atividade de

limpeza com água bruta realizada pelos operadores da planta foi também avaliada.

48

Outras informações necessárias foram obtidas por meio do software da planta

(PlantSuite) que mostra as informações dos transmissores dos instrumentos.

Os custos necessários para a implantação do projeto foram estimados por meio de

cotações feitas com os fornecedores de cada área envolvida (compra dos bicos de

pulverização, modificação nas tubulações, alteração no tanque).

3.4. Análise de Dados

Os dados foram analisados e a melhor tecnologia foi definida por meio da consulta à

literatura sobre tanques com sistemas de lavagem por pulverização, além da consulta a

informações disponibilizadas pelos fornecedores do equipamento.

49

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Reação de precipitação do Mancozeb

A reação de precipitação que ocorre no tanque em estudo envolve o etileno bis-

ditiocarbamato (EBDC), que é material intermediário formulado na fábrica, o sulfato de

manganês (MnSO4), que é o agente precipitante, e água. Quando o MnSO4 entra em contato

com o EBDC, inicia-se a formação de partículas que crescem até certo diâmetro e se

estabilizam no meio. Esse produto da precipitação é chamado de Maneb. A seguir, segue a

Figura 26 para esquematizar a reação de precipitação.

Figura 26 - Desenho esquemático da reação de precipitação do EBDC com o Sulfato de Manganês.


O EBDC, quando entra no tanque de precipitação, entra numa temperatura elevada.

Devido a temperatura, a atmosfera dentro do tanque fica com vapores de EBDC. Além disso,

quando é iniciada a carga de MnSO4, uma quantidade deste sulfato também fica vaporizada

na atmosfera. Dessa forma, é comum ocorrer depósitos de material precipitado em locais no

topo do tanque. É por este motivo que não é indicado utilizar bicos com orifícios de saída de

líquido muito estreitos.

50

As partículas formadas na reação de precipitação têm um diâmetro pouco maior que 100

µm. Como dito anteriormente, em uma reação de precipitação ideal o gráfico de distribuição

de tamanhos de partícula deve apresentar um perfil o mais estreito possível e com apenas

um pico. Isto mostra que a maioria das partículas possui o mesmo tamanho e o sistema está

monodisperso.

Nas Figuras 27, 28, 29, 30 e 31 a seguir são representados os gráficos de distribuição de

tamanho de partículas com o tanque limpo, sem nenhum depósito de material e após um

tempo em que a limpeza foi feita.

Figura 27 – Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em precipitação realizada em tanque recentemente limpo. Data da amostragem e análise - 13/03/2014.

Fonte: Dow AgroSciences, 2014.

A Figura 27, a qual mostra a distribuição de tamanho de partículas em uma reação

feita com o tanque limpo, só há um pico, o que mostra que a maioria das partículas possui

diâmetro semelhante.

51

Figura 28 - Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em precipitação realizada em tanque recentemente limpo. Data da amostragem e análise - 13/04/2014


Figura 29 - Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em precipitação realizada em tanque com início de acúmulo de material. Data da amostragem e análise - 13/05/2014.


52

Figura 30 - Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em precipitação realizada em tanque com acúmulo de material. Data da amostragem e análise - 13/06/2014.


Figura 31 - Gráfico de distribuição do tamanho de partículas para análise do produto Maneb, em precipitação realizada em tanque com quantidade significativa de acúmulo de material. Data da amostragem e análise - 13/07/2014.


A partir da Figura 28, as quais mostram a distribuição de tamanho de partícula para o

produto obtido em reações feitas com o tanque com uma quantidade significativa de

acúmulo, é possível observar o aparecimento de um segundo pico, com partículas de

tamanho menor que o desejado. O surgimento de um segundo pico indica a existência de

uma grande quantidade de partículas com diâmetro pequeno. Nenhum dos gráficos

apresentou um pico estreito, isto mostra que as partículas apresentam tamanhos próximos,

mas não exatamente os mesmos.

53

A partir da análise destes gráficos que mostram sistemas polidispersos resultantes de

precipitações em tanque lavados manualmente, com dois picos de distribuição, é possível

concluir que o acúmulo de material nas paredes e agitadores dos tanques causa uma

influência negativa na reação de precipitação. Estas partículas menores formadas nas

reações que ocorrem nos tanques com acúmulo são de difícil recuperação devido ao

tamanho, e desta forma acabam saindo do processo e diminuindo a produtividade da fábrica.

Além do que, a presença de partículas de tamanho menor que o desejado acaba impactando

em outras etapas do processo. As principais etapas do processo que serão prejudicadas pelas

partículas menores serão descritas na próxima sessão.

4.2. Influência das partículas pequenas no processo

A Figura 32 mostra um esquema da fabricação do fungicida de forma simplificada, onde é

possível encontrar os equipamentos que estão antes e após a reação de precipitação.

Figura 32 - Esquema do processo de produção de Mancozeb


54

Nos reatores acontece a reação de formação do EBDC e nos tanques de precipitação é

carregado água, EBDC e o MnSO4. A reação de precipitação ocorre e nela são formadas as

primeiras partículas de Maneb para, posteriormente, iniciar o processo de secagem até

obtenção do produto final (um pó com baixo teor de umidade).

Logo após a precipitação, o Maneb passa por um filtro. A pasta de Maneb é colocada na

parte superior da tela que faz a filtragem e, na parte inferior, há vácuo. Quando a reação de

precipitação gera muitas partículas pequenas, duas coisas podem acontecer: as partículas

pequenas podem passar pela tela e serem descartadas para o sistema de tratamento de

efluentes ou, se as partículas forem um pouco maiores, elas podem ficar presas na tela,

saturando-a e prejudicando todo o sistema de filtração. Segue um esquema do filtro na

Figura 33 a seguir. A figura mostra a entrada de pasta e o movimento que o filtro faz, levando

a pasta até o final enquanto é aplicado vácuo pelas tubulações inferiores.

Figura 33 - Esquema no filtro.


