Apostila - Equipamentos Estã¡Ticos - Petrobras - Cópia

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Equipamentos Estáticos
1
CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA
EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS
2
Equipamentos Estáticos
Equipamentos Estáticos
3
CURITIBA
2002
EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS
CARLOS V. REIS
COLABORADOR: RUI FERNANDO COSTACURTA
Equipe Petrobras
Petrobras / Abastecimento
UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap
4
Equipamentos Estáticos
Módulo
Equipamentos Estáticos
Ficha Técnica
UnicenP – Centro Universitário Positivo
Oriovisto Guimarães
(Reitor)
José Pio Martins
(Vice Reitor)
Aldir Amadori
(Pró-Reitor Administrativo)
Elisa Dalla-Bona
(Pró-Reitora Acadêmica)
Maria Helena da Silveira Maciel
(Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação
Institucional)
Luiz Hamilton Berton
(Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa)
Fani Schiffer Durães
(Pró-Reitora de Extensão)
Euclides Marchi
(Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e
Sociais Aplicadas)
Helena Leomir de Souza Bartnik
(Coordenadora do Curso de Pedagogia)
Marcos José Tozzi
(Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e
Tecnologias)
Antonio Razera Neto
(Coordenador do Curso de Desenho Industrial)
Maurício Dziedzic
(Coordenador do Curso de Engenharia Civil)
Júlio César Nitsch
(Coordenador do Curso de Eletrônica)
Marcos Roberto Rodacoscki
(Coordenador do Curso de Engenharia
Mecânica)
Carlos V. Reis
(Autor)
 Rui Fernando Costacurta
(Colaborador)
Marcos Cordiolli
(Coordenador Geral do Projeto)
Iran Gaio Junior
(Coordenação Ilustração, Fotografia e
Diagramação)
Carina Bárbara R. de Oliveira
(Coordenação de Elaboração dos Módulos
Instrucionais)
Juliana Claciane dos Santos
(Coordenação dos Planos de Aula)
Luana Priscila Wünsch
(Coordenação Kit Aula)
Angela Zanin
Leoni Néri de Oliveira Nantes
Érica Vanessa Martins
(Equipe Kit Aula)
Carina Bárbara Ribas de Oliveira
(Coordenação Administrativa)
Cláudio Roberto Paitra
Marline Meurer Paitra
(Diagramação)
Cíntia Mara Ribas Oliveira
(Coordenação de Revisão Técnica e Gramatical)
Contatos com a equipe do UnicenP:
Centro Universitário do Positivo – UnicenP
Pró-Reitoria de Extensão
Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300
81280-320 Curitiba PR
Tel.: (41) 317 3093
Fax: (41) 317 3982
Home Page: www.unicenp.br
e-mail: mcordiolli@unicenp.br
e-mail: extensao@unicenp.br
Contatos com a Equipe da Repar:
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar
Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16
83700-970 Araucária – Paraná
Mario Newton Coelho Reis
(Coordenador Geral)
Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717
e-mail: marioreis@petrobras.com.br
Uzias Alves
(Coordenador Técnico)
Tel.: (41) 641 2301
e-mail: uzias@petrobras.com.br
Décio Luiz Rogal
Tel.: (41) 641 2295
e-mail: rogal@petrobras.com.br
Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva
Tel.: (41) 641 2433
e-mail: ledyc@petrobras.com.br
Adair Martins
Tel.: (41) 641 2433
e-mail: adair@petrobras.com.br
Equipamentos Estáticos
5
Apresentação
É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.
Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-
renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de
você e de seu perfil empreendedor.
Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o
Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada
pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos
que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.
Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos
de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-
nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-
dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um
processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado
pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da
Petrobras.
Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras
fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar
seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na
Petrobras.
Nome:
Cidade:
Estado:
Unidade:
Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.
