Fluxo de água: A água fria primeiro entra no pré-desaerador ou domo, onde válvulas spray de aço inoxidável direcionam o fluxo de água formando um "chuveiro" através da ventilação condensadora de contato direto em seu interior, na atmosfera de vapor da seção de pré-aquecimento. Aqui a maior parte dos gases corrosivos são removidos antes que a água atinja a superfície de aço da bacia receptora. Esta água quente e parcialmente desaerada então passa da seção de aquecimento para a seção de vapor ou "scruber" onde uma completa desaeração é concluída assim que a água é vigorosamente esfregada por um excesso de vapor já livre de oxigênio.
Fluxo de vapor: O vapor é introduzido uniformemente através de um distribuidor dentro do desaerador. Lá o vapor colide em alta velocidade com a água aquecida e parcialmente desaerada que entra na seção vinda do compartimento de pré-aquecimento. Uma violenta ação de lavagem e mistura aí acontece. Esta ação remove mecanicamente os traços remanescentes de gases não-condensáveis para fora da água pré-aquecida. Portanto, a água desaerada descarregada do topo da seção de lavagem a vapor está livre de todos os gases não-condensáveis mensuráveis. O vapor separa a água desaerada da seção de limpeza e passa para dentro da seção de pré-aquecimento para continuar o ciclo. O vapor é condensado no condensador de contato direto interno sendo "soprado" para fora do desaerador, onde carrega para a atmosfera os gases não-condensáveis assim liberados.
Condensador interno: O condensador interno é uma seção dentro do compartimento das válvulas spray onde os gases não-condensáveis são separados da seção de pré-aquecimento e concentrados antes de serem descartados para a atmosfera.
A função primária de um desaerador é remover gases não condensáveis (oxigênio e dióxido de carbono livre) da água de make-up utilizada para alimentar caldeiras e de retorno de condensado.
A remoção desses gases protege tubulações e bombas, assim como as caldeiras e as linhas de retorno de condensado desses gases corrosivos.
Desenvolvido especificamente para ocupar pequenos espaços, o desaerador térmico Aquafil combina simplicidade e compactação com alta performance e eficiência operacional. Unidades pré-fabricadas convencionais do desaerador térmico Aquafil são ideais para fábricas com caldeiras de baixa pressão.
Esses equipamentos estão disponíveis em tamanhos de 4.000 a 180.000 Kg/h de capacidade, de acordo com as necessidades da instalação, para a mais vasta gama de atuação de indústrias, comércio e serviços públicos. O desaerador térmico Aquafil oferece grande vantagem especialmente onde o espaço disponível é restrito.
• A pressão de vapor dentro do desaerador deve sempre estar em 0,25 Kgf/cm² para garantir seu perfeito funcionamento
• O desaerador sempre é instalado acima da caldeira, para manter as bombas sempre afogadas
• Neste momento, mais de 200 desaeradores térmicos Aquafil estão em operação no Brasil e no exterior.
• A manutenção de um desaerador térmico deve ser realizada periodicamente para impedir entupimentos das válvulas spray e acúmulo de sujeira dentro do tanque de estocagem.
quinta-feira, 1 de julho de 2010
ÁGUA PARA SISTEMAS GERADORES DE VAPOR
Atualmente a água é o principal fluido utilizado em sistemas de geração de vapor. Na natureza encontram-se diversos tipos de águas, sendo que todas são impuras, pois apresentam quantidades diversificadas de impurezas iônicas ou moleculares, cuja composição e proporção estão relacionadas com a constituição geológica dos solos. Os constituintes geralmente encontrados junto com a água são sais dissolvidos inorgânicos e orgânicos, matéria orgânica em suspensão, material coloidal, gases dissolvidos e microorganismos. O alto poder calorífico aliado à ampla disponibilidade da água no meio industrial justifica a preferência do vapor da mesma como fluido de trabalho. Atualmente, o vapor é utilizado em grande escala, tanto para serviços de aquecimento, quanto para serviços acionados mecanicamente. Sua aplicação é bastante abrangente, pois atende diversas necessidades das empresas, como por exemplo, indústria de alimentos, bebidas, papel e celulose, têxtil, metalúrgica, química e outras.
Os componentes das máquinas geradoras de vapor são constituídos de materiais metálicos, que em contato com a água tendem a sofrer patologias, como: corrosão e incrustações, as quais dependem principalmente das impurezas presentes na mesma. A corrosão é um dos entraves mais sérios em sistemas geradores de vapor, pois pode ocasionar decomposição dos equipamentos e tubulações, acidentes, perda de material e parada do equipamento para a manutenção.
A presença de incrustações causa diminuição da troca de calor, rompimento das tubulações da máquina, perda da resistência mecânica e deformações, devido ao superaquecimento das mesmas, além de restringir a área do fluxo de escoamento na linha e possíveis obstruções nas válvulas, resultando em perdas e reposições de alto custo.
Quando não se aplicam os tratamentos internos e externos adequados e eficientes para uma água, esta pode ocasionar uma série de inconvenientes indesejáveis num processo industrial, resultando em perdas de eficiência, segurança e combustível. Pode-se obter o máximo proveito útil de um sistema gerador de vapor com os mais baixos custos, por meio de uma manutenção preventiva e com cuidados indispensáveis. Por esse motivo são necessários o controle e tratamento da água utilizada nestes processos. A análise química de uma água permite avaliar sua composição bruta, que aliada às características técnicas da caldeira oferece subsídios quanto a escolha dos tratamentos físicos e químicos propriamente ditos.
Essas análises efetuadas no laboratório químico têm o objetivo de verificar se o tratamento proposto ao equipamento está sendo eficiente. Os valores máximos e mínimos pré-estabelecidos devem ser observados, cabendo ao laboratório determinar instruções de operação para contorno de alguma variação nos parâmetros, além de verificar o desempenho dos instrumentos, das resinas de troca iônica, dos equipamentos de purificação de água, dos reagentes analíticos, e dos produtos químicos utilizados no tratamento do sistema. As análises de uma água devem ser feitas regularmente, para se verificar eventuais alterações nas qualidades da mesma, o que fornece subsídios necessários para as correções posteriores e controle das dosagens de produtos químicos adicionados. A periodicidade de uma análise varia muito com as condições de operação da caldeira, da natureza e gravidade dos problemas constatados. Para um tratamento químico preventivo ser eficiente num sistema de geração de vapor, é necessário fazer um estudo completo das características do equipamento e da água a ser usada no mesmo, e posteriormente utilizá-lo de forma correta, garantindo a manutenção da eficiência do mesmo.
Os componentes das máquinas geradoras de vapor são constituídos de materiais metálicos, que em contato com a água tendem a sofrer patologias, como: corrosão e incrustações, as quais dependem principalmente das impurezas presentes na mesma. A corrosão é um dos entraves mais sérios em sistemas geradores de vapor, pois pode ocasionar decomposição dos equipamentos e tubulações, acidentes, perda de material e parada do equipamento para a manutenção.
A presença de incrustações causa diminuição da troca de calor, rompimento das tubulações da máquina, perda da resistência mecânica e deformações, devido ao superaquecimento das mesmas, além de restringir a área do fluxo de escoamento na linha e possíveis obstruções nas válvulas, resultando em perdas e reposições de alto custo.
Quando não se aplicam os tratamentos internos e externos adequados e eficientes para uma água, esta pode ocasionar uma série de inconvenientes indesejáveis num processo industrial, resultando em perdas de eficiência, segurança e combustível. Pode-se obter o máximo proveito útil de um sistema gerador de vapor com os mais baixos custos, por meio de uma manutenção preventiva e com cuidados indispensáveis. Por esse motivo são necessários o controle e tratamento da água utilizada nestes processos. A análise química de uma água permite avaliar sua composição bruta, que aliada às características técnicas da caldeira oferece subsídios quanto a escolha dos tratamentos físicos e químicos propriamente ditos.
Essas análises efetuadas no laboratório químico têm o objetivo de verificar se o tratamento proposto ao equipamento está sendo eficiente. Os valores máximos e mínimos pré-estabelecidos devem ser observados, cabendo ao laboratório determinar instruções de operação para contorno de alguma variação nos parâmetros, além de verificar o desempenho dos instrumentos, das resinas de troca iônica, dos equipamentos de purificação de água, dos reagentes analíticos, e dos produtos químicos utilizados no tratamento do sistema. As análises de uma água devem ser feitas regularmente, para se verificar eventuais alterações nas qualidades da mesma, o que fornece subsídios necessários para as correções posteriores e controle das dosagens de produtos químicos adicionados. A periodicidade de uma análise varia muito com as condições de operação da caldeira, da natureza e gravidade dos problemas constatados. Para um tratamento químico preventivo ser eficiente num sistema de geração de vapor, é necessário fazer um estudo completo das características do equipamento e da água a ser usada no mesmo, e posteriormente utilizá-lo de forma correta, garantindo a manutenção da eficiência do mesmo.
Corrosão em Sistema de Geração de Vapor
Caldeiras Industriais
Corrosão em Sistema de Geração de Vapor
O vapor é o fluido depois da água mais utilizado nos processos industriais.
Pode ser usado para:
Geração de energia decorrente da utilização do vapor superaquecido de média ou alta pressão;
Controle de temperatura em reações químicas;
Auxiliar no processo de destilação;
Aquecimento do meio ambiente na área de conforto térmico;
Combate ao fogo;
Agente de limpeza, e acelerador das limpezas alcalinas e árida.
TIPOS DE CALDEIRAS
Caldeiras são equipamentos que tem a finalidade de gerar vapor. Dividem-se em dois tipos:
Fogatubulares : Constituídas de um corpo cilíndrico contendo em seu interior um tubo central de fogo e tubos de menor
diâmetros de gases, dispostos em duas ou mais passagens.
Aguatubulares: Constituídas de uma tubulação de vapor e uma ou mais tubulações inferiores denominados de lama.
Em operação transformam energia potencial dos combustíveis em energia calorífica, a qual é transformada
em vapor.
Observações sobre diferentes pressões:
Muito Baixa Pressão até 100 psi
Baixa Pressão 100 200 psi
Média Pressão 200 700 psi
Alta Pressão 700 1500 psi
Muito Alta Pressão 1500 3209 psi
Supercrítica acima de 3209 psi
FATORES QUE ACELERAM A CORROSÃO
Como as caldeiras são de grande importância para as indústrias que necessitam de vapor, o processo de corrosão deve ser controlado e evitado ao máximo.
Por esse motivo é necessário o controle e tratamento da água que é utilizada em caldeiras.
Fatores associados a corrosão:
1.Corrosão Ácida Generalizada
Corrosão nas superfícies internas da caldeiras resultante do uso de águas com baixo valores de pH.
2.Corrosão por Oxigênio
Aeração Diferencial: Quando a água utilizada é aerada ou a remoção de oxigênio é incompleta ou em caldeiras fora
de operação
Fratura da Magnética Protetora: A corrosão é localizada na forma puntiforme em decorrência da existência de pequenas
áreas anódicas, junto a grandes áreas catódicas.
3.Corrosão por Metais Dissimilares- Corrosão Galvânica
Diferentes metais podem ser conduzidos para o interior da caldeira, quando ionizados, complexados pela ação da amônia
e/ou no estado particulado.
4.Corrosão por Ácido Sulfídrico
A reação de gás sulfídrico com água produz ácido sulfídrico, que pode a vir se combinar com diferentes metais formando
sulfatos metálicos correspondentes.
5.Corrosão Ácida Localizada
Obretas: Concentração de sais ácidos ou de cloretos dissolvidos na água da caldeira poderá nos levar aos seguintes casos:
a.1) Sais ácidos poderão se hidrolisar sob depósitos produzindo condições de pH baixo.
a.2) Elevados teores de cloretos em geral na água da caldeira, poderão concentrar-se em altos níveis sob depósitos ou
fendas em meio aerado, provocando problema semelhante ao caso anterior.
A corrosão nos dois casos se estende por toda a área onde se armazenou o ácido formado.
Soda Cáustica: É usado na água de caldeira afim de elevar o valor de pH, para preservação do fino filme protetor
de óxido de feno magnético.
6.Corrosão por Agente Quelante
Tem características semelhantes a da corrosão cáustica. Ela ocorre quando camadas de vapor se formam ao longo das linhas
de água ou quando a evaporação da água deixa um resíduo concentrado de quelato.
FALHAS QUE PODEM OCORRER EM CALDEIRAS
1. Falhas por Superaquecimento
São ocasionadas por incrustações ou camadas de vapor depositadas sobre as superfícies dos tubos das caldeiras que podem
reduzir a taxa de transferência de calor.
1.a) Superaquecimento por Longo Período-Provocado por Incrustações-Fluência:
Ocasionada por sais minerais dissolvidos em suspensão na água de caldeiras. Entre os problemas gerados temos:
Aumento no consumo de combustível e formação de depósitos porosos, propícios a localização de cloretos ,quelantes
e soda cáustica que provocam a corrosão.
1.b) Superaquecimento por Curto Período Provocada por Camadas de Vapor
As camadas de vapor sobre as superfícies do tubo impedem sua refrigeração pelo seu grande poder isolante , gerando
assim um superaquecimento das suas paredes com temperaturas oscilando entre 700 e 8000C, provocando assim
deformação plástica e ruptura.
2. Fadiga Térmica
Esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são acelerados quando operados em um
ambiente corrosivo.
3. Ocultamento - Hide-Out
É o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido
de sódio. Acontece em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências são a falta de refrigeração das
paredes dos tubos onde ele se estabelece.
PREVENÇÃO DE CORROSÃO EM CALDEIRAS:
Consiste em: -Tratamentos externos nas águas de alimentação;
-Tratamentos internos nas águas de caldeiras.
1. Tratamentos Externos
1.a) Remoção da Turbidez e Cor
Para evitar que haja o aumento de depósitos nas superfícies de geração de vapor.
1.b) Remoção de Ferro e Manganês
É necessário fazer uma pré-cloração na água, a fim de que o processo de oxidação do Fe e Mg seja acelerado mantendo-se
um residual de cloro de 2ppm.
1.c) Remoção da Dureza
Pode ser obtida utilizando-se os seguintes processos:
- Recuperação máxima possível de vapor condensado;
- Utilização de hidrogênio de cálcio para o abrandamento de água com dureza temporária;
- Utilização de ortofosfato em meio alcalino e a temperatura de 800C, para redução da dureza total a zero;
- Redução da dureza pela utilização de resinas trocadoras ou permutadoras de íons de natureza catiônica.
1.d) Desmineralização
Remoção de todos os íons de uma água por meio de utilização de resinas catiônicas e aniônicas.
1.e) Remoção de Gases
Desaeração Mecânica: É feito aquecendo-se a água com vapor em contracorrente. Tipos de processos:
- Jateamento ou escoamento da água em uma grande superfície em contra corrente com vapor;
- Desaeração à vácuo feito a frio por abaixamento de pressão.
2.Tratamentos Internos:
Tratamento usado para remoção de oxigênio, neutralização do dióxido de carbono, correção do pH das caldeiras. É também usado para evitar incrustações ou depósitos
nas superfícies de geração de vapor.
2.a) Desaeração Química
Utiliza o composto sulfito de sódio, que acarreta um constante aumento dos sólidos dissolvidos na água, devido a formação
de sulfato de sódio. É uma reação lenta e incompleta em águas com temperatura acima de 1200C, e uma reação completa
na água do interior da caldeira. Utiliza-se também Hidrazina, que com o oxigênio produz água e nitrogênio, gás inerte
que se desprende com o vapor.
2.b) Ataque Ácido
Consiste na alcalinização da água de alimentação, utilizando-se soda cáutica não carbonatada e isenta de cloretos.
2.c) Corrosão Galvânica
É evitada com eliminação da contaminação por cobre ionizado, complexado e no estado metálico, das seguintes maneiras:
- Utilização de hidrazina;
- Não utilização da amônia;
- Evitar condensados ácidos, e setores de bombas feitos com bronze;
- Ser rigoroso na operação de limpeza química.
2.d) Ataque pelo Ácido Sulfídrico
Não utilizar água que contenha H2S e sulfito de sódio catalisado.
2.e) Ataque sobre Depósitos
Utilizar águas abrandadas, limitar o valor de cloretos na água de caldeira e limitar a presença de alcalinidade hidróxido.
2.f) Ataque Quelante
Evitar zonas de concentração, não utilizar tratamento quelante em águas com durezas variáveis e evitar excetos de quelantes
2.g) Corrosão Sob Tensão Fraturante
Evitar alcanilidade hidróxido acima do limite indicado e áreas de concentração junto a zonas tensionadas.
2.h) Corrente por Corrente de Fuga
Montar a caldeira corretamente aterrada.
2.i) Proteção de Caldeiras Paradas
Proteção contra a corrosão pelo oxigênio.
2.i.1) Proteção por Curto Período: É feita por agentes redutores como o sulfito de sódio catalisado ou pela hidrazina ativada.
2.i.2) Proteção por Longos Períodos: É feita com inibidores de corrosão ou pela proteção seca.
2.i.3) Proteção Seca com Inibidores em Fase Vapor: Utiliza inibidores, que são substâncias cristalinas como, o nitrito ou
benzoato associados a bases orgânicas voláteis.
Corrosão em Sistema de Geração de Vapor
O vapor é o fluido depois da água mais utilizado nos processos industriais.
Pode ser usado para:
Geração de energia decorrente da utilização do vapor superaquecido de média ou alta pressão;
Controle de temperatura em reações químicas;
Auxiliar no processo de destilação;
Aquecimento do meio ambiente na área de conforto térmico;
Combate ao fogo;
Agente de limpeza, e acelerador das limpezas alcalinas e árida.
TIPOS DE CALDEIRAS
Caldeiras são equipamentos que tem a finalidade de gerar vapor. Dividem-se em dois tipos:
Fogatubulares : Constituídas de um corpo cilíndrico contendo em seu interior um tubo central de fogo e tubos de menor
diâmetros de gases, dispostos em duas ou mais passagens.
Aguatubulares: Constituídas de uma tubulação de vapor e uma ou mais tubulações inferiores denominados de lama.
Em operação transformam energia potencial dos combustíveis em energia calorífica, a qual é transformada
em vapor.
Observações sobre diferentes pressões:
Muito Baixa Pressão até 100 psi
Baixa Pressão 100 200 psi
Média Pressão 200 700 psi
Alta Pressão 700 1500 psi
Muito Alta Pressão 1500 3209 psi
Supercrítica acima de 3209 psi
FATORES QUE ACELERAM A CORROSÃO
Como as caldeiras são de grande importância para as indústrias que necessitam de vapor, o processo de corrosão deve ser controlado e evitado ao máximo.
Por esse motivo é necessário o controle e tratamento da água que é utilizada em caldeiras.
Fatores associados a corrosão:
1.Corrosão Ácida Generalizada
Corrosão nas superfícies internas da caldeiras resultante do uso de águas com baixo valores de pH.
2.Corrosão por Oxigênio
Aeração Diferencial: Quando a água utilizada é aerada ou a remoção de oxigênio é incompleta ou em caldeiras fora
de operação
Fratura da Magnética Protetora: A corrosão é localizada na forma puntiforme em decorrência da existência de pequenas
áreas anódicas, junto a grandes áreas catódicas.
3.Corrosão por Metais Dissimilares- Corrosão Galvânica
Diferentes metais podem ser conduzidos para o interior da caldeira, quando ionizados, complexados pela ação da amônia
e/ou no estado particulado.
4.Corrosão por Ácido Sulfídrico
A reação de gás sulfídrico com água produz ácido sulfídrico, que pode a vir se combinar com diferentes metais formando
sulfatos metálicos correspondentes.
5.Corrosão Ácida Localizada
Obretas: Concentração de sais ácidos ou de cloretos dissolvidos na água da caldeira poderá nos levar aos seguintes casos:
a.1) Sais ácidos poderão se hidrolisar sob depósitos produzindo condições de pH baixo.
a.2) Elevados teores de cloretos em geral na água da caldeira, poderão concentrar-se em altos níveis sob depósitos ou
fendas em meio aerado, provocando problema semelhante ao caso anterior.
A corrosão nos dois casos se estende por toda a área onde se armazenou o ácido formado.
Soda Cáustica: É usado na água de caldeira afim de elevar o valor de pH, para preservação do fino filme protetor
de óxido de feno magnético.
6.Corrosão por Agente Quelante
Tem características semelhantes a da corrosão cáustica. Ela ocorre quando camadas de vapor se formam ao longo das linhas
de água ou quando a evaporação da água deixa um resíduo concentrado de quelato.
FALHAS QUE PODEM OCORRER EM CALDEIRAS
1. Falhas por Superaquecimento
São ocasionadas por incrustações ou camadas de vapor depositadas sobre as superfícies dos tubos das caldeiras que podem
reduzir a taxa de transferência de calor.
1.a) Superaquecimento por Longo Período-Provocado por Incrustações-Fluência:
Ocasionada por sais minerais dissolvidos em suspensão na água de caldeiras. Entre os problemas gerados temos:
Aumento no consumo de combustível e formação de depósitos porosos, propícios a localização de cloretos ,quelantes
e soda cáustica que provocam a corrosão.
1.b) Superaquecimento por Curto Período Provocada por Camadas de Vapor
As camadas de vapor sobre as superfícies do tubo impedem sua refrigeração pelo seu grande poder isolante , gerando
assim um superaquecimento das suas paredes com temperaturas oscilando entre 700 e 8000C, provocando assim
deformação plástica e ruptura.
2. Fadiga Térmica
Esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são acelerados quando operados em um
ambiente corrosivo.
3. Ocultamento - Hide-Out
É o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido
de sódio. Acontece em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências são a falta de refrigeração das
paredes dos tubos onde ele se estabelece.
PREVENÇÃO DE CORROSÃO EM CALDEIRAS:
Consiste em: -Tratamentos externos nas águas de alimentação;
-Tratamentos internos nas águas de caldeiras.
1. Tratamentos Externos
1.a) Remoção da Turbidez e Cor
Para evitar que haja o aumento de depósitos nas superfícies de geração de vapor.
1.b) Remoção de Ferro e Manganês
É necessário fazer uma pré-cloração na água, a fim de que o processo de oxidação do Fe e Mg seja acelerado mantendo-se
um residual de cloro de 2ppm.
1.c) Remoção da Dureza
Pode ser obtida utilizando-se os seguintes processos:
- Recuperação máxima possível de vapor condensado;
- Utilização de hidrogênio de cálcio para o abrandamento de água com dureza temporária;
- Utilização de ortofosfato em meio alcalino e a temperatura de 800C, para redução da dureza total a zero;
- Redução da dureza pela utilização de resinas trocadoras ou permutadoras de íons de natureza catiônica.
1.d) Desmineralização
Remoção de todos os íons de uma água por meio de utilização de resinas catiônicas e aniônicas.
1.e) Remoção de Gases
Desaeração Mecânica: É feito aquecendo-se a água com vapor em contracorrente. Tipos de processos:
- Jateamento ou escoamento da água em uma grande superfície em contra corrente com vapor;
- Desaeração à vácuo feito a frio por abaixamento de pressão.