As partículas pequenas que permanecerem na pasta e continuarem no processo irão para

as etapas de secagem. Nessas etapas, o pó é arrastado por um sistema pneumático e,

quando há partículas muito pequenas, elas ficam suspensas e não trafegam normalmente

pelo processo para chegarem à embalagem. Estas partículas acabam sendo carregadas para

o processo de lavagem de gases/pó. O lavador possui um exaustor, que puxa a corrente de ar

55

com pó para fora e tubulações com água que recircula em contracorrente com o fluxo de ar.

Esta água, com o tempo, fica saturada com partículas e precisa ser trocada.

É normal que exista uma quantidade de pó que é perdida e vá para este sistema de

lavagem, porém, quando a reação de precipitação não ocorre como o esperado e gera

muitas partículas pequenas, é nítido como a água de recirculação do equipamento fica

saturada mais rapidamente. Segue a Figura 34 com um esquema do equipamento. Por cima,

entra a pasta de Maneb e por baixo, em contra corrente, ar quente para realizar a secagem

da pasta. As partículas mais grossas saem pelo fundo do equipamento e as mais finas são

puxadas pelo sistema de lavagem de gases.

Figura 34 - Esquema do secador Spray Dryer e do sistema de lavagem de pó.

Fonte: Dow Agrosciences.

Um último ponto a ser apresentado é a qualidade do produto final observada por

medições realizadas na embalagem. Uma das análises realizadas no produto final, antes de

embalar, é a análise de peneira. Ela indica se o tamanho das partículas do pó final está

dentro de uma margem aceita pelos padrões de qualidade do produto. Algumas vezes o

tamanho das partículas está menor que o aceito e o material precisa ser reprovado para que

não chegue ao cliente fora de especificação. Quando acontece esta situação, uma

investigação é conduzida para que seja entendido onde o processo apresentou uma falha

para que o material ficasse fora da qualidade. Em algumas investigações, o único ponto

56

encontrado que estava inadequado foi o tamanho das partículas do Maneb formado nos

tanques de precipitação.

Portanto, analisando a performance do filtro, do lavador de gases e os resultados do

produto final antes de ser embalado, é possível entender que uma reação de precipitação

sem qualidade e polidispersa gera perda de produto por diferentes meios e gera produto

final fora de especificação de qualidade, diminuindo, dessa forma, a capacidade de produção

da planta.

4.3. Atual cenário dos tanques de precipitação

Atualmente, os tanques de precipitação são fervidos duas vezes ao ano. Para fervura, são

utilizados 500 kg de soda cáustica, vapor e água. O tanque fica em agitação com entrada de

vapor constante por 12 horas (no início é adicionado bastante vapor e, posteriormente, é

administrada uma vazão baixa para manter a temperatura do tanque). Após este período, a

entrada de vapor para o tanque é bloqueada, porém, a agitação continua pelo maior tempo

possível (por exemplo, se a planta ficar parada por sete dias devido aos trabalhos de

manutenção, a agitação ficará ligada por pelo menos 6 dias e no sétimo, o tanque será

drenado e rinsado).

Na Figura 35 são mostradas imagens do interior dos tanques em três condições, logo

após a limpeza (a), trinta dias após a limpeza ter sido realizada (b) e o tanque pouco antes do

processo de fervura (c) no qual está em seu estado de maior incrustação.

A Figura 35.a é uma foto tirada logo após a drenagem do tanque no final de uma fervura.

Este procedimento foi realizado em menos tempo que o costume. A fervura foi feita com

apenas 6 horas de vapor e a agitação ficou ligada por apenas um dia. Nessa imagem fica

nítido entender a quantidade de material que fica depositado nas paredes do tanque, pois é

possível enxergar o quanto a placa de material é espessa.

57

(a)

(b)

(c)


Na Figura 35.b é possível ver o interior do tanque 30 dias após a fervura. Essa imagem

mostra que o processo de acúmulo é muito rápido, pois o agitador e as chicanas já estão com

Figura 35 - Imagens do interior do tanque de precipitação: a. quarenta dias após a limpeza, b. e pouco antes da limpeza, c. em seu estado de maior incrustação.

58

grande quantidade de material. Nas paredes do tanque também é possível observar o início

de alguns pontos de acúmulo. A Figura 35.c foi tirada uma semana antes de acontecer a

fervura no tanque. Nela é possível ver o grande acúmulo no agitador e principalmente nas

paredes e chicanas do tanque.

Num processo normal de limpeza, onde todo o material acumulado é retirado, os

operadores relatam que, ao retornar a operação, o nível aparente do tanque diminui. Isto é

mais um sinal de que o acúmulo é intenso.

No dia-a-dia do processo, após cada batelada feita nos tanques e sua transferência, o que

dura em torno de 2h30 a 3h00, os operadores abrem a boca de visita do tanque e fazem uma

rinsagem com água. Este processo dura em torno de 5 minutos e os operadores usam em

média 100 litros de água. Esta atividade é de pouco eficiência para retirar os resíduos das

paredes e agitadores dos tanques. Sua maior utilidade é carregar uma pequena quantidade

de produto que não foi transferido. Além de não ser uma atividade eficiente, mesmo com o

uso dos equipamentos individuais de proteção e cuidados, oferece riscos ao operador

executante e ao processo, como respingo de produto na pele ou olhos do operador, queda

dentro do tanque, queda de materiais dentro do tanque, entre outros.

Após toda a análise do processo atual e apresentação do problema de acúmulo de

material no tanque e quais são as consequências deste acúmulo para o processo, serão

apresentados os estudos e propostas para realizar as mudanças necessárias para um

processo mais confiável e produtividade maior.

4.4. Design do processo

É necessário avaliar o design do processo para que a limpeza dos tanques aconteça da

forma mais eficiente possível e com baixo custo de instalação. Inicialmente será apresentada

a condição atual física da fábrica (os equipamentos e tubulações que já existem) e,

59

posteriormente, serão mostradas as alternativas possíveis para utilizar o que já é existente,

modificando o necessário para adequar à utilização dos bicos de limpeza.