6
Equipamentos Estáticos
Sumário
1 TUBULAÇÕES – ACESSÓRIOS/LIGAÇÕES............................. 7
1.1 Tubulações ............................................................................ 7
1.2 Classificação dos Tubos ........................................................ 7
1.3 Uso dos Principais Tipos de Tubos ....................................... 7
1.3.1 Tubos de Aço Carbono .............................................. 7
1.3.2 Tubos de Aço-Liga e Aço Inoxidável ........................ 7
1.3.3 Tubos de Materiais Metálicos não Ferrosos ............... 7
1.4 Diâmetros Comerciais ........................................................... 7
1.5 Espessuras de Paredes dos Tubos .......................................... 7
1.6 Acessórios/ligações ............................................................... 8
1.6.1 Acessórios de Tubulações .......................................... 8
1.6.2 Ligações de Tubulações ............................................. 9
1.6.3 Isolamento Térmico de Tubulações ......................... 10
2 VÁLVULAS ................................................................................ 11
2.1 Definição ............................................................................... 11
2.1.1 Classificação e Principais Tipos de Válvulas ........... 11
2.1.2 Válvulas que permitem o fluxo em apenas
uma direção ............................................................. 11
2.1.3 Válvulas que controlam a pressão a montante –
ou Válvulas de segurança, alívio e contra pressão ... 11
2.1.4 Válvulas que controlam a pressão a jusante –
ou Válvulas redutoras e reguladoras de pressão ....... 11
2.2 Principais Componentes das Válvulas ................................. 11
2.2.1 Corpo de Válvula ..................................................... 11
2.2.2 Castelo ..................................................................... 12
2.2.3 Mecanismos Internos e Gavetas ............................... 13
2.2.4 Meios de Operação de Válvulas ............................... 13
2.3 Detalhes Particulares de cada Tipo e Válvulas .................... 14
2.3.1 Detalhes Particulares de cada Tipo e Válvulas ......... 14
2.3.1 Válvula de Gaveta ................................................... 14
2.3.2 Válvula Macho ........................................................ 15
2.3.3 Válvula Globo ......................................................... 16
2.3.4 Válvulas de Controle ............................................... 17
2.3.5 Válvula Borboleta .................................................... 17
2.3.6 Válvulas de Diafragma ............................................ 18
2.3.7 Válvulas de retenção ................................................ 18
2.3.8 Válvulas de Segurança e de Alívio .......................... 19
3 PURGADORES .......................................................................... 20
3.1 Introdução ........................................................................... 20
3.1.1 Remoção do Condensado ........................................... 20
3.2 Tipos ................................................................................ 20
3.2.1 Purgador de Bóia ..................................................... 20
3.2.2 Purgador de Panela Invertida ................................... 21
3.2.3 Purgador Termostático de Fole ................................ 21
3.2.4 Purgador Termodinâmico ........................................ 21
3.3 Tabela Comparativa para Purgadores .................................. 22
3.4 Outros Dispositivos Separadores ........................................ 23
3.5 Filtros para Tubulações ....................................................... 23
3.5.1 Filtros Provisórios e Permanentes ............................ 24
4 PERMUTADORES DE CALOR ................................................. 25
4.1 Introdução .............................................................................. 25
4.2 Descrição Geral ...................................................................... 26
4.2.1 Permutador de Espelhos Fixos ................................. 26
4.2.2 Permutador de tampa flutuante ................................ 28
4.2.3 Permutador de Tubos em “U” .................................. 28
4.3 Materiais Usados em Permutadores de Calor ...................... 28
4.4 Escolha do Fluido ............................................................... 29
4.5 Instrumentação do Permutador de Calor ............................. 29
4.6 Operação ............................................................................. 29
4.6.1 Normas de Operação ............................................... 29
4.6.2 Causas de Perda de Eficiência ................................. 30
4.7 Manutenção ......................................................................... 30
4.7.1 Limpeza ................................................................... 30
4.7.2 Testes de Pressão ..................................................... 30
4. 8 Componentes dos Trocadores ............................................. 31
4.8.1 Componentes ........................................................... 31
5 TANQUES ................................................................................ 32
5.1 Finalidade ........................................................................... 32
5.2 Classificação quanto à função ............................................. 32
5.2.1 Tanques de Armazenamento .................................... 32
5.2.2 Tanques de Resíduo ................................................. 32
5.2.3 Tanques de Mistura ................................................. 32
5.3 Classificação quanto ao tipo de teto .................................... 32
5.3.1 Tanques de Teto Fixo .............................................. 32
5.3.2 Tanques de Teto Flutuante ....................................... 32
5.4 Acessórios ........................................................................... 33
5.4.1 Respiração ............................................................... 33
5.4.2 Válvula de Pressão e Vácuo ..................................... 33
5.4.3 Agitador .................................................................. 33
5.4.4 Sistema de Aquecimento ......................................... 33
5.4.5 Isolamento Térmico ................................................. 33
5.4.6 Sistema de Medição ................................................. 33
5.5 Diques ................................................................................ 33
6 TORRES ................................................................................ 34
6.1 Finalidades .......................................................................... 34
6.2 Tipos ................................................................................ 34
6.2.1 Torre de Bandejas .................................................... 34
6.2.2 Bandejas com Borbulhadores .................................. 35
6.2.3 Bandejas Valvuladas ................................................ 35
6.2.4 Bandejas Perfuradas ................................................ 35
6.2.5 Bandejas Gradeadas ................................................. 36
6.2.6 Panelas .................................................................... 36
6.3 Torres Recheadas ................................................................ 36
6.3.1 Recheios .................................................................. 37
6.3.2 Suporte de Recheio .................................................. 37
7 FORNOS ................................................................................ 38
7.1 Utilização (dos fornos nas plantas de processo de
petróleo) .............................................................................. 38