2.Tratamentos Internos:
Tratamento usado para remoção de oxigênio, neutralização do dióxido de carbono, correção do pH das caldeiras. É também usado para evitar incrustações ou depósitos
nas superfícies de geração de vapor.
2.a) Desaeração Química
Utiliza o composto sulfito de sódio, que acarreta um constante aumento dos sólidos dissolvidos na água, devido a formação
de sulfato de sódio. É uma reação lenta e incompleta em águas com temperatura acima de 1200C, e uma reação completa
na água do interior da caldeira. Utiliza-se também Hidrazina, que com o oxigênio produz água e nitrogênio, gás inerte
que se desprende com o vapor.
2.b) Ataque Ácido
Consiste na alcalinização da água de alimentação, utilizando-se soda cáutica não carbonatada e isenta de cloretos.
2.c) Corrosão Galvânica
É evitada com eliminação da contaminação por cobre ionizado, complexado e no estado metálico, das seguintes maneiras:
- Utilização de hidrazina;
- Não utilização da amônia;
- Evitar condensados ácidos, e setores de bombas feitos com bronze;
- Ser rigoroso na operação de limpeza química.
2.d) Ataque pelo Ácido Sulfídrico
Não utilizar água que contenha H2S e sulfito de sódio catalisado.
2.e) Ataque sobre Depósitos
Utilizar águas abrandadas, limitar o valor de cloretos na água de caldeira e limitar a presença de alcalinidade hidróxido.
2.f) Ataque Quelante
Evitar zonas de concentração, não utilizar tratamento quelante em águas com durezas variáveis e evitar excetos de quelantes
2.g) Corrosão Sob Tensão Fraturante
Evitar alcanilidade hidróxido acima do limite indicado e áreas de concentração junto a zonas tensionadas.
2.h) Corrente por Corrente de Fuga
Montar a caldeira corretamente aterrada.
2.i) Proteção de Caldeiras Paradas
Proteção contra a corrosão pelo oxigênio.
2.i.1) Proteção por Curto Período: É feita por agentes redutores como o sulfito de sódio catalisado ou pela hidrazina ativada.
2.i.2) Proteção por Longos Períodos: É feita com inibidores de corrosão ou pela proteção seca.
2.i.3) Proteção Seca com Inibidores em Fase Vapor: Utiliza inibidores, que são substâncias cristalinas como, o nitrito ou
benzoato associados a bases orgânicas voláteis.
terça-feira, 8 de junho de 2010
Margarinas
Margarinas
A margarina é uma emulsão de gorduras e óleos com leite, que tem aparência de manteiga, e contém aromas, corantes e substâncias nutricionais, como vitaminas e conservantes. Os maiores componentes da margarina são os óleos líquidos e os parcialmente hidrogenados, essa proporção varia de acordo com a finalidade do produto (margarina de mesa, da cozinha ou fins industriais). O leite utilizado na fabricação é pasteurizado à temperatura de 85 – 95o C, resfriado e fermentado para obter um sabor desejável. Manteiga, diacetil ou aromas sintéticos também podem ser adicionados à margarina para produzir sabor. A adição de pequenas quantias de lecitina facilita a emulsão de gordura em água. Corantes vegetais como cúrcuma, açafrão e pigmentos naturais podem ser adicionados. Após a adição da mistura de óleos na gordura e a adição dos emulsificantes e os demais ingredientes, é produzida uma emulsão com emprego de bombas de aço inoxidável à temperatura de 30 – 34o C. Esta emulsão é transferida sob pressão de 20 atmosferas para um congelador cilíndrico encamisado e resfriado com amônia ou salmoura à temperatura de –15 a –18o C, promovendo a solidificação, que é raspada por meio de facas raspadoras e depois são conduzidas por um cilindro adquirindo estrutura cristalina e subseqüentemente embalada.
A margarina é uma emulsão de gorduras e óleos com leite, que tem aparência de manteiga, e contém aromas, corantes e substâncias nutricionais, como vitaminas e conservantes. Os maiores componentes da margarina são os óleos líquidos e os parcialmente hidrogenados, essa proporção varia de acordo com a finalidade do produto (margarina de mesa, da cozinha ou fins industriais). O leite utilizado na fabricação é pasteurizado à temperatura de 85 – 95o C, resfriado e fermentado para obter um sabor desejável. Manteiga, diacetil ou aromas sintéticos também podem ser adicionados à margarina para produzir sabor. A adição de pequenas quantias de lecitina facilita a emulsão de gordura em água. Corantes vegetais como cúrcuma, açafrão e pigmentos naturais podem ser adicionados. Após a adição da mistura de óleos na gordura e a adição dos emulsificantes e os demais ingredientes, é produzida uma emulsão com emprego de bombas de aço inoxidável à temperatura de 30 – 34o C. Esta emulsão é transferida sob pressão de 20 atmosferas para um congelador cilíndrico encamisado e resfriado com amônia ou salmoura à temperatura de –15 a –18o C, promovendo a solidificação, que é raspada por meio de facas raspadoras e depois são conduzidas por um cilindro adquirindo estrutura cristalina e subseqüentemente embalada.
Hidrogenação
Hidrogenação
É a adição de hidrogênio nas insaturações dos ácidos graxos insaturados, permitindo transformar óleos em gorduras plásticas, como a transformação de óleo vegetais em margarina, tornar as gorduras mais rígidas ou reduzir a suscetibilidade a rancidez. O hidrogênio gasoso reage com o óleo ou a gordura na presença de um catalizador (platina, paládio ou níquel), industrialmente o níquel, por ser de menor custo. O catalisador adsorve os regentes sobre a sua superfície, rompendo parcialmente as duplas ligações entre os carbonos e a ligação simples entre os hidrogênios, efetivando em seguida a adição dos hidrogênios e a dessorção da superfície do catalisador. Em geral a hidrogenação é conduzida de forma incompleta, visando a produção de gorduras parcialmente hidrogenadas, podendo ser seletiva ou não seletiva. O processo é considerado seletivo quando a adição de hidrogênio aos ácidos graxos mais insaturados prevalece sobre a hidrogenação dos menos insaturados, sendo mais seletivo com o aumento da temperatura de reação. Na hidrogenação parcial, uma parcela das duplas ligações remanescentes podem formar isômeros por troca de configuração de “cis” para “trans”, ou por mudança de posição da dupla ligação na cadeia hidrocarbonada. Com a hidrogenação ocorrem as seguintes alterações nos óleos e gorduras:
a) ponto de fusão para temperatura mais alta;
b) maior estabilidade ao processo de oxidação
É a adição de hidrogênio nas insaturações dos ácidos graxos insaturados, permitindo transformar óleos em gorduras plásticas, como a transformação de óleo vegetais em margarina, tornar as gorduras mais rígidas ou reduzir a suscetibilidade a rancidez. O hidrogênio gasoso reage com o óleo ou a gordura na presença de um catalizador (platina, paládio ou níquel), industrialmente o níquel, por ser de menor custo. O catalisador adsorve os regentes sobre a sua superfície, rompendo parcialmente as duplas ligações entre os carbonos e a ligação simples entre os hidrogênios, efetivando em seguida a adição dos hidrogênios e a dessorção da superfície do catalisador. Em geral a hidrogenação é conduzida de forma incompleta, visando a produção de gorduras parcialmente hidrogenadas, podendo ser seletiva ou não seletiva. O processo é considerado seletivo quando a adição de hidrogênio aos ácidos graxos mais insaturados prevalece sobre a hidrogenação dos menos insaturados, sendo mais seletivo com o aumento da temperatura de reação. Na hidrogenação parcial, uma parcela das duplas ligações remanescentes podem formar isômeros por troca de configuração de “cis” para “trans”, ou por mudança de posição da dupla ligação na cadeia hidrocarbonada. Com a hidrogenação ocorrem as seguintes alterações nos óleos e gorduras:
a) ponto de fusão para temperatura mais alta;
b) maior estabilidade ao processo de oxidação
Diferença de soja trangênica e orgânica
O que é soja transgênica
Existem vários tipos de soja transgênica sendo desenvolvidos atualmente. A mais conhecida e plantada comercialmente é uma planta que recebeu, por meio de técnicas da biotecnologia, um gene de um outro organismo capaz de torná-la tolerante ao uso de um tipo de herbicida, o glifosato1.
Esse gene foi extraído de uma bactéria do solo, conhecida por Agrobacterium, e patenteado por uma empresa privada. Estruturalmente, é muito parecido com os genes que compõem o genoma de uma planta. Quando inserido no genoma da soja, tornou a planta resistente à aplicação do herbicida.
Essa novidade chegou ao campo pela primeira vez nos Estados Unidos, na safra de 1996. No ano seguinte, os agricultores argentinos também já aderiram à novidade. Com a nova tecnologia, fica mais fácil para os agricultores controlarem a planta daninha sem afetar a soja.
A lógica desta tecnologia é a mesma usada na produção de soja convencional, já que ela está baseada na aplicação de herbicida e numa crescente dependência das empresas fornecedoras que, com isso, faturam duplamente: uma com a venda da semente e outra com a venda do herbicida. O que é velho surge com cara de novo e é apresentado como símbolo de progresso e modernidade. Quando se fala dos riscos, a discussão fica limitada a supostos futuros efeitos da manipulação genética sobre a saúde humana, os quais ainda não estariam confirmados. O perigo da dependência dos agricultores em relação ao monopólio das empresas, que certamente esperam um futuro pagamento de royalties pela semente e a incerteza na comercialização, pouco aparecem no debate.
Uma das principais polêmicas sobre a soja, hoje no Brasil, é a questão dos grãos geneticamente modificados. Como o plantio transgênico se expandiu muito nos últimos anos, em nível mundial, e a soja é um dos principais produtos brasileiros de exportação.
1 O glifosato é um produto comumente utilizado pelos agricultores no controle de plantas daninhas e limpeza de áreas antes do plantio de uma cultura. Suas moléculas se ligam a uma proteína vital da planta, impedindo seu funcionamento e ocasionando sua morte. Os efeitos do herbicida Glyphosate sequer são mencionados. Os representantes das empresas fornecedoras do produto alegam, inclusive, que se trata de um “medicamento”
inofensivo para animais e seres humanos, o qual, em contato com o solo, se converteria em outras substâncias não tóxicas. Mas, na realidade, isso não confere. Glyphosate é uma substância química desenvolvida a partir do
“Agente Laranja”, usado na guerra do Vietnã. Seus efeitos no Vietnã ainda hoje são visíveis, onde toda uma geração sofre de anomalias congênitas que afetam o normal desenvolvimento de seus braços e pernas.
Brasil, o governo foi duramente pressionado pelos grandes proprietários rurais a liberar a comercialização e o plantio de soja transgênica no país. A discussão não está encerrada.
O que é soja orgânica
A soja orgânica é cultivada livre de produtos químicos como herbicidas, fungicidas e inseticidas, é também um bom investimento para pequenos produtores: a soja orgânica é comercializada com preços superiores à soja convencional. Além disso, de modo geral, o custo de produção é menor do que no sistema convencional.
O cultivo de soja orgânica para consumo humano é uma alternativa para pequenos agricultores. O sistema orgânico proporciona ainda inúmeros benefícios para o meio ambiente.
Existem vários tipos de soja transgênica sendo desenvolvidos atualmente. A mais conhecida e plantada comercialmente é uma planta que recebeu, por meio de técnicas da biotecnologia, um gene de um outro organismo capaz de torná-la tolerante ao uso de um tipo de herbicida, o glifosato1.
Esse gene foi extraído de uma bactéria do solo, conhecida por Agrobacterium, e patenteado por uma empresa privada. Estruturalmente, é muito parecido com os genes que compõem o genoma de uma planta. Quando inserido no genoma da soja, tornou a planta resistente à aplicação do herbicida.
Essa novidade chegou ao campo pela primeira vez nos Estados Unidos, na safra de 1996. No ano seguinte, os agricultores argentinos também já aderiram à novidade. Com a nova tecnologia, fica mais fácil para os agricultores controlarem a planta daninha sem afetar a soja.
A lógica desta tecnologia é a mesma usada na produção de soja convencional, já que ela está baseada na aplicação de herbicida e numa crescente dependência das empresas fornecedoras que, com isso, faturam duplamente: uma com a venda da semente e outra com a venda do herbicida. O que é velho surge com cara de novo e é apresentado como símbolo de progresso e modernidade. Quando se fala dos riscos, a discussão fica limitada a supostos futuros efeitos da manipulação genética sobre a saúde humana, os quais ainda não estariam confirmados. O perigo da dependência dos agricultores em relação ao monopólio das empresas, que certamente esperam um futuro pagamento de royalties pela semente e a incerteza na comercialização, pouco aparecem no debate.
Uma das principais polêmicas sobre a soja, hoje no Brasil, é a questão dos grãos geneticamente modificados. Como o plantio transgênico se expandiu muito nos últimos anos, em nível mundial, e a soja é um dos principais produtos brasileiros de exportação.
1 O glifosato é um produto comumente utilizado pelos agricultores no controle de plantas daninhas e limpeza de áreas antes do plantio de uma cultura. Suas moléculas se ligam a uma proteína vital da planta, impedindo seu funcionamento e ocasionando sua morte. Os efeitos do herbicida Glyphosate sequer são mencionados. Os representantes das empresas fornecedoras do produto alegam, inclusive, que se trata de um “medicamento”
inofensivo para animais e seres humanos, o qual, em contato com o solo, se converteria em outras substâncias não tóxicas. Mas, na realidade, isso não confere. Glyphosate é uma substância química desenvolvida a partir do
“Agente Laranja”, usado na guerra do Vietnã. Seus efeitos no Vietnã ainda hoje são visíveis, onde toda uma geração sofre de anomalias congênitas que afetam o normal desenvolvimento de seus braços e pernas.
Brasil, o governo foi duramente pressionado pelos grandes proprietários rurais a liberar a comercialização e o plantio de soja transgênica no país. A discussão não está encerrada.
O que é soja orgânica
A soja orgânica é cultivada livre de produtos químicos como herbicidas, fungicidas e inseticidas, é também um bom investimento para pequenos produtores: a soja orgânica é comercializada com preços superiores à soja convencional. Além disso, de modo geral, o custo de produção é menor do que no sistema convencional.
O cultivo de soja orgânica para consumo humano é uma alternativa para pequenos agricultores. O sistema orgânico proporciona ainda inúmeros benefícios para o meio ambiente.
Caldeiras Industriais
Caldeiras Industriais
Corrosão em Sistema de Geração de Vapor
O vapor é o fluido depois da água mais utilizado nos processos industriais.
Pode ser usado para:
Geração de energia decorrente da utilização do vapor superaquecido de média ou alta pressão;
Controle de temperatura em reações químicas;
Auxiliar no processo de destilação;
Aquecimento do meio ambiente na área de conforto térmico;
Combate ao fogo;
Agente de limpeza, e acelerador das limpezas alcalinas e árida.
TIPOS DE CALDEIRAS
Caldeiras são equipamentos que tem a finalidade de gerar vapor. Dividem-se em dois tipos:
Fogatubulares : Constituídas de um corpo cilíndrico contendo em seu interior um tubo central de fogo e tubos de menor
diâmetros de gases, dispostos em duas ou mais passagens.
Aguatubulares: Constituídas de uma tubulação de vapor e uma ou mais tubulações inferiores denominados de lama.
Em operação transformam energia potencial dos combustíveis em energia calorífica, a qual é transformada
em vapor.
Observações sobre diferentes pressões:
Muito Baixa Pressão até 100 psi
Baixa Pressão 100 200 psi
Média Pressão 200 700 psi
Alta Pressão 700 1500 psi
Muito Alta Pressão 1500 3209 psi
Supercrítica acima de 3209 psi
FATORES QUE ACELERAM A CORROSÃO
Como as caldeiras são de grande importância para as indústrias que necessitam de vapor, o processo de corrosão deve ser controlado e evitado ao máximo.
Por esse motivo é necessário o controle e tratamento da água que é utilizada em caldeiras.
Fatores associados a corrosão:
1.Corrosão Ácida Generalizada
Corrosão nas superfícies internas da caldeiras resultante do uso de águas com baixo valores de pH.
2.Corrosão por Oxigênio
Aeração Diferencial: Quando a água utilizada é aerada ou a remoção de oxigênio é incompleta ou em caldeiras fora
de operação
Fratura da Magnética Protetora: A corrosão é localizada na forma puntiforme em decorrência da existência de pequenas
áreas anódicas, junto a grandes áreas catódicas.
3.Corrosão por Metais Dissimilares- Corrosão Galvânica
Diferentes metais podem ser conduzidos para o interior da caldeira, quando ionizados, complexados pela ação da amônia
e/ou no estado particulado.
4.Corrosão por Ácido Sulfídrico
A reação de gás sulfídrico com água produz ácido sulfídrico, que pode a vir se combinar com diferentes metais formando
sulfatos metálicos correspondentes.
5.Corrosão Ácida Localizada
Obretas: Concentração de sais ácidos ou de cloretos dissolvidos na água da caldeira poderá nos levar aos seguintes casos:
a.1) Sais ácidos poderão se hidrolisar sob depósitos produzindo condições de pH baixo.
a.2) Elevados teores de cloretos em geral na água da caldeira, poderão concentrar-se em altos níveis sob depósitos ou
fendas em meio aerado, provocando problema semelhante ao caso anterior.
A corrosão nos dois casos se estende por toda a área onde se armazenou o ácido formado.
Soda Cáustica: É usado na água de caldeira afim de elevar o valor de pH, para preservação do fino filme protetor
de óxido de feno magnético.
6.Corrosão por Agente Quelante
Tem características semelhantes a da corrosão cáustica. Ela ocorre quando camadas de vapor se formam ao longo das linhas
de água ou quando a evaporação da água deixa um resíduo concentrado de quelato.
FALHAS QUE PODEM OCORRER EM CALDEIRAS
1. Falhas por Superaquecimento
São ocasionadas por incrustações ou camadas de vapor depositadas sobre as superfícies dos tubos das caldeiras que podem
reduzir a taxa de transferência de calor.
1.a) Superaquecimento por Longo Período-Provocado por Incrustações-Fluência:
Ocasionada por sais minerais dissolvidos em suspensão na água de caldeiras. Entre os problemas gerados temos:
Aumento no consumo de combustível e formação de depósitos porosos, propícios a localização de cloretos ,quelantes
e soda cáustica que provocam a corrosão.
1.b) Superaquecimento por Curto Período Provocada por Camadas de Vapor
As camadas de vapor sobre as superfícies do tubo impedem sua refrigeração pelo seu grande poder isolante , gerando
assim um superaquecimento das suas paredes com temperaturas oscilando entre 700 e 8000C, provocando assim
deformação plástica e ruptura.
2. Fadiga Térmica
Esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são acelerados quando operados em um
ambiente corrosivo.
3. Ocultamento - Hide-Out
É o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido
de sódio. Acontece em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências são a falta de refrigeração das
paredes dos tubos onde ele se estabelece.
PREVENÇÃO DE CORROSÃO EM CALDEIRAS:
Consiste em: -Tratamentos externos nas águas de alimentação;
-Tratamentos internos nas águas de caldeiras.
1. Tratamentos Externos
1.a) Remoção da Turbidez e Cor
Para evitar que haja o aumento de depósitos nas superfícies de geração de vapor.
1.b) Remoção de Ferro e Manganês
É necessário fazer uma pré-cloração na água, a fim de que o processo de oxidação do Fe e Mg seja acelerado mantendo-se
um residual de cloro de 2ppm.
1.c) Remoção da Dureza
Pode ser obtida utilizando-se os seguintes processos:
- Recuperação máxima possível de vapor condensado;
- Utilização de hidrogênio de cálcio para o abrandamento de água com dureza temporária;
- Utilização de ortofosfato em meio alcalino e a temperatura de 800C, para redução da dureza total a zero;
- Redução da dureza pela utilização de resinas trocadoras ou permutadoras de íons de natureza catiônica.
1.d) Desmineralização
Remoção de todos os íons de uma água por meio de utilização de resinas catiônicas e aniônicas.
1.e) Remoção de Gases
Desaeração Mecânica: É feito aquecendo-se a água com vapor em contracorrente. Tipos de processos:
- Jateamento ou escoamento da água em uma grande superfície em contra corrente com vapor;
- Desaeração à vácuo feito a frio por abaixamento de pressão.
2.Tratamentos Internos:
Tratamento usado para remoção de oxigênio, neutralização do dióxido de carbono, correção do pH das caldeiras. É também usado para evitar incrustações ou depósitos
nas superfícies de geração de vapor.
2.a) Desaeração Química
Utiliza o composto sulfito de sódio, que acarreta um constante aumento dos sólidos dissolvidos na água, devido a formação
de sulfato de sódio. É uma reação lenta e incompleta em águas com temperatura acima de 1200C, e uma reação completa
na água do interior da caldeira. Utiliza-se também Hidrazina, que com o oxigênio produz água e nitrogênio, gás inerte
que se desprende com o vapor.
2.b) Ataque Ácido
Consiste na alcalinização da água de alimentação, utilizando-se soda cáutica não carbonatada e isenta de cloretos.
2.c) Corrosão Galvânica
É evitada com eliminação da contaminação por cobre ionizado, complexado e no estado metálico, das seguintes maneiras:
- Utilização de hidrazina;
- Não utilização da amônia;
- Evitar condensados ácidos, e setores de bombas feitos com bronze;
- Ser rigoroso na operação de limpeza química.
2.d) Ataque pelo Ácido Sulfídrico
Não utilizar água que contenha H2S e sulfito de sódio catalisado.
2.e) Ataque sobre Depósitos
Utilizar águas abrandadas, limitar o valor de cloretos na água de caldeira e limitar a presença de alcalinidade hidróxido.
2.f) Ataque Quelante
Evitar zonas de concentração, não utilizar tratamento quelante em águas com durezas variáveis e evitar excetos de quelantes
2.g) Corrosão Sob Tensão Fraturante
Evitar alcanilidade hidróxido acima do limite indicado e áreas de concentração junto a zonas tensionadas.
2.h) Corrente por Corrente de Fuga
Montar a caldeira corretamente aterrada.
2.i) Proteção de Caldeiras Paradas
Proteção contra a corrosão pelo oxigênio.
2.i.1) Proteção por Curto Período: É feita por agentes redutores como o sulfito de sódio catalisado ou pela hidrazina ativada.
2.i.2) Proteção por Longos Períodos: É feita com inibidores de corrosão ou pela proteção seca.
2.i.3) Proteção Seca com Inibidores em Fase Vapor: Utiliza inibidores, que são substâncias cristalinas como, o nitrito ou
benzoato associados a bases orgânicas voláteis.
Corrosão em Sistema de Geração de Vapor
O vapor é o fluido depois da água mais utilizado nos processos industriais.
Pode ser usado para:
Geração de energia decorrente da utilização do vapor superaquecido de média ou alta pressão;
Controle de temperatura em reações químicas;
Auxiliar no processo de destilação;
Aquecimento do meio ambiente na área de conforto térmico;
Combate ao fogo;
Agente de limpeza, e acelerador das limpezas alcalinas e árida.
