Torres, Vasos, Tanques
e Reatores.
Sumário
1 – Tanques de armazenamento
171
Tanques atmosféricos 171
Tanques de isolmento 181
2 – Vasos de pressão 183
Partes componentes 184
3 – Torres 186
Destilação 186
Extração 188
Absorção 188
Características de construção 188
4 – Reatores 191
Reatores descontínuos 191
Reatores semi-contínuos 192
Reatores contínuos 192
Classificação dos reatores 193
Reator com catalisador de leito fixo 193
Reator com catalisar de leito fluidizado 195
Controle das variáveis de reação 195
5 – Acessório e vasos, torres e reatores 198
Componentes de vasos, torres e reatores 198
Componentes externos 200
Componentes internos 201
6 – aspectos de segurança 206
7 - Referências bibliográficas 209
Tanques de armazenamento
A armazenagem de produtos nas indústrias é necessária por vários fatores, tais como:
1. Manter a matéria-prima em condições ideiais para utilização e manuseio no processo;
2. Estoca o produto acabado;
3. Regular estoque
O principal equipamento utilizado para esse fim é o tanque de armazenamento que apresenta a seguinte classificação
Tanques atmosféricos Tanques com isolamento Tanques atmosféricos
A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) considera como tanques atmosféricos, aqueles que operam sob pressão atmosférica até o máximo de 3,5cm de coluna de água.
Os tanques atmosféricos trabalham com pressão próxima ao valor da pressão atmosférica, comunicando-se diretamente com o ambiente por meio de aberturas de ventilação ou de medição.
Os principais tanques atmosféricos trabalham com pressão próxima ao valor da pressão atmosférica, comunicando-se diretamente com o ambiente por meio de aberturas de ventilação ou de medição.
Os principais tanques atmosféricos podem se de:
Teto fixo e Teto flutuante
Tanques atmosféricos de teto fixo
Os tanques atmosféricos de teto fixo são tanques recomendados para líquidos voláteis.
Normalmente, são construídos de chapas de aço carbono, unidas por processo.
de solagem. Seu formato é cilíndrico com teto cônico e fundo com declividade em torno de 1%. Dependendo do diâmetro, o tanque poderá possuir estrutura metálica interna para sustentação do teto.
Quando utilizados para armazenagem e líquidos viscosos, como óleo combustível ou asfalto, por exemplo, são pintados em cor preta para melhor absorver o calor solar, mantendo a temperatura do produto, no interior do tanque, que deve ser isolado termicamente.
Para líquidos voláteis e de baixa viscosidade, como óleo diesel, querosene, ou nafta, são pintados em cor branca ou cores claras para refletir ao máximo o calor, reduzindo as perdas por evaporação.
Observação
Por razões de ordem econômica algumas indústrias utilizam os tanques atmosféricos em dimensões menores para líquidos mais voláteis.
Acessórios
Os tanques atmosféricos de teto fixo possuem uma série de acessórios. Eles são:
“Vents” ou respiros;
Dreno sifonado;
Abetura de medição;
Escada lateral;
Tubo articulado Misturadores;
Drenos de fundo;
Conexão de terra;
Boca de visita.
Os “vents” ou respiros são as aberturas de ventilação.
Essas aberturas são necessárias porque o enchimento de um tanque provoca deslocamento de ar e vapores que são forçados a sair para dar lugar ao fluido que entra.
Da mesma forma, ao se esvaziar o tanque há arraste de ar por sucção para o seu interior, criando-se uma leve pressão negativa (vácuo), Os respiros contrabalançam essa pressão negativa.
Observação
Se as operações de enchimento e esvaziamento forem muito rápidas, existe a possibilidade de o tanque danificar-se por efeito de deformação, devido às diferenças de pressão.
As diferenças de temperatura entre o dia e as noites provocam dilatação e contração dos líquidos e, consequentemente, um diferencial de pressão. As aberturas de ventilação (vent’s) também servem para atenuar os feitos de movimentação do líquido. O tipo e as dimensões dessas aberturas são projetados em função do líquido armazenado e de sua velocidade de escoamento.
Os vent’s podem ser simples ou de conservação.
O “vent”, ou respiro simples, é basicamente um tubo reto ou recurvado a 180°, com uma tela ou capuz na extremidade de descarga para evitar a entrada de corpos estranhos.
A abertura deve estar próxima á bomba ou do lado de fora do tanque.
Os “vents” de conservação têm função de conservar os produtos armazenados, reduzindo as perdas por evaporação. A pressão do tanque é equilibrada por um peso que se levanta quando a pressão ultrapassa certo limite.
A figura a seguir mostra um tipo de “vent” de conservação representado por uma válvula de pressão e vácuo.
