III Congresso CBNA sobre Tecnologia da Produção de...

III Congresso CBNA sobre

Tecnologia da Produção de

Alimentos para AnimaisColégio Brasileiro de Nutrição Animal

Maringá - PR

16 de Setembro de 2015

III Congresso CBNA

Geração e qualidade do vapor

Arnaldo Walter

UNICAMP

[email protected]

Introdução (1)

Grande parte do consumo industrial de combustíveis está associado à geração de vapor (no Brasil, estima-se que sejam 50%). Em alguns segmentos industriais a participação é ainda mais significativa, tais como papel e celulose, com cerca de 80-85%, e indústrias químicas, com 55-60%.

Nos processos industriais, vapor é utilizado para (i) viabilizar aquecimento em processos, (ii) manter controle da pressão e temperatura, (iii) viabilizar a separação de componentes, (iv) como fonte d’água em reações químicas, e (v) para geração de potência (em geral, em sistemas de cogeração).

Como meio de aquecimento, o vapor d’água apresenta várias vantagens: (i) baixa toxidade, (ii) facilidade de transporte, (iii) alta eficiência do processo, (iv) calor específico elevado e (v) baixo custo em relação à outras alternativas.

Introdução (2)

Como meio de aquecimento, em geral emprega-se

vapor saturado, para que a transferência de calor

ocorra a temperatura constante e, também, porque a

energia armazenada como calor latente é

significativa.

A análise do uso de energia em sistemas de vapor

deve incluir a geração de vapor em si, sua

distribuição, seu uso, e a recuperação de condensado.

Vapor na produção de rações (1)

Vapor é necessário no processo de peletização de rações

(e.g., para tornar mais densos os alimentos; para manter a

mistura no transporte). Particularmente no caso de rações com

altos teores de fibras e grãos.

A ração é submetida ao calor (vapor saturado) e à umidade

proveniente da condensação do vapor. Isso permite a

gelatinização dos amidos.

Rações com alto teor de amido, tais como rações para aves e

suínos, que têm um alto teor de milho, sorgo, cevada e outros

semelhantes, demandam vapor úmido e necessitam que o

equipamento (peletizadora) opere o mais próximo possível do

ponto de entupimento da matriz.

http://nftalliance.com.br/artigos/aves/fabrica-de-raes-processo-de-dosagem-mistura-e-peletizao


A qualidade do vapor é fundamental para a obtenção de um

pellet de qualidade. O vapor ideal é o saturado. Para não se ter

gotículas de água sendo arrastadas com o vapor é

recomendado tê-lo levemente superaquecido e ter um bom

sistema de remoção e coleta de condensado ao longo da linha

de vapor.

“ ... não pode haver vapor não condensado saindo das tampas

da máquina”.

Um dos problemas comuns nas fábricas de rações é ter um

sistema de geração e de distribuição de vapor incapaz de

proporcionar (suprimento de) ... vapor de qualidade.

http://http://www.fatec.com.br/info_tecnicos_interna.php?id=14


No processo de condicionamento, dois aspectos importantes

são (1) a pressão do vapor e (2) a quantidade adicionada.

O vapor permite ajustar a temperatura e a umidade,

aspectos determinantes da qualidade do pellet.

Em um caso citado, a temperatura no processo deveria ficar

entre 80ºC a 90ºC, ou seja, a pressão de vapor é baixa.

As principais dúvidas remanescentes quanto ao processo de

peletização dizem respeito ao adequado condicionamento,

especialmente no uso correto dos fatores tempo e

temperatura, pois a relação e a intensidade destes conduzirão

aos efeitos esperados ou não.

http://http://www.fatec.com.br/info_tecnicos_interna.php?id=14


Segundo Tortuga (Flávio Lage, citando Jabob (2002)), o

processamento dos pellets de ração requer temperaturas

entre 70°C e 150°C.

A mesma fonte de informações indica que o vapor é requerido

entre 0,8 e 5,0 kgf/cm2 (pressão manométrica), e raramente

acima dessa faixa.

Nessa faixa de pressões, a temperatura do vapor saturado está

entre 93 e 150°C (valores não exatos).

O controle de temperatura no(s) processo(s) deve ser feito

pelo controle do fluxo de vapor. O tempo de aquecimento

impacta a qualidade do produto.


“ ... o vapor usado durante o condicionamento rompe a

estrutura do amido e causa a gelatinização, assim como a

plastificação das proteínas e amolecimento das fibras, ...”

“ .... o vapor saturado (resulta) aumento na temperatura da

massa de 16ºC para cada 1% de umidade adicionada,

enquanto o vapor úmido aumenta a temperatura da massa de

13,5ºC para cada 1% de acréscimo (da) umidade. Também ...

a baixa qualidade de vapor pode reduzir as temperaturas de

condicionamento de 6ºC a 11ºC, dependendo da quantidade de

vapor acrescentado ao processo.”