TIPOS DE CALDEIRAS
Caldeiras são equipamentos que tem a finalidade de gerar vapor. Dividem-se em dois tipos:
Fogatubulares : Constituídas de um corpo cilíndrico contendo em seu interior um tubo central de fogo e tubos de menor
diâmetros de gases, dispostos em duas ou mais passagens.
Aguatubulares: Constituídas de uma tubulação de vapor e uma ou mais tubulações inferiores denominados de lama.
Em operação transformam energia potencial dos combustíveis em energia calorífica, a qual é transformada
em vapor.
Observações sobre diferentes pressões:
Muito Baixa Pressão até 100 psi
Baixa Pressão 100 200 psi
Média Pressão 200 700 psi
Alta Pressão 700 1500 psi
Muito Alta Pressão 1500 3209 psi
Supercrítica acima de 3209 psi
FATORES QUE ACELERAM A CORROSÃO
Como as caldeiras são de grande importância para as indústrias que necessitam de vapor, o processo de corrosão deve ser controlado e evitado ao máximo.
Por esse motivo é necessário o controle e tratamento da água que é utilizada em caldeiras.
Fatores associados a corrosão:
1.Corrosão Ácida Generalizada
Corrosão nas superfícies internas da caldeiras resultante do uso de águas com baixo valores de pH.
2.Corrosão por Oxigênio
Aeração Diferencial: Quando a água utilizada é aerada ou a remoção de oxigênio é incompleta ou em caldeiras fora
de operação
Fratura da Magnética Protetora: A corrosão é localizada na forma puntiforme em decorrência da existência de pequenas
áreas anódicas, junto a grandes áreas catódicas.
3.Corrosão por Metais Dissimilares- Corrosão Galvânica
Diferentes metais podem ser conduzidos para o interior da caldeira, quando ionizados, complexados pela ação da amônia
e/ou no estado particulado.
4.Corrosão por Ácido Sulfídrico
A reação de gás sulfídrico com água produz ácido sulfídrico, que pode a vir se combinar com diferentes metais formando
sulfatos metálicos correspondentes.
5.Corrosão Ácida Localizada
Obretas: Concentração de sais ácidos ou de cloretos dissolvidos na água da caldeira poderá nos levar aos seguintes casos:
a.1) Sais ácidos poderão se hidrolisar sob depósitos produzindo condições de pH baixo.
a.2) Elevados teores de cloretos em geral na água da caldeira, poderão concentrar-se em altos níveis sob depósitos ou
fendas em meio aerado, provocando problema semelhante ao caso anterior.
A corrosão nos dois casos se estende por toda a área onde se armazenou o ácido formado.
Soda Cáustica: É usado na água de caldeira afim de elevar o valor de pH, para preservação do fino filme protetor
de óxido de feno magnético.
6.Corrosão por Agente Quelante
Tem características semelhantes a da corrosão cáustica. Ela ocorre quando camadas de vapor se formam ao longo das linhas
de água ou quando a evaporação da água deixa um resíduo concentrado de quelato.
FALHAS QUE PODEM OCORRER EM CALDEIRAS
1. Falhas por Superaquecimento
São ocasionadas por incrustações ou camadas de vapor depositadas sobre as superfícies dos tubos das caldeiras que podem
reduzir a taxa de transferência de calor.
1.a) Superaquecimento por Longo Período-Provocado por Incrustações-Fluência:
Ocasionada por sais minerais dissolvidos em suspensão na água de caldeiras. Entre os problemas gerados temos:
Aumento no consumo de combustível e formação de depósitos porosos, propícios a localização de cloretos ,quelantes
e soda cáustica que provocam a corrosão.
1.b) Superaquecimento por Curto Período Provocada por Camadas de Vapor
As camadas de vapor sobre as superfícies do tubo impedem sua refrigeração pelo seu grande poder isolante , gerando
assim um superaquecimento das suas paredes com temperaturas oscilando entre 700 e 8000C, provocando assim
deformação plástica e ruptura.
2. Fadiga Térmica
Esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são acelerados quando operados em um
ambiente corrosivo.
3. Ocultamento - Hide-Out
É o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido
de sódio. Acontece em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências são a falta de refrigeração das
paredes dos tubos onde ele se estabelece.
PREVENÇÃO DE CORROSÃO EM CALDEIRAS:
Consiste em: -Tratamentos externos nas águas de alimentação;
-Tratamentos internos nas águas de caldeiras.
1. Tratamentos Externos
1.a) Remoção da Turbidez e Cor
Para evitar que haja o aumento de depósitos nas superfícies de geração de vapor.
1.b) Remoção de Ferro e Manganês
É necessário fazer uma pré-cloração na água, a fim de que o processo de oxidação do Fe e Mg seja acelerado mantendo-se
um residual de cloro de 2ppm.
1.c) Remoção da Dureza
Pode ser obtida utilizando-se os seguintes processos:
- Recuperação máxima possível de vapor condensado;
- Utilização de hidrogênio de cálcio para o abrandamento de água com dureza temporária;
- Utilização de ortofosfato em meio alcalino e a temperatura de 800C, para redução da dureza total a zero;
- Redução da dureza pela utilização de resinas trocadoras ou permutadoras de íons de natureza catiônica.
1.d) Desmineralização
Remoção de todos os íons de uma água por meio de utilização de resinas catiônicas e aniônicas.
1.e) Remoção de Gases
Desaeração Mecânica: É feito aquecendo-se a água com vapor em contracorrente. Tipos de processos:
- Jateamento ou escoamento da água em uma grande superfície em contra corrente com vapor;
- Desaeração à vácuo feito a frio por abaixamento de pressão.
2.Tratamentos Internos:
Tratamento usado para remoção de oxigênio, neutralização do dióxido de carbono, correção do pH das caldeiras. É também usado para evitar incrustações ou depósitos
nas superfícies de geração de vapor.
2.a) Desaeração Química
Utiliza o composto sulfito de sódio, que acarreta um constante aumento dos sólidos dissolvidos na água, devido a formação
de sulfato de sódio. É uma reação lenta e incompleta em águas com temperatura acima de 1200C, e uma reação completa
na água do interior da caldeira. Utiliza-se também Hidrazina, que com o oxigênio produz água e nitrogênio, gás inerte
que se desprende com o vapor.
2.b) Ataque Ácido
Consiste na alcalinização da água de alimentação, utilizando-se soda cáutica não carbonatada e isenta de cloretos.
2.c) Corrosão Galvânica
É evitada com eliminação da contaminação por cobre ionizado, complexado e no estado metálico, das seguintes maneiras:
- Utilização de hidrazina;
- Não utilização da amônia;
- Evitar condensados ácidos, e setores de bombas feitos com bronze;
- Ser rigoroso na operação de limpeza química.
2.d) Ataque pelo Ácido Sulfídrico
Não utilizar água que contenha H2S e sulfito de sódio catalisado.
2.e) Ataque sobre Depósitos
Utilizar águas abrandadas, limitar o valor de cloretos na água de caldeira e limitar a presença de alcalinidade hidróxido.
2.f) Ataque Quelante
Evitar zonas de concentração, não utilizar tratamento quelante em águas com durezas variáveis e evitar excetos de quelantes
2.g) Corrosão Sob Tensão Fraturante
Evitar alcanilidade hidróxido acima do limite indicado e áreas de concentração junto a zonas tensionadas.
2.h) Corrente por Corrente de Fuga
Montar a caldeira corretamente aterrada.
2.i) Proteção de Caldeiras Paradas
Proteção contra a corrosão pelo oxigênio.
2.i.1) Proteção por Curto Período: É feita por agentes redutores como o sulfito de sódio catalisado ou pela hidrazina ativada.
2.i.2) Proteção por Longos Períodos: É feita com inibidores de corrosão ou pela proteção seca.
2.i.3) Proteção Seca com Inibidores em Fase Vapor: Utiliza inibidores, que são substâncias cristalinas como, o nitrito ou
benzoato associados a bases orgânicas voláteis.
Descrição do processamento de soja
Descrição do processamento de soja
A soja é recebida das diversas regiões produtoras através de caminhões ou trens. Quando os caminhões ingressam no pátio ou vagões no desvio ferroviário construído pela empresa,
inicia-se a primeira etapa de industrialização dessa oleaginosa: a pesagem em balanças, em seguida, o encaminhamento as moegas de recebimento. Depois a soja é transportada para o setor de limpeza, onde passam por equipamentos de pré-limpeza para a remoção de impurezas provenientes da lavoura e remoção da casca da soja. Estes resíduos são armazenados em um silo de “casquinha” e retirados por caminhões. A soja limpa vai para os silos e posteriormente é encaminhada aos secadores.
Depois de seca, a matéria-prima vai para o silo, depois para o silo pulmão e em seguida para a etapa da preparação. A soja sofre sua primeira transformação no setor Preparação: um conjunto de quebradores trituram o grão; e um conjunto de máquinas laminadoras transformam a soja quebrada em lâmina delgada. Depois de laminada ocorre a expansão da massa, ou seja, a lâmina de soja recebe vapor no interior de um equipamento com uma rosca sem fim que empurra a massa para uma matriz com perfurações, desta forma, a massa tornasse porosa e aumenta a área de contato do óleo com o solvente, com isto facilita a extração por solvente, que é a próxima etapa do processo, de onde resultam o óleo bruto e o farelo de soja. O óleo bruto passa por uma etapa denominada de degomagem, onde resultam o óleo degomado e a goma que após passar pela etapa de secagem se transforma em lecitina. O
farelo de soja é obtido a partir da moagem, secagem e peletização
O farelo de soja representa em média 80% da produção,o óleo de soja 29% e a lecitina 1%.
EFEITOS DA TEMPERATURA DE ARMAZENAMENTO SOBRE A CONSERVABILIDADE DE GRÃOS DE SOJA
Muitos fatores afetam os grãos durante o período de armazenamento, mas os mais importantes são a umidade e a temperatura dos grãos e do ambiente em que foram armazenados. O armazenamento pode ser realizado através de vários sistemas, como a granel, em sacaria, hermético, com atmosfera modificada ou não. Em qualquer circunstância, o armazenamento deve ser compatível com as
características e com a quantidade de grãos. Também deve ser levada em conta a estrutura onde são armazenados os grãos, para que possam haver controle e manejo operacional adequados durante o período de armazenamento. As informações a respeito de armazenamento de grãos são limitadas no Brasil, por isso são necessários estudos que gerem conhecimentos fundamentais para que se possa manter a qualidade dos grãos em toda a cadeia produtiva. Objetivou-se, com o trabalho, estudar influências da temperatura do ar na secagem estacionária e das condições ambientais no armazenamento sobre a conservabilidade de grãos de soja.
Colhidos com umidade próxima a 20%, após a pré-limpeza e a secagem até 13% de umidade os grãos foram armazenados durante seis meses em duas condições controladas, em 17°C a 65% e em 27°C e 45% de umidade relativa, respectivamente. Foram avaliados grau de umidade, teor de óleo, acidez do óleo, proteínas e peso volumétrico de acordo com a metodologia oficial.
Resultados indicam que:
1) a redução de 27 para 17°C na temperatura de armazenamento de grãos de soja aumenta a preservação do teor de óleo, da acidez, do teor de proteínas e do peso volumétrico dos grãos de soja, retardando sua deterioração;
2) a temperatura de armazenamento tem muito mais influência sobre a preservação do óleo e das proteínas do que sobre o peso volumétrico.
A soja é recebida das diversas regiões produtoras através de caminhões ou trens. Quando os caminhões ingressam no pátio ou vagões no desvio ferroviário construído pela empresa,
inicia-se a primeira etapa de industrialização dessa oleaginosa: a pesagem em balanças, em seguida, o encaminhamento as moegas de recebimento. Depois a soja é transportada para o setor de limpeza, onde passam por equipamentos de pré-limpeza para a remoção de impurezas provenientes da lavoura e remoção da casca da soja. Estes resíduos são armazenados em um silo de “casquinha” e retirados por caminhões. A soja limpa vai para os silos e posteriormente é encaminhada aos secadores.
Depois de seca, a matéria-prima vai para o silo, depois para o silo pulmão e em seguida para a etapa da preparação. A soja sofre sua primeira transformação no setor Preparação: um conjunto de quebradores trituram o grão; e um conjunto de máquinas laminadoras transformam a soja quebrada em lâmina delgada. Depois de laminada ocorre a expansão da massa, ou seja, a lâmina de soja recebe vapor no interior de um equipamento com uma rosca sem fim que empurra a massa para uma matriz com perfurações, desta forma, a massa tornasse porosa e aumenta a área de contato do óleo com o solvente, com isto facilita a extração por solvente, que é a próxima etapa do processo, de onde resultam o óleo bruto e o farelo de soja. O óleo bruto passa por uma etapa denominada de degomagem, onde resultam o óleo degomado e a goma que após passar pela etapa de secagem se transforma em lecitina. O
farelo de soja é obtido a partir da moagem, secagem e peletização
O farelo de soja representa em média 80% da produção,o óleo de soja 29% e a lecitina 1%.
EFEITOS DA TEMPERATURA DE ARMAZENAMENTO SOBRE A CONSERVABILIDADE DE GRÃOS DE SOJA
Muitos fatores afetam os grãos durante o período de armazenamento, mas os mais importantes são a umidade e a temperatura dos grãos e do ambiente em que foram armazenados. O armazenamento pode ser realizado através de vários sistemas, como a granel, em sacaria, hermético, com atmosfera modificada ou não. Em qualquer circunstância, o armazenamento deve ser compatível com as
características e com a quantidade de grãos. Também deve ser levada em conta a estrutura onde são armazenados os grãos, para que possam haver controle e manejo operacional adequados durante o período de armazenamento. As informações a respeito de armazenamento de grãos são limitadas no Brasil, por isso são necessários estudos que gerem conhecimentos fundamentais para que se possa manter a qualidade dos grãos em toda a cadeia produtiva. Objetivou-se, com o trabalho, estudar influências da temperatura do ar na secagem estacionária e das condições ambientais no armazenamento sobre a conservabilidade de grãos de soja.
Colhidos com umidade próxima a 20%, após a pré-limpeza e a secagem até 13% de umidade os grãos foram armazenados durante seis meses em duas condições controladas, em 17°C a 65% e em 27°C e 45% de umidade relativa, respectivamente. Foram avaliados grau de umidade, teor de óleo, acidez do óleo, proteínas e peso volumétrico de acordo com a metodologia oficial.
Resultados indicam que:
1) a redução de 27 para 17°C na temperatura de armazenamento de grãos de soja aumenta a preservação do teor de óleo, da acidez, do teor de proteínas e do peso volumétrico dos grãos de soja, retardando sua deterioração;
2) a temperatura de armazenamento tem muito mais influência sobre a preservação do óleo e das proteínas do que sobre o peso volumétrico.
terça-feira, 1 de junho de 2010
Tecnologias de Produçao do Biodiesel.
Tecnologias de Produçao do Biodiesel.
Existem processos alternativos para produçao de biodiesel, tais como o craqueamento catalítico e a transesterificaçao, que pode ser etílica, mediante o uso do álcool comum (etanol) ou metílica, com o emprego do metanol. Embora a transesterificaçao etílica deva ser o processo mais utilizado, em face da disponibilidade do álcool, ao Governo nao cabe recomendar tecnologias ou rotas tecnológicas, como se diz tecnicamente, porque essas devem ser adaptadas a cada realidade. Diante de nossas dimensoes continentais e diversidade, nao precisamos e nao devemos optar por uma única rota.
Processo da transesterificaçao
Um reator realiza a reaçao química do óleo vegetal ou gordura animal com o etanol (rotaetílica) ou com o metanol (rota metílica) na presença de um catalisador básico (hidróxido desódio ou de potássio) ou ácido (ácido sulfúrico). O mais comumente utilizado é o NaOH peloseu baixo custo e disponibilidade. Para remoçao da glicerina, que aparece como subprodutoda produçao de biodiesel, sao necessários volumes de 10 a 15% de etanol ou metanol. A glicerina pode ser utilizada como matéria-prima na produçao de tintas, adesivos, produtos farmaceuticos, texteis, etc., aumentando a competitividade do produto. As vantagens e desvantagens das rotas etílica e metílica estao descritas nos quadro 1.
A transesterificaçao é o processo, atualmente, mais utilizado e mais viável comercialmente, para a produçao de biodiesel no país, incluindo o biodiesel de mamona. No Brasil, o detentor do maior conhecimento sobre a produçao de biodiesel de óleo de mamona por transesterificaçao é o Professor Expedito Parente, da empresa Tecbio Tecnologias Bioenergéticas (Fortaleza - CE), inclusive com algumas plantas já em operaçao.
USO DO METANOL
Vantagens Desvantagens
O consumo de metanol no processo de transesterificaçao é cerca de 45% menor que do etanol anidro. Apesar de pode ser produzido a partir da biomassa, é tradicionalmente um produto fóssil.
O preço do metanol é quase a metade do preço do etanol É bastante tóxico.
É mais reativo Maior risco de incendios. Chama invisível.
Para uma mesma taxa de conversaçao, o tempo de reaçao utilizado o metanol é menos da metade do tempo quando se emprega o etanol. Transporte é controlado pela Policia Federal, por se tratar de matéria prima para extraçao de drogas.
Considerando a mesma produçao de biodiesel, o consumo de vapor na rota metilíca é cerca de 20% do consumo na rota etílica, e o consumo de eletricidade é menos da metade. Apesar de ser ociosa, a capacidade atual de produçao brasileira de metanol só garantiria o estagio inicial de programa de âmbito nacional.
Os equipamentos de processo da planta com rota metilíca é cerca de um quarto do volume dos equipamentos para a rota etílica, para uma mesma produtividade e qualidade.
USO DO ETANOL
Vantagens Desvantagens
Produçao alcooleira no Brasil já consolidada. Os ésteres etílicos possuem maaior afinidade a glicerina, dificultando a separaçao.
Produz biodiesel com uma maior índice de cetano e maior lubricidade, se comparado ao biodiesel metilico. Possui azeotopia, quando misturado em água. Com isso sua desidrataçao requer maiores gastos energéticos e investimentos com equipamentos.
Se for feito a partir de biomassa produz um combustível 100% renovável. Os equipamentos de processo da planta com rota metilíca é cerca de um quarto do volume dos equipamentos para rota etílica, para mesma produtividade e qualidade.
Gera ainda mais economia de divisas. Dependendo do preço da matéria prima, os custos de produçao de biodiesel etílico podem ser ate 100% maiores que o metilico.
Nao é tao tóxico como o metanol.
Menor risco de incendios.
Combustível Ponto de ebuliçao °C Densidade
kg/l Teor energético
kWh/l %
Biometanol 65 0,79 5,0 54
Bioetanol 79 0,78 6,2 67
A reaçao se processa mesmo em temperatura ambiente e é efetuada com um excesso de álcool (1 parte de óleo para 6 partes de álcool, por exemplo). O excesso de álcool é recuperado no final do processo por evaporaçao. A mistura de biodiesel e glicerina (10 a 12%) obtida na reaçao é decantada ou centrifugada para a separaçao das fases e o biodiesel é ainda lavado e seco para se obter a melhor qualidade possível.
Sob o ponto de vista técnico e econômico, a reaçao via metanol é muito mais vantajosa que a reaçao via etanol.
No Brasil, atualmente, uma vantagem da rota etílica possa ser considerada a oferta desse álcool, de forma disseminada em todo o território nacional. Assim, os custos diferenciais de fretes, para o abastecimento de etanol versus abastecimento de metanol, em certas situaçoes, possam influenciar numa decisao. Sob o ponto de vista ambiental, o uso do etanol leva vantagem sobre o uso do metanol, quando este álcool é obtido de derivados do petróleo, no entanto, é importante considerar que o metanol pode ser produzido a partir da biomassa, quando essa suposta vantagem ecológica, pode desaparecer. Em todo o mundo o biodiesel tem sido obtido via metanol.
Processo do craqueamento térmico
Um reator promove a quebra das moléculas do óleo vegetal por aquecimento a altas temperaturas e um catalisador remove os compostos oxigenados corrosivos.
O craqueamento térmico pode ser uma metodologia adequada a produçao de biodiesel em pequenas localidades. No processo de craqueamento, há um gasto relativamente alto com energia térmica, uma vez que a quebra molecular ocorre a partir dos 350°C, e a produçao é de pequena escala. Entretanto, a tecnologia se mostra mais adequada para pequenas localidades. O biodiesel produzido pelo craqueamento é quimicamente equivalente ao diesel obtido do petróleo, mas sem enxofre.
O craqueamento térmico ainda está sendo estudado como um processo alternativo. Sabese que o Centro de Pesquisas da Petrobrás - CENPES estuda um processo de craqueamento a partir da semente da mamona e também pesquisadores da Universidade de Brasília - UnB, juntamente com técnicos da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - Embrapa tem alguma iniciativa nessa área.
Preparaçao da matéria-prima Os procedimentos relativos a preparaçao da matéria-prima para a sua conversao em biodiesel, visam criar as melhores condiçoes para a efetivaçao da reaçao de transesterificaçao, com a máxima taxa de conversao.
Em princípio, se faz necessário que a matéria-prima tenha o mínimo de umidade e deacidez, o que é possível submetendo-a a um processo de neutralizaçao, através de uma lavagem com uma soluçao alcalina de hidróxido de sódio ou de potássio, seguida de uma operaçao de secagem ou desumidificaçao. As especificidades do tratamento dependem da natureza e condiçoes da matéria graxa empregada como matéria-prima.
Reaçao de transesterificaçao
A reaçao de transesterificaçao é a etapa da conversao, propriamente dita, do óleo ou gordura, em ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, que constituem o biodiesel. A reaçao pode ser representada pela seguinte equaçao química:
Óleo ou Gordura + Metanol = Ésteres Metílicos + Glicerol
ou
Óleo ou Gordura + Etanol = Ésteres Etílicos + Glicerol
A primeira equaçao química representa a reaçao de conversao, quando se utiliza o metanol (álcool metílico) como agente de transesterificaçao, obtendo-se, portanto, como produtos os ésteres metílicos que constituem o biodiesel e o glicerol (glicerina).
A segunda equaçao envolve o uso do etanol (álcool etílico), como agente de transesterificaçao, resultando como produto o biodiesel, ora representado por ésteres etílicos e a glicerina.
Ressalta-se que, sob o ponto de vista objetivo, as reaçoes químicas sao equivalentes, uma vez que os ésteres metílicos e os ésteres etílicos tem propriedades equivalentes como combustível, sendo ambos, considerados biodiesel.
As duas reaçoes acontecem na presença de um catalisador, o qual pode ser empregado, o hidróxido de sódio (NaOH) ou o hidróxido de potássio (KOH), usados em diminutas proporçoes. A diferença entre eles, com respeito aos resultados na reaçao, é muito pequena. No Brasil, o hidróxido de sódio é muito mais barato que o hidróxido de potássio.
Pesando as vantagens e desvantagens é muito difícil decidir, genericamente, o catalisador mais recomendado, e dessa forma, por prudencia, essa questao deverá ser remetida para o caso a caso.