Esse respiro opera do seguinte modo: a pressão interna do tanque é aplicada sobre o peso que regula a pressão. Quando a força resultante da pressão ou vácuo excede o valor de ajuste, o peso respectivo levanta-se e a pressão ou o vácuo são aliviados protegendo a estrutura do tanque de qualquer dano.
O dreno sifonado é uma linha de drenagem em formato de sifão, com a extremidade interna mergulhada ao nível da caixa de drenagem, para permitir o esvaziamento total do tanque em caso de limpeza.
A abertura ou escotilha de medição é uma abertura com tampa metálica por onde se introduz a trena de medição de nível do tanque.
A escada lateral é utilizada para permitir o acesso ao teto do tanque quando é necessário fazer medições serviços de manutenção. Pode apresentar dois formatos de construção:
Helicoidal que acompanha o contorno do tanque e necessita de um corrimão lateral.
Vertical que é montada paralelamente á parede do tanque no sentido vertical. Para proteção do operador, ela possui guarda-corpo. É também conhecida como escada de marinheir.
Muitas vezes os produtos utilizados no processo apresentam contaminações. Se houver diferença acentuada na sua densidade, os produtos formarão duas ou mais fases liquidas.
O tubo articulado permite a retirada do produto com densidade diferente, ou outro produto que se queira retirar do tanque. O tubo pode ser elevado ou abaixado até a altura desejada de sucção. Veja figura a seguir.
Observação
Válvulas colocadas em pontos estratégicos do tanque, também resolvem este tipo de problema.
Alguns tanques são equipados com misturadores para garantir a homogeneidade dos produtos armazenados. Os misturadores são muito empregados na indústria alimentícia, de papel e celulose.
A operação de um agitador é regulada por um controlador de nível que desliga ou liga o seu motor automaticamente.
Serpentina de aquecimento
É utilizada em tanques onde o produto armazenado deve ser mantido em temperatura controlada, ou tanques que armazenam produtos viscosos com tendência a se cristalizar ou solidificar.
Os drenos de fundo são colocados no ponto mais baixo do tanque, aproveitando sua declividade e possibilitando a drenagem total do produto.
A conexão de terra protege o tanque contra descargas elétricas atmosféricas e dissipa as cargas eletrostáticas que podem constituir riscos de explosão e incêndio.
Essa conexão é composta de um eletrodo de cobre ou um tubo galvanizado de aproximadamente 2,50cm de comprimento. A ligação entre o tubo e o tanque é feita por um condutor de cobre, preso por parafuso ao costado do tanque ou boca de visita.
A resistência entre o eletrodo e o solo não deve ultrapassar o valor de 250 ohms e deve ser medida periodicamente. Se necessário, o eletrodo deve ser substituído por um novo.
A boca de visita é utilizada para permitir acesso ao interior do tanque para limpeza e inspeção. O diâmetro de abertura da boca de visita varia com os diâmetros dos tanques (mínimo de 24 polegadas). Ela é colocada no costado ou no teto do tanque.
Tanque atmosférico de teto flutuante
Os tanques atmosféricos de teto flutuante são recomendados para armazenar líquidos mais voláteis como querosene, diesel, solventes, outros. Teoricamente não apresentam perdas por evaporação, mas, por razões econômicas, seu emprego só se justifica a partir de um determinado volume. São pintados de branco ou cores claras que permitem maior reflexão da luz solar. Isso diminui a possibilidade de evaporação pelo efeito do aumento da temperatura.
Acessórios
Os tanques atmosféricos de teto flutuante possuem uma série de acessórios. Eles são:
drenos de teto;
suportes de teto;
“vents” de teto.
Os drenos de teto são utilizados para impedir o acúmulo de água de chuva sobre o teto do tanque, a fim de evitar a sobrecarga no teto pelo peso da água acumulada.
Um exemplo de dreno de teto é a mangueira flexível, que é ligada com uma conexão e uma válvula no costado do tanque. Esta válvula poderá permanecer aberta ou ser
Aberta periodicamente, a intervalos regulares, por ocasião de chuvas. Podem também ser utilizados drenos articulados.
Observação
Os tanques de teto flutuantes devem possuir drenos e fundo idênticos aos de teto fino.
Os suportes de teto servem para manter o teto a uma determinada distância do fundo do tanque, onde são apoiados sobre chapas; são resistentes o suficiente pra suporta o peso da extremidade.
Os “vents” ou respiros de teto são utilizados para escoamento do ar quando o tanque está recebendo fluido. Retirado o ar, o teto flutua o “vent” abre-se automaticamente pouco antes do teto repousar sobre os suportes, evitando a formação de vácuo sob o teto. Os diâmetros ou aberturas dos “vents” devem ser calculados em função da velocidade de enchimento e esvaziamento e do volume do produto a ser armazenado.
