Capítulo 14: Deposição e seus Impactos nos Equipamentos Térmicos

Capítulo 14 2 Capítulo 14 141 Conceito 142 Importância do Problema 143 Causas 144 Mecanismos 145 Modelos 146 Deposição nos Cálculos Térmicos 147 Impacto Fluidodinâmico 148 Gerenciamento da Deposição Projeto 149 Gerenciamento da Deposição Operação DEPOSIÇÃO 3 141 Conceito Deposição fouling é o acúmulo de material indesejado sobre a superfície de equipamentos térmicos implicando em um aumento das resistências à transferência de calor e ao escoamento de fluidos 082016 4 141 Conceito Início da operação Ao longo da operação U P Fluido Quente Fluido Frio Fluido Quente Fluido Frio 1492 Limpeza 5 142 Importância do Problema A deposição causa vários impactos econômicos Investimento Energia Manutenção Produção 56 6 1421 Investimento Uma vez que a deposição implica em uma redução da efetividade da transferência de calor tornase necessário um excesso de área adicional nos equipamentos térmicos Paralelamente o aumento da resistência ao escoamento demanda bombas e motores mais potentes Nos equipamentos onde a deposição é mais severa e não é possível paradas freqüentes para limpeza tornase necessário projetar dois equipamentos em paralelo 7 1422 Energia A redução da efetividade das trocas entre as correntes de processo devido à deposição determina um aumento no consumo de utilidades vapor fornalhas água de resfriamento etc A necessidade de maiores equipamentos de troca térmica devido à deposição implica em gastos adicionais de energia para o escoamento das correntes 8 1423 Manutenção Este item engloba todos os custos associados às intervenções operacionais associadas à deposição Paradas para limpeza mãodeobra guindastes produtos químicos etc Custos associados ao tratamento de água de resfriamento Custos de aditivos para a supressão da deposição etc 9 1424 Produção Em certas situações mais severas a deposição pode limitar a capacidade operacional de uma unidade ou mesmo determinar a interrupção da sua operação para manutenção Nestes cenários a deposição possui um impacto direto na perda de produção assim como os custos financeiros associados 10 143 Causas Precipitação Material particulado Reações químicas Corrosão Crescimento biológico Congelamento A deposição pode ser resultado de vários fenômenos 11 1431 Deposição por precipitação Substâncias dissolvidas nos fluidos que escoam ao longo do trocador podem formar um precipitado insolúvel sobre a superfície de troca térmica Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 12 1432 Deposição por material particulado Partículas sólidas em suspensão eg areia poeira produtos de corrosão podem vir a se depositar no interior de trocadores de calor Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 httpwwwsyskacomcmsdocsarticles 13 1433 Deposição por reações químicas Reações químicas entre os componentes do fluido em escoamento podem originar produtos aderidos à superfície de transferência de calor eg polimerização craqueamento e coqueamento de hidrocarbonetos Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 14 1434 Deposição por corrosão O material que compõe a superfície de troca térmica pode participar de reações de corrosão que formam produtos mantidos agregados à superfície Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 15 1435 Deposição por crescimento biológico Esta forma de deposição ocorre quando sobre a superfície de troca térmica há condições compatíveis com o suporte à vida de agentes biológicos presentes nos fluidos que escoam no trocador bactérias fungos algas crustáceos etc Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 16 1436 Deposição por congelamento Se em uma operação de resfriamento a superfície de troca térmica estiver abaixo da temperatura de fusão de um dos componentes da corrente haverá a formação de depósitos de sólidos congelados eg solidificação de parafinas no óleo cru Fonte httpwwwhcheattransfercomfouling1 17 144 Mecanismos A deposição é um fenômeno complexo potencialmente associado a uma série de processos encadeados Iniciação Transporte Adesão Remoção Envelhecimento 18 Fatores que governam a velocidade de crescimento do depósito Tipo de trocador Natureza da superfície material e acabamento Natureza do fluido composição Condições de operação Temperatura Velocidade de escoamento 144 Mecanismos 19 145 Modelos Em função da complexidade do fenômeno da deposição a disponibilidade de modelos para a previsão da taxa de deposição é relativamente limitada De uma forma geral como ponto de partida podese descrever a taxa de deposição como um balanço entre taxas de formação e remoção r d f dt dR 20 Empiricamente é possível identificar alguns padrões