Separaçao de fases
Após a reaçao de transesterificaçao que converte a matéria graxa em ésteres (biodiesel), a massa reacional final é constituída de duas fases, separáveis por decantaçao e/ou por centrifugaçao. A fase mais pesada é composta de glicerina bruta, impregnada dos excessos utilizados de álcool, de água e de impurezas inerentes a matéria-prima. A fase menos densa é constituída de uma mistura de ésteres metílicos ou etílicos, conforme a natureza do álcool originalmente adotado, também impregnado de excessos reacionais de álcool e de impurezas.
Recuperaçao do álcool da glicerina
A fase pesada contendo água e álcool é submetida a um processo de evaporaçao,eliminando-se da glicerina bruta esses constituintes voláteis, cujos vapores sao liquefeitos num condensador apropriado.
Recuperaçao do álcool dos ésteres
Da mesma forma, mas separadamente, o álcool residual é recuperado da fase mais leve,liberando, para as etapas seguintes, os ésteres metílicos ou etílicos.
Desidrataçao do álcool
Os excessos residuais de álcool, após os processos de recuperaçao, contem quantidades significativas de água, necessitando de uma separaçao. A desidrataçao do álcool é feita normalmente por destilaçao.
No caso da desidrataçao do metanol, a destilaçao é bastante simples e fácil de ser conduzida, uma vez que a volatilidade relativa dos constituintes dessa mistura é muito grande e, ademais, inexiste o fenômeno da azeotropia para dificultar a completa separaçao.
Diferentemente, a desidrataçao do etanol, complica-se em razao da azeotropia, associada a volatilidade relativa nao tao acentuada como é o caso da separaçao da mistura metanol-água.
Purificaçao dos ésteres
Os ésteres deverao ser lavados por centrifugaçao e desumidificados posteriormente, resultando finalmente o biodiesel, o qual deverá ter suas características enquadradas nas especificaçoes das normas técnicas estabelecidas para o biodiesel como combustível para uso em motores do ciclo diesel.
Destilaçao da glicerina
As glicerinas brutas, emergentes do processo, mesmo com suas impurezas convencionais, já constituem subproduto vendável. No entanto, o mercado é muito mais favorável a comercializaçao da glicerina purificada, quando o seu valor é realçado. A purificaçao da glicerina bruta é feita por destilaçao a vácuo, resultando um produto límpido e transparente, denominado comercialmente de glicerina destilada.
O produto de calda da destilaçao, ajustável na faixa de 10 - 15 % do peso da glicerina bruta, que pode ser denominado de "glicerina residual", ainda encontra possíveis aplicaçoes importantes, as quais estao sendo pesquisadas na Tecbio Tecnologias Bioenergéticas Ltda., e cujos resultados estao sendo considerados por demais promissores.
Armazenamento do biodiesel
O biodiesel deve ser estocado em ambientes secos, limpos e isentos de luz. Os materiais aceitáveis sao alumínio, aço, polietileno fluoretado, propileno fluoretado e teflon. Entretanto, nao sao recomendados chumbo, estanho, zinco e bronze.
Existem processos alternativos para produçao de biodiesel, tais como o craqueamento catalítico e a transesterificaçao, que pode ser etílica, mediante o uso do álcool comum (etanol) ou metílica, com o emprego do metanol. Embora a transesterificaçao etílica deva ser o processo mais utilizado, em face da disponibilidade do álcool, ao Governo nao cabe recomendar tecnologias ou rotas tecnológicas, como se diz tecnicamente, porque essas devem ser adaptadas a cada realidade. Diante de nossas dimensoes continentais e diversidade, nao precisamos e nao devemos optar por uma única rota.
Processo da transesterificaçao
Um reator realiza a reaçao química do óleo vegetal ou gordura animal com o etanol (rotaetílica) ou com o metanol (rota metílica) na presença de um catalisador básico (hidróxido desódio ou de potássio) ou ácido (ácido sulfúrico). O mais comumente utilizado é o NaOH peloseu baixo custo e disponibilidade. Para remoçao da glicerina, que aparece como subprodutoda produçao de biodiesel, sao necessários volumes de 10 a 15% de etanol ou metanol. A glicerina pode ser utilizada como matéria-prima na produçao de tintas, adesivos, produtos farmaceuticos, texteis, etc., aumentando a competitividade do produto. As vantagens e desvantagens das rotas etílica e metílica estao descritas nos quadro 1.
A transesterificaçao é o processo, atualmente, mais utilizado e mais viável comercialmente, para a produçao de biodiesel no país, incluindo o biodiesel de mamona. No Brasil, o detentor do maior conhecimento sobre a produçao de biodiesel de óleo de mamona por transesterificaçao é o Professor Expedito Parente, da empresa Tecbio Tecnologias Bioenergéticas (Fortaleza - CE), inclusive com algumas plantas já em operaçao.
USO DO METANOL
Vantagens Desvantagens
O consumo de metanol no processo de transesterificaçao é cerca de 45% menor que do etanol anidro. Apesar de pode ser produzido a partir da biomassa, é tradicionalmente um produto fóssil.
O preço do metanol é quase a metade do preço do etanol É bastante tóxico.
É mais reativo Maior risco de incendios. Chama invisível.
Para uma mesma taxa de conversaçao, o tempo de reaçao utilizado o metanol é menos da metade do tempo quando se emprega o etanol. Transporte é controlado pela Policia Federal, por se tratar de matéria prima para extraçao de drogas.
Considerando a mesma produçao de biodiesel, o consumo de vapor na rota metilíca é cerca de 20% do consumo na rota etílica, e o consumo de eletricidade é menos da metade. Apesar de ser ociosa, a capacidade atual de produçao brasileira de metanol só garantiria o estagio inicial de programa de âmbito nacional.
Os equipamentos de processo da planta com rota metilíca é cerca de um quarto do volume dos equipamentos para a rota etílica, para uma mesma produtividade e qualidade.
USO DO ETANOL
Vantagens Desvantagens
Produçao alcooleira no Brasil já consolidada. Os ésteres etílicos possuem maaior afinidade a glicerina, dificultando a separaçao.
Produz biodiesel com uma maior índice de cetano e maior lubricidade, se comparado ao biodiesel metilico. Possui azeotopia, quando misturado em água. Com isso sua desidrataçao requer maiores gastos energéticos e investimentos com equipamentos.
Se for feito a partir de biomassa produz um combustível 100% renovável. Os equipamentos de processo da planta com rota metilíca é cerca de um quarto do volume dos equipamentos para rota etílica, para mesma produtividade e qualidade.
Gera ainda mais economia de divisas. Dependendo do preço da matéria prima, os custos de produçao de biodiesel etílico podem ser ate 100% maiores que o metilico.
Nao é tao tóxico como o metanol.
Menor risco de incendios.
Combustível Ponto de ebuliçao °C Densidade
kg/l Teor energético
kWh/l %
Biometanol 65 0,79 5,0 54
Bioetanol 79 0,78 6,2 67
A reaçao se processa mesmo em temperatura ambiente e é efetuada com um excesso de álcool (1 parte de óleo para 6 partes de álcool, por exemplo). O excesso de álcool é recuperado no final do processo por evaporaçao. A mistura de biodiesel e glicerina (10 a 12%) obtida na reaçao é decantada ou centrifugada para a separaçao das fases e o biodiesel é ainda lavado e seco para se obter a melhor qualidade possível.
Sob o ponto de vista técnico e econômico, a reaçao via metanol é muito mais vantajosa que a reaçao via etanol.
No Brasil, atualmente, uma vantagem da rota etílica possa ser considerada a oferta desse álcool, de forma disseminada em todo o território nacional. Assim, os custos diferenciais de fretes, para o abastecimento de etanol versus abastecimento de metanol, em certas situaçoes, possam influenciar numa decisao. Sob o ponto de vista ambiental, o uso do etanol leva vantagem sobre o uso do metanol, quando este álcool é obtido de derivados do petróleo, no entanto, é importante considerar que o metanol pode ser produzido a partir da biomassa, quando essa suposta vantagem ecológica, pode desaparecer. Em todo o mundo o biodiesel tem sido obtido via metanol.
Processo do craqueamento térmico
Um reator promove a quebra das moléculas do óleo vegetal por aquecimento a altas temperaturas e um catalisador remove os compostos oxigenados corrosivos.
O craqueamento térmico pode ser uma metodologia adequada a produçao de biodiesel em pequenas localidades. No processo de craqueamento, há um gasto relativamente alto com energia térmica, uma vez que a quebra molecular ocorre a partir dos 350°C, e a produçao é de pequena escala. Entretanto, a tecnologia se mostra mais adequada para pequenas localidades. O biodiesel produzido pelo craqueamento é quimicamente equivalente ao diesel obtido do petróleo, mas sem enxofre.
O craqueamento térmico ainda está sendo estudado como um processo alternativo. Sabese que o Centro de Pesquisas da Petrobrás - CENPES estuda um processo de craqueamento a partir da semente da mamona e também pesquisadores da Universidade de Brasília - UnB, juntamente com técnicos da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - Embrapa tem alguma iniciativa nessa área.
Preparaçao da matéria-prima Os procedimentos relativos a preparaçao da matéria-prima para a sua conversao em biodiesel, visam criar as melhores condiçoes para a efetivaçao da reaçao de transesterificaçao, com a máxima taxa de conversao.
Em princípio, se faz necessário que a matéria-prima tenha o mínimo de umidade e deacidez, o que é possível submetendo-a a um processo de neutralizaçao, através de uma lavagem com uma soluçao alcalina de hidróxido de sódio ou de potássio, seguida de uma operaçao de secagem ou desumidificaçao. As especificidades do tratamento dependem da natureza e condiçoes da matéria graxa empregada como matéria-prima.
Reaçao de transesterificaçao
A reaçao de transesterificaçao é a etapa da conversao, propriamente dita, do óleo ou gordura, em ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, que constituem o biodiesel. A reaçao pode ser representada pela seguinte equaçao química:
Óleo ou Gordura + Metanol = Ésteres Metílicos + Glicerol
ou
Óleo ou Gordura + Etanol = Ésteres Etílicos + Glicerol
A primeira equaçao química representa a reaçao de conversao, quando se utiliza o metanol (álcool metílico) como agente de transesterificaçao, obtendo-se, portanto, como produtos os ésteres metílicos que constituem o biodiesel e o glicerol (glicerina).
A segunda equaçao envolve o uso do etanol (álcool etílico), como agente de transesterificaçao, resultando como produto o biodiesel, ora representado por ésteres etílicos e a glicerina.
Ressalta-se que, sob o ponto de vista objetivo, as reaçoes químicas sao equivalentes, uma vez que os ésteres metílicos e os ésteres etílicos tem propriedades equivalentes como combustível, sendo ambos, considerados biodiesel.
As duas reaçoes acontecem na presença de um catalisador, o qual pode ser empregado, o hidróxido de sódio (NaOH) ou o hidróxido de potássio (KOH), usados em diminutas proporçoes. A diferença entre eles, com respeito aos resultados na reaçao, é muito pequena. No Brasil, o hidróxido de sódio é muito mais barato que o hidróxido de potássio.
Pesando as vantagens e desvantagens é muito difícil decidir, genericamente, o catalisador mais recomendado, e dessa forma, por prudencia, essa questao deverá ser remetida para o caso a caso.
Separaçao de fases
Após a reaçao de transesterificaçao que converte a matéria graxa em ésteres (biodiesel), a massa reacional final é constituída de duas fases, separáveis por decantaçao e/ou por centrifugaçao. A fase mais pesada é composta de glicerina bruta, impregnada dos excessos utilizados de álcool, de água e de impurezas inerentes a matéria-prima. A fase menos densa é constituída de uma mistura de ésteres metílicos ou etílicos, conforme a natureza do álcool originalmente adotado, também impregnado de excessos reacionais de álcool e de impurezas.
Recuperaçao do álcool da glicerina
A fase pesada contendo água e álcool é submetida a um processo de evaporaçao,eliminando-se da glicerina bruta esses constituintes voláteis, cujos vapores sao liquefeitos num condensador apropriado.
Recuperaçao do álcool dos ésteres
Da mesma forma, mas separadamente, o álcool residual é recuperado da fase mais leve,liberando, para as etapas seguintes, os ésteres metílicos ou etílicos.
Desidrataçao do álcool
Os excessos residuais de álcool, após os processos de recuperaçao, contem quantidades significativas de água, necessitando de uma separaçao. A desidrataçao do álcool é feita normalmente por destilaçao.
No caso da desidrataçao do metanol, a destilaçao é bastante simples e fácil de ser conduzida, uma vez que a volatilidade relativa dos constituintes dessa mistura é muito grande e, ademais, inexiste o fenômeno da azeotropia para dificultar a completa separaçao.
Diferentemente, a desidrataçao do etanol, complica-se em razao da azeotropia, associada a volatilidade relativa nao tao acentuada como é o caso da separaçao da mistura metanol-água.
Purificaçao dos ésteres
Os ésteres deverao ser lavados por centrifugaçao e desumidificados posteriormente, resultando finalmente o biodiesel, o qual deverá ter suas características enquadradas nas especificaçoes das normas técnicas estabelecidas para o biodiesel como combustível para uso em motores do ciclo diesel.
Destilaçao da glicerina
As glicerinas brutas, emergentes do processo, mesmo com suas impurezas convencionais, já constituem subproduto vendável. No entanto, o mercado é muito mais favorável a comercializaçao da glicerina purificada, quando o seu valor é realçado. A purificaçao da glicerina bruta é feita por destilaçao a vácuo, resultando um produto límpido e transparente, denominado comercialmente de glicerina destilada.
O produto de calda da destilaçao, ajustável na faixa de 10 - 15 % do peso da glicerina bruta, que pode ser denominado de "glicerina residual", ainda encontra possíveis aplicaçoes importantes, as quais estao sendo pesquisadas na Tecbio Tecnologias Bioenergéticas Ltda., e cujos resultados estao sendo considerados por demais promissores.
Armazenamento do biodiesel
O biodiesel deve ser estocado em ambientes secos, limpos e isentos de luz. Os materiais aceitáveis sao alumínio, aço, polietileno fluoretado, propileno fluoretado e teflon. Entretanto, nao sao recomendados chumbo, estanho, zinco e bronze.
DEGOMAGEM
Degomagem
Visa remover do óleo bruto os fosfatídios, proteínas e substâncias coloidais o que reduz a quantidade de álcali durante a subseqüente neutralização e diminui as perdas na refinação. Para óleos de amendoim e babaçu a degomagem é opcional por apresentarem pouca quantidade. No óleo de soja que apresenta teores em torno de 3%, torna necessário a sua remoção. Essas substâncias são facilmente hidratáveis, sendo removidas através da adição de água (1 - 3%) ao óleo aquecido a 60 - 70o C e agitação durante 20 - 30 minutos, formando precipitados que são facilmente removido do óleo por centrifugação a 5000-6000 rpm. As gomas removidas que possuem cerca de 50% de umidade podem ser secas em vácuo (100 mm Hg) a temperatura de 70 -800 C. As gomas também podem ser extraídas com 0,1 – 0,4% de ácido fosfórico a 85% misturado com óleo à temperatura de 60 – 65o C, seguido ou não pela adição de terra branqueadora que posteriormente são separadas por filtração ou centrifugação.
Visa remover do óleo bruto os fosfatídios, proteínas e substâncias coloidais o que reduz a quantidade de álcali durante a subseqüente neutralização e diminui as perdas na refinação. Para óleos de amendoim e babaçu a degomagem é opcional por apresentarem pouca quantidade. No óleo de soja que apresenta teores em torno de 3%, torna necessário a sua remoção. Essas substâncias são facilmente hidratáveis, sendo removidas através da adição de água (1 - 3%) ao óleo aquecido a 60 - 70o C e agitação durante 20 - 30 minutos, formando precipitados que são facilmente removido do óleo por centrifugação a 5000-6000 rpm. As gomas removidas que possuem cerca de 50% de umidade podem ser secas em vácuo (100 mm Hg) a temperatura de 70 -800 C. As gomas também podem ser extraídas com 0,1 – 0,4% de ácido fosfórico a 85% misturado com óleo à temperatura de 60 – 65o C, seguido ou não pela adição de terra branqueadora que posteriormente são separadas por filtração ou centrifugação.
1. ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS SUSTENTÁVEIS NO PROCESSAMENTO DE ÓLEOS VEGETAIS
1. ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS SUSTENTÁVEIS NO PROCESSAMENTO DE ÓLEOS VEGETAIS Programa do Curso • 1- Introdução: A indústrialização de óleos vegetais (10/03) • 2 - Oleaginosas e seus usos: alimentos, cosméticos, fármacos e energia (17/03) • 3a- Caracterização química de óleos : ácidos graxos e estabilidade (24/03) • 3b-Impactos ambientais: extração de óleos (24/03) • 4 - Alternativas sustentáveis para extração de óleos e gorduras: polpas e sementes • 5a - Impactos ambientais: refino de óleos vgetais (07/04) • 5b - Alternativas sustentáveis para refino de óleos e gorduras (07/04) • 6 - Seminários (28/04) • 7 -Tecnologia de membranas para refino de óleos e gorduras (05/05) • 8 - Extração sólido-líquido: teoria e resultados de equilíbrio (12/05) • 9 - Modelagem – extração sólido-líquido (19/05) • 10- Prova (26/05)
2. INTRODUÇÃO A indústria de óleos vegetais ocupa um lugar estratégico no contexto da indústria alimentícia: • elabora um produto para consumo final e é um insumo fundamental para a indústria de alimentos. Óleos, farelos e seus derivados são alimentos usados na alimentação humana por conterem proteínas de baixo custo e boa qualidade. • o mercado mundial de oleaginosas representa cerca de 36% do valor total gerado pelo comércio dos produtos agropecuários. A demanda por oleaginosas é determinada basicamente pela procura por produtos processados. • há uma maior relevância dos óleos vegetais, em relação aos grãos, em termos de valor agregado pela importância no mercado mundial. Segundo o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, em 2004 a produção de óleos vegetais foi da ordem de 100 milhões de toneladas. • os óleos vegetais mais consumidos são: soja, palma, colza (canola), girassol, amendoim, algodão e coco. Além desses, vale destacar os óleos de milho, oliva, gergelim, arroz e uva.
3. INTRODUÇÃO O Brasil ocupa a posição de maior produtor e consumidor da América Latina. A história dos óleos vegetais no Brasil foi marcada por épocas distintas: • Na fase pioneira dos anos 50 predominou o óleo de algodão. • Óleo neutro com propriedades adequadas para industrialização. • Desvantagem a presença do gossipol. • No início da década de 60 predominou o uso do óleo de amendoim • Óleo de aroma agradável. • Desvantagem: aflotoxina • A partir de 1972 surgiu a cultura da soja inaugurando uma nova fase que iria marcar definitivamente a evolução dos agronegócios em oleaginosas. • Em 2004 o Brasil produziu cerca de 63 milhões de tonelada de soja. A maior parte é direcionada para a industrialização do óleo.
4. Produção mundial (em milhões de toneladas Óleo 2000 2006 (estimada) Soja (3% ao ano) 24,5 28.39 Palma (4% ao ano) 21,7 26.41 Canola (5% ao ano) 13,7 16.65 Outros (*) 27,0 *girassol, algodão, amendoim, palmiste, coco Soja: demanda de proteína de baixo custo Palma: demanda de óleo rico em antioxidantes naturais Canola: marketing (elevado teor de insaturados-oléico)
5. ÓLEOS VEGETAIS: DEFINIÇÃO • Os azeites e óleos vegetais são constituídos predominantemente por ésteres de glicerol com 3 ácidos orgânicos chamados ácidos graxos: formando os triglicerídios. • Os óleos são alimentos energéticos pois fornecem 9,5 kcal/g quando metabolizado no organismo humano enquanto os carboidratos e proteínas cerca de 4 kcal/g. • São fontes de vitaminas e de ácido linoleico (essencial ao homem e não metabolizado no organismo humano). • Azeite: é o óleo vegetal que não é extraído por solventes químicos e não sofre o processo de refinação. • Azeites virgens: são aqueles obtidos por prensagem a frio e não refinados. • Óleos. Os óleos são, em geral, obtidos por prensagem, extração com solventes e posterior purificação e refino.
6. QUALIDADE A qualidade e digestibilidade dos azeites e óleos vegetais comestíveis é determinada pela qualidade e quantidade dos ácidos graxos insaturados e saturados que os compõem, sendo fundamental a presença do ácido linoléico em quantidades adequadas já que o organismo não pode sintetizá-lo. As porcentagens de ácidos graxos saturados e insaturados contidos nos óleos vegetais são variáveis de acordo com as condições climáticas, os solos, como também as variedades ou os híbridos das quais foram obtidos.
7. Ácidos graxos mais comuns nos óleos vegetais Saturados Insaturados • Láurico 12 C Palmitoleico 15C (I) • Mirístico 14 C Oleico 18 C (I) • Palmítico 16 C Linoleico 18 C (II) • Márgarico 17 C Linolenico (18C) (III) • Esteárico 18 C
8. Substâncias menores encontradas nos óleos brutos Fosfatídeos ou gomas: principais componentes não glicerídeos do óleo - lecitinas Esteróis: álcoois cristalinos neutros de alto ponto de fusão – matéria insaponificável. Ceras: alcoois monoídricos de longa cadeia de carbono conhecido como álcoois graxos Pigmentos carotenóides: responsáveis pela coloração do óleo, amarelada tendendo para o vermelho. O mais importante é o beta-caroteno ou pró-vitamina A. Antioxidantes: evita a oxidação do óleo (tocoferóis ou vitamina E). Em geral são eliminados na etapa de refino.
9. Evolução dos métodos de extração • Indústria caseira - milhares de anos A.C • Prensas hidráulicas - início do século XIX aumento acentuado no rendimento de extração. • Prensa contínua - fim do século XIX. Em 1904 ANDERSON construiu o “expeller” que é até hoje utilizado para extrair óleos vegetais. • Extração mista - prensagem da semente com “expeller” seguida por uma etapa de extração com solvente orgânico do óleo presente na torta.