Tanques com isolamento
Os tanques com isolamento, também chamados de criogênico é um tanque que armazena produtos a temperaturas abaxo de -75°C a -1°C. É um tanque especial de forma cilíndrica de paredes duplas. A parede externa é construída em aço carbono e o teto tem forma hemisférica, com sistema auto-suportado. Geralmente, o tanque interno é construído em alumínio.
A estrutura do tanque em si compreende um tanque dentro do outro, com os espaços entre eles preenchidos com isolamento especial para baixa temperatura.
Três tipos de isolamento térmico são usados nesses tanques:
Lã mineral no espaço entre os tetos;
Perlita expandida (ou poliuretano) no espaço anular formado pelas paredes;
Lã de vidro utilizada na instalação do fundo do tanque.
A pressão do fluido armazenado atua também na parede do tanque externo, pois o tanque interno não é hermétrico. O teto suspenso do tanque interno possui “vents” para equalização de pressões.
Como medida de segurança, o espaço entre os dois tanques deve ser mantido a uma pressão positiva pouco acima de pressão atmosférica, a fim de evitar danos ao tanque interno. Para garantir esta pressão, é injetado nitrogênio no espaço entre os tanques.
Com a finalidade de vitar o congelamento da umidde do solo onde se assenta o tanque, introduz-se vapor a baixa pressão na fundação, mantendo-a acima do 0’C.
Existem os tanques com isolamentos não orgânicos, que também operam as baixas temperaturas e possuem todos os acessórios e dispositivos do tanque criogênico, porém, diferem na construção.
O teto suspenso possui “vents” para equalização de pressão, e duas válvulas para segurança de pressão e vácuo.
Vasos de pressão
Na indústria, inúmeros processos necessitam de equipamentos pressurizados para a sua realização. Por motivos econômicos, os gases são normalmente armazenados liquefeitos e sob pressão, para que se possa ter grande peso armazenado em um volume relativamente pequeno.
Em unidades industriais, os vasos de pressão constituem um conjunto importante de equipamentos que abrangem os mais variados usos.
Entende-se como “vaso de pressão” todos os reservatórios, de qualquer tipo, dimensões ou finalides, não sujeitos a chama, que contenham qualquer fluido, projetado para resistir com segurança a uma pressão externa.
Para efeitos e legislação, a NR-13, em seus anexos III e IV define espectivamente para que tipos de quipamentos a norma regulamentadora é aplicável e como esses equipamentos são classificados em categorias, segundo o tipo de fluido e o potencial de risco.
Dentre os vasos de pressão enquadrados na norma regulamentadora, serão estudadas neste fascículo as torres de processo, os reatores e os vasos intermediários de processo.
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados especiais relacionados com o seu projeto, fabricação, montagem, inspeção e testes. A de falhas de um vaso de pressão, quando em operação, além de provocarem perda de produto e parada de um processo, podem acarretar perda de vidas. Assim, vasos de pressão normalmente são considerados equipamentos de alto grau de periculosidade.
Partes componentes
Um vaso de pressão é formado por casco e tampos, que são escolhidos pelo projetista de acordo com cada aplicação.
O casco geralmente é de formato cilíndrico construído com chapas calandradas e soldadas entre si. Existem também vasos de pressão com casco de formato esférico e cônico, dependendo da aplicação.
Os tampos são as peças de fechamento dos cascos cilíndricos, geralmente conformadas nos seguintes formatos: semi-esféricos, semi-elípticos, planos, cônicos ou toroesféricos.
Instalação
Os vasos de pressão podem ser instalados nas seguintes posições:
Vertical Horizontal Inclinada
Torres
Existem vasos de pressão com aplicações específicadas. Um exemplo desse tipo de equipamento é a torre.
Torres são vasos de pressão de características e dimensões específicas, instalados na posição vertical, com alimentação ou carga introduzida no equipamento em sua parte superior, próximo ao topo.
As torres podem ser utilizadas nos processos de destilação ou de fracionamento, extração ou por absorção.
Destilação
Destilação é uma operação que permite a separação da mistura de líquidos em componentes puros, através da diferença de volatilidade entre seus constituintes. Para isso é necessária a injeção de vapor, que fará a separação dos componentes leves e pesados, de modo que os leves são liberados pelo topo da torre e os pesados retirados pelo fundo, onde são novamente vaporizados no refervedor.
Diretamente ligado à entrada de carga, encontra-se o distribuidor que tem por finalidade distribuir a carga de maneira uniforme na bandeja superior da torre.
As bandejas intermediárias da torre também podem possuir um distribuidor, usado para recirculação. Este produto alimentado vai sendo escoado por gravidade nas bandejas, defletores e vertedores, em troca de calor com o vapor e gases ascendentes.
No fundo da torre irá se acumular a fase líquida composta pelas frações mais pesadas que vão se acumulando em cada bandeja.