4.4.1. Utilização da carga de água bruta da precipitação para limpeza dos

tanques

Atualmente, há uma tubulação de água que chega aos tanques de precipitação e bifurca

para se dirigir a um e outro tanque. A finalidade desta tubulação é adicionar uma carga de

2450 litros de água nos tanques para a reação de precipitação. Esta é a primeira etapa da

reação, portanto, antes de iniciar a carga de água, o tanque está completamente vazio.

A tubulação de água é de 2”, aço carbono, schedule 40 e possui uma entrada simples no

tanque, como indicado no esquema da Figura 36 a seguir. Na figura também é possível

observar as válvulas, instrumentos e onde tudo está instalado na tubulação.

Uma das opções para limpeza dos tanques é utilizar a própria água que faz parte da

reação de precipitação. Dessa forma, os 2450 litros de água bruta entrarão nos tanques

fazendo a lavagem e permanecerão no meio para continuar a reação de precipitação. A

vantagem desta opção é que não haverá um descarte de água para tratamento de efluentes

da fábrica.

Para utilizar a carga de água bruta, as tubulações já existentes deverão ser modificadas

para que os bicos fiquem localizados no local adequado e a água sofra a menor perda de

carga possível, atingindo o bico com uma pressão suficiente para impactar as paredes do

tanque e limpá-las.

No interior dos tanques há o agitador e as chicanas, portanto, apenas um bico atingiria a

superfície do tanque de forma ineficiente. Além disso, a lavagem é melhor quando o bico

está mais próximo. Dessa forma serão instalados dois bicos em cada tanque e portanto, será

60

necessário bifurcar a tubulação de água para que ela entre no tanque por dois pontos

distintos.

Figura 36 - Figura esquemática da situação atual dos tanques de precipitação da fábrica.


Existem duas opções para instalação dos bicos: instalar bocais no local exato onde os

bicos devem estar ou utilizar bocais já existentes no tanque.

4.4.1.1. Instalação dos bocais no local onde o bico deve estar

A primeira opção, instalar bocais no local exato onde os bicos devem estar, contempla a

furação do tanque, além de solda interna e externa para a instalação dos bocais. Na Figura 37

a seguir, é possível ver o desenho atual do topo tanque e os locais onde os novos bocais

seriam instalados. Este local é exatamente o ponto médio entre a parede do tanque e o

agitador. Todos os bocais do tanque são de 2”, exceto pelo bocal do vapor, 1”, e pela saída

da exaustão do tanque, 6”.

61

Figura 37 - Figura esquemática da atual disposição da tampa do tanque de precipitação.


Para fazer este tipo de modificação nos tanques, seria necessário um estudo de

resistência do tanque, para saber se o furo para adicionar o bocal não iria ocasionar

problemas em sua estrutura. Além disso, seria necessário fazer inspeção de líquido

penetrante na solda, o que geraria mais custos.

Também devem ser levadas em conta questões em relação à segurança para esta

instalação. O serviço contemplaria trabalho à quente de alta energia dentro de um espaço

confinado. Este tipo de atividade dificulta o trabalho e necessita de muita documentação e

planejamento.

Devido aos motivos citados, a instalação de novos bocais no tanque é inviável. Além de

envolver mais custos, envolve assuntos de segurança que podem tornar a opção crítica.

62

4.4.1.2. Utilizar bocais já existentes nos tanques

A segunda opção é utilizar os bocais já existentes no tanque. Os bocais escolhidos para

serem utilizados são os indicados em verde na Figura 38 a seguir. Um deles já é utilizado

atualmente para entrada de água, o outro é um bocal que está fora de operação atualmente,

fechado com um flange cego.

Figura 38 - Figura esquemática da disposição desejada da tampa do tanque de precipitação.


Esses bocais serão utilizados, porém, o bico ainda deve ser instalado no ponto médio

entre a parede do tanque e o agitador, como citado anteriormente. Para isto, serão feitas

tubulações internas que ligam os bocais indicados aos bicos. Estas tubulações caminharão

por dentro do tanque até o local exato onde o bico deve estar. Na Figura 39 é mostrado um

esquema de como a tubulação interna ficará instalada.

63

Figura 39 - Figura esquemática da instalação proposta das tubulações para entrada de água no tanque através do bico de pulverização.


Para esta instalação, um trecho da tubulação de 2” já existente será retirado e

modificado para que tenha uma bifurcação. Será colocado um flange e tubulação de aço

inoxidável 316, 1 ⁄ ”, schedule 40s, que se encaminhará até o local correto. Na Figura 39

também é possível observar esta instalação.

Considerando esta opção, não é necessário fazer trabalho à quente de solda nos tanques,

o que torna a opção mais viável tanto pelos custos quanto pela segurança da atividade. Ainda

assim é necessário fazer entrada em espaço confinado para montar a tubulação dentro do

tanque.

Como já foi citado, atualmente é utilizado em torno de 100 litros de água para limpeza

dos tanques e esta água é descartada para o tratamento de efluentes. Ambas as opções,

64

fazendo bocais novos ou utilizando os existentes, evitariam esta situação. Considerando que

são utilizados 100 litros de água por lote e que são feitos 16 lotes por dia, em um ano, a

empresa deixará de gerar 584.000,00 litros de efluentes. Isto representa uma economia

significativa devido aos custos elevados do tratamento da água.

Entre as duas propostas avaliadas, a melhor opção é desenvolver o projeto utilizando os

bocais já existentes, devido a simplicidade desta opção quando comparada a todos os

procedimentos necessários para a instalação novos bocais no tanque. Para a instalação nos

bocais já existentes é necessária uma avaliação mais cuidadosa dos recursos disponíveis da

planta e das modificações que serão implementadas tais como os cálculos para determinar

quais vazões e pressões a água pode chegar aos bicos e, para escolher o bico, entender se o

impacto será o suficiente para a limpeza dos tanques.

Para calcular a pressão exata que a água chegará ao bico, foi feito o cálculo de perda de

carga da linha utilizando o método 2K. Foi medida a pressão ao lado do medidor de vazão por

meio de um manômetro colocado em uma picagem que existe na linha. A pressão foi medida

em várias vazões (que era observada pelo medidor de vazão) para obtenção de uma

quantidade significativa de opções para estudo. Os cálculos realizados para obter a perda de

carga estão no Anexo A, no final do trabalho.