10. DADOS DA EXTRAÇÃO O solvente mais usado na indústria é hexano, um derivado do petróleo, que possibilita a extração da quase totalidade do óleo deixando um resíduo desengordurado denominado farelo. A recuperação do solvente é a etapa mais crucial no processamento de óleo comestível devido aos problemas de segurança, ambientais e econômicos. Resultados alcançados: Dados da extração com HEXANO • Óleo residual na torta : 1a2% • Perda de solvente total 1 a 1,3 % • Consumo de vapor 170 kg/ton • Consumo de energia elétrica 18 a 20 kwh/ton
11. INDUSTRIALIZAÇÃO • Pré-limpeza e classificação das sementes • Decorticação: retirada de fibras usando rolos ou discos estriados girando em sentidos opostos com velocidades diferentes ou despeliculamento: por atrito, ou por impacto • Separação das amêndoas: usando peneiras vibratórias para eliminação das cascas • Moagem (moinho de facas ou martelos) e laminação (rolos aquecidos a 60oC) ou Extrusão (expander): facilita a penetração do solvente na célula • Cozimento
12. INDUSTRIALIZAÇÃO • Prensagem a frio ou a quente: extração mecânica para obtenção do óleo bruto • Filtração: para remover tecidos vegetais e água • Extração com solvente: O processo contínuo com fluxo contra-corrente cruzado é o mais utilizado pois aumenta o rendimento de extração • Destilação da micela: separa o óleo do solvente • Dessolventização do farelo: remove o solvente
13. INDUSTRIALIZAÇÃO Vantagens da extrusão se comparado com a laminação • A densidade aumenta de 300 kg/m3 para 550 kg/m3 da massa laminada; • a área de contato sólido líquido no extrator aumenta de 40 para 50 m2/m3), aumentando a taxa de percolação; • aumenta a eficiência nos primeiros estágios da extração, aumentando a concentração de óleo na miscela; • reduz em pelo menos 5% o consumo de solvente na saída do extrator e conseqüentemente menor consumo de vapor no dessolventizador;
14. INDUSTRIALIZAÇÃO Vantagens da extrusão se comparado com a laminação • reduz a quantidade de solvente na torta; • reduz o consumo de energia; • aumenta a homogeneidade do produto; • reduz a quantidade de sólidos extraídos, facilitando a filtração do óleo; promove um aumento na quantidade de fosfatídeos hidratáveis, facilitando a etapa de degomagem.
15. INDUSTRIALIZAÇÃO Cozimento: • • Esta etapa tem por objetivos desnaturar as proteínas promovendo a coalescência das gotículas de óleo; tornar as membranas celulares, que envolvem o óleo, mais permeáveis; diminuir a viscosidade e a tensão superficial do óleo facilitando sua remoção; inativar as enzimas naturais (peroxidases); destruir microrganismos e insolubilizar os fosfatídeos, que são emulsificantes naturais, facilitando o refino do óleo • • Prensagem a frio ou a quente • A prensagem é geralmente efetuada em prensas contínuas do tipo expeller. Esta etapa é usada para remoção parcial do óleo. A torta que deixa a prensa é submetida ao processo de extração com solvente. O teor de óleo na torta pode ser cerca de 5%, no caso de pressões elevadas.
16. SOLVENTE HEXANO • O hexano tem ponto de ebulição entre 60 e 80oC. Uma parte do óleo é removido por dissolução e outra parte por difusão do através da parede celular (etapa controladora do processo). Este solvente apresenta as seguintes vantagens: • grande afinidade com o óleo dissovendo-o, • não interage com outras substâncias presentes no grão em alta concentração (proteína, amido, carboidratos), • é imiscívem em água e • tem baixo calor latente de ebulição Desvantagens: • alta inflamabilidade, alto custo e toxicidade
17. RECUPERAÇÃO DO SOLVENTE Destilação da miscela • Em geral a destilação é conduzida em um sistema de evaporação de 3 estágios: a 85ºC, 90ºC e 95ºC, trabalhando sob vácuo de 250mmHg. Os aumentos nas temperaturas de destilação se deve ao fato que a miscela vai se tornando mais pobre em solvente. Após a destilação o óleo obtido passa por um secador para que tenha sua umidade reduzida a 0,8%, e em seguida segue para a refinaria. O solvente evaporado na destilação segue para uma bateria de condensadores. Feita a condensação, o solvente sofre decantação para que se separe de possíveis impurezas (água) e em seguida é reaproveitado para novas extrações.
18. RECUPERAÇÃO DO SOLVENTE Dessolventização do farelo • A torta saída do extrator, ainda umedecida pelo solvente, recebe o nome de farelo e têm menos de 2% de óleo,. O fareloé levado até um dessolventizador e tostador para que o solvente residual seja recuperado. Feito isso o farelo dessolventizado a uma temperatura de 90ºC é transportado até um resfriador que reduz essa temperatura para 10ºC acima da temperatura ambiente. O farelo dessolventizado e resfriado é encaminhado para o moinho onde sofrerá o balanceamento de proteínas.
19. Dados do processo convencional – Na extração por prensagem, a partir de oleaginosas ricas em lipídeos, se extrai cerca de 60% do óleo. – A extração de óleo por solvente constitui uma operação unitária de transferência de massa por contato sólido- líquido. – O sistema de extração opera em contra corrente, fazendo com que o solvente puro encontre a torta mais pobre em óleo e vice-versa. – A temperatura ideal para extração fica em torno de 55-65ºC, abaixo de 55ºC não há absorção perfeita do óleo e acima de 60ºC ocorre evaporação do solvente. – A concentração de miscela ( óleo+solvente ) que sai do extrator é de 30% de óleo aproximadamente. – A concentração de solvente no farelo é da ordem de 2%
20. REFINO A refinação tem por objetivo separar dos azeites brutos as substâncias indesejáveis que possam afetar as propriedades organolépticas e a estabilidade do óleo : pesticidas, gomas, ceras, resinas, ácidos graxos livres, peróxidos. Entretanto alguns componentes importantes com propriedades anti-oxidantes, são também eliminados. Degomagem: consiste na remoção das gomas (fosfatídeos), ceras e substâncias coloidais. Estas substâncias causam escurecimento do óleo na etapa de desodorização Em geral a degomagem é feita por adição de 1 a 3% de água ao óleo aquecido a 70oC, sob agitação por ca. de 30 minutos. O precipitado é removido por centrifugação.
21. REFINO Neutralização: consiste na remoção dos ácidos graxos livres com NaOH. • Nesta etapa remove-se fosfatídeos residuais (não hidratáveis) e corantes (clorofila, carotenóides). • Os ácidos graxos livres reduzem o ponto de fumaça dos óleos, deixam o óleo sujeito a espumar. • A neutralização requer uma agitação eficiente para promover o contato entre as fases. • O óleo neutralizado é lavado com água quente para remoção de sabões e é submetido à centrifugação.
22. REFINO Branqueamento: Efetuado com terras clarificantes (terra diatomácea). Remove o excesso de pigmentos, corantes em geral, resíduos de sabões, fosfatídeos e metais. A terra branqueadora é adicionada ao óleo seco a 90oC sob vácuo. Após agitação, durante 30 minutos, o óleo é filtrado no filtro prensa. Desodorização: Remoção de odores e sabores desagradáveis causados pelos peróxidos, ácidos graxos livres, pesticidas. A desodorização é efetuada por insuflação de vapor direto sob alto vácuo.
23. REFINO Winterização: (Centrifugação ou filtração a frio): Remove cristais de estearinas, ceras, resinas. Comumente faz-se um resfriamento lento do óleo para formação de cristais. O refino remove além de impurezas, indesejáveis para consumo humano, algumas substâncias com propriedades funcionais tais como: antioxidantes naturais e tocoferóis.
24. REFINO FÍSICO Os óleos com acidez acima de 10% (arroz, palma), não devem ser neutralizados com álcali, por razões econômicas, devido a uma perda de óleo neutro. Neste caso a desacidificação pode ser feita por destilação dos ácidos graxos livres. Desacidificação: se baseia na diferença entre o ponto de ebulição dos ácidos graxos livres e dos triglicerídios. Os ácidos graxos livres tem ponto de ebulição de pelo menos 100oC mais baixo que o dos triglicerídios correspondentes.
2. INTRODUÇÃO A indústria de óleos vegetais ocupa um lugar estratégico no contexto da indústria alimentícia: • elabora um produto para consumo final e é um insumo fundamental para a indústria de alimentos. Óleos, farelos e seus derivados são alimentos usados na alimentação humana por conterem proteínas de baixo custo e boa qualidade. • o mercado mundial de oleaginosas representa cerca de 36% do valor total gerado pelo comércio dos produtos agropecuários. A demanda por oleaginosas é determinada basicamente pela procura por produtos processados. • há uma maior relevância dos óleos vegetais, em relação aos grãos, em termos de valor agregado pela importância no mercado mundial. Segundo o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, em 2004 a produção de óleos vegetais foi da ordem de 100 milhões de toneladas. • os óleos vegetais mais consumidos são: soja, palma, colza (canola), girassol, amendoim, algodão e coco. Além desses, vale destacar os óleos de milho, oliva, gergelim, arroz e uva.
3. INTRODUÇÃO O Brasil ocupa a posição de maior produtor e consumidor da América Latina. A história dos óleos vegetais no Brasil foi marcada por épocas distintas: • Na fase pioneira dos anos 50 predominou o óleo de algodão. • Óleo neutro com propriedades adequadas para industrialização. • Desvantagem a presença do gossipol. • No início da década de 60 predominou o uso do óleo de amendoim • Óleo de aroma agradável. • Desvantagem: aflotoxina • A partir de 1972 surgiu a cultura da soja inaugurando uma nova fase que iria marcar definitivamente a evolução dos agronegócios em oleaginosas. • Em 2004 o Brasil produziu cerca de 63 milhões de tonelada de soja. A maior parte é direcionada para a industrialização do óleo.
4. Produção mundial (em milhões de toneladas Óleo 2000 2006 (estimada) Soja (3% ao ano) 24,5 28.39 Palma (4% ao ano) 21,7 26.41 Canola (5% ao ano) 13,7 16.65 Outros (*) 27,0 *girassol, algodão, amendoim, palmiste, coco Soja: demanda de proteína de baixo custo Palma: demanda de óleo rico em antioxidantes naturais Canola: marketing (elevado teor de insaturados-oléico)
5. ÓLEOS VEGETAIS: DEFINIÇÃO • Os azeites e óleos vegetais são constituídos predominantemente por ésteres de glicerol com 3 ácidos orgânicos chamados ácidos graxos: formando os triglicerídios. • Os óleos são alimentos energéticos pois fornecem 9,5 kcal/g quando metabolizado no organismo humano enquanto os carboidratos e proteínas cerca de 4 kcal/g. • São fontes de vitaminas e de ácido linoleico (essencial ao homem e não metabolizado no organismo humano). • Azeite: é o óleo vegetal que não é extraído por solventes químicos e não sofre o processo de refinação. • Azeites virgens: são aqueles obtidos por prensagem a frio e não refinados. • Óleos. Os óleos são, em geral, obtidos por prensagem, extração com solventes e posterior purificação e refino.
6. QUALIDADE A qualidade e digestibilidade dos azeites e óleos vegetais comestíveis é determinada pela qualidade e quantidade dos ácidos graxos insaturados e saturados que os compõem, sendo fundamental a presença do ácido linoléico em quantidades adequadas já que o organismo não pode sintetizá-lo. As porcentagens de ácidos graxos saturados e insaturados contidos nos óleos vegetais são variáveis de acordo com as condições climáticas, os solos, como também as variedades ou os híbridos das quais foram obtidos.
7. Ácidos graxos mais comuns nos óleos vegetais Saturados Insaturados • Láurico 12 C Palmitoleico 15C (I) • Mirístico 14 C Oleico 18 C (I) • Palmítico 16 C Linoleico 18 C (II) • Márgarico 17 C Linolenico (18C) (III) • Esteárico 18 C
8. Substâncias menores encontradas nos óleos brutos Fosfatídeos ou gomas: principais componentes não glicerídeos do óleo - lecitinas Esteróis: álcoois cristalinos neutros de alto ponto de fusão – matéria insaponificável. Ceras: alcoois monoídricos de longa cadeia de carbono conhecido como álcoois graxos Pigmentos carotenóides: responsáveis pela coloração do óleo, amarelada tendendo para o vermelho. O mais importante é o beta-caroteno ou pró-vitamina A. Antioxidantes: evita a oxidação do óleo (tocoferóis ou vitamina E). Em geral são eliminados na etapa de refino.
9. Evolução dos métodos de extração • Indústria caseira - milhares de anos A.C • Prensas hidráulicas - início do século XIX aumento acentuado no rendimento de extração. • Prensa contínua - fim do século XIX. Em 1904 ANDERSON construiu o “expeller” que é até hoje utilizado para extrair óleos vegetais. • Extração mista - prensagem da semente com “expeller” seguida por uma etapa de extração com solvente orgânico do óleo presente na torta.
10. DADOS DA EXTRAÇÃO O solvente mais usado na indústria é hexano, um derivado do petróleo, que possibilita a extração da quase totalidade do óleo deixando um resíduo desengordurado denominado farelo. A recuperação do solvente é a etapa mais crucial no processamento de óleo comestível devido aos problemas de segurança, ambientais e econômicos. Resultados alcançados: Dados da extração com HEXANO • Óleo residual na torta : 1a2% • Perda de solvente total 1 a 1,3 % • Consumo de vapor 170 kg/ton • Consumo de energia elétrica 18 a 20 kwh/ton
11. INDUSTRIALIZAÇÃO • Pré-limpeza e classificação das sementes • Decorticação: retirada de fibras usando rolos ou discos estriados girando em sentidos opostos com velocidades diferentes ou despeliculamento: por atrito, ou por impacto • Separação das amêndoas: usando peneiras vibratórias para eliminação das cascas • Moagem (moinho de facas ou martelos) e laminação (rolos aquecidos a 60oC) ou Extrusão (expander): facilita a penetração do solvente na célula • Cozimento
12. INDUSTRIALIZAÇÃO • Prensagem a frio ou a quente: extração mecânica para obtenção do óleo bruto • Filtração: para remover tecidos vegetais e água • Extração com solvente: O processo contínuo com fluxo contra-corrente cruzado é o mais utilizado pois aumenta o rendimento de extração • Destilação da micela: separa o óleo do solvente • Dessolventização do farelo: remove o solvente
13. INDUSTRIALIZAÇÃO Vantagens da extrusão se comparado com a laminação • A densidade aumenta de 300 kg/m3 para 550 kg/m3 da massa laminada; • a área de contato sólido líquido no extrator aumenta de 40 para 50 m2/m3), aumentando a taxa de percolação; • aumenta a eficiência nos primeiros estágios da extração, aumentando a concentração de óleo na miscela; • reduz em pelo menos 5% o consumo de solvente na saída do extrator e conseqüentemente menor consumo de vapor no dessolventizador;
14. INDUSTRIALIZAÇÃO Vantagens da extrusão se comparado com a laminação • reduz a quantidade de solvente na torta; • reduz o consumo de energia; • aumenta a homogeneidade do produto; • reduz a quantidade de sólidos extraídos, facilitando a filtração do óleo; promove um aumento na quantidade de fosfatídeos hidratáveis, facilitando a etapa de degomagem.
15. INDUSTRIALIZAÇÃO Cozimento: • • Esta etapa tem por objetivos desnaturar as proteínas promovendo a coalescência das gotículas de óleo; tornar as membranas celulares, que envolvem o óleo, mais permeáveis; diminuir a viscosidade e a tensão superficial do óleo facilitando sua remoção; inativar as enzimas naturais (peroxidases); destruir microrganismos e insolubilizar os fosfatídeos, que são emulsificantes naturais, facilitando o refino do óleo • • Prensagem a frio ou a quente • A prensagem é geralmente efetuada em prensas contínuas do tipo expeller. Esta etapa é usada para remoção parcial do óleo. A torta que deixa a prensa é submetida ao processo de extração com solvente. O teor de óleo na torta pode ser cerca de 5%, no caso de pressões elevadas.
16. SOLVENTE HEXANO • O hexano tem ponto de ebulição entre 60 e 80oC. Uma parte do óleo é removido por dissolução e outra parte por difusão do através da parede celular (etapa controladora do processo). Este solvente apresenta as seguintes vantagens: • grande afinidade com o óleo dissovendo-o, • não interage com outras substâncias presentes no grão em alta concentração (proteína, amido, carboidratos), • é imiscívem em água e • tem baixo calor latente de ebulição Desvantagens: • alta inflamabilidade, alto custo e toxicidade
17. RECUPERAÇÃO DO SOLVENTE Destilação da miscela • Em geral a destilação é conduzida em um sistema de evaporação de 3 estágios: a 85ºC, 90ºC e 95ºC, trabalhando sob vácuo de 250mmHg. Os aumentos nas temperaturas de destilação se deve ao fato que a miscela vai se tornando mais pobre em solvente. Após a destilação o óleo obtido passa por um secador para que tenha sua umidade reduzida a 0,8%, e em seguida segue para a refinaria. O solvente evaporado na destilação segue para uma bateria de condensadores. Feita a condensação, o solvente sofre decantação para que se separe de possíveis impurezas (água) e em seguida é reaproveitado para novas extrações.
18. RECUPERAÇÃO DO SOLVENTE Dessolventização do farelo • A torta saída do extrator, ainda umedecida pelo solvente, recebe o nome de farelo e têm menos de 2% de óleo,. O fareloé levado até um dessolventizador e tostador para que o solvente residual seja recuperado. Feito isso o farelo dessolventizado a uma temperatura de 90ºC é transportado até um resfriador que reduz essa temperatura para 10ºC acima da temperatura ambiente. O farelo dessolventizado e resfriado é encaminhado para o moinho onde sofrerá o balanceamento de proteínas.
19. Dados do processo convencional – Na extração por prensagem, a partir de oleaginosas ricas em lipídeos, se extrai cerca de 60% do óleo. – A extração de óleo por solvente constitui uma operação unitária de transferência de massa por contato sólido- líquido. – O sistema de extração opera em contra corrente, fazendo com que o solvente puro encontre a torta mais pobre em óleo e vice-versa. – A temperatura ideal para extração fica em torno de 55-65ºC, abaixo de 55ºC não há absorção perfeita do óleo e acima de 60ºC ocorre evaporação do solvente. – A concentração de miscela ( óleo+solvente ) que sai do extrator é de 30% de óleo aproximadamente. – A concentração de solvente no farelo é da ordem de 2%
20. REFINO A refinação tem por objetivo separar dos azeites brutos as substâncias indesejáveis que possam afetar as propriedades organolépticas e a estabilidade do óleo : pesticidas, gomas, ceras, resinas, ácidos graxos livres, peróxidos. Entretanto alguns componentes importantes com propriedades anti-oxidantes, são também eliminados. Degomagem: consiste na remoção das gomas (fosfatídeos), ceras e substâncias coloidais. Estas substâncias causam escurecimento do óleo na etapa de desodorização Em geral a degomagem é feita por adição de 1 a 3% de água ao óleo aquecido a 70oC, sob agitação por ca. de 30 minutos. O precipitado é removido por centrifugação.
21. REFINO Neutralização: consiste na remoção dos ácidos graxos livres com NaOH. • Nesta etapa remove-se fosfatídeos residuais (não hidratáveis) e corantes (clorofila, carotenóides). • Os ácidos graxos livres reduzem o ponto de fumaça dos óleos, deixam o óleo sujeito a espumar. • A neutralização requer uma agitação eficiente para promover o contato entre as fases. • O óleo neutralizado é lavado com água quente para remoção de sabões e é submetido à centrifugação.
22. REFINO Branqueamento: Efetuado com terras clarificantes (terra diatomácea). Remove o excesso de pigmentos, corantes em geral, resíduos de sabões, fosfatídeos e metais. A terra branqueadora é adicionada ao óleo seco a 90oC sob vácuo. Após agitação, durante 30 minutos, o óleo é filtrado no filtro prensa. Desodorização: Remoção de odores e sabores desagradáveis causados pelos peróxidos, ácidos graxos livres, pesticidas. A desodorização é efetuada por insuflação de vapor direto sob alto vácuo.
23. REFINO Winterização: (Centrifugação ou filtração a frio): Remove cristais de estearinas, ceras, resinas. Comumente faz-se um resfriamento lento do óleo para formação de cristais. O refino remove além de impurezas, indesejáveis para consumo humano, algumas substâncias com propriedades funcionais tais como: antioxidantes naturais e tocoferóis.
24. REFINO FÍSICO Os óleos com acidez acima de 10% (arroz, palma), não devem ser neutralizados com álcali, por razões econômicas, devido a uma perda de óleo neutro. Neste caso a desacidificação pode ser feita por destilação dos ácidos graxos livres. Desacidificação: se baseia na diferença entre o ponto de ebulição dos ácidos graxos livres e dos triglicerídios. Os ácidos graxos livres tem ponto de ebulição de pelo menos 100oC mais baixo que o dos triglicerídios correspondentes.
segunda-feira, 31 de maio de 2010
TORRE DE RESFRIAMENTO
TORRE DE RESFRIAMENTO
1.- INTRODUÇÃO
As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o resfriamento de água industrial, como aquela proveniente de condensadores de usinas de geração de potência, ou de instalações de refrigeração, trocadores de calor, etc. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de “enchimentos” de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenômeno que produz seu resfriamento.
Uma torre de refrigeração é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do “enchimento” da torre, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico, etc, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água - ar.
O projeto de uma torre de resfriamento parte dos valores da vazão e da temperatura da água a ser resfriada. Então, uma vez especificada a geometria da torre em termos de suas dimensões e tipo de enchimento, o funcionamento adequado dependerá do controle da vazão de ar. Em termos de insumo energético, a torre demandará potência para fazer escoar o ar, sendo que o enchimento da torre é um elemento que introduz perda de carga; a água deverá ser bombeada até o ponto de aspersão.
Informações mais detalhadas a respeito de funcionamento, parâmetros característicos e procedimentos para projeto deste tipo de equipamentos podem ser encontrados em Kreith (1977), Bennet e Myers (1978), Trybal, (1980), Stocker (1981), Threkeld e Jones (ver bibliografia detalhada no final).
2.- OBJETIVOS DA EXPERIÊNCIA
• Realização dos balanços de massa e energia nas correntes de água e ar na torre;
• Determinação experimental das condições ótimas de funcionamento da torre disponível no laboratório, variando a vazão de ar ambiente para um dado par de temperatura e vazão de água na entrada da mesma;
3.- BALANÇO DE MASSA
Um esquema da torre pode ser visualizado na Fig. 1. Para a análise de desempenho dividiremos o equipamento em volumes de controle sucessivos, realizando as medições necessárias em cada ponto, para efetuar os balanços de massa e energia referentes a cada volume intermediário (não serão realizados no presente experimento) e ao volume global. Nos pontos de entrada e saída dos fluxos de ar e água na torre temos medições de vazão de ar e água, e também das temperaturas de bulbo seco e úmido do ar (que permitirão calcular o estado do ar úmido, e consequentemente, sua umidade absoluta, pressão parcial do vapor de água, entalpia, etc), assim como a temperatura da água.
O balanço básico das correntes de água e ar para um volume de controle genérico limitado pelas superfícies de controle “i-1” e “i” será (no caso do balanço global, “i-1” será o plano de entrada de ar na torre e “i” será o plano de saída de ar da torre, e vice-versa para o fluxo de água):
[1]
Sendo:
vazão de ar seco ao longo da coluna (constante)
vazão de vapor de água contido no ar nas posições “i-1” e “i” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.
vazão de água líquida nas posições “i” e “i-1” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.
Fig. 1: esquema da torre de resfriamento
Dividindo a equação [1] pela vazão de ar seco, e levando em conta a definição de umidade absoluta, Eq. [2], obtém - se uma expressão mais simples, que pode ser alternativamente utilizada para analisar o processo na torre:
[1a]
onde e são a umidade absoluta do ar nos pontos “i” e “i-1” da coluna,
[2]
isto é, mv , a massa de vapor de água [kg/s] contida num fluxo de ar seco, [kg/s].