O produto de fundo recircula para o interior da torre após trocar calor com o vapor, no refervedor.
A destilação pode ser efetuada de maneira descontínua (ou em bateladas) ou contínua.
Na destilação descontínua, a mistura a ser processada deve ser controlada da mesma maneira que o processo contínuo, com exceção da tarefa que envolve troca, transferência da carga para o destilador ao final do processo, remoção da carga remanescente, drenagem, limpeza e preparação para nova carga.
A destilação contínua tem maior rendimento, pois as etapas de introdução e remoção de carga são eliminadas já que a alimentação e retirada são feitas de forma contínua.
A destilação contínua pode ser executada em um único equipamento, em múltiplos estágios, cada um deles com na especificação diferenciada.
Na destilação com muitos estágios, em recurso muito usado é o refluxo, que consiste no aproveitamento parcial do produto de topo, que após a condensação, é recirculado para um ponto diferente da alimentação da torre, definido pelo projetista, conforme a especificação desejada.
Estes vapores descendentes trocam calor com os vapores ascendentes melhorando a separação dos componentes e sua especificação de qualidade.
Extração
Outro processo que utiliza as torres é o processo de extração que é usado para remover componentes indesejáveis do produto. Normalmente isso é feito com o uso de solventes que se misturam com a parte dos constituentes que se quer separar, arrastando-a para ser retirada pelo fundo ou pelo topo da torre.
Esta operação pode ser realizada subsequentemente à separação pela destilação.
Absorção
A absorção é um processo de separação que consiste na circulação em contracorrente, em uma torre de processo, da mistura de gases e de um solvente líquido. A separação é efetuada por absorção seletiva no solvente utilizado. Nesse processo, a transferência de matéria acontece em um único sentido da fase gasosa para a fase líquida.
Características de construção
As condições do processo geram as características de construção das torres ou colunas e devem considerar:
- altura - diâmetro,
- pressão e temperatura de operação, - dispositivo e contato líquido – vapor, - material de construção,
- produto a ser processado, - equipamentos auxiliares
Altura
Para facilitar a separação, a torre deverá dispor de altura adequada em função do volume a ser processado e dos diferentes pontos de ebulição dos produtos a serem obtidos. Desde que haja necessidade de um número de elementos de contato, a altura variará proporcionalmente a esta necessidade e à pureza desejada.
Para produtos cujos pontos de ebulição sejam muito próximos, há necessidade de um número maior de pratos ou bandejas. Isso influi na altura da coluna, já que há necessidade de espaçamento entre elas.
O espaçamento entre os pratos ou bandejas também leva em conta a necessidade de acesso para reparos e limpeza.
Diâmetro
O diâmetro ou seção transversal é definido em função das vazões de alimentação, de líquidos e vapor no interior da coluna e da vazão teórica ou dimensionada de refluxo com que a torre deverá operar.
Pressão e temperatura de operação.
Essas variáveis determinam as características dos acessórios componentes, principalmente dos elementos de proteção e segurança do equipamento.
As condições de operação devem seguir limites de controle tais, que permitam o uso de pressões e temperaturas adequadas à extração de produtos nas suas faixas usuais.
Como a pressão provoca variações das temperaturas de ebulição dos líquidos e define a razão volumétrica com que a coluna operará, os esforços de pressão exercidos influirão na escolha dos materiais.
Por outro lado, um aumento de pressão acarretará menor volume de vapor.
A temperatura influi na eliminação dos vapores, determinando a velocidade dos fluxos de alimentação, extração, refluxo e acúmulo de líquido ao nível dos pratos ou bandejas.
Influi diretamente também em relação à pressão de operação.
O calor também influi na escolha do material, pois os esforços adicionais, devidos às contrações e expansões dos materiais, interferem em sua resistência.
Também em relação à corrosão, a ocorrência dos fatores de pressão e temperatura influem na definição do material a ser empregado.
Material de construção
Em função do produto a ser processado, de sua condição de corrosidade nas frases líquida, gasosa e nas regiões de interface líquido/gás, o projetista mecânico definirá o material adequado à construção da torre.
Na construção do casco e dos tampos, os materiais normalmente usados são as ligas de aço-carbono. Na parte interna, usa-se material inoxidável.
Produto a ser processado
As torres de processo são dimensionadas em função do produto a ser processado, pois cada tipo de produto possui uma faixa de temperaturas que deve ser atingida para causar a reação ou separação de seus componentes.
O projetista de processo, de posse das informações sobre os produtos a ser processado e sobre os componentes que se espera obter a partir do produto principal, define o tipo de equipamento e suas características de processo: bandejas pefuradas, pratos valvulados, echeio, etc.
Reatores
Outro tipo de vaso de pressão de aplicação específica é o reator.