A Qualidade Física da Ração. Aviagen Brasil – Tecnologia. Fevereiro de 2008.


“A pressão do vapor no condicionador precisa ser baixa (<

2 bar), e constante, ..... O vapor em baixa pressão transfere

calor para o alimento mais eficazmente que o vapor em alta

pressão.”

“A temperatura do vapor na entrada do condicionador

precisa ser de aproximadamente 100ºC para condicionar a

ração de forma adequada ...”

“O ponto de adição do vapor no condicionador deve ser

abaixo do nível de preenchimento do alimento; se estiver

acima, o vapor pode não penetrar ... eficientemente.”


Um pouco sobre Termodinâmica (1) A temperatura do vapor

saturado varia com sua

pressão.

Para que vapor saturado

esteja a 100°C, a pressão

precisa ser 1 atm (~1 bar; ~1

kgf/cm2).

Em um gerador de vapor, a

pressão é sempre (ao menos

um pouco) acima de 1 bar

(absoluta).

Vapor superaquecido: vapor absolutamente seco;

Vapor saturado é uma condição muito específica; vapor úmido tem

um fração mássica já condensada.

Um pouco sobre Termodinâmica (2) Em geradores de vapor

industriais, de pequeno

porte, (1) o vapor é gerado

saturado, (2) com pequeno

grau de superaquecimento,

ou (3) mesmo úmido.

Entre a saída do gerador de

vapor e entrada no

equipamento, ocorrerá

“perda de carga” e trocas de

calor.

Isso resulta condensação de vapor nas linhas de transporte (de

vapor). A fração condensada pode ser removida por equipamentos

chamados purgadores.

Geradores de vapor flamotubulares (1)

Geradores de vapor flamotubulares são aqueles em que os gases escoam dentro dos tubos; a água fica na carcaça do gerador que, em geral, é um tubo cilíndrico.

Um dos tipos mais comuns em indústrias é conhecido como Scotch Marine Boilers. Este tipo de gerador de vapor é de custo inicial relativamente baixo, apresenta boa eficiência térmica e boa durabilidade.

A configuração é tal que os tubos de gases são horizontais. Um tubulão, de maior diâmetro, define a geometria da câmara de combustão.


A quantidade de água contida no gerador é relativamente grande, o que permite resposta a variações de carga com pequena variação da pressão do vapor. Entretanto, em função da massa d’água, a inércia é maior na partida e, também, é maior o tempo de resposta à variações de pressão.

Como o vapor é gerado na carcaça, que tem maior área, as pressões do vapor gerado não podem ser altas (máximo de 20 bar).

Os maiores geradores de vapor deste tipo têm capacidade de geração da ordem de 20-22 t/h.

Geradores de vapor aquotubulares

Gerador de vapor

aquotubular de

grande porte, típico

de termoelétricas a

carvão mineral.

Sistema de vapor

Geração de vapor

Vapor é gerado em geradores de vapor ou em caldeiras de recuperação de calor (HRSG). O processo envolve a transferência de calor de um fluxo de gases, proveniente da combustão ou da exaustão de turbinas a gás/motores de combustão interna ou, ainda, de processos industriais. Água pressurizada recebe a energia transferida pelos gases e sofre mudança de fase.

Em processo industriais, em geral, requer-se vapor saturado como meio de aquecimento, mas algum grau de superaquecimento é desejável para minimizar condensação nas linhas de distribuição.

A distribuição de vapor se dá em rede de dutos, com fluxo induzido por diferença de pressão.

Distribuição de vapor

A distribuição de vapor se dá entre o ponto de geração e os pontos de uso final. Muitas linhas de distribuição podem existir, inclusive a pressões distintas.

Para controle dos fluxos, as linhas de distribuição têm válvulas de retenção, válvulas reguladoras de pressão e, em alguns casos, turbinas de contra-pressão.

O ideal é que as perdas de pressão e de temperatura sejam mínimas ao longo da linha de distribuição. As linhas de distribuição devem ter boa regulagem da pressão, devem ser bem isoladas do ponto de vista térmico, e ter bom sistema de drenagem.

Utilização de vapor

Vapor pode ser utilizado em processos de aquecimento direto (i.e., o

vapor tem contato físico direto com a matéria a ser tratada) ou em

processos de aquecimento indireto (com emprego de trocadores de

calor).

Como, em geral, o que é utilizada para o aquecimento é a entalpia

de vaporização do vapor, é necessário que purgadores sejam

utilizados para assegurar que o vapor, enquanto vapor, seja retido

no interior do equipamento. Pelos purgadores só deve passar

condensado. O condensado deve, sempre que possível, ser

recuperado.