Utilizando a equação [1] (ou [1a]), acima é possível realizar um balanço da transferência de massa na torre, sendo necessário, para tanto, calcular a vazão de ar seco e a umidade absoluta do ar, além de medir a vazão de água.
3.1 - Determinação da vazão de ar seco:
A vazão de ar que entra na torre é medida numa placa orificio ligada a um manômetro de coluna de água, cuja escala está diretamente calibrada em termos de vazão [m3/ h] para ar em condições padronizadas de temperatura e densidade, indicadas na própria escala. Para determinar a vazão mássica necessária , pode fazer-se:
[3]
onde:
vazão mássica de ar seco que entra.
vazão volumétrica de ar, lida no manômetro ligado à placa de orifício da torre,
para condições padrão: T = 28C, densidade do ar : = 1,15 kg/m3 .
(Dados informados pelo fabricante)
= volume específico do ar úmido, calculado com as equações indicadas na seqüência do texto; para tanto será necessário determinar a umidade do ar ambiente, medindo a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do mesmo num psicrômetro apropriado.
= razão das densidades do ar (seco), fator que corrige a leitura de vazão no bocal, da condição padronizada para as condição ambiente. Para tanto, meça a pressão e a temperatura ambiente e calcular a densidade do ar seco para estas condições, o que pode ser feito utilizando a equação dos gases ideais:
[4]
sendo:
Cálculo do volume específico do ar úmido
Utilizando a equação dos gases ideais:
[5]
A constante da mistura calcula-se segundo:
[6]
sendo
umidade absoluta do ar de entrada.
3.2 - Cálculo da umidade absoluta do ar
Para se proceder aos balanços de massa e energia na torre de resfriamento, seja em termos globais ou nas estações intermediárias (atualmente não operacionais), será necessária a determinação da umidade do ar. Esta umidade absoluta do ar será obtida a partir de medições das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Para tanto pode-se usar o diagrama psicrométrico equações ou mesmo softwares de cálculo psicrométrico (veja a página de EM847 na rede). Na seqüência apresentamos as equações. Os conceitos necessários podem serem encontrados no livro: Moran & Shapiro, 1993, Cap.12: parágrafos 12.6 a 12.10.
A equação [2] definiu a umidade absoluta do ar:
[2]
sendo
a quantidade de vapor de água [kg/s] contido numa vazão de ar seco de [kg/s]. Considerando em que a mistura ar + vapor d’água é uma mistura ideal de gases, podemos também escrever:
[7]
onde:
pesos moleculares do vapor de água e do ar, respectivamente, e
pressão parcial do vapor d’água e do ar na mistura
Se o vapor d’água e o ar são os dois únicos componentes da mistura, então vale
[8]
Substituindo os pesos moleculares respectivos e usando a Eq. (8), vem:
[9]
A pressão parcial do vapor de água em cada ponto da torre (entrada, saída, pontos intermediários, etc) é inicialmente desconhecida. Entretanto, pode-se medir as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido da mistura e recorrer a outro conceito para obter o valor da umidade: o de processo de saturação adiabática do ar (o processo de saturação de uma corrente de ar realizado adiabaticamente, isto é, todo calor latente necessário à saturação do ar é fornecido pelo ar). Aplicando-se este conceito chega- se à seguinte equação para o cálculo da umidade do ar:
[10]
onde:
umidade de saturação adiabática do ar à temperatura de bulbo úmido .
temperatura de bulbo seco
temperatura de bulbo úmido
calor específico do ar seco
entalpia de vaporização da água à temperatura de bulbo úmido, .
Para utilizar a equação [10] no cálculo da umidade do ar, precisaremos determinar algumas variáveis. A seguir estão as equações necessárias.
Umidade de saturação do ar:
A uma dada temperatura, o ar pode aceitar uma quantidade máxima de vapor de água misturada com ele. Diz-se então que o ar está “saturado de vapor de água”. Este estado corresponde a uma pressão parcial do vapor de água na mistura ar + vapor igual à pressão de equilíbrio, que varia com a temperatura da mistura.
Na determinação da umidade de saturação utiliza-se então a equação geral [9], mas a pressão de vapor de água deve ser a correspondente à pressão de equilíbrio:
[9a]
A pressão de equilíbrio, , pode ser lida nas tabelas de equilíbrio de água líquida + vapor (Moran & Shapiro, 1993), tendo a temperatura como dado de entrada. Ou também pode ser calculada com a correlação de Antoine (Reid, Prausnitz and Sherwood, 1977), dada abaixo:
[11]
onde:
pressão de vapor de saturação à temperatura
[11a]
esta correlação é válida no intervalo:
Os outros dados necessários para o cálculo da umidade do ar são:
Calor específico do ar seco:
[12]
Entalpia de vaporização do vapor de água:
[13]
- Vazão de vapor em cada ponto:
Deve-se levar em conta que na torre o ar está atuando como um “transportador” de vapor de água. Conseqüentemente, a sua massa não se modifica ao longo da coluna, mas a massa de vapor de água na mistura aumenta devido à evaporação da água. A massa de vapor de água na entrada, em pontos intermediários (medição não realizada atualmente) e na saída da torre será calculada para os valores correspondentes de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido (utilizando as equações 2 e 10, transcritas abaixo, e os procedimentos recém descritos). Assim:
[14]
3.3 - Determinação da vazão de água
A vazão de água é medida na entrada (rotâmetro) e na saída da torre (tanque calibrado). Caso medições intermediárias fossem realizadas, a vazão de água em cada posição seria obtida através da medição do conteúdo de água na corrente de ar (água na entrada menos água evaporada).
4.- BALANÇO DE ENERGIA
Normalmente a análise do funcionamento da torre é feita considerando-se:
- processo adiabático, são desprezadas as perdas de calor para o ambiente.
- não existe trabalho de eixo dentro do volume de controle considerado.
- a variação das energias cinética e potencial nos fluxos de ar e água são desprezíveis frente às variações de entalpia nos mesmos.
Com estas considerações, o balanço de primeira lei num volume de controle genérico (entre a entrada e a saída da torre, por exemplo) fica reduzido a:
[15]
sendo:
[16]
onde:
[17]
[18]
Dividindo a equação [15] pela vazão de ar seco e rearranjando-a, tem - se:
[16a]
Mais adiante será necessário calcular a entalpia da água líquida:
[19]
Observar que nas entalpias acima definida, adotou-se como nível de referência, no caso da água, água em fase líquida a 0C; e no caso do ar, fase gás a 0C.
6.- ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO
Numa torre de resfriamento a água entra aquecida e o ar à temperatura ambiente. Vamos nos ater nesta análise às torres que operam em contra-corrente, água descendo e ar subindo. À medida que desce, a água se resfria; o ar, `medida em que sobe, se umidifica e aquece. Em algum ponto da torre a água líquida e o ar igualam suas temperaturas: este é o “ponto de estrangulamento” (“pinch point”) da torre; a partir deste ponto as temperaturas do ar e da água ficam muito próximas, ou seja, é o ponto em que a torre pára de operar.
Para analisar a operação de transferência de massa, entre as fases líquido e gás em contato, é útil imaginar uma gota d’água, à temperatura Tágua, rodeada por uma camada de ar que também está a Tágua,. A água que evapora da gota transforma-se em vapor nesta camada e depois “migra” para a corrente de ar na torre. Identifica-se então a “força motriz” do processo de transferência de massa como:
força motriz do processo de transferência de massa =
isto é, a diferença entre a umidade do ar a uma condição ideal de saturação à temperatura da água e a umidade do ar na condição em que ele se encontra no fluxo principal na torre. Em termos energéticos, essa mesma força motriz seria:
força motriz termodinâmica do processo =
É possível então traçar curvas características do funcionamento de uma torre de resfriamento colocando no eixo vertical a entalpia efetiva (valor medido) do ar úmido e no horizontal a temperatura da água. Para efeitos de comparação traça - se no mesmo gráfico a curva correspondente à entalpia do ar saturado à temperatura local da água (medida pelos termopares colocados nas bandejas ao longo da torre) (ver Fig. 2). A diferença locas das temperaturas chama-se “potencial de entalpia”.
No ponto de estrangulamento da torre, as duas curvas, real e ideal, se cruzam. Para uma torre bem dimensionada, o ponto de estrangulamento deve - se encontrar no seu extremo inferior, isto é, bem próximo de entrada de ar no nosso caso. A posição do ponto de estrangulamento na torre dependerá da relação da vazão de ar e de água, assim como da temperatura inicial da água.
Será então objetivo deste trabalho testar o funcionamento da torre, mantendo fixa a vazão de água e sua temperatura e variando a vazão de ar, com a finalidade de tentar encontrar o ponto ótimo de operação dela em termos da vazão de ar para uma dada condição da água que se deseja resfriar.
Fig. 2: diagrama do potencial de entalpia do processo.
Fig. 3: esquema da torre de resfriamento HILTON.
7.- EQUIPAMENTO
A torre de refrigeração HILTON, mostrada num diagrama esquemático na FIG.3, consiste numa coluna retangular (com o lado da frente transparente) contendo pilhas de bandejas perfuradas de alumínio expandido, como material de recheio. A água aquecida, a ser resfriada, é distribuída no topo da torre, e escoa em direção à parte inferior em contracorrente com o fluxo de ar, que entra através de um “plenum”.
A torre possui um conjunto de resistências para aquecimento da água e um soprador para insuflar o ar na mesma. Também possui um tanque de alimentação de água de nível constante, que garante uma vazão permanente. Para evitar que gotas de água sejam arrastadas pela corrente de ar, há um elemento de retenção (colméia) na parte superior.
O equipamento está instrumentado para permitir a medição de:
• vazão de ar na entrada da torre, parte inferior (placa orifício + manômetro)
• temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do ar ambiente (psicrômetro)
• vazão e temperatura da água na entrada da torre, parte superior (rotâmetro e termopar)
• vazão e temperatura de água na saída da torre (tanque calibrado + cronômetro + termopar)
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, com termopares fixos, na entrada e saída do ar.
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, mediante uma pistola psicrométrica, em 5 pontos ao longo da torre (não operacional atualmente).
• temperatura da água em 5 pontos ao longo da torre (termopares).
As temperaturas nos termopares são lidas em um indicador digital de temperatura e uma chave seletora, localizados na lateral direita do equipamento. Na FIG. 4 está indicada a posição dos termopares e seu número na chave seletora.
8.- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Cheque antes da operação:
1. Encha os dois reservatórios dos termopares de bulbo úmido com água destilada.
2. Feche a válvula do sistema de drenagem de água, localizada no lado esquerdo do tanque de coleta de água, na base.
3. Feche a válvula de controle do fluxo de ar, no painel de instrumentos.
4. Verifique se as chaves elétricas das resistências e do motor elétrico, localizadas na parte posterior da torre, estão na posição OFF.
5. Verifique se os quatro interruptores do sistema de aquecimento estão desligados (luz do piloto apagada)
6. Feche a válvula de controle da pistola psicrométrica no painel de instrumentos (não operacional atualmente).
8 (bulbo úmido)
estação 6 9 (bulbo seco)
13
entrada água pistola psicrométrica:
aquecida 5 10 (bulbo úmido)
11 (bulbo seco)
4
3
posterior: 14
entrada água da rede 2
1
6 (bulbo úmido)
7 (bulbo seco)
estação 0
12
Fig. 4 : Numeração e posição dos termopares
Procedimento de partida:
1. Abra a válvula de suprimento de água (torneira localizada atrás da torre), e deixe encher o tanque de nível constante até que se perceba que há fluxo através do dreno do tanque de nível constante.
2. Abra a válvula de controle do fluxo de água no painel de instrumentos, até que marque no rotâmetro uma altura de 25 cm. Aguarde até observar a água passando através das bandejas da torre. Verifique se para o fluxo indicado ainda há fluxo através do dreno do tanque de nível constante (para assegurar que a vazão a través da coluna é constante, deve estar sempre sendo descarregada parte da água de alimentação pelo dreno).
3. Deixe a água encher o tanque coletor na base da torre e passar através do sistema de “overflow” para o dreno, este “overflow em U” deve ser sempre mantido cheio de água para impedir que o ar que entra pela base retorne pelo tubo de drenagem.
4. Abra a válvula do tanque na base da torre; para esvazia-lo, ajuste a válvula de drenagem de água de modo que a mesma cubra o elemento sensível do termopar que mede a temperatura da água na saída, este termopar deve ficar sempre submerso na água.
5. Ligue ambas chaves de força localizadas atrás da torre.
6. Ligue o ventilador . O fluxo de ar pode ser ajustado com dois dispositivos: seja diminuindo a entrada de ar no ventilador ou pelo “by -pass” alocado na tubulação, antes da placa - orifício. Comece com uma vazão de ar de 350 m3/h.
7. Ligue os aquecedores de água (todos).
Testes
Mantendo a vazão de água constante ao longo da torre, realize três testes para diferentes fluxos de ar, começando por uma vazão de 350 m3/h. Para os testes sucessivos ajuste a vazão de ar de modo a obter um “ponto de estrangulamento” de funcionamento da torre em direção a sua base.
Em cada um dos testes terá que efetuar as medições indicadas na PLANILHA em anexo. Acompanhe seus resultados com a carta psicrométrica em anexo.
Levantamento de dados de funcionamento:
Umidade do ar na entrada
O ar que é aspirado pelo soprado é o ar do ambiente; a medição de suas temperaturas de bulbo úmido e seco deve ser realizada com o psicrômetro disponível no laboratório. Este ponto de medição é o que podemos chamar de ESTAÇÃO ZERO (talvez fosse mais apropriado estabelecer a Estação Zero como o ponto do escoamento mais próximo da placa de orifício, pois o soprador aquece o ar. Verifique a possibilidade). O psicrômetro que temos no laboratório tem dois termômetros e uma ventoinha:
1. Molhe a gaze do termômetro de bulbo úmido e ligue a ventoinha que assopra ar para os bulbos dos termômetros.
2. Quando a termperatura de bulbo úmido estiver estável, pode-se fazer sua leitura assim como a temperatura do termômetro de bulbo seco.
Pistola psicrométrica (não operacional atualmente)
1. Abra a válvula de controle de sucção de ar da pistola, no painel de instrumentos, de modo de modo a que o nível indicador da sucção fique numa posição intermediária. Verifique que não haja arraste de água líquida através da sucção.
2. Retire a tampa da primeira estação, introduza a pistola, e meça as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco do ar.
3. Sucessivamente, das estações 1 a 5, vá retirando, tampando e recolocando a pistola na estação subsequente.
Vazão de água na entrada:
. Meça no começo e no final de cada um dos testes.
Correlação de calibração do rotámetro:
Vazão [kg/h] = 10,6164 X - 3,10326
onde: X = leitura na escala do rotámetro
Se a vazão de água se altera durante o teste, mudando a condição de funcionamento da torre, o teste não terá validade. Então, durante cada um dos testes verifique sempre que o rotâmetro indica o mesmo valor.
Vazão de água na saída:
É medida no tanque calibrado que é o “pé” da torre. No final de cada teste, feche a válvula de saída da água e esta começará a subir no tanque. O processo pode ser controlado visualizando o nível no tubo de vidro conectado ao tanque. Meça o tempo de enchimento do tanque, com cronômetro, entre os dois pontos indicados no tubo de vidro. Repita a medição de tempo por três vezes.
Considerando que o tanque têm um volume de 4 kg de água, calcule a vazão de água que passa pela torre. Compare este valor com o que marca o rotâmetro que mede a vazão na entrada da torre. A diferença entre o que marca o rotâmetro e esta medição será vazão de água evaporada na torre.
Procedimento de parada
1. Desligue os aquecedores e o ventilador.
2. Desligue as chaves de força, posição retornando - as à posição OFF.
3. Feche a válvula de suprimento de água.
4. Abra as válvulas de drenagem da torre e esgote o sistema.
9.- RELATÓRIO
Para cada um dos três teste realizados:
1. Apresente na forma de uma planilha os dados medidos relativos a água e ar.
2. Balanço de massa:
A partir destes dados determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a umidade de saturação e a umidade absoluta do ar
- massa de água evaporada de uma estação para outra
- com base neste último dado, a partir da vazão de entrada de água na torre, reporte o valor da vazão em cada estação, até a estação zero.
- compare este último dado com o dado lido no tanque de dreno ao pé da torre: não se preocupe se a diferença for grande: a vazão de água é grande em relação à quantidade evaporada, a ordem de grandeza da massa de água evaporada é a mesma que o erro dos instrumentos com os quais medimos a vazão.
3.- Balanço de energia:
- Determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a entalpia específica do ar úmido
- a entalpia total da corrente de ar
- a entalpia específica da água líquida (este valor é obtido através da medições da temperatura da água nas bandejas intermediárias)
- a entalpia total da corrente de água
- o calor transferido em cada estação, da água para o ar.
- o calor total transferido, da água para o ar (balanço global)
4.- Análise de funcionamento:
Calcule, para cada estação de medida:
- A entalpia específica de ar úmido saturado à temperatura da água (no mesmo ponto de medida)
- Trace um gráfico do tipo indicado na FIG.2, determine o ponto de estrangulamento da torre e discuta comparativamente os resultados obtidos nos três testes realizados. Determine, entre os três, aquele correspondente à melhor condição de funcionamento da torre (melhor aproveitamento do equipamento, menor gasto de energia). Nesta análise, leve em conta a perda de carga medida na torre em cada teste.
BIBLIOGRAFIA
• Bennett, C.O. and Myers, J.E.; “Fenômenos de Transporte de Quantidade de Movimento Calor e Massa “, Edit. McGraw - Hill do Brasil Ltda., 1978.
• Jones, W.P.; “Engenharia de Ar Condicionado”.
• Kreith, F.; “Princípios da Transmissão de Calor”, Edit. Edgard Blücher Ltda.1977.
• Moran, M.J. and Shapiro, H.N.; “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, John Wiley & Sons, Inc., 1993.
• Reid, Prausnitz and Sherwood; “The Properties of Gases and Liquids” , Edit. McGraw-Hill Book Co., 1977.
• Stoecker, W.F.; “Refrigeration and Air Conditioning”, Edit. McGraw Hill , 1981.
• Threkeld, J.L.; “Thermal Environmental Engineering”; Edit. Prentice Hall Inc.
• Treybal, R.E.; “Mass Transfer Operations”; Edit. McGraw Hill Kogakusha Ltda., 1980.
1.- INTRODUÇÃO
As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o resfriamento de água industrial, como aquela proveniente de condensadores de usinas de geração de potência, ou de instalações de refrigeração, trocadores de calor, etc. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de “enchimentos” de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenômeno que produz seu resfriamento.
Uma torre de refrigeração é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do “enchimento” da torre, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico, etc, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água - ar.
O projeto de uma torre de resfriamento parte dos valores da vazão e da temperatura da água a ser resfriada. Então, uma vez especificada a geometria da torre em termos de suas dimensões e tipo de enchimento, o funcionamento adequado dependerá do controle da vazão de ar. Em termos de insumo energético, a torre demandará potência para fazer escoar o ar, sendo que o enchimento da torre é um elemento que introduz perda de carga; a água deverá ser bombeada até o ponto de aspersão.
Informações mais detalhadas a respeito de funcionamento, parâmetros característicos e procedimentos para projeto deste tipo de equipamentos podem ser encontrados em Kreith (1977), Bennet e Myers (1978), Trybal, (1980), Stocker (1981), Threkeld e Jones (ver bibliografia detalhada no final).
2.- OBJETIVOS DA EXPERIÊNCIA
• Realização dos balanços de massa e energia nas correntes de água e ar na torre;
• Determinação experimental das condições ótimas de funcionamento da torre disponível no laboratório, variando a vazão de ar ambiente para um dado par de temperatura e vazão de água na entrada da mesma;
3.- BALANÇO DE MASSA
Um esquema da torre pode ser visualizado na Fig. 1. Para a análise de desempenho dividiremos o equipamento em volumes de controle sucessivos, realizando as medições necessárias em cada ponto, para efetuar os balanços de massa e energia referentes a cada volume intermediário (não serão realizados no presente experimento) e ao volume global. Nos pontos de entrada e saída dos fluxos de ar e água na torre temos medições de vazão de ar e água, e também das temperaturas de bulbo seco e úmido do ar (que permitirão calcular o estado do ar úmido, e consequentemente, sua umidade absoluta, pressão parcial do vapor de água, entalpia, etc), assim como a temperatura da água.
O balanço básico das correntes de água e ar para um volume de controle genérico limitado pelas superfícies de controle “i-1” e “i” será (no caso do balanço global, “i-1” será o plano de entrada de ar na torre e “i” será o plano de saída de ar da torre, e vice-versa para o fluxo de água):
[1]
Sendo:
vazão de ar seco ao longo da coluna (constante)
vazão de vapor de água contido no ar nas posições “i-1” e “i” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.
vazão de água líquida nas posições “i” e “i-1” na coluna, ou seja, entrando e saindo do volume de controle considerado.
Fig. 1: esquema da torre de resfriamento
Dividindo a equação [1] pela vazão de ar seco, e levando em conta a definição de umidade absoluta, Eq. [2], obtém - se uma expressão mais simples, que pode ser alternativamente utilizada para analisar o processo na torre:
[1a]
onde e são a umidade absoluta do ar nos pontos “i” e “i-1” da coluna,
[2]
isto é, mv , a massa de vapor de água [kg/s] contida num fluxo de ar seco, [kg/s].
Utilizando a equação [1] (ou [1a]), acima é possível realizar um balanço da transferência de massa na torre, sendo necessário, para tanto, calcular a vazão de ar seco e a umidade absoluta do ar, além de medir a vazão de água.
3.1 - Determinação da vazão de ar seco:
A vazão de ar que entra na torre é medida numa placa orificio ligada a um manômetro de coluna de água, cuja escala está diretamente calibrada em termos de vazão [m3/ h] para ar em condições padronizadas de temperatura e densidade, indicadas na própria escala. Para determinar a vazão mássica necessária , pode fazer-se:
[3]
onde:
vazão mássica de ar seco que entra.
vazão volumétrica de ar, lida no manômetro ligado à placa de orifício da torre,
para condições padrão: T = 28C, densidade do ar : = 1,15 kg/m3 .
(Dados informados pelo fabricante)
= volume específico do ar úmido, calculado com as equações indicadas na seqüência do texto; para tanto será necessário determinar a umidade do ar ambiente, medindo a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do mesmo num psicrômetro apropriado.
= razão das densidades do ar (seco), fator que corrige a leitura de vazão no bocal, da condição padronizada para as condição ambiente. Para tanto, meça a pressão e a temperatura ambiente e calcular a densidade do ar seco para estas condições, o que pode ser feito utilizando a equação dos gases ideais:
[4]
sendo:
Cálculo do volume específico do ar úmido
Utilizando a equação dos gases ideais:
[5]
A constante da mistura calcula-se segundo:
[6]
sendo
umidade absoluta do ar de entrada.