A Tabela 1 a seguir mostra os valores medidos de vazão e pressão na linha ao lado do

medidor de vazão e a pressão calculada que chega ao bico de pulverização.

Tabela 1 - Tabela com valores que relacionam a vazão e pressão na linha de água bruta para os tanques de precipitação. Os valores foram obtidos por meio da alteração da abertura de uma válvula manual na linha.

Pressão no

ponto medido

(kgf/cm2)

Vazão

(L/min)

Pressão calculada

(kgf/cm2)

5,0 400,0 4,4

Continua

65

Conclusão

4,5 450,0 3,9

4,0 500,0 3,3

3,5 550,0 2,7

3,0 625,0 2,1

2,5 700,0 1,4


4.4.2. Reutilização da água do tratamento de efluentes para limpeza dos

tanques

Durante o processo de fabricação do Mancozeb, algumas operações, como a filtração dos

produtos intermediários, geram efluentes que são tratados para serem devolvidos ao meio

ambiente. Esta água é chamada de “água amarela”, pois possui quantidades significativas do

fungicida além de algumas matérias-primas não consumidas durante as reações de

formulação e precipitação.

Em um primeiro estágio, a água amarela gerada é encaminhada para um tanque

intermediário chamado “PIT 1” e a partir deste local a água continua no processo de

tratamento químico e físico. No PIT 1, há um sistema montado que contempla uma bomba e

uma tubulação que pode levar a água amarela do PIT 1 até um ponto próximo aos dois

tanques de precipitação. A seguir, segue a Figura 40 que é um esquema do sistema.

No passado, a operação conectava uma mangueira com engate rápido na tubulação de

água amarela e utilizava esta água para realizar a limpeza dos tanques evitando, desta forma,

usar água bruta. Porém, se por algum motivo a fábrica parasse por um tempo e esta

tubulação ficasse fora de uso, ela obstruía e era necessário muito trabalho para tornar a

66

utilizá-la. Isso ocorria, pois a água amarela possui uma grande quantidade de sólidos,

aproximadamente 800 mg/L, o que propicia obstruções.

Figura 40 - Figura esquemática da instalação das tubulações de água amarela que se direcionam próximas aos tanques de precipitação (na figura há apenas um tanque representado).


Uma das opções estudadas para realizar a limpeza dos tanques é utilizar este sistema já

existente e fazer a lavagem com água amarela. Após cada batelada, o tanque seria lavado

com esta água que, posteriormente, seria transferida para o próximo tanque e a carga de

água, 2450 litros, entraria no tanque normalmente para iniciar a reação.

A vantagem desta opção é que a água amarela estaria sendo reaproveitada, e existe boa

parte do sistema já montando. A única necessidade seria uma tubulação para ligar o que há

hoje aos tanques e bicos, portanto, os custos com material seriam semelhantes aos custos

para modificar a tubulação de água bruta, apresentado anteriormente. Porém, existem

67

algumas desvantagens que inviabilizam esta opção. Em primeiro lugar, como já foi citado

anteriormente, a quantidade de sólidos na água amarela facilita a obstrução da linha e do

bico de limpeza. Portanto, para utilizar a água amarela, seria necessário fazer uma picagem

de água bruta na linha para realizar a limpeza após cada utilização (ou seja, assim que entra a

água amarela no tanque para realizar a limpeza, deve entrar água bruta para passar pela

linha e retirar os sólidos que ficam parados). Desta forma, a vantagem, que é evitar a

utilização de água bruta, seria perdida.

Desta forma, considerando as duas opções apresentadas, (que são a utilização de água

bruta que faz parte da reação de precipitação ou a reutilização de água amarela) foi decidido

continuar o projeto com a primeira opção devido a sua maior confiabilidade.

O descritivo com os custos de cada opção será apresentado posteriormente, na sessão de

análise de custos do projeto.

4.5. Escolha do tipo de bico de pulverização

Podem ser utilizados dois principais bicos para limpeza dos tanques: bicos giratórios

movidos por força externa ou bicos espirais que não necessitam de força externa.

4.5.1. Bicos movidos por força externa

Os bicos de pulverização movidos por forças externas possuem jato sólido, o que significa

alto impacto do líquido no tanque. Este tipo de bico pode possuir entre dois e quatro jatos

que rotacionam no eixo central do bico lavador atingindo toda a superfície a ser lavada.

Como o tanque em estudo está sob condições severas de acúmulo de material nas paredes e

agitador, o alto impacto é uma vantagem para bico.

68

Para que a limpeza atinja o tanque inteiro, o bico deve girar em todas as direções. Este

movimento necessita de energia que pode ser adquirida por energia elétrica, ar comprimido

ou o giro pode ocorrer pela força reacionária do próprio líquido, dependendo da pressão

com que ele chega ao bico.

Como a pressão da água que chega ao bico não é muito alta e fisicamente existe

cabeamento elétrico próximo ao local, entre os bicos movidos por força externa, foi estudada

a opção de utilizar o bico movido por energia elétrica. Na imagem da Figura 41 são

mostradas fotografias que exemplificam este tipo de bico.

Figura 41 - Figura de bicos movidos a força externa para lavagem de tanques.

Fonte: Bete, 2014.

De acordo com os catálogos dos fabricantes de bicos, a quantidade de fluido necessária

para limpar um tanque utilizando este bico é pequena. Tendo a vazão e pressão adequadas, a

quantidade total de fluido é inferior a qualquer outro tipo de bico de pulverização (Spraying

Systems Catalog, 2014).

O orifício por onde o fluído de lavagem sai do bico é estreito, portanto, o fluído deve ser

limpo e sem partículas sólidas para evitar um possível acúmulo e obstrução do bico. Existe

69

também a possibilidade de obstrução do bico devido à atmosfera do tanque. Como no caso

em estudo, cujo tanque é o local onde ocorre uma reação de precipitação, a atmosfera é

propícia à formação cristais, o que pode ser uma desvantagem para o modelo. Um orifício

obstruído irá gerar padrões de pulverização irregulares e distorcidos, o que reduzirá a

qualidade da lavagem feita pelo bico.