Reator é um equipamento empregado nos mais diversos tipos de indústria, constituído de vasos de pressão de formato cilíndrico, com tampos no topo e na base, de formatos ou construção apropriada à aplicação ou ao projeto da instalação. No reator as substâncias são transformadas sob condições físicas de temperatura, pressão, etc., adequadas.
Os reatores podem ser classificados de acordo com os métodos de processamento.
Assim, eles podem ser:
Descontínuos, Semi-contínuos e Contínuos
Reatores descontínuos
Os reatores contínuos são normalmente usados em pequenas produções. São operados manualmente o que dificulta a operação e o controle da reação. Por causa disso, há dificuldade em assegurar conformidade na operação.
No reator descontínuo, misturam-se simultaneamente todos os reagentes e o catalisador, desde o começo do processo até completar a reação, no grau de conversão econômica ou desejável. A composição do conteúdo do reator é uma função do tempo a partir do início da reação.
Reatores semi-contínuos
No reator semi-contínuo, misturam-se vários reagentes na carga inicial e outros vão sendo acrescentados continuamente à medida que a reação ocorre, principalmente quando esta é altamente exotérmica.
Também no caso do reator semi-contínuo, a composição do conteúdo do reator é uma função do tempo a partir do ínicio da reação.
Reatores contínuos
No reator de processamento contínuo, os reagentes entram por uma extremidade do sistema e fluem para a outra extremidade com um mínimo de mistura longitudinal.
Nesses tipos de reatores, todas as amostras coletadas numa mesma posição, devem apresentar as mesmas características.
Vemos abaixo um exemplo de montagem de um processo envolvendo um reator.
Classificação dos reatores quanto ao tipo de catalisador
Existem vários modos para conseguir o produto final utilizando um reator. Entre eles podemos citar:
Adição contínua de um ou vários reagentes (gás, líquido, sólido);
Remoção contínua de um dos produtos formados (gás, precipitado sólido ou formação de líquido que não se mistura);
Adição contínua de um reagente e remoção de um produto;
Adição de um catalisador.
Catalisadores são substâncias utilizadas em reatores de processos químicos, com o objetivo de alterar as características, dos produtos ali presentes, podendo provocar ou acelerar as reações, alterar temperaturas do leito do reator (reações exotérmicas) e outros fenômenos típicos das reações químicas.
Geralmente este catalisador que pode ou não estar presente no leito do reator, reage com a mistura gasosa que entra pelo topo do vaso e, atravessando o leito, sairá pelo fundo do vaso dando continuidade ao processo.
Existem reatores, com aplicação específica em alguns tipos de processo, que são classificados em função do arranjo do leito de catalisadores em:
leito fixo
leito fluidizado (ou fuido)
Reator com catalisador de leito fixo
Nesses reatores, o leito de catalisadores é carregado no reator em uma ou mais camadas, que podem ser de granulação igual ou diferente, dependendo das condições do processo.
O carregamento deste recheio é feito sobre uma grade fixa instalada na parte inferior do vaso, servindo de sustentação ao leito de catalisador. Essa grade deve ser coberta com uma tela ou peneira para evitar a perda de catalisador de granulação mais fina pelo fundo do vaso.
O leito de catalisador pode também ser carregado sobre um leito de bola de cerâmica, cuja finalidade é dar sustentação mecânica ao leito de catalisadores.
Devem ser tomados cuidados com relação ao aumento de temperatura, fazendo-se a constante monitoração do perfil de temperaturas ao longo do leito, e na saída do produto.
Alguns tipos de reatores possuem sistemas de resfriamento que podem ser:
intermediários, em cada camada do leito, evitando-se com isso temperaturas elevadas que prejudiquem a reação ou rendimento do reator;
internos, próximo à saída do último leito, evitando-se temperaturas elevadas na saída do reator;
externamente, através da passagem do produto após a reação nos trocadores de calor, resriados por água, ar ou gases a temperaturas mais baixas. Parte do produto resfriado pode retornar ao reator.
O catalisador devido à ação da temperatura e da corrente gasosa pode sofrer um desgaste por abrasão, com formação de pó provocado pela quebra dos grãos do catalisador.
Os catalisadores em presença de alguns produtos ou contaminantes podem sofrer um
“envenenamento”, que pode ser parcial ou definitivo.
Em caso de um envenenamento parcial ou saturação da carga de catalisadores, que prejudica sua atividade, deve ser feita sua regeneração, com a circulação ou sopragem de uma mistura de ar/vapor, com acompanhamento, por meio de análises químicas periódicas das condições de regeneração.
Concluída a regeneração, que deverá ser executada de acordo com procedimento recomendado pelo fabricante, o catalisador voltará a ter sua atividade de reação normalizada, tendo sua vida útil prolongada.