7.2 Características gerais dos fornos ......................................... 38
7.3 Classificação geral dos fornos ............................................. 38
7.3.1 Quanto à utilização .................................................. 38
7.4 Fornos Reatores .................................................................. 39
7.4.1 Reformadores para unidades de hidrogênio
e amônia .................................................................. 39
7.4.2 Fornos de pirólise .................................................... 39
7.4.3 Quanto ao aspecto construtivo ................................. 39
7.4.4 Cilindro vertical em seção de convecção ................. 39
7.4.5 Cilíndrico vertical com seção de
convecção horizontal ............................................... 40
7.4.6 Tipo de cabine com tubos horizontais ..................... 40
7.4.7 Tipo Caixa com câmara de Combustão
Independente ........................................................... 40
7.4.8 Tipo Caixa com Queimadores nas Paredes .............. 41
7.4.9 Tipo Cabine com Altar ............................................ 41
7.5 Estrutura e carcaça metálica ................................................ 41
7.6 Refratários ........................................................................... 41
7.7 Tubos ................................................................................ 42
7.7.1 Tubos de radiação .................................................... 42
7.7.2 Tubos de Convecção ................................................ 42
7.8 Curvas e cabeçote de retorno ............................................... 42
7.9 Suportes dos tubos .............................................................. 42
7.10 Queimadores ....................................................................... 42
7.11 Chaminé e abafadores ......................................................... 43
7.12 Sopradores de fuligem / ramonadores ................................. 43
8 CALDEIRAS ............................................................................... 44
8.1 Considerações gerais ........................................................... 44
8.2 Classificação das caldeiras .................................................. 44
8.2.1 Caldeiras Flamotubulares ........................................ 44
8.2.2 Caldeiras Aquotubulares .......................................... 45
8.2.3 Classificação quanto à tiragem ................................ 45
8.2.4 Classificação quanto à circulação ............................ 45
8.3 Elementos principais de uma caldeira ................................. 45
8.3.1 Tubulão de vapor ..................................................... 45
8.3.2 Tubulão de água ...................................................... 46
8.3.3 Feixe convectivo ...................................................... 46
8.4 Paredes de água ................................................................... 46
8.5 Superaquecedores ............................................................... 46
8.5.1 Generalidades .......................................................... 46
8.5.2 Tipos ....................................................................... 46
8.5.3 Fatores de influência operacional ............................ 47
8.6 Pré-aquecedores .................................................................. 47
8.6.1 Generalidades .......................................................... 47