3.2 - Cálculo da umidade absoluta do ar
Para se proceder aos balanços de massa e energia na torre de resfriamento, seja em termos globais ou nas estações intermediárias (atualmente não operacionais), será necessária a determinação da umidade do ar. Esta umidade absoluta do ar será obtida a partir de medições das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Para tanto pode-se usar o diagrama psicrométrico equações ou mesmo softwares de cálculo psicrométrico (veja a página de EM847 na rede). Na seqüência apresentamos as equações. Os conceitos necessários podem serem encontrados no livro: Moran & Shapiro, 1993, Cap.12: parágrafos 12.6 a 12.10.
A equação [2] definiu a umidade absoluta do ar:
[2]
sendo
a quantidade de vapor de água [kg/s] contido numa vazão de ar seco de [kg/s]. Considerando em que a mistura ar + vapor d’água é uma mistura ideal de gases, podemos também escrever:
[7]
onde:
pesos moleculares do vapor de água e do ar, respectivamente, e
pressão parcial do vapor d’água e do ar na mistura
Se o vapor d’água e o ar são os dois únicos componentes da mistura, então vale
[8]
Substituindo os pesos moleculares respectivos e usando a Eq. (8), vem:
[9]
A pressão parcial do vapor de água em cada ponto da torre (entrada, saída, pontos intermediários, etc) é inicialmente desconhecida. Entretanto, pode-se medir as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido da mistura e recorrer a outro conceito para obter o valor da umidade: o de processo de saturação adiabática do ar (o processo de saturação de uma corrente de ar realizado adiabaticamente, isto é, todo calor latente necessário à saturação do ar é fornecido pelo ar). Aplicando-se este conceito chega- se à seguinte equação para o cálculo da umidade do ar:
[10]
onde:
umidade de saturação adiabática do ar à temperatura de bulbo úmido .
temperatura de bulbo seco
temperatura de bulbo úmido
calor específico do ar seco
entalpia de vaporização da água à temperatura de bulbo úmido, .
Para utilizar a equação [10] no cálculo da umidade do ar, precisaremos determinar algumas variáveis. A seguir estão as equações necessárias.
Umidade de saturação do ar:
A uma dada temperatura, o ar pode aceitar uma quantidade máxima de vapor de água misturada com ele. Diz-se então que o ar está “saturado de vapor de água”. Este estado corresponde a uma pressão parcial do vapor de água na mistura ar + vapor igual à pressão de equilíbrio, que varia com a temperatura da mistura.
Na determinação da umidade de saturação utiliza-se então a equação geral [9], mas a pressão de vapor de água deve ser a correspondente à pressão de equilíbrio:
[9a]
A pressão de equilíbrio, , pode ser lida nas tabelas de equilíbrio de água líquida + vapor (Moran & Shapiro, 1993), tendo a temperatura como dado de entrada. Ou também pode ser calculada com a correlação de Antoine (Reid, Prausnitz and Sherwood, 1977), dada abaixo:
[11]
onde:
pressão de vapor de saturação à temperatura
[11a]
esta correlação é válida no intervalo:
Os outros dados necessários para o cálculo da umidade do ar são:
Calor específico do ar seco:
[12]
Entalpia de vaporização do vapor de água:
[13]
- Vazão de vapor em cada ponto:
Deve-se levar em conta que na torre o ar está atuando como um “transportador” de vapor de água. Conseqüentemente, a sua massa não se modifica ao longo da coluna, mas a massa de vapor de água na mistura aumenta devido à evaporação da água. A massa de vapor de água na entrada, em pontos intermediários (medição não realizada atualmente) e na saída da torre será calculada para os valores correspondentes de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido (utilizando as equações 2 e 10, transcritas abaixo, e os procedimentos recém descritos). Assim:
[14]
3.3 - Determinação da vazão de água
A vazão de água é medida na entrada (rotâmetro) e na saída da torre (tanque calibrado). Caso medições intermediárias fossem realizadas, a vazão de água em cada posição seria obtida através da medição do conteúdo de água na corrente de ar (água na entrada menos água evaporada).
4.- BALANÇO DE ENERGIA
Normalmente a análise do funcionamento da torre é feita considerando-se:
- processo adiabático, são desprezadas as perdas de calor para o ambiente.
- não existe trabalho de eixo dentro do volume de controle considerado.
- a variação das energias cinética e potencial nos fluxos de ar e água são desprezíveis frente às variações de entalpia nos mesmos.
Com estas considerações, o balanço de primeira lei num volume de controle genérico (entre a entrada e a saída da torre, por exemplo) fica reduzido a:
[15]
sendo:
[16]
onde:
[17]
[18]
Dividindo a equação [15] pela vazão de ar seco e rearranjando-a, tem - se:
[16a]
Mais adiante será necessário calcular a entalpia da água líquida:
[19]
Observar que nas entalpias acima definida, adotou-se como nível de referência, no caso da água, água em fase líquida a 0C; e no caso do ar, fase gás a 0C.
6.- ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO
Numa torre de resfriamento a água entra aquecida e o ar à temperatura ambiente. Vamos nos ater nesta análise às torres que operam em contra-corrente, água descendo e ar subindo. À medida que desce, a água se resfria; o ar, `medida em que sobe, se umidifica e aquece. Em algum ponto da torre a água líquida e o ar igualam suas temperaturas: este é o “ponto de estrangulamento” (“pinch point”) da torre; a partir deste ponto as temperaturas do ar e da água ficam muito próximas, ou seja, é o ponto em que a torre pára de operar.
Para analisar a operação de transferência de massa, entre as fases líquido e gás em contato, é útil imaginar uma gota d’água, à temperatura Tágua, rodeada por uma camada de ar que também está a Tágua,. A água que evapora da gota transforma-se em vapor nesta camada e depois “migra” para a corrente de ar na torre. Identifica-se então a “força motriz” do processo de transferência de massa como:
força motriz do processo de transferência de massa =
isto é, a diferença entre a umidade do ar a uma condição ideal de saturação à temperatura da água e a umidade do ar na condição em que ele se encontra no fluxo principal na torre. Em termos energéticos, essa mesma força motriz seria:
força motriz termodinâmica do processo =
É possível então traçar curvas características do funcionamento de uma torre de resfriamento colocando no eixo vertical a entalpia efetiva (valor medido) do ar úmido e no horizontal a temperatura da água. Para efeitos de comparação traça - se no mesmo gráfico a curva correspondente à entalpia do ar saturado à temperatura local da água (medida pelos termopares colocados nas bandejas ao longo da torre) (ver Fig. 2). A diferença locas das temperaturas chama-se “potencial de entalpia”.
No ponto de estrangulamento da torre, as duas curvas, real e ideal, se cruzam. Para uma torre bem dimensionada, o ponto de estrangulamento deve - se encontrar no seu extremo inferior, isto é, bem próximo de entrada de ar no nosso caso. A posição do ponto de estrangulamento na torre dependerá da relação da vazão de ar e de água, assim como da temperatura inicial da água.
Será então objetivo deste trabalho testar o funcionamento da torre, mantendo fixa a vazão de água e sua temperatura e variando a vazão de ar, com a finalidade de tentar encontrar o ponto ótimo de operação dela em termos da vazão de ar para uma dada condição da água que se deseja resfriar.
Fig. 2: diagrama do potencial de entalpia do processo.
Fig. 3: esquema da torre de resfriamento HILTON.
7.- EQUIPAMENTO
A torre de refrigeração HILTON, mostrada num diagrama esquemático na FIG.3, consiste numa coluna retangular (com o lado da frente transparente) contendo pilhas de bandejas perfuradas de alumínio expandido, como material de recheio. A água aquecida, a ser resfriada, é distribuída no topo da torre, e escoa em direção à parte inferior em contracorrente com o fluxo de ar, que entra através de um “plenum”.
A torre possui um conjunto de resistências para aquecimento da água e um soprador para insuflar o ar na mesma. Também possui um tanque de alimentação de água de nível constante, que garante uma vazão permanente. Para evitar que gotas de água sejam arrastadas pela corrente de ar, há um elemento de retenção (colméia) na parte superior.
O equipamento está instrumentado para permitir a medição de:
• vazão de ar na entrada da torre, parte inferior (placa orifício + manômetro)
• temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do ar ambiente (psicrômetro)
• vazão e temperatura da água na entrada da torre, parte superior (rotâmetro e termopar)
• vazão e temperatura de água na saída da torre (tanque calibrado + cronômetro + termopar)
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, com termopares fixos, na entrada e saída do ar.
• temperatura de bulbo úmido e bulbo seco do ar, mediante uma pistola psicrométrica, em 5 pontos ao longo da torre (não operacional atualmente).
• temperatura da água em 5 pontos ao longo da torre (termopares).
As temperaturas nos termopares são lidas em um indicador digital de temperatura e uma chave seletora, localizados na lateral direita do equipamento. Na FIG. 4 está indicada a posição dos termopares e seu número na chave seletora.
8.- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Cheque antes da operação:
1. Encha os dois reservatórios dos termopares de bulbo úmido com água destilada.
2. Feche a válvula do sistema de drenagem de água, localizada no lado esquerdo do tanque de coleta de água, na base.
3. Feche a válvula de controle do fluxo de ar, no painel de instrumentos.
4. Verifique se as chaves elétricas das resistências e do motor elétrico, localizadas na parte posterior da torre, estão na posição OFF.
5. Verifique se os quatro interruptores do sistema de aquecimento estão desligados (luz do piloto apagada)
6. Feche a válvula de controle da pistola psicrométrica no painel de instrumentos (não operacional atualmente).
8 (bulbo úmido)
estação 6 9 (bulbo seco)
13
entrada água pistola psicrométrica:
aquecida 5 10 (bulbo úmido)
11 (bulbo seco)
4
3
posterior: 14
entrada água da rede 2
1
6 (bulbo úmido)
7 (bulbo seco)
estação 0
12
Fig. 4 : Numeração e posição dos termopares
Procedimento de partida:
1. Abra a válvula de suprimento de água (torneira localizada atrás da torre), e deixe encher o tanque de nível constante até que se perceba que há fluxo através do dreno do tanque de nível constante.
2. Abra a válvula de controle do fluxo de água no painel de instrumentos, até que marque no rotâmetro uma altura de 25 cm. Aguarde até observar a água passando através das bandejas da torre. Verifique se para o fluxo indicado ainda há fluxo através do dreno do tanque de nível constante (para assegurar que a vazão a través da coluna é constante, deve estar sempre sendo descarregada parte da água de alimentação pelo dreno).
3. Deixe a água encher o tanque coletor na base da torre e passar através do sistema de “overflow” para o dreno, este “overflow em U” deve ser sempre mantido cheio de água para impedir que o ar que entra pela base retorne pelo tubo de drenagem.
4. Abra a válvula do tanque na base da torre; para esvazia-lo, ajuste a válvula de drenagem de água de modo que a mesma cubra o elemento sensível do termopar que mede a temperatura da água na saída, este termopar deve ficar sempre submerso na água.
5. Ligue ambas chaves de força localizadas atrás da torre.
6. Ligue o ventilador . O fluxo de ar pode ser ajustado com dois dispositivos: seja diminuindo a entrada de ar no ventilador ou pelo “by -pass” alocado na tubulação, antes da placa - orifício. Comece com uma vazão de ar de 350 m3/h.
7. Ligue os aquecedores de água (todos).
Testes
Mantendo a vazão de água constante ao longo da torre, realize três testes para diferentes fluxos de ar, começando por uma vazão de 350 m3/h. Para os testes sucessivos ajuste a vazão de ar de modo a obter um “ponto de estrangulamento” de funcionamento da torre em direção a sua base.
Em cada um dos testes terá que efetuar as medições indicadas na PLANILHA em anexo. Acompanhe seus resultados com a carta psicrométrica em anexo.
Levantamento de dados de funcionamento:
Umidade do ar na entrada
O ar que é aspirado pelo soprado é o ar do ambiente; a medição de suas temperaturas de bulbo úmido e seco deve ser realizada com o psicrômetro disponível no laboratório. Este ponto de medição é o que podemos chamar de ESTAÇÃO ZERO (talvez fosse mais apropriado estabelecer a Estação Zero como o ponto do escoamento mais próximo da placa de orifício, pois o soprador aquece o ar. Verifique a possibilidade). O psicrômetro que temos no laboratório tem dois termômetros e uma ventoinha:
1. Molhe a gaze do termômetro de bulbo úmido e ligue a ventoinha que assopra ar para os bulbos dos termômetros.
2. Quando a termperatura de bulbo úmido estiver estável, pode-se fazer sua leitura assim como a temperatura do termômetro de bulbo seco.
Pistola psicrométrica (não operacional atualmente)
1. Abra a válvula de controle de sucção de ar da pistola, no painel de instrumentos, de modo de modo a que o nível indicador da sucção fique numa posição intermediária. Verifique que não haja arraste de água líquida através da sucção.
2. Retire a tampa da primeira estação, introduza a pistola, e meça as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco do ar.
3. Sucessivamente, das estações 1 a 5, vá retirando, tampando e recolocando a pistola na estação subsequente.
Vazão de água na entrada:
. Meça no começo e no final de cada um dos testes.
Correlação de calibração do rotámetro:
Vazão [kg/h] = 10,6164 X - 3,10326
onde: X = leitura na escala do rotámetro
Se a vazão de água se altera durante o teste, mudando a condição de funcionamento da torre, o teste não terá validade. Então, durante cada um dos testes verifique sempre que o rotâmetro indica o mesmo valor.
Vazão de água na saída:
É medida no tanque calibrado que é o “pé” da torre. No final de cada teste, feche a válvula de saída da água e esta começará a subir no tanque. O processo pode ser controlado visualizando o nível no tubo de vidro conectado ao tanque. Meça o tempo de enchimento do tanque, com cronômetro, entre os dois pontos indicados no tubo de vidro. Repita a medição de tempo por três vezes.
Considerando que o tanque têm um volume de 4 kg de água, calcule a vazão de água que passa pela torre. Compare este valor com o que marca o rotâmetro que mede a vazão na entrada da torre. A diferença entre o que marca o rotâmetro e esta medição será vazão de água evaporada na torre.
Procedimento de parada
1. Desligue os aquecedores e o ventilador.
2. Desligue as chaves de força, posição retornando - as à posição OFF.
3. Feche a válvula de suprimento de água.
4. Abra as válvulas de drenagem da torre e esgote o sistema.
9.- RELATÓRIO
Para cada um dos três teste realizados:
1. Apresente na forma de uma planilha os dados medidos relativos a água e ar.
2. Balanço de massa:
A partir destes dados determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a umidade de saturação e a umidade absoluta do ar
- massa de água evaporada de uma estação para outra
- com base neste último dado, a partir da vazão de entrada de água na torre, reporte o valor da vazão em cada estação, até a estação zero.
- compare este último dado com o dado lido no tanque de dreno ao pé da torre: não se preocupe se a diferença for grande: a vazão de água é grande em relação à quantidade evaporada, a ordem de grandeza da massa de água evaporada é a mesma que o erro dos instrumentos com os quais medimos a vazão.
3.- Balanço de energia:
- Determine em cada estação de medida (não operacional atualmente, faça o balanço somente para o comprimento total da torre, entre as Estações 6 e Zero):
- a entalpia específica do ar úmido
- a entalpia total da corrente de ar
- a entalpia específica da água líquida (este valor é obtido através da medições da temperatura da água nas bandejas intermediárias)
- a entalpia total da corrente de água
- o calor transferido em cada estação, da água para o ar.
- o calor total transferido, da água para o ar (balanço global)
4.- Análise de funcionamento:
Calcule, para cada estação de medida:
- A entalpia específica de ar úmido saturado à temperatura da água (no mesmo ponto de medida)
- Trace um gráfico do tipo indicado na FIG.2, determine o ponto de estrangulamento da torre e discuta comparativamente os resultados obtidos nos três testes realizados. Determine, entre os três, aquele correspondente à melhor condição de funcionamento da torre (melhor aproveitamento do equipamento, menor gasto de energia). Nesta análise, leve em conta a perda de carga medida na torre em cada teste.
BIBLIOGRAFIA
• Bennett, C.O. and Myers, J.E.; “Fenômenos de Transporte de Quantidade de Movimento Calor e Massa “, Edit. McGraw - Hill do Brasil Ltda., 1978.
• Jones, W.P.; “Engenharia de Ar Condicionado”.
• Kreith, F.; “Princípios da Transmissão de Calor”, Edit. Edgard Blücher Ltda.1977.
• Moran, M.J. and Shapiro, H.N.; “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, John Wiley & Sons, Inc., 1993.
• Reid, Prausnitz and Sherwood; “The Properties of Gases and Liquids” , Edit. McGraw-Hill Book Co., 1977.
• Stoecker, W.F.; “Refrigeration and Air Conditioning”, Edit. McGraw Hill , 1981.
• Threkeld, J.L.; “Thermal Environmental Engineering”; Edit. Prentice Hall Inc.
• Treybal, R.E.; “Mass Transfer Operations”; Edit. McGraw Hill Kogakusha Ltda., 1980.
S E G U R A N Ç A C O M S O L V E N T E S
“ S E G U R A N Ç A C O M S O L V E N T E S ”
A segurança no manuseio de solventes inflamáveis de petróleo, usados na extração por solvente de óleo de sementes, começa no projeto de uma nova indústria, com áreas exigindo rigorosa atenção, tais como recepção, estocagem e manuseio do solvente. Deve-se preparar e seguir rigorosos processos de operação e os funcionários devem ser constantemente alertados para os perigos envolvidos no manuseios de solventes inflamáveis. Grupos reconhecidamente categorizados delinearam as exigências de projeto e prática de operação, que devem ajudar gerentes e supervisores a garantir e aumentar a segurança na operação de suas indústrias.
O hexano (C6 H14) é um hidrocarboneto parafínico e um líquido incolor de odor forte e agradavél. Sua gravidade específica é cerca de 0,685, ou pouco menos que 5,6 libras/galão e tem um ponto de ebulição de 150-156o F (65,6 - 68, 9o C). Infelizmente, estas são as únicas características benéficas desse líquido. Seu “flash point” aberto, definido como a temperatura na qual os vapores de um líquido volátil misturado ao ar incendeiam-se imediatamente, é de -14, 4o F (-25, 8o C) e o flash point fechado é de - 7o F (-21, 7o C ). A taxa de propagação da chama em uma conflagração de vapor ao aberto é maior que 15 pés por segundo ( 4,6 m/segundo). Numa explosão em ar aberto, 20 galões de hexano têm um poder explosivo equivalente a 1 litro, 20 galões de hexano têm um poder explosivo equivalente a 1 libra de TNT. Este dado estatístico significa que a quantidade de hexano normalmente estocada em uma industria de processamento de sementes oleaginosas, quando misturada ao oxigênio adequado para combustão, poderia arrasar um quarteirão de tamanho normal.
Por quê desejaríamos nos submeter à proximidade de um material tão perigoso? Se alguém viesse me dizer que não se importa absolutamente perigoso? Se alguém viesse me dizer que não se importa absolutamente em trabalhar perto do hexano, eu questionaria sua capacidade mental. Mesmo antes que ocorresse o primeiro incêndio ou explosão em uma indústria que usava hexano como solvente, os técnicos já pesquisavam os solventes disponíveis, no intuito de descobrir um que não seja inflamável mas que seja funcional, para a extração de óleos vegetais e uma variedade de solventes tem sido testada nesse sentido. O tricloroetileno (TCE) é não-inflamável, tem um ponto de ebulição razoavelmente alto, com um desempenho magnífico na extração de óleo de oleaginosos; entretanto, apresenta uma desvantagem significativa: durante o processo de extração, entra em processo químico, deixando o farelo resultante com certos componentes que são tóxicos para os animais. O cloreto de metileno também faz um excelente trabalho de extração de óleo vegetal e não apresenta os efeitos tóxicos do TCE , mas tem um ponto de ebulição de 90-100o F (32 - 37, 8o C ), o que o torna inviável em climas quentes.
O hexano normal tem a melhor solubilidade, baixo calor latente de vaporização e baixo ponto de ebulição e ainda que um outro solvente não-inflamavel apresente esses requisitos e seja aprovado pelos departamentos apropriados do Governo, continuaremos a tratar com solventes inflamáveis e perigosos.
Para facilitar a demonstração de alguns dos processos de segurança, gostaria de revisar os elementos necessários para se produzir a combustão normal: combustível, oxigênio calor. Nas indústrias de extração com solvente o objetivo das normas e processos mais seguros é projetado para prevenir a combinação dessas três condições; e se possível, deve-se tentar prevenir até mesmo a combinação de dois desses elementos.
O número 36 do “National Fire Protection Bulletin” emitido pelo “National Fire Protection Association”, Av. Atlantic, 470 - Boston, MA 02210, deve estar sempre à mão para lembrá-lo de informações que não podem ser esquecidas.
Um método para se isolar o combustível (hexano) do oxigênio é manter o hexano fechado dentro de tanques especialmente projetados para esse propósito. Isto pode ser feito mantendo-se tanques e bombas eficazmente e verificação desses selos e vedações e quando tiverem que ser removidos para manutenção não devem ser reaproveitados ou recolocados. Quando os selos que estão separando o oxigênio do hexano se quebram durante um processo de manutenção, rompe-se a barreira protetora que evita a combustão desses dois elementos. Sendo assim, recomenda-se que antes da remoção dessa barreira, o hexano seja retirado do tanque.
Existe uma variedade de fontes de calor que devem ser impedidas de entrar em contato com o hexano, sendo que a mais evidente delas, naturalmente, é a constituída pelas chamas abertas. Por esta razão, caldeiras, engenhos de combustão interna e cigarros acesos são proibidos numa área de 30 metros ao redor de uma industria da extração por solvente. Dentro dessa mesma área de 30 metros, os cabos e chaves de energia elétrica devem estar dentro de invólucros à prova de explosão. Entenda-se que esta definição de “ á prova de explosão” não implica em prevenir totalmente o hexano de entrar em contato com fagulhas elétricas, mas significa que, no caso de ocorrência de explosão, esta ficará confinada dentro de tais invólucros. A eletricidade estática também constitui uma fonte de calor para o triângulo de combustão, podendo ser produzido, no mínimo, de 3 formas. Pode ser mecanicamente induzida pela rotação de máquinas, pessoalmente produzida pelo uso de roupas e sapatos inadequados, ou ( uma fonte sobre a qual não temos nenhum controle) pode ser induzida pelo tempo. As precauções que podem ser tomadas contra a eletricidade estática induzida mecanicamente são:
O aterramento adequado para todas as maquinas e
A proibição de transmissão por correias na área de extração.
Para a eletricidade estática induzida pelo tempo, na forma de relâmpago, os pára-raios, o aterramento do equipamento e construções adequadas oferecem a melhor proteção. O treinamento do pessoal é a melhor forma de se evitar a eletricidade estática produzida pelas pessoas. Recomenda-se proibir o uso de roupas de fibra sintética, ou seja, as roupas devem ser feitas de algodão. Os calçados devem ser do tipo sem bico de aço exposto, sendo também recomendado que não se use solas de borracha, porque isolaria o usuário, acumulando carga elétrica em seu corpo.