O número de regenerações possíveis para uma determinada carga de reator depende de sua utilização e do grau de atividade mínimo exigido pelo processo.
Quando for necessária a remoção da carga para substituição de grãos quebrados por grãos novos, ambas as cargas deverão ser peneiradas para homogeneizar sua granulação.
Reator com catalisador de leito fluidizado
Esses reatores consistem de uma câmara vertical, na qual o catalisador é mantido em leito fluido sobre uma grelha de sustentação. O gás é injetado pela parte inferior do reator e é obrigado a atravessar a camada do catalisador.
O catalisador é alimentado automaticamente. O gás, arrastando o catalisador, é enviado posteriormente para um ciclone onde é feita uma separação.
Esse tipo de reator é bastante usado para plantas de produção de ácido sulfúrico, com alta capacidade de produção.
A fonte de calor para reação pode ser proveniente do vapor da d’agua. Neste caso o vapor entra pela parte superior da camisa e sai na forma de condensado pela parte inferior. A refrigeração é feita com a circulação de água de modo inverso. Antes de iniciar a refrigeração é necessário bloquear o vapor, drenar a camisa e introduzir a água a partir da parte inferior.
No caso do reator utilizar o fluido térmico como fonte de calor, este circulará pela serpentina externa do reator, que serve também para resfriamento, bastando para isso, fazer o fluido térmico passar por um trocador de calor instalado no circuito fechado do reator.
Controle das variáveis da reação
A variável de uma reação química é o estado do material em processamento, e qualquer condição desse material que esteja sujeito a uma mudança. Para determinar como uma reação pode ser controlada, devem-se separar todas as variáveis e analisar quais delas influem na reação.
Destas variáveis, algumas são independentes de outra principal que é a que deve ser controladas, conforme vemos abaixo:
a) Variáveis de energia:
- temperatura, - pressão, - eletricidade, - som,
- radiação.
b) Variáveis do fluido:
- fluxo do fluido (vazão), - nível do fluido,
- peso, - espessura, - velocidade.
c) Característica físico-químicas:
- densidade, - peso específico, - umidade, - viscosidade, - poder calorífico, - ponto de combustão, - polaridade,
- concentração de íons de hidrogênio, - potencial de oxidação-redução.
Uma variável medida é uma indicação do estado de balanço da reação. Assim, pode- se deduzir que a determinação das variáveis é a base para o controle do processo.
Praticamente todos os processos contínuos seriam impossíveis sem o devido controle automático, fase por fase e passo a passo. Os processos descontínuos precisam igualmente de controle por instrumentos, embora não com tanta automação. Como resultado desse controle, tem-se a desejada uniformidade do produto que passou do laboratório à escala industrial através da planta piloto.
Assim, é necessário encontrar métodos que sejam eficientes para aproveitar todas as informações no sistema e poder estimar o comportamento da reação.
A utilização dos sensores, acoplados a sistemas mecânicos e os registradores gráficos, é parte importante para manter uma variável crítica do processo de fabricação, dentro de certa faixa de valores.
As variáveis físicas do produto em processamento, tais como: cor, pH, etc., bem como as variáveis químicas: índice de acidez, e índice de alcalinidade e outros são
O estabelecimento de uma especificação para o processo de fabricação implica em uma habilidade em reconhecer valores aceitáveis e inaceitáveis, para uma propriedade característica do produto.
Para que o fabricante atinja estes objetivos, deve estabelecer especificações para uma matéria prima. As especificações finais resultam, em princípio, de um compromisso entre o desejável e o mais econômico e com elas são estabelecidos todos os parâmetros operacionais do processo.
Acessórios de vasos torres e reatores
Todos os equipamentos enquadrados na NR-13 utilizam uma série de acessórios, que auxiliam no controle operacional e na manutenção das condições de segurança.
Eles são:
Indicador ou visor de nível;
Válvula de alívio;
Válvula de segurança;
Intrumentos em geral (manômetros, termômetros, termostatos, pressostatos);
Agitador ou misturador;
Sistemas de proteção contra incêndios;
Sistemas de arrefecimento/aqucimento;
Sistemas de proteção contra vazamentos;
Componentes de vasos, torres e reatores.
De uma maneira geral, os componentes externos e internos deste tipo de equipamento são denominados de maneiras diferentes em cada tipo de empresa. Assim, para melhor identificar e tentar padronizar dentro da nomenclatura adotada pelo IBP (Instituto Brasileiro de Petróleo) em sua guia de inspeção adotaremos a figura a seguir.
Os componentes de vasos, torres e reatores estão reunidos em dois grupos:
1. Componentes externos 2. Componentes internos.
Componentes externos
Os componentes externos são:
Anéis de reforço, Boca de visita, Bocas de inspeção,
Bocais de ligação ou de conexão, Braço de carga,
Grampos para movimentação, Portas de inspeção,
Isolamento térmico.