4.5.2. Bicos espirais

Os bicos espirais de pulverização tem como vantagem o fato de que não necessitam de

energia para espalhar fluidos. Entre os bicos espirais existentes no mercado, foi feita um

consulta aos fornecedores para avaliar quais seriam os mais indicados para realizar limpeza

de tanques.

Este tipo de bico possui um jato em forma de cone cheio, o que significa um impacto do

fluido nas paredes do tanque mais baixo quando comparado ao bico mostrado no item

anterior deste trabalho. Apesar desta desvantagem, o bico ainda é capaz de atingir toda a

área interna necessária do tanque com um impacto significativo.

A pressão com que o fluido passa pelo bico faz com que ele se espalhe saindo em um

padrão de cone cheio. Não é necessária nenhuma força externa, pois o bico não é giratório.

Na Figura 42 são mostrados exemplos do bico espiral.

A quantidade de fluido necessária para limpar um tanque utilizando este bico é mais

elevada quando comparada aos bicos movidos por forças externas, porém, este modelo

possui máxima passagem de líquido, o que permite altas vazões de líquido e, portanto,

limpezas não demoradas. A máxima passagem de líquido é devido ao orifício largo, que

dificilmente apresentará alguma obstrução. Esta é uma vantagem deste bico devido à

atmosfera agressiva presente no tanque, que possui alta probabilidade de formar cristais e

obstruir orifícios estreitos.

70

Figura 42 - Figura esquemática do bico de pulverização espiral.


Para determinar qual o bico mais interessante a ser utilizado, bico movido a força externa

ou bico espiral, devem ser levados em conta os seguintes fatores: vazão, pressão e impacto

do fluido, o formato do jato e o preço.

d) Vazão, pressão e impacto:

Por meio de uma válvula manual na linha de água que será utilizada para fazer a limpeza

dos tanques, é possível modificar a vazão e pressão de água na linha. É possível utilizar entre

uma vazão de 400 kg/min a 5 kgf/cm2 até uma vazão de 750 kg/min a 2,5 kgf/cm2

(lembrando que esta é a vazão total de água, portanto, para cada bico, a vazão será a

metade; a pressão utilizada foi calculada anteriormente e está na Tabela 1). Estes valores

foram obtidos por medições na planta por meio de um medidor de vazão eletromagnético,

um manômetro e cálculos. É necessário encontrar um valor ideal para que o impacto no

tanque seja o melhor possível.

71

Para bicos movidos por força externa, o impacto real é calculado utilizando o conceito

apresentado na sessão 2.2.6. O cálculo consiste na multiplicação da pressão anterior a saída

do fluido do bico por 1,9. Como mostrado a seguir, é possível variar o impacto entre 8,4 e 2,7

kgf/cm2 e como somente a pressão influencia nesta fórmula, quanto maior a pressão, maior

será o impacto, independente da vazão.

Lembrando que para um impacto de 8,4 kgf/cm2 a vazão total para o tanque será de 400

kg/min e para um impacto de 2,7 kgf/cm2 a vazão será de 750 kg/min.

Os catálogos dos fornecedores de bicos de pulverização indicam que, para o bom

funcionamento do bico de alto impacto, é interessante possuir uma pressão entre 3 e 10

kgf/cm2 e uma vazão entre 11 e 620 L/min. Portanto, para um bico movido a força externa, o

ideal seria utilizar a válvula restringida para obter uma pressão de 4,4 kgf/cm2 e uma vazão

de 400 L/min, gerando, desta forma, um impacto alto.

Para bicos em espiral, o impacto será calculado pela Equação 3, mostrada da sessão 2.2.6.

Como apresentado a seguir, é possível variar o impacto entre 1,1 kgf/cm2 e 1,2 kgf/cm2.

Portanto, para vazões maiores e pressões menores, é obtido um impacto maior. Conforme a

vazão aumenta em uma linha, a pressão diminui, e desta forma, nos cálculos, há o aumento

da vazão, porém, diminuição do valor da pressão. Mesmo com a diminuição da pressão o

valor do impacto aumenta, pois a vazão tem maior influência no resultado do que a pressão,

que está na fórmula com raiz quadrada.

√

√

Para os bicos de espiral, os catálogos indicam que a vazão de trabalho deve ser de

11L/min a 620 L/min. Pelos cálculos mostrados, é possível observar que quanto maior a

72

vazão, maior é o impacto, portanto, deve-se usar a vazão de 620 L/min, a máxima indicada. O

valor de 11% foi obtido pelo Quadro 2.

Nesta vazão de 620 L/min, foi medido em campo uma pressão de 3 kgf/cm2. O cálculo

para a nova força de impacto está a seguir:

√

e) Formato do jato

Como foi descrito anteriormente, o bico de pulverização movido à força externa possui

um padrão de jato sólido que impacta com muita intensidade uma área estreita. Para que

cubra toda a superfície interna do tanque é necessário que haja rotação. Já o bico em espiral

possui um jato cônico cheio que atinge toda a superfície do tanque, porém, com um impacto

menor.

Pelo formato do jato os dois bicos são satisfatórios, apenas tem a diferença em que um

depende do giro para alcançar toda a área interna do tanque e o outro necessita de tempo e

alta vazão, pois, apesar de atingir toda a área todo o tempo, possui uma intensidade menor.

Dessa forma, é necessário avaliar os custos juntamente com o que foi citado anteriormente,

pressão, vazão e impacto e formato do jato.

4.5.3. Avaliação dos custos da implementação da lavagem

Para que o projeto seja possível de ser realizado, além de apresentar resultados, deve

possuir um custo aceitável para que seja aprovado pela liderança da fábrica. Dessa forma,

serão apresentados a seguir os custos totais para a instalação do projeto.