Não é grande o número de normas à serem lembradas, então, vejamos como podem ser aplicadas de forma prática.
O primeiro perigo está na recepção, descarga e armazenamento do hexano. As mesmas normas poder ser aplicadas, não importando se você recebe o hexano por caminhão ou vagão de trem. Na área de recepção do hexano, devem ser colocados avisos proibindo chamas abertas 100 pés ao redor do ponto de descarga. O tanque e o caminhão ou vagão devem ser estacionados em lugar determinado para tal. As rodas do caminhão ou vagão devem ser bloqueadas e o freio puxado para impedir qualquer movimento. O motor do caminhão deve estar desligado durante a descarga e o motorista deve manter-se por perto, atento a qualquer contratempo. O mais importante é que durante esse período deve estar presente um supervisor responsável para garantir que esse procedimentos sejam cumpridos em toda a operação de descarga. Após essa operação de descarga, o solvente é novamente confinado, com uma parede de aço como barreira para separá-lo do oxigênio.
O próximo período de perigo, durante o qual fica difícil separar os elementos de combustão é no processo de descarga. Uma análise detalhada dos procedimentos usados para descarga fica fora de propósito, porque todas as instalações de extração por solvente são diferentes entre si, de uma forma ou de outra. O objetivo de um método comum de descarga é retirar o hexano dos tanques de processo, para transferi-lo uma vez mais para um local seguro de armazenamento. Esse local de armazenamento pode ser um tanque perto do equipamento de extração, se tratar-se de uma descarga de curta duração, ou voltar ao tanque de armazenamento de hexano fora da industria, se a carga for de longa duração.
No processo de descarregamento, os tanques são esvaziados de forma metódica para, primeiramente, paralisar a alimentação de matéria prima para o extrator. O extrator deve, então, continuar a funcionar, até que a matéria prima tenha sido extraída, dissolvida e retirada do equipamento de extração. Por ser a maioria dos sistemas de extração do tipo contracorrente, o solvente e a miscela não podem ser retirados do tanque de extração até depois que os materiais utilizados estejam complemente processados. Após a remoção desses materiais do extrator, o fornecimento de solvente novo é paralisado. O bombeamento dos vários estágios prossegue até que os tanques ou recipientes para esses estágios estejam vazios, podendo então paralisar as respectivas bombas. Enquanto o extrator está sendo esvaziado e mesmo depois, os sistemas de destilação e recuperação de solvente continuam a funcionar até que toda miscela tenha sido evaporada e o solvente condensado. Neste ponto é que se deve tomar a decisão de purgar o sistema todo ou somente o tanque necessário para o trabalho.
A essa altura, devemos falar sobre o vapor inflamável. Nós todos estamos familiarizados com o carburador afogado de um carro. É que acontece quando a proporção de ar e combustível é rica demais para produzir uma mistura explosiva. O caso oposto também pode ocorrer quando a mistura de combustível e ar contém muito pouco combustível para haver explosão. Isto aplica-se à mistura de hexano e ar. Essa mistura explosiva está dentro dos limites de 1,1 e 7,5 % por peso. Esse porcentagens referem-se ao limite explosivo mais baixo e limite explosivo mais alto, ou seja, LEL E UEL.
Antes de se abrir um tanque contendo hexano na forma de líquido ou vapor, a mistura está bem acima do limite explosivo máximo e sua concentração aproxima-se de 100%. A purgação dos tanques ( particularmente do extrator ) ´é projetada para manter essa mistura fora dos limites de explosão. Podemos fazer isso usando um outro gás que não seja inflamável para substituir o vapor de hexano, antes da entrada do ar. O nitrogênio e o dióxido de carbono, quando colocados em um tanque, deslocam o vapor de hexano desse tanque. Isto feito, pode-se permitir a entrada do ar e o vapor de hexano terá sido removido do tanque sem ter entrada no limite explosivo.
O mesmo procedimento pode ser usado ao inverso, durante a partida, substituindo-se o ar com o gás inerte antes da entrada do hexano no tanque.
Fontes de calor de todos os tipos são usados na manutenção, tais como: equipamento de solda, maçaricos e ferramentas de aço. Por esse motivo, é preciso exercer controle absoluto sobre o uso desses equipamentos, recomendando-se que se estabeleça uma norma que proíba a entrada desses equipamentos na área de extração sem autorização por escrito do supervisor. Essa autorização deve ser dada somente depois de efetuada uma rigorosa inspeção e a área ter sido testada e declarada livre de vapores de hexano. Para reparos leves em áreas que estejam livres de vapor de hexano devem ser usadas ferramentas à prova de fagulhas, feitas de latão ou liga de alumínio.
Deve-se exercer controle rigoroso sobre os visitantes dentro das instalações de extração por solvente. Os visitantes certamente devem ser advertidos sobre o perigo de se trabalhar perto do hexano e devem deixar quaisquer caixa de fósforo ou outros artigos de fumantes em um lugar seguro, antes de penetrar nessa área. Devem também receber distintivos ou outro tipo de identificação para que os funcionários também devem ser instruídos para “barrar” qualquer visitante que não apresente essa identificação.
É possível que todas essas precauções venham a falhar e que se inicie um incêndio, mas há uma grande variedade de sistemas para proteção contra fogo. Eu não sou especialista em nenhum deles e sendo assim opinarei sobre qual é o melhor. Sugiro, entretanto, que qualquer que seja o sistema instalado, seu objetivo principal deve ser o de proteger as pessoas e não o equipamento. Os sistemas são ativados por calor e quando ativados, podem apagar um incêndio pequeno, mas principalmente oferecem proteção para as pessoas dentro do edifício e dão tempo suficiente para fuga. Seja qual for o sistema usado, é vital que o pessoal que trabalha na área esteja perfeitamente familiarizado com a operação desse sistema, afim de que fiquem alertas, para detectação de um fogo antes que sejam sentido pelo sistema, podendo assim , ativa-lo.
Também é importante ter à mão equipamentos de combate ao fogo, pois a maioria das industrias de extração por solvente são localizadas em áreas relativamente afastadas. Todas as pessoas que trabalham nessa área, devem estar familiarizadas com o uso de hidrantes e extintores, bem como ter ciência de suas respectivas localizações, para que possam, uma vez que estejam em segurança, fazer o possível para extinguir o fogo. Isto deve fazer parte de um programa de treinamento regular para funcionários.
O vapor de hexano possui uma perigosa características, frequentemente ignorada mesmo por aqueles que estão bastantes acostumados a trabalhar com hexano, ou seja, é perigoso respirar hexano em altas concentrações. Áreas com altas concentrações de hexano têm grande efeito embriagante e por ser o hexano mais denso que o ar, substitui o ar, o que pode levar à asfixia que respirar esses vapores. Por esse motivo, quando for necessário trabalhar em áreas de alta concentração, os operários devem levar um suprimento portátil de ar ou uma máscara com tubo conectado a um suprimento de ar fora dessa área. Isto somente não é precação suficiente, pois o equipamento pode apresentar um mal funcionamento. Além disso, a opinião do trabalhador (que estiver sendo submetido ao vapor de hexano) não pode ser levada em conta, porque sendo o hexano embriagante, afetará seu raciocínio. Assim é imperativo que haja contentemente um observador do lado de fora do setor para observar o trabalhador ou trabalhadores dentro o setor e detectar o aparecimento de situações perigosas, para poder ajudar, se necessário.
Prevenir a combinação dos três elementos de combustão é bastante simples, entretanto, as numerosas condições sob as quais pode ocorrer essa combinação torna o trabalho complicado. Por esse motivo, deve-se implantar um sistema regular de inspeções e relatórios e também um comitê de segurança dentro da industria. Esse comitê deve oferecer cargos rotativos, para que todos os empregados tenham oportunidade de se familiarizarem com eles e possam sentir uma responsabilidade pessoal por suas vidas e pela segurança de seus colegas de trabalho. Devem ser realizados mensalmente reuniões do comitê e suas respectivas atas de reunião devem ser publicadas, para que todos os empregados possam tomar conhecimento. As recomendações do comitê com relação à melhoria das normas de segurança devem ser encaradas como de alta prioridade pela gerência industrial e as observações sobre violação das normas de segurança devem ser punidas imediatamente.
REFERÊNCIAS:
CUGAM, K. UNCOFINED VAPOR CLOUD EXPLOSIONS , GULF PUBLISHERS 1979.
FIRE PROTECTION MANUAL FOR HYDROCARBON PROCESSING PLANTS EDITED BY C. VERVALIN GULFF PUBLISHERS, 1974
SOLVENT EXTRACTION PLANTS, 1978 NATIONAL FIRE PROTECTION, BOSTON, MA,1978.
A segurança no manuseio de solventes inflamáveis de petróleo, usados na extração por solvente de óleo de sementes, começa no projeto de uma nova indústria, com áreas exigindo rigorosa atenção, tais como recepção, estocagem e manuseio do solvente. Deve-se preparar e seguir rigorosos processos de operação e os funcionários devem ser constantemente alertados para os perigos envolvidos no manuseios de solventes inflamáveis. Grupos reconhecidamente categorizados delinearam as exigências de projeto e prática de operação, que devem ajudar gerentes e supervisores a garantir e aumentar a segurança na operação de suas indústrias.
O hexano (C6 H14) é um hidrocarboneto parafínico e um líquido incolor de odor forte e agradavél. Sua gravidade específica é cerca de 0,685, ou pouco menos que 5,6 libras/galão e tem um ponto de ebulição de 150-156o F (65,6 - 68, 9o C). Infelizmente, estas são as únicas características benéficas desse líquido. Seu “flash point” aberto, definido como a temperatura na qual os vapores de um líquido volátil misturado ao ar incendeiam-se imediatamente, é de -14, 4o F (-25, 8o C) e o flash point fechado é de - 7o F (-21, 7o C ). A taxa de propagação da chama em uma conflagração de vapor ao aberto é maior que 15 pés por segundo ( 4,6 m/segundo). Numa explosão em ar aberto, 20 galões de hexano têm um poder explosivo equivalente a 1 litro, 20 galões de hexano têm um poder explosivo equivalente a 1 libra de TNT. Este dado estatístico significa que a quantidade de hexano normalmente estocada em uma industria de processamento de sementes oleaginosas, quando misturada ao oxigênio adequado para combustão, poderia arrasar um quarteirão de tamanho normal.
Por quê desejaríamos nos submeter à proximidade de um material tão perigoso? Se alguém viesse me dizer que não se importa absolutamente perigoso? Se alguém viesse me dizer que não se importa absolutamente em trabalhar perto do hexano, eu questionaria sua capacidade mental. Mesmo antes que ocorresse o primeiro incêndio ou explosão em uma indústria que usava hexano como solvente, os técnicos já pesquisavam os solventes disponíveis, no intuito de descobrir um que não seja inflamável mas que seja funcional, para a extração de óleos vegetais e uma variedade de solventes tem sido testada nesse sentido. O tricloroetileno (TCE) é não-inflamável, tem um ponto de ebulição razoavelmente alto, com um desempenho magnífico na extração de óleo de oleaginosos; entretanto, apresenta uma desvantagem significativa: durante o processo de extração, entra em processo químico, deixando o farelo resultante com certos componentes que são tóxicos para os animais. O cloreto de metileno também faz um excelente trabalho de extração de óleo vegetal e não apresenta os efeitos tóxicos do TCE , mas tem um ponto de ebulição de 90-100o F (32 - 37, 8o C ), o que o torna inviável em climas quentes.
O hexano normal tem a melhor solubilidade, baixo calor latente de vaporização e baixo ponto de ebulição e ainda que um outro solvente não-inflamavel apresente esses requisitos e seja aprovado pelos departamentos apropriados do Governo, continuaremos a tratar com solventes inflamáveis e perigosos.
Para facilitar a demonstração de alguns dos processos de segurança, gostaria de revisar os elementos necessários para se produzir a combustão normal: combustível, oxigênio calor. Nas indústrias de extração com solvente o objetivo das normas e processos mais seguros é projetado para prevenir a combinação dessas três condições; e se possível, deve-se tentar prevenir até mesmo a combinação de dois desses elementos.
O número 36 do “National Fire Protection Bulletin” emitido pelo “National Fire Protection Association”, Av. Atlantic, 470 - Boston, MA 02210, deve estar sempre à mão para lembrá-lo de informações que não podem ser esquecidas.
Um método para se isolar o combustível (hexano) do oxigênio é manter o hexano fechado dentro de tanques especialmente projetados para esse propósito. Isto pode ser feito mantendo-se tanques e bombas eficazmente e verificação desses selos e vedações e quando tiverem que ser removidos para manutenção não devem ser reaproveitados ou recolocados. Quando os selos que estão separando o oxigênio do hexano se quebram durante um processo de manutenção, rompe-se a barreira protetora que evita a combustão desses dois elementos. Sendo assim, recomenda-se que antes da remoção dessa barreira, o hexano seja retirado do tanque.
Existe uma variedade de fontes de calor que devem ser impedidas de entrar em contato com o hexano, sendo que a mais evidente delas, naturalmente, é a constituída pelas chamas abertas. Por esta razão, caldeiras, engenhos de combustão interna e cigarros acesos são proibidos numa área de 30 metros ao redor de uma industria da extração por solvente. Dentro dessa mesma área de 30 metros, os cabos e chaves de energia elétrica devem estar dentro de invólucros à prova de explosão. Entenda-se que esta definição de “ á prova de explosão” não implica em prevenir totalmente o hexano de entrar em contato com fagulhas elétricas, mas significa que, no caso de ocorrência de explosão, esta ficará confinada dentro de tais invólucros. A eletricidade estática também constitui uma fonte de calor para o triângulo de combustão, podendo ser produzido, no mínimo, de 3 formas. Pode ser mecanicamente induzida pela rotação de máquinas, pessoalmente produzida pelo uso de roupas e sapatos inadequados, ou ( uma fonte sobre a qual não temos nenhum controle) pode ser induzida pelo tempo. As precauções que podem ser tomadas contra a eletricidade estática induzida mecanicamente são:
O aterramento adequado para todas as maquinas e
A proibição de transmissão por correias na área de extração.
Para a eletricidade estática induzida pelo tempo, na forma de relâmpago, os pára-raios, o aterramento do equipamento e construções adequadas oferecem a melhor proteção. O treinamento do pessoal é a melhor forma de se evitar a eletricidade estática produzida pelas pessoas. Recomenda-se proibir o uso de roupas de fibra sintética, ou seja, as roupas devem ser feitas de algodão. Os calçados devem ser do tipo sem bico de aço exposto, sendo também recomendado que não se use solas de borracha, porque isolaria o usuário, acumulando carga elétrica em seu corpo.
Não é grande o número de normas à serem lembradas, então, vejamos como podem ser aplicadas de forma prática.
O primeiro perigo está na recepção, descarga e armazenamento do hexano. As mesmas normas poder ser aplicadas, não importando se você recebe o hexano por caminhão ou vagão de trem. Na área de recepção do hexano, devem ser colocados avisos proibindo chamas abertas 100 pés ao redor do ponto de descarga. O tanque e o caminhão ou vagão devem ser estacionados em lugar determinado para tal. As rodas do caminhão ou vagão devem ser bloqueadas e o freio puxado para impedir qualquer movimento. O motor do caminhão deve estar desligado durante a descarga e o motorista deve manter-se por perto, atento a qualquer contratempo. O mais importante é que durante esse período deve estar presente um supervisor responsável para garantir que esse procedimentos sejam cumpridos em toda a operação de descarga. Após essa operação de descarga, o solvente é novamente confinado, com uma parede de aço como barreira para separá-lo do oxigênio.
O próximo período de perigo, durante o qual fica difícil separar os elementos de combustão é no processo de descarga. Uma análise detalhada dos procedimentos usados para descarga fica fora de propósito, porque todas as instalações de extração por solvente são diferentes entre si, de uma forma ou de outra. O objetivo de um método comum de descarga é retirar o hexano dos tanques de processo, para transferi-lo uma vez mais para um local seguro de armazenamento. Esse local de armazenamento pode ser um tanque perto do equipamento de extração, se tratar-se de uma descarga de curta duração, ou voltar ao tanque de armazenamento de hexano fora da industria, se a carga for de longa duração.
No processo de descarregamento, os tanques são esvaziados de forma metódica para, primeiramente, paralisar a alimentação de matéria prima para o extrator. O extrator deve, então, continuar a funcionar, até que a matéria prima tenha sido extraída, dissolvida e retirada do equipamento de extração. Por ser a maioria dos sistemas de extração do tipo contracorrente, o solvente e a miscela não podem ser retirados do tanque de extração até depois que os materiais utilizados estejam complemente processados. Após a remoção desses materiais do extrator, o fornecimento de solvente novo é paralisado. O bombeamento dos vários estágios prossegue até que os tanques ou recipientes para esses estágios estejam vazios, podendo então paralisar as respectivas bombas. Enquanto o extrator está sendo esvaziado e mesmo depois, os sistemas de destilação e recuperação de solvente continuam a funcionar até que toda miscela tenha sido evaporada e o solvente condensado. Neste ponto é que se deve tomar a decisão de purgar o sistema todo ou somente o tanque necessário para o trabalho.
A essa altura, devemos falar sobre o vapor inflamável. Nós todos estamos familiarizados com o carburador afogado de um carro. É que acontece quando a proporção de ar e combustível é rica demais para produzir uma mistura explosiva. O caso oposto também pode ocorrer quando a mistura de combustível e ar contém muito pouco combustível para haver explosão. Isto aplica-se à mistura de hexano e ar. Essa mistura explosiva está dentro dos limites de 1,1 e 7,5 % por peso. Esse porcentagens referem-se ao limite explosivo mais baixo e limite explosivo mais alto, ou seja, LEL E UEL.
Antes de se abrir um tanque contendo hexano na forma de líquido ou vapor, a mistura está bem acima do limite explosivo máximo e sua concentração aproxima-se de 100%. A purgação dos tanques ( particularmente do extrator ) ´é projetada para manter essa mistura fora dos limites de explosão. Podemos fazer isso usando um outro gás que não seja inflamável para substituir o vapor de hexano, antes da entrada do ar. O nitrogênio e o dióxido de carbono, quando colocados em um tanque, deslocam o vapor de hexano desse tanque. Isto feito, pode-se permitir a entrada do ar e o vapor de hexano terá sido removido do tanque sem ter entrada no limite explosivo.
O mesmo procedimento pode ser usado ao inverso, durante a partida, substituindo-se o ar com o gás inerte antes da entrada do hexano no tanque.
Fontes de calor de todos os tipos são usados na manutenção, tais como: equipamento de solda, maçaricos e ferramentas de aço. Por esse motivo, é preciso exercer controle absoluto sobre o uso desses equipamentos, recomendando-se que se estabeleça uma norma que proíba a entrada desses equipamentos na área de extração sem autorização por escrito do supervisor. Essa autorização deve ser dada somente depois de efetuada uma rigorosa inspeção e a área ter sido testada e declarada livre de vapores de hexano. Para reparos leves em áreas que estejam livres de vapor de hexano devem ser usadas ferramentas à prova de fagulhas, feitas de latão ou liga de alumínio.
Deve-se exercer controle rigoroso sobre os visitantes dentro das instalações de extração por solvente. Os visitantes certamente devem ser advertidos sobre o perigo de se trabalhar perto do hexano e devem deixar quaisquer caixa de fósforo ou outros artigos de fumantes em um lugar seguro, antes de penetrar nessa área. Devem também receber distintivos ou outro tipo de identificação para que os funcionários também devem ser instruídos para “barrar” qualquer visitante que não apresente essa identificação.
É possível que todas essas precauções venham a falhar e que se inicie um incêndio, mas há uma grande variedade de sistemas para proteção contra fogo. Eu não sou especialista em nenhum deles e sendo assim opinarei sobre qual é o melhor. Sugiro, entretanto, que qualquer que seja o sistema instalado, seu objetivo principal deve ser o de proteger as pessoas e não o equipamento. Os sistemas são ativados por calor e quando ativados, podem apagar um incêndio pequeno, mas principalmente oferecem proteção para as pessoas dentro do edifício e dão tempo suficiente para fuga. Seja qual for o sistema usado, é vital que o pessoal que trabalha na área esteja perfeitamente familiarizado com a operação desse sistema, afim de que fiquem alertas, para detectação de um fogo antes que sejam sentido pelo sistema, podendo assim , ativa-lo.
Também é importante ter à mão equipamentos de combate ao fogo, pois a maioria das industrias de extração por solvente são localizadas em áreas relativamente afastadas. Todas as pessoas que trabalham nessa área, devem estar familiarizadas com o uso de hidrantes e extintores, bem como ter ciência de suas respectivas localizações, para que possam, uma vez que estejam em segurança, fazer o possível para extinguir o fogo. Isto deve fazer parte de um programa de treinamento regular para funcionários.
O vapor de hexano possui uma perigosa características, frequentemente ignorada mesmo por aqueles que estão bastantes acostumados a trabalhar com hexano, ou seja, é perigoso respirar hexano em altas concentrações. Áreas com altas concentrações de hexano têm grande efeito embriagante e por ser o hexano mais denso que o ar, substitui o ar, o que pode levar à asfixia que respirar esses vapores. Por esse motivo, quando for necessário trabalhar em áreas de alta concentração, os operários devem levar um suprimento portátil de ar ou uma máscara com tubo conectado a um suprimento de ar fora dessa área. Isto somente não é precação suficiente, pois o equipamento pode apresentar um mal funcionamento. Além disso, a opinião do trabalhador (que estiver sendo submetido ao vapor de hexano) não pode ser levada em conta, porque sendo o hexano embriagante, afetará seu raciocínio. Assim é imperativo que haja contentemente um observador do lado de fora do setor para observar o trabalhador ou trabalhadores dentro o setor e detectar o aparecimento de situações perigosas, para poder ajudar, se necessário.
Prevenir a combinação dos três elementos de combustão é bastante simples, entretanto, as numerosas condições sob as quais pode ocorrer essa combinação torna o trabalho complicado. Por esse motivo, deve-se implantar um sistema regular de inspeções e relatórios e também um comitê de segurança dentro da industria. Esse comitê deve oferecer cargos rotativos, para que todos os empregados tenham oportunidade de se familiarizarem com eles e possam sentir uma responsabilidade pessoal por suas vidas e pela segurança de seus colegas de trabalho. Devem ser realizados mensalmente reuniões do comitê e suas respectivas atas de reunião devem ser publicadas, para que todos os empregados possam tomar conhecimento. As recomendações do comitê com relação à melhoria das normas de segurança devem ser encaradas como de alta prioridade pela gerência industrial e as observações sobre violação das normas de segurança devem ser punidas imediatamente.
REFERÊNCIAS:
CUGAM, K. UNCOFINED VAPOR CLOUD EXPLOSIONS , GULF PUBLISHERS 1979.
FIRE PROTECTION MANUAL FOR HYDROCARBON PROCESSING PLANTS EDITED BY C. VERVALIN GULFF PUBLISHERS, 1974
SOLVENT EXTRACTION PLANTS, 1978 NATIONAL FIRE PROTECTION, BOSTON, MA,1978.
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