Os anéis de reforço são anéis soldados ao casco com a finalidade de garantir um aumento da resistência mecânica da chapa soldada. Anéis de sustentação de camadas de isolamento térmico também podem ser soldados ao casco.
As bocas de visita é um dispositivo instalado no topo de vasos, torres e reatores, para auxiliar na elevação e carregamento de materiais ou componentes que serão introduzidos no interior do vaso através da boca de visita.
Os grampos para movimentação (orelha) são utilizados durante a montagem, para instalação do vaso em sua base.
As portas ou bocais de inspeção ou coletas de amostras são componentes existentes nos reatores. Ficam nas laterais em alturas correspondentes a cada leito, usadas para inspeção, limpeza e principalmente, onde possível, para remoção da carga gasta ou saturada.
Os reatores devem ter sua superfície externa revestida com isolamento térmico para altas temperaturas, uma vez que a grande maioria dos processos gera reações exotérmicas, com grande liberação de calor.
Outros equipamentos também devem ser isolados termicamente com material apropriado para altas e baixas temperaturas conforme sua temperatura de operação.
Componentes internos
Os componentes internos mais comuns em vasos de pressão são:
Distribuidor, Defletor, Alçapão, Bandejas,
Pratos perfurados, Enchimento, Feixe tubular, Anel de sustentação,
O distribuidor é um dispositivo existente em vasos, torres e reatores, que normalmente constitui-se de um tubo coletor ligado à tubulação de entrada de carga, que tem a finalidade de destribuir a carga de maneira uniforme evitando áreas de fluxo preferencial no interior do vaso.
O defletor é um componente usado principalmente em vasos e torres, que tem por finalidade alterar a direção do fluxo, aumentando o tempo de circulação do produto no interior do equipamento.
Em torres de diâmetro maior que 1.00m, as bandejas são divididas em secções para permitir sua entrada no equipamento durante a montagem. O alçapão ou boca de visita de bandeja é uma das secções desta bandeja, normalmente identificada pela sua maneira diferente de fixação em relação às demais secções.
As bandejas são componentes existentes em torres de processo, montadas por meio de diversas secções de chapas que podem ser perfuradas ou com borbulhadores tipo válvula. São unidas entre si através de fixação por parafusos de modo a preencher quase que totalmente o diâmetro da torre. Essas bandejas são dimensionadas pelas exigências do processo, com relação ao número de válvulas por secção, tamanho das válvulas, curso e abertura para passagem de gás.
Os borbulhadores permitem a passagem do vapor através de cada seção das bandejas.
Atingida a bandeja ou prato onde deve existir um nível de líquido, o vapor em contra corrente atingirá a passagem que leva o aos borbulhadores e, através dos rasgos destes, que estão submersos, manterá um contato com a fase líquida.
A velocidade do fluxo do vapor deverá ser muito alta, a fim de permitir um borbulhamento mais eficiente. Também não poderá ser muito baixa uma vez que o fracionamento das bolhas não se daria totalmente, diminuindo então a superfície de troca no interior da torre.
Para maior eficiência de operação das torres de pratos com borbulhadores, deve-se dispensar atenção para não permitir acúmulo ou depósito de sujeira que impeçam a movimentação dos borbulhadores.
Os pratos perfurados compõem-se de uma placa metálica com furos circulares, distribuídos de forma a fornecer uma vazão determinada em função da operação da coluna ou torre
Quando não possuem ponto de acumulação, têm a flexibilidade operacional deminuída.
Algumas torres possuem feixes tubulares em seu interior para promover o aquecimento do produto de fundo. Instalações mais atuais têm uma linha de retirada do produto de fundo que passa por um trocador de calor instalado do lado externo da torre, normalmente denominado de revervedor.
O anel de sustentação é um componente interno utilizado em vasos, torres e reatores.
Constitui-se de um anel soldado ao casco, que servirá de sustentação aos componentes internos montados no vaso. As condições físicas das soldas devem ser verificadas quando as inspeções internas são realizadas.
Dependendo do peso que deverá ser suportado, os anéis de sustentação podem ser substituídos por vigas internas de sustentação.
Os retentores de gotículas (ou “demister”) são usados em vasos e torres, para evitar o arraste de líquido em correntes de vapores gasosos. Essas gotículas ficam retidas nas malhas deste componente e quando se acumulam, formam gotas que caem novamente sobre o nível líquido do vaso.
A grade fixa é um componente interno de reatores. Consiste de secções de grades metálicas, unidas entre si através da fixação com parafusos. Ela serve para dar sustentação ao leito de catalisador e deve ser coberta por uma tela ou peneira bem fina para evitar a passagem de catalisador de fina granulação para o fundo do reator, com riscos de entupimento da linha de fundo.