Quando o vapor é emprego como fonte d’água, como fonte de

hidrogênio, ou para controle da pressão, necessariamente vapor é

injetado diretamente sobre a matéria a ser processada.

Recuperação de condensado A recuperação de condensado é importante por três razões: (i) o

condensado tem energia térmica e, assim, a recuperação de condensado como água de alimentação da caldeira permite ganhos de rendimento térmico do sistema; (ii) a água de alimentação de uma caldeira é tratada quimicamente, e a recuperação do condensado implica redução de custos; (iii) em muitos países/regiões há escassez de água, além de que a captação de água e o descarte de efluentes têm custos associados.

O condensado recuperado é transportado a tanques de coleta. Água de make-up é adicionada (e tratada) nesse tanque ou no desaerador.

Para que condensado possa ser recuperado, é preciso que não esteja “contaminado”.

Há, também, limites econômicos para a recuperação de condensado (e.g., distância do ponto de recuperação do gerador de vapor).

Tratamento d’água (1)

O tratamento da água de alimentação do gerador de vapor é necessário para assegurar alta eficiência de operação, para não reduzir sua via útil e evitar problemas operacionais que, inclusive, podem comprometer a segurança de operação.

O tratamento d’água é específico em função do gerador de vapor e das condições iniciais da água de alimentação. A descrição que é feita a seguir corresponde a procedimentos gerais.

Os problemas operacionais relacionados à qualidade da água classificam-se em problemas de formação de depósitos e em problemas de corrosão de superfícies. Há certa relação entre eles.

Um dos problemas mais comuns de formação de depósitos está associado à reações entre cálcio e magnésio da água com os metal da tubulação, formando depósitos que prejudicam a transferência de calor. Essa espécie de crosta pode, inclusive, prejudicar o resfriamento do metal, resultando em fragilização.

Depósitos nas superfícies de troca


A perda de eficiência associada à formação de depósitos pode ser tão grande quanto 10-12%.

A solubilidade dos compostos químicos decresce na medida em que a temperatura da água aumenta. Quando a água de alimentação atinge a temperatura de evaporação começa a haver a formação de depósitos na superfície úmida dos tubos.

A remoção de cálcio e magnésio da água de alimentação é a melhor maneira de se evitar a formação de depósitos. A água que tem cálcio e magnésio em sua composição é dita “dura”. O tratamento da água de alimentação é feito com a adição de produtos à água, tais como polímeros e fosfatos.

A formação de depósitos não ocorre apenas no evaporador, mas também no economizador e nas bombas da água de alimentação.

Quanto maior a pressão do vapor gerado, mais cuidadoso deve ser o tratamento d’água.


A formação de depósitos de sílica também afeta o desempenho dos geradores de vapor. A remoção de sílica não é tão simples quanto a remoção de cálcio e magnésio.

Depósitos na forma de silício amorfo e silicato de magnésio podem ser formados. Ambos são de difícil remoção.

Depósitos de sílica são bons isolantes térmicos, reduzindo a eficiência das trocas de calor. Outro problema é o possível arraste pelo vapor, levando à formação de depósitos nas turbinas a vapor.

O controle do teor de silício pode ser feito com pré-tratamento da água e“blowdown” (i.e., descarga de fundo, para arraste de materiais) do gerador de vapor. Em geradores de vapor de baixa pressão a ação usual de controle é manter uma certa relação (3:1) entre as concentrações de hidrato e silício.

Descargas de fundo

As chamadas descargas de fundo são procedimentos importantes na operação de geradores de vapor. O objetivo é reduzir a concentração de impurezas na água, dentro do gerador de vapor.

A frequência e a duração das descargas de fundo são aspectos importantes: maior frequência e maior duração implicam perda de energia, e o oposto pode significar aumento da concentração de impurezas. Em termos do fluxo de água à entrada no gerador, a quantidade descarregada pode variar de 1% a até 25%!

As descargas podem ser contínuas ou intermitentes.

Do ponto de vista energético, a recomendação é que haja recuperação de energia sempre que possível (e.g., recuperação de vapor de “flash”).

Blowdown

Efeitos dos depósitos

A formação de depósitos causa aumento da resistência à transferência de calor, com perda da eficiência térmica do gerador de vapor. A formação de depósitos com 3 mm de espessura pode resultar em reduções de eficiência da ordem de 2-3% nos geradores de vapor.

Um segundo efeito, muito mais grave, é o aquecimento acentuado do metal dos tubos, por falta de resfriamento (ver figura a seguir). Em alguns casos o material pode inclusive fundir.

Um terceiro efeito é o risco de corrosão localizada, o que é particularmente típico de geradores com altas taxas de transferência de calor.