Como descrito anteriormente, existem três opções de design de processo para implementar

o projeto proposto: (1) utilizar a carga de água da formulação utilizando bicos colocados em

73

bocais novos; (2) utilizar a carga de água da formulação utilizando bocais já existentes; (3)

utilizar a água amarela que seria enviada para o tratamento de efluentes para fazer a

lavagem dos tanques. Os custos para as duas primeiras opções serão apresentados no

Quadro 3 a seguir. Como a opção de utilizar água amarela é de difícil análise uma vez que os

fabricantes não tem informações do desempenho dos pulverizadores para água contendo

partículas em suspensão, e pelos custos decorrentes de problemas de obstrução que

poderiam ser ocasionados por conta o uso da água amarela ser de difícil estimativa, os

cálculos de custo para a utilização desta opção não foram realizados.

Quadro 3- Quadro com todas as informações de custos para a instalação do projeto de limpeza automática dos tanques de precipitação.

1. Instalação de Novos Bocais

Item Custo (real) Custo (dólar)

Material das novas tubulações R$ 4.660,14 R$ 1.553,38

Mão-de-obra para confecção e instalação de novas

tubulações R$ 5.751,65 R$ 1.917,22

Montagem de andaimes dentro do tanque R$ 3.074,83 R$ 1.024,94

Inspeção de solda (Líquido Penetrante) R$ 1.000,00 R$ 333,33

Total R$ 14.486,62 R$ 4.828,87

2. Utilização de bocais existentes

Item Custo (real) Custo (dólar)*

Material das novas tubulações R$ 3.890,50 R$ 1.296,83

Mão-de-obra para confecção e instalação de novas

tubulações R$ 4.572,01 R$ 1.524,00

Montagem de andaimes dentro do tanque R$ 3.074,83 R$ 1.024,94

Total R$ 11.537,34 R$ 3.845,78

3. Bicos Spray Systems (brasileira)

(a) Bico movido a energia elétrica Custo (real) Custo (dólar) *

Bico movido a energia elétrica (4 unidades) R$ 25.685,00 $8.561,67

Continua

74

Conclusão

Material mais instalação de conduletes e cabos R$ 500,00 $166,67

Mão-de-obra de engenharia de controle de processo R$ 400,00 $133,33

Total para instalação de bico movido a energia elétrica R$ 26.585,00 $8.861,67

(b) Bico espiral

Bico espiral (4 unidades) R$ 7.319,16 $2.439,72

4. Bicos Bete (americana)

(a) Bico movido a energia elétrica Custo (real) Custo (dólar) *

Bico movido a energia elétrica (4 unidades) R$ 16.116,00 $5.372,00

Material mais instalação de conduletes e cabos R$ 500,00 $166,67

Mão-de-obra de engenharia de controle de processo R$ 400,00 $133,33

Impostos e transporte para importação R$ 1.500,00 $500,00

Total para instalação de bico movido a energia elétrica R$ 18.516,00 $6.172,00

(b) Bico espiral

Bico espiral (4 unidades) R$ 1.348,92 $449,64

Impostos e transporte para importação R$ 1.500,00 R$ 500,00

Total para instalação de bico espiral R$ 2.848,92 R$ 949,64

* conversão: $1,00 = R$3,00

Fonte: Informações pessoais obtidas com fornecedores.

Analisando as possibilidades de design e os custos ligados a cada uma, que são os itens 1

e 2 do quadro, é possível perceber que os custos não variam muito de uma opção para outra,

R$ 14.486,62 para a instalação de novos bocais e R$ 11.537,34 para utilização dos bocais já

existentes . Dessa forma, para determinar a melhor opção em relação ao design do processo,

ou seja, instalar novos bocais nos tanques ou utilizar os bocais já existentes, os custos não

serão um parâmetro importante.

No Quadro 3 também é possível encontrar os custos dos bicos, itens 3 e 4. Foram

realizadas duas cotações, uma de uma empresa brasileira e outra de uma empresa

americana. A qualidade das duas empresas é semelhante e ambas possuem cadastro do

75

banco de dados da empresa de destino, Dow AgroSciences, portanto, a que possuiu melhor

preço foi contatada. Analisando os números apresentados em relação aos bicos, é possível

observar que, primeiramente, a empresa americana possui preços mais vantajosos, mesmo

com a adição do frete internacional, dessa forma, ela foi contatada para a compra.

O preço médio do bico movido à força externa está em torno de 20 mil reais, além dos

custos de instalação (mão de obra), modificação das tubulações para que o fluido de lavagem

chegue ao bico (como citado nos custos de design do processo) e de instalações elétricas

(construção de conduletes para que o cabeamento elétrico chegue com segurança ao

instrumento). Também é possível observar que há custos referentes à mão de obra para

adicionar o instrumento ao painel de controle da fábrica (mão-de-obra de engenharia de

controle de processo), para que ele responda a comandos remotos, ou seja,

iniciado/desligado automaticamente com os lotes que são formulados dentro do tanque. Já o

preço do bico espiral é baixo e não há outros custos relacionados a este bico.

Como o custo no primeiro bico é muito elevado em relação ao segundo, ele deveria ser

escolhido somente se houvesse um exemplo de sucesso com a sua instalação para uma

aplicação em condições semelhantes. No caso, como a atmosfera do tanque pode causar

obstruções, não é indicado optar por ele sem ter a garantia que o resultado será satisfatório.

Dessa forma, o bico em espiral é a melhor opção.

4.6. Aprendizado com a fábrica de Dithane® de Barranquilla, Colômbia

Realizando um pesquisa nas demais plantas da Dithane® da Dow AgroSciences para

verificar quais procedimentos foram adotados para a lavagem dos tanques de precipitação

verificou-se que em Barranquilla, Colômbia, existe uma planta de Dithane® da Dow

AgroSciences semelhante a de Jacareí. Lá foi feito o projeto para limpeza dos tanques de

precipitação e bons resultados foram obtidos.