A grade flutuante também é composta de secções de grades metálicas, unidas entre si por parafusos. Fica apoiada no leito do catalisador e tem por finalidade acompanhar sua movimentação. Também deve ser coberta por uma tela ou peneira para evitar passagem de material de granulação mais fina pelo topo do vaso, com riscos de contaminação do produto.
O agitador pode ser provido de redutor de velocidade. A agitação é de suma importância no reator no qual se manejam grandes volumes de materiais. Com a agitação, consegue-se a distribuição uniforme dos materiais reagentes, numa transferência uniforme de calor, evitando aquecimentos localizados.
O vertedor é o componente das bandejas existentes em torres de destilação por onde escoa a parte líquida retida em cada bandeja.
A caixa de retirada ou “panela” tem por finalidade acumular o produto mais pesado que vai ficando retido abaixo de certo número de bandejas. Normalmente está ligada a uma tubulação de recirculação.
O anti vórtice, ou quebra turbilhão, é instalado no fundo de vasos e torres. Tem por finalidade evitar o turbilhonamento do fluxo provocado pela sucção da bomba de recirculação ou de transferência.
Observação
O turbilhonamento é um fenômeno que pode causar erosão no fundo do vaso.
Enchimento
Em algumas torres de processo, as bandejas usadas para separação das fases leve e pesada dos produtos são substituídas por enchimento, que pode se constituir de peças em formatos de anéis ou de selas, cavaco ou limalha de ferro, cuja principal finalidade é de aumentar o endimento do equipamento em termos de processo.
Colocação de enchimento na torre
A colocação de enchimento na torre deve ser feita com o maior cuidado quando se tratar de material cerâmico, o qual deve ser colocado com a seção da torre previamente inundada com água, ou através de lenta deposição.
Quando o material de enchimento for de outro tipo deve-se tomar cuidado especial para não “socar” o material, nem depositá-lo caoticamente. O carregamento deve ser feito de modo a que o enchimento se acomode naturalmente no interior da torre.
Aspectos de segurança
As falhas que podem ocorrer em vasos de pressão, torres e reatores podem causar ruptura, desgaste ou deformação em seu corpo.
Estas falhas podem ser provocadas por:
Descontrole operacional com variação escessiva da pressão interna do vaso;
Falha de atuação dos dispositivos de alívio ou segurança;
Falha provocada por esforços cíclicos;
Deformação por fluência, provocada por descontrole de temperatura;
Desgaste por corrosão ou erosão;
Falhas em regiões soldadas do vaso que possuem menor resistência mecânica.
Para minimizar a probabilidade do aparecimento destas falhas, é necessário:
Ter operadores treinados e habilitados para o desempenho da função;
Inspecionar os equipamentos após terem sido entregues pela manutenção para evitar distúrbios operacionais na partida e na operação normal.
Ter os instrumentos e dispositivos de segurança e alívio, testados e calibrados nos prazos recomendados;
Fazer inspeção periódica de acordo com os prazos reomendados pela Norma Regulamentadora ou nos prazos estabelecidos pelo órgão de inspeção.
Realizar a manutenção preventiva e corretiva com pessoal qualificado;
Manter controle constante das condições operacionais dos equipamentos;
Recomendar as ações corretivas necessárias para modificação d projeto e condições operacionais dos vasos.
Além das medidas que devem ser tomadas para evitar o aparecimento de falhas ou deformações nos vasos de pressão, é de suma importância levar em consideração os procedimentos de segurança que devem ser adotados de acordo com cada equipamento
Assim, deve-se ainda tomar os seguintes cuidados:
Na manipulação e pesagem de produtos químicos, usando os EPIs apropriados para cada caso;
Na transferência de produtos entre os vasos de pressão, evitando contaminações, reações e contato entre produtos incompatíveis;
Na drenagem de produtos, transferindo-os para o local apropriado;
Na liberação dos equipamentos para manutenção, principalmente quando se tratar de serviços com solda;
Na liberação de serviços de manutenção no interior dos equipamentos;
Adotar as medidas de prevenção necessárias na utilização de aparelhos elétricos no interior dos vasos, quanto à tensão utilizada, ao estado de conservação da fiação e ao tipo adequado para cada aplicação.
Referências bibliográficas
PETROBRÁS-RECAP. Tanques de Armazenamento
PETROBRÁS-EDISE. Tanques de Armazenamento. 1976
SENAI-SP. Operador de Processos Químicos
SENAI-SP. O reator nos Processos Químicos
IBP – Instituto Brasileiro de Petróleo. Curso de Inspeção em Vasos de Pressão.
Nestor Ferreira de Carvalho, 1995.
FOUST e outros. Princípios das Operações Unitárias. Tradução: Horácio Macedo.
Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 2° edição. 1982.
Billet. Distilation Engineering.