8.6.2 Classificação ............................................................ 47
8.6.3 Corrosão .................................................................. 47
8.7 Economizadores .................................................................. 47
8.8 Queimador ..........................................................................
48
8.8.1 Queimador ............................................................... 48
8.8.2 Distribuidor de ar .................................................... 48
8.8.3 Queimador de óleo combustível .............................. 48
8.9 Ramonador (ou soprador de fuligem) .................................. 48
8.10 Internos do Tubulão ............................................................ 49
8.10.1 Separadores de vapor ............................................... 49
8.10.2 Ciclones ................................................................... 49
8.11 Válvulas ............................................................................... 49
8.11.1 Válvulas de Bloqueio ............................................... 49
8.11.2 Válvula de Retenção ................................................ 49
8.11.3 Válvulas de Controle ............................................... 49
8.11.4 Válvulas de Segurança ............................................. 49
8.11.5 Válvulas de purga de superfície ............................... 49
8.11.6 Válvulas de purga de fundo ..................................... 50
8.11.7 Válvulas de “vent” ................................................... 50
8.12 Termos usuais em trabalhos de caldeiras ............................. 50
Equipamentos Estáticos
7
1Tubulações –Acessórios/Ligações
1.1 Tubulações
Tubulações são condutos fechados desti-
nados ao transporte de fluidos. As tubulações
são constituídas de tubos de tamanhos padro-
nizados, colocados em série.
Usam-se tubulações para o transporte de
todos os fluidos, materiais pastosos, líquidos
e gasosos. Na prática, são chamados de tubos,
somente os condutos rígidos. Os condutos fle-
xíveis recebem a denominação de tubos flexí-
veis, mangueiras ou mangotes.
1.2 Classificação dos Tubos
Os tubos podem ser classificados em me-
tálicos ou não metálicos.
a) Tubos Metálicos Ferrosos:
Aço Carbono;
Aço Liga (à base de Cr, Mo Ni, Si);
Aço inoxidável;
Ferro Fundido;
Ferro Forjado.
b) Tubos Metálicos não Ferrosos:
Cobre e ligas de cobre (latão, bronze);
Alumínio;
Chumbo;
Níquel;
Outros metais; etc.
c) Tubos Não Metálicos:
Cimento-amianto;
PVC;
Borracha;
Concreto;
Vidro;
Plástico; etc.
1.3 Uso dos Principais Tipos de Tubos
1.3.1 Tubos de Aço Carbono
Representam a maior parte das tubulações
utilizadas na refinaria. São usados para trans-
ferir hidrocarbonetos, vapor, água, gases, etc.
Suas limitações são, no que diz respeito,
a produtos químicos corrosivos e ao fator tem-
peratura.
1.3.2 Tubos de Aço-Liga e Aço Inoxidável
São usados para serviços especiais tais
como fluidos corrosivos, fluidos à altas tem-
peraturas, etc. Os elementos de liga mais usa-
dos são: – Cr e Mo, para altas temperaturas e
– Ni para baixas temperaturas.
1.3.3 Tubos de Materiais Metálicos não Ferrosos
São usados geralmente para fins específi-
cos, que envolvem pequenos diâmetros (ar de
instrumento, tubos de permutador, entre outros).
1.4 Diâmetros Comerciais
Os tubos são identificados por um núme-
ro chamado “diâmetro nominal” (DN). A uni-
dade é a polegada (símbolo: "). Uma polegada
equivale a 2,54 cm.