76

Semelhante ao que ocorre na planta de Jacareí, em Barranquilla era necessário parar a

produção e ferver os tanques a cada 40 dias devido ao acúmulo. Eles fizeram a instalação de

dois bicos espirais, semelhantes aos mostrados neste trabalho. A diferença é que eles faziam

lavagens entre lotes e descartavam a água utilizada para lavagem. Após esta etapa iniciavam

a carga de água que entra por uma tubulação comum, sem bico de pulverização. Na Figura

43 é possível visualizar o acúmulo no tanque.

Figura 43 - Fotos do interior dos tanques de precipitação da planta de Dithane® de Barranquilla, Colômbia, mostrando o acúmulo de material. (a) Antes da instalação dos bicos de limpeza e após 40 dias de formulação a partir da última fervura; (b) Após a instalação

a. b.


O resultado reportado pela planta de Barranquilla foi positivo, e na Figura 43 são

mostradas imagens do interior dos tanques de precipitação com acúmulo ocorrido em duas

situações: (a) antes da instalação dos bicos de limpeza e após 40 dias de formulação a partir

da última fervura; (b) após a instalação dos bicos e após 60 dias de formulação a partir da

última fervura. Nesta Figura 43 é possível observar um menos acumulo nas paredes do

tanque após a instalação do sistema de lavagem por dispersores do tipo bicos espiral,

demonstrando que estes dispositivos são eficazes.

(a) (b)

(a) (b)

77

5. CONCLUSÃO

Com base nos resultados das análises de tamanho de partícula verificou-se que estado de

acúmulo do tanque na reação pode afetar a qualidade do produto final, uma vez que o

acumulo no tanque causa uma polidispersão do precipitado. Observou-se ainda que para um

maior grau de limpeza do tanque a distribuição de tamanhos é mais homogênea.

A análise do impacto da polidispersão do tamanho das partículas do produto, resultantes

do processo realizado no tanque com incrustações mostrou que a presença de partículas

com menor tamanho que o desejado pode impactar negativamente diversas etapas

posteriores do processo produtivo. Alguns equipamentos, como o filtro e o lavador de pó

mostram diferenças em suas performances quando o tanque está com acúmulo e o produto

final apresenta, algumas vezes, problema de qualidade na análise de peneira, que indica

grande quantidade de partículas pequenas.

Com base na literatura e na experiência reportada pro outras unidades, a automação da

etapa de limpeza do tanque é uma estratégia que pode reduzir a formação de depósitos no

interior dos mesmos além de reduzir riscos para os operadores que deixarão de realizar a

lavagem de forma manual. Desta forma, foram apresentadas algumas alternativas para a

instalação de bicos de pulverização para realizar a lavagem automática dos tanques de

precipitação entre todos os lotes formulados, diminuir o acúmulo nos tanques e aumentar a

confiabilidade da reação.

Na análise do novo design do processo foi constatado que é mais vantajoso manter o

tanque em sua forma original e fazer modificações na tubulação de água para a instalação

dos bicos. Constatou-se também que a água utilizada para a limpeza deve ser a própria água

bruta que faz parte da formulação da reação de precipitação, uma vez que, dessa forma, não

haverá geração de água residual de lavagem.

Em relação a escolha dos bicos, considerando a análise de aspectos como os custos

envolvidos, o conhecimento da atmosfera presente no tanque e pela experiência reportada

78

por outra planta de Dithane®, foram escolhidos os bicos em espiral, que não necessitam

energia para movimentação, tem pouco risco de obstrução e apresentam um custo baixo

quando comparado as demais opções analisadas. Apesar do menor impacto do jato de água

nas paredes do tanque e no agitador, a grande quantidade de água adicionada por lote, 2450

litros, permite que a limpeza proporcionada pelos bicos em espiral seja adequada ao

processo.

De um modo geral as modificações do processo foram consideradas adequadas, sendo

justificadas tanto para garantir um produto final de melhor qualidade, quanto para manter o

processo confiável e sem perdas por problemas em equipamentos (além do próprio tanque

de precipitação).

79

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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CARVALHO, Deivis de Moraes et al . Production, solubility and antioxidant activity of curcumin

nanosuspension. Food Sci. Technol (Campinas), Campinas , v. 35, n. 1, p. 115-

119, Mar. 2015 .

CHONG, J. S.; CHRISTIANSEN, E. B.; BAER, A. D. Flow of viscous fluid through a circular aperture. Journal of Applied Polymer Science, v. 15, p. 369–379, February 1971. DEMOPOULOS, G. P. Aqueous precipitation and crystallization for the production of particulate solids with. Hydrometallurgy, Montreal, v. 96, p. 199 - 214, October 2008. DEN OUDEN, C. J. J.; THOMPSON, R. W. Analysis of the Formation of Monodisperse Populations by Homogeneous Nucleation. Journal of Colloid and Interface Science, Worcester, v. 143, p. 77 - 84, April 1991. FOG NOZZLE, INC, BETE. Nozzles for Bottle, Drum and Tank Washing. BETE Fog Nozzle, Inc, Greenfield, p. 1 - 12, 2013. HOOPER, W B, The two-K method predicts, Monsanto Co., Chemical Engineering, 1981. INDUSTRIAL HYDRAULIC, Spray Products: Catálogo75, 2014. LAMER, V. K.; DINEGAR, R. H.; Theory, Production and Mechanism of Formation of Monodispersed Hydrosols. Journal Of The American Chemical Society, New York, v. 72, p. 4847 - 4854, November 1950. ISSN 11. LIPP, C. W. Spray Nozzles 101: Spray Nozzle Selection. American Institute of Chemical Engineers, Lake Jackson, p. 51 - 58, August 2014. MASUDA, H.; HIGASHITANI, K.; YOSHIDA, H. Powder Technology Handbook. Third. ed. Boca Raton: Taylor & Francis Group, LLC, 2006. MATIJEVIC, E. Monodispersed Colloids: Art and Science. American Chemical Society, New York, v. 2, p. 12 - 20, October 1985.