de comportamento típicos Linear Assintótico Taxa decrescente 145 Modelos 21 1451 Padrão linear Resistência Tempo 22 1452 Padrão assintótico Resistência Tempo 23 1453 Padrão taxa decrescente Resistência Tempo 24 1454 Indução A deposição pode estar associada a uma seqüência de mecanismos precursores que antecedem a evolução propriamente dita Indução 25 Resistência Tempo Período de indução 1454 Indução 26 A abordagem tradicional de considerar a deposição nos cálculos térmicos envolve a utilização do conceito de resistência de depósito fator de sujeira ou fator de incrustação fouling factor Estes parâmetros são utilizados para a inclusão no cálculo do coeficiente global de transferência de calor das resistências térmicas adicionais devido à presença dos depósitos 146 Deposição nos Cálculos Térmicos 27 1461 Coeficiente global de transferência Na ausência de depósitos ou seja na condição limpa o coeficiente global de transferência de calor pode ser calculado a partir das resistências convectivas associadas ao escoamento de ambos os fluidos e da resistência condutiva na parede e e cond i i c h A R A h A U 1 1 1 28 1461 Coeficiente global de transferência Considerando a presença dos depósitos em ambos os fluidos o coeficiente global sujo deve incluir duas novas resistências descritas a partir dos valores de resistência de depósito e e e e f cond i i f i i d h A A R R A R A h A U 1 1 1 29 1461 Coeficiente global de transferência Comparando as expressões dos coeficientes globais de depósito limpo e sujo e e cond i i c h A R h A A U 1 1 1 e e f i i f e e cond i i d A R A R h A R h A A U 1 1 1 30 1461 Coeficiente global de transferência Podese então relacionar diretamente ambos os coeficientes T f c d R U U 1 1 onde a resistência total de depósito se relaciona com as resistências de depósito individuais por e e f i f i T f A R A R A R 31 1462 Resistências de depósito A literatura disponibiliza tabelas com valores de resistências de depósito para diferentes tipos de fluidos TEMA No entanto devese considerar a limitação inerente a acurácia destes dados A utilização de informações relativas a equipamentos térmicos em operação executando serviços semelhantes é uma alternativa interessante 32 1462 Resistências de depósito Fluido Rf m2KW Óleo combustível 00009 Vapor 00001 Água de caldeira 50ºC 00001 Água de caldeira 50 ºC 00002 33 A deposição também pode impactar o comportamento fluidodinâmico dos equipamentos térmicos causando uma aumento da resistência ao escoamento 147 Impacto Fluidodinâmico 34 O aumento da resistência ao escoamento ocorre devido à Diminuição da área livre de escoamento 147 Impacto Fluidodinâmico Fonte httpwwwyokogawacomustechnicallibrarywhitepapersyokogawa vigilantplantservicesusingappliedindustryknowledgetosolvekeyenduser issueshtm 35 O aumento da resistência ao escoamento ocorre devido à Aumento da rugosidade da superfície 147 Impacto Fluidodinâmico Fonte httpwwwmaverickinspectioncomservicesremotevideoinspectionrvi videoimagerygalleryheatexchangerprocesscoolers 36 O aumento da resistência ao escoamento ocorre devido à Bloqueio de canais de escoamento 147 Impacto Fluidodinâmico Fonte httpwwwsapeccoukboilerfoulinghtm 37 Devido ao aumento da resistência ao escoamento decido à deposição uma vez que a vazão seja mantida constante verificase um aumento da queda de pressão no trocador 147 Impacto Fluidodinâmico 38 Em casos mais severos o aumento da deposição pode levar à saturação da válvula de controle Nestes casos mesmo com a válvula de controle estando totalmente aberta não será possível garantir a vazão desejada o que pode levar à perda de produção da unidade Uma manobra que pode ser adotada para contornar este problema corresponde a desviar parte da vazão do equipamento bypass 147 Impacto Fluidodinâmico 39 148 Gerenciamento da Deposição Projeto O fenômeno da formação dos depósitos ao longo do tempo de operação do equipamento térmico deve ser levado em conta ainda na etapa de projeto visando limitar seus impactos 40 1481 Excesso de área No projeto de trocadores de calor devese considerar que a formação de depósitos sobre a superfície de troca térmica irá reduzir o coeficiente global de transferência de calor durante a operação do equipamento Neste caso o valor de coeficiente global adotado como base nos cálculos térmicos de projeto deve levar conta esta diminuição determinando como conseqüência a introdução de um excesso de área 41 1482 Seleção do tipo de trocador Caso o serviço térmico a ser executado esteja associado a problemas de deposição mais severos pode ser interessante a utilização de um trocador de placas ao invés da tradicional alternativa dos trocadores de