De DN 1/8" até 12", esse valor não corres-
ponde a nenhuma dimensão física dos tubos; e
de DN 14" a 36" o diâmetro nominal coincide
com o diâmetro externo (D. Ext.) dos tubos.
Assim, o valor fixo dos tubos de 1/8" a
12" é o diâmetro externo, sempre maior que o
diâmetro nominal.
Exemplo:
DN 4" → D. Ext. = 4,5"
DN 8" → D. Ext. = 8,6"
Acima de 30", os tubos são padronizados,
fabricados com costura, sob encomenda.
1.5 Espessuras de Paredes dos Tubos
Para cada um dos diâmetros nominais, fa-
bricam-se tubos com diversas espessuras de
parede. Esta espessura é padronizada e recebe
o nome de “Schedule” (Sch). Quanto mais alto
o Sch, maior será a espessura da parede do
tubo.
Exemplo:
DN 8" → D. Ext. = 8,6" → Sch 40 = 0,32"
DN 8" → D. Ext. = 8,6" → Sch 80 = 0,5"
8
Equipamentos Estáticos
Figura 1.1 – Espessura de parede de tubos.
Existem tubos para outras finalidades que
não simplesmente o transporte de fluidos. São
os tubos usados em permutadores, fornos, cal-
deiras, etc, que servem também para aumen-
tar a área de troca de calor. Exigem, na maio-
ria dos casos especificações especiais.
Para esses tubos, o diâmetro externo cor-
responde ao diâmetro nominal (DN), e a espes-
sura de parede que varia grandemente, é desig-
nada pela própria medida de espessura em mm,
décimo de polegada, entre outras unidades.
Exemplo:
Tubo DN 3/4" → D. Ext. = 3,4"
Tubo DN 2" → D. Ext. = 2"
1.6 Acessórios/ligações
1.6.1 Acessórios de Tubulações
Os acessórios de tubulações são os meios
utilizados para conectar tubos, válvulas, outros
acessórios e equipamentos. Além de ligar, os
acessórios servem também para mudar a dire-
ção, variar o diâmetro da tubulação, fazer deri-
vações, interromper ligações, etc. Os acessórios
podem ser soldados, rosqueados ou flangelados.
Classificam-se conforme sua função nas tubulações:
a) Para mudar a direção em tubos, usa-se:
(Figura 1.2 e 1.3)
– Curvas de raio longo: 45º, 90º;
– Curvas de raio curto: 45º, 90º;
– Joelhos de 45º e 90º.
b) Para derivação em tubos: (Figura 1.4 e 1.5)
– T normal;
– Selas;
– Cruzetas.
c) Para variar o diâmetro em tubos: (Fi-
gura 1.6 e 1.7)
– Redução concêntrica;
– Redução excêntrica.
d) Para ligações de tubos entre si: (Figura 1.8
e 1.9)
– Luvas;
– Uniões;
– Flanges.
Conclusão do exemplo: como o D. Ext. é
fixo (8,6") para um mesmo DN (8"), então ao au-
mentarmos o n.º de schedule a espessura de pare-
de aumenta e conseqüentemente o diâmetro in-
terno diminui. (Figura 1.1).
Tubo
Luva
rosqueada
Solda
Luva
soldada
Curva 90° Curva 90° com pé Curva 45°
D. Ext. D. Int.
Sch.
Figura 1.2 – Acessórios flangelados.
Figura 1.3 – Acessórios para solda do topo.
Figura 1.4 Acessórios flangelados.
Figura 1.5 – Acessórios para solda do topo.
Figura 1.6 – Acessório flangelado.
Figura 1.7 – Acessórios para solda do topo.
Figura 1.8 – Ligações rosqueadas e ligações soldadas.
Curva 90°
Raio Longo
Curva 45°
Cruzeta “