80

MORALES, M. P.; GONZÁLEZ-CARREÑO, T.; SERNA, C. J. The formation of a-Fe2O3 monodispersed particles in solution. Materials Research Society, Madrid, v. 7, p. 2538 - 2545, September 1992. ISSN 9. PAGCATIPUNAN, C.; SHICK, R. Maximize the Performance of Spray Systems. Spraying Systems Co., p. 38 - 44, December 2005. PERRY, R. H., GREEN, D. W., MALONEY, J. O., Perry's Chemical Engineers' Handbook, New York, McGraw-Hill, 7th ed., 1999. RHODES, M. Introduction to Particle Technology. Second. ed. [S.l.]: John Wiley & Sons Ltd, 2008. SCHICK, R. J. Sprayy Technology Reference Guide: Understanding Drop Size. Spraying Systems Co., 2014.

Spraying Systems Catalog, 2014. Disponível em:

<http://www.spray.com/cat75/hydraulic/index.html> Acesso em 20 Agosto 2014.

SUGIMOTO, T. Preparation of Monodispersed Colloidal Particles. Advances in Colloid and Interface Science, Kanagaw, v. 28, p. 65 - 108, 1987. TEEJET TECHNOLOGIES. A User's Guide to Spray Nozzles, 2003. Disponivel em: <www.teejet.com>. Acesso em: 20 Setembro 2014.

81

ANEXO 1 - Memorial de cálculo da perda de carga apresentada no trabalho

A perda de carga foi calculada apenas para o tanque de precipitação 2 pois a tubulação é

mais longa e possui mais curvas. Desta forma, o cálculo estará representando a maior perda

de carga. Para o tanque 1, a perda com certeza será menor.

A Figura 44 a seguir é um esquema das tubulações que chegam no tanque de

precipitação 2. A figura foi colorida para indicar cada perda de carga calculada. Inicialmente

foram feitos os cálculos da linha em vermelho, depois da linha azul e finalmente da linha

verde.

Figura 44 - Figura esquematiza a instalação que será realizada para entrada de água no tanque mais distante e possui as tubulações pintadas para indicar os diferentes cálculos de perda de carga realizados.


82

Serão demonstrados detalhadamente os cálculos apenas da linha vermelha. O cálculo

para as outras linhas será mostrado de forma resumida. Para todo o cálculo, a referência

utilizada foi um artigo de William Hopper (1981).

Inicialmente, é importante saber alguns parâmetros de processo:

Pressão no ponto medido (P0) = 4 kgf/cm2 (medição feita em um manômetro)

Vazão (Q) = 500 L/min (medição feita em um transmissor de vazão)

Observação: foi escolhido utilizar um dos valores da Tabela 1, no caso, com pressão de 4

kgf/cm2 e a vazão de 500 L/min.

Os parâmetros necessários para iniciar os cálculos estão listados a seguir.

Vazão (Q) = 500 L/min = 30 m3/h = 0,00833 m3/s

Densidade da água ( ) = 997,044 kg/m3 (PERRY, 1999)

Viscosidade da água (µ) = 1 cP (PERRY, 1999)

Cumprimento da tubulação (L) = 7,5 m

Rugosidade (ε) = 0,00005 m (PERRY, 1999)

Diâmetro nominal da linha (D) = 2 polegadas (schedule 40s)

Diâmetro interno da linha (DI) = 2,067 polegadas = 0,0525 m (PERRY, 1999)

Os primeiros cálculos a serem realizados são de velocidade (V), a energia cinética por

unidade de peso do fluido em escoamento (Ec) e o Número de Reynolds.

Cálculo da velocidade:

(

)

Equação 4

[ ] * (

)

+

83

Cálculo da energia cinética por unidade de peso do fluido:

Equação 5

Cálculo do Número de Reynolds:

Equação 6

A partir dos cálculos anteriores, será calculo o valor do fator de fricção. Esse fator será

calculado pela equação de Colebrook, que relaciona o fator de fricção e o número de

Reynolds e deve ser usado, pois o fluido está em regime turbulento.

√ (

⁄

√ ) Equação 7

√ (

⁄

√ )

Após o cálculo do fator de atrito serão apresentados os cálculos dos coeficientes de perda

de carga para cada ponto da linha, iniciando pelo coeficiente do trecho reto.

Cálculo do coeficiente do trecho reto:

Equação 8

84

Os coeficientes para acessórios foram calculados utilizando inicialmente uma tabela

(PERRY, 1999) para obtenção dos fatores k1 e koo, que são duas constantes adimensionais

usadas para o cálculo do coeficiente de perda de carga para acessórios. O cálculo foi feito

utilizando o método 2-K, o que significa que, para os acessórios, o coeficiente dependerá

apenas do número de Reynolds, do diâmetro interno da tubulação e dos fatores citados (k1 e

koo), diferente do método de cumprimento equivalente, que acaba considerando também o

fator de fricção, o que torna o cálculo menos preciso.

(

) Equação 9

Tabela 2 - Tabela com valores dos coeficientes necessários para calcular o coeficiente de perda de carga dos acessórios da linha.

Acessórios n K1 nK1 Koo nKoo

Válvula esfera 2 500 1000 0,15 0,3

Cotovelo padrão 7 800 5600 0,25 1,75

Total

6600

2,05

Fonte: Perry, 1999.

(

)

No trecho não há saídas ou entradas que devem ser consideradas, portanto, os

coeficientes para entrada, saída, contração e expansão podem ser zerados.

Para encontrar a perda de carga total (h) a equação a seguir deve ser seguida:

∑ Equação 10

( )

85

Portanto, no trecho da Figura 44 pintada em vermelho, a perda de carga foi de 0,4210

kgf/cm2, ou seja, na tubulação pintada em azul na Figura 44, o fluido está entrando com uma

pressão de 3,5790 kgf/cm2.

Seguindo o mesmo raciocínio de cálculo, na linha azul a perda de carga será de 0,0363

kgf/cm2 e na linha verde de 0,2247 kgf/cm2. Portanto, no final da tubulação o líquido estará

com uma pressão de 3,3180 kgf/cm2 e sairá do bico de pulverização com essa pressão.

universidade de sÃo paulo taline marciano da...

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