Corrosão secundária é típica de sistemas com depósitos de óxido de ferro. Óxidos de ferro podem ser formados pela corrosão ou entrar no gerador junto com a água.

Além do maior consumo de combustível, outro sinal da formação de depósitos é o aumento da temperatura dos gases de exaustão.

Efeitos dos depósitos sobre a

temperatura dos tubos

Distribuição de vapor

O sistema de distribuição permite que vapor chegue aos pontos de consumo. Evidentemente que o projeto e as condições de manutenção do sistema afetam os fluxos e os níveis de pressão e temperatura do vapor.

Aspectos importantes do projeto da tubulação são o dimensionamento(e.g., diâmetro, trajetória, apoios, flexibilidade) e isolamento térmico.

Do ponto de vista operacional, é importante que as linhas de vaporestejam bem balanceadas. Caso contrário, haverá descarga pelas válvulas redutoras de pressão e/ou descarga à atmosfera.

A drenagem do condensado é aspecto importante, sob pena de que o sistema de distribuição e/ou equipamentos sejam danificados ao longo do período de operação.

Distribuição de vapor - dispositivos

Válvulas – as principais funções das válvulas são isolar equipamentos ou trechos da tubulação, regular fluxos e controlar pressões.

Os principais tipos de válvulas são as de gaveta, globo, redutoras de pressão e válvulas de alívio. Válvulas redutoras de pressão são tipicamente controladas por sinais a jusante.

Separadores de vapor – visam a separação de gotículas de condensado do vapor (e, geral, por ação centrífuga), que poderiam erodir componentes do sistema (e.g., válvulas). Outra razão para a separação das gotículas é que o condensado tem coeficiente de película menor do que o vapor. A separação deve ser feita antes da entrada do vapor nos equipamentos.

Acumuladores de vapor – tanques de grande dimensões, com água líquida pressurizada. Quando há sobra de vapor na linha, o vapor é injetado no tanques, e se condensa. Quando há necessidade de mais vapor, parte da água se evapora por efeito “flash”.


Purgadores – (Steam traps) –permitem a separação de condensado do vapor. São utilizados para eliminação de condensado nas linhas de vapor e para reter o vapor dentro dos equipamentos de troca de calor.

Os purgadores podem ser termostáticos, mecânicos ou termodinâmicos.

O princípio de funcionamento dos purgadores termostáticos é a diferença na transferência de calor entre condensado e “vapor vivo”, permitindo a abertura (ou fechamento) de uma válvula.


Purgadores mecânicos têm como princípio a diferença de densidade entre condensado e vapor. Em um dos tipos, uma bóia controla a abertura e fechamento das válvulas.

O princípio dos purgadores termodinâmicos é a diferença de velocidade (energia cinética) entre vapor e condensado. O mais comum desses purgadores é o de disco.

Distribuição de vapor – tubulações


Linhas externas de vapor.

As curvas são

importantes para garantir

flexibilidade.


Linhas de vapor

em instalação

industrial.

Instalação “não

exemplar”,

embora típica de

grande parte das

indústrias.

Eficiência de geradores de vapor (1)

Um gerador de vapor pode ser analisado do ponto de vista termodinâmico.

Aplicando ao gerador de vapor o conceito de eficiência termodinâmica, tendo por base a Primeira lei, tem-se que a eficiência é dada pela relação entre a variação de energia da água/vapor em relação ao aporte energético na forma de combustível.

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Em relação à energia aportada na forma de combustível, a energia que não é absorvida pela água/vapor corresponde à perdas.

As principais perdas são: (i) energia perdida nos gases de exaustão, pelo fato da temperatura ser superior à temperatura ambiente, (ii) perdas por convecção e radiação entre a superfície do gerador de vapor e o ambiente, (iii) perdas por descarga de fundo, (iv) perdas por combustão incompleta.

Ordem de grandeza das eficiências de geradores de vapor: 70-90%.


A eficiência operacional do gerador de vapor depende devários fatores, tais como: (1) de sua carga operacional; (2) do combustível empregado; (3) da existência de depósitos nas superfícies de troca térmica; (4) da qualidade da água de alimentação; (5) e da relação ar/combustível.

As maiores perdas estão associadas à temperatura dos gases de exaustão secos, e à maior concentração de vapor d’água nos gases (a entalpia do vapor d’água é alta!).

A temperatura dos gases de exaustão não pode ser muito baixa, sob risco de haver condensação no fluxo dos gases (eventualmente com ácido sulfúrico diluído).

A temperatura dos gases de exaustão é menor quando da operação em carga parcial.

Referência: Dryden, IGC. The Efficient Use of Energy. IPC Science and Technology Press. 1975.

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