calor cascoetubo No projeto de um trocador de calor cascoe tubo o problema da deposição deve ser considerado na seleção da alocação dos fluidos tipos de cabeçote e layout dos tubos 42 1483 Materiais de construção A seleção de materiais durante o projeto deve procurar garantir um equipamento resistente à corrosão A necessidade de redução dos custos de um projeto deve ser levada em conta contra futuras penalidades do ponto de vista de paradas operacionais freqüentes redução de desempenho limitação da capacidade etc 43 1484 Velocidade de escoamento Em geral maiores valores de velocidade de escoamento são desfavoráveis para o crescimento da deposição Neste sentido o projetista deve sempre que possível buscar alternativas de projeto que evitem valores de velocidade demasiadamente baixas 44 1485 Distribuição do escoamento O projeto do trocador de calor deve garantir uma adequada distribuição do escoamento evitando a presença de regiões de estagnação No caso de trocadores de calor cascoetubos devese ter especial atenção ao escoamento no lado do casco 45 149 Gerenciamento da Deposição Operação Monitoramento Limpeza Tratamento dos fluidos 46 Durante a operação dos equipamentos sujeitos à deposição é possível estabelecer uma rotina de monitoramento do desempenho dos mesmos Os resultados obtidos permitem informar como a deposição evolui ao longo do tempo de operação 1491 Monitoramento 47 Resultados do monitoramento Determinação do momento mais adequado para a limpeza de um determinado equipamento Verificação do impacto de eventuais mudanças de políticas operacionais na deposição alteração da carga de alimentação da unidade manobras no sistema de água de resfriamento etc 1491 Monitoramento 48 Resultados do monitoramento Verificação do desempenho das medidas de controle da deposição como por exemplo a performance das técnicas utilizadas de tratamento de água de resfriamento Estimativa de valores mais acurados de fator de sujeira auxiliando futuramente no projeto de novos equipamentos que executem serviços semelhantes 1491 Monitoramento 49 1491 Monitoramento Uma vez que as variáveis operacionais do processo podem se modificar ao longo do tempo a abordagem necessária para a avaliação da deposição envolve a seguinte equação T f c d R U U 1 1 c d f T U U R 1 1 50 1491 Monitoramento Determinação de Rf operacional c d op f T U U R 1 1 Determinação de Ud Determinação de Uc 51 1491 Monitoramento Determinação de Ud UA TM Q M d T A Q U Dados do equipamento A configuração Dados operacionais Thi Tho Tci Tco mh mc Propriedades das correntes Cph Cpc 52 1491 Monitoramento Determinação de Uc Utilização de um equacionamento termofluidodinâmico apropriado para a partir das vazões e propriedades físicas dos fluidos e das características geométricas do equipamento determinar os coeficientes de convecção e a resistência condutiva da parede A partir destes valores podese determinar o coeficiente global de transferência limpo 53 Técnicas Sem a parada do equipamento Com a parada do equipamento Mecânicos Hidrojateamento Varetamento Químicos Recirculação de solvente CIP Banho de imersão 1492 Limpeza 54 1492 Limpeza Fonte httpwwwhypertextbookshopcombiofilmbookv005r001Contents01Topic s06Chapter603Section302Intermediate02Page2html 55 1492 Limpeza Fonte httpwwwmerusoilandgascomfoulinginhydrocarbonheatprocesses 57 1492 Limpeza Fonte httpwwwpeinemannequipmentcom 58 1492 Limpeza Fonte httpwwwpeinemannequipmentcom 59 1492 Limpeza Fonte httpwwwpeinemannequipmentcom 60 1492 Limpeza Fonte httpwwwrohrcoza 61 1492 Limpeza Fonte httpwwwrohrcoza 62 1492 Limpeza Fonte httpwwwhydrojetcomauindustrialcleaninghtml 63 1492 Limpeza Fonte httpswwwfacebookcom554166731348852photospcb6338532700468646 33853133380211type1theater 64 1492 Limpeza Fonte httpcommonswikimediaorgwikiFileHeatexchangercleaningjpg 65 1492 Limpeza Fonte httpwwwalibabacomproductdetail38Lmin750bartrailer water729847348html 66 1492 Limpeza Fonte httpwwwconcosystemscomservicesheatexchangercleaning 67 1492 Limpeza Fonte httpwwwfoodproductiondailycomSafetyRegulationSPLchemical cleaningheatexchangersUK 68 1492 Limpeza Fonte httpswwwyoutubecomchannelUCyNMbYIQnY5icuPxLU5r9Q 69 1492 Limpeza Fonte httpwwwvactechcom 70 1492 Limpeza Fonte httpbondwatercomspecialtyservicesspecialtyservicesheatexchanger 71 Esta abordagem engloba intervenções com dois objetivos Evitar a presença de contaminantes nas correntes que escoam através do equipamento Exemplos Desaeração Desmineralização Filtração Flotação etc Impedir que os contaminantes não eliminados das correntes impliquem na formação de depósitos Exemplos Ajuste do pH Cloração Adição de inibidores de corrosão etc 1493 Tratamento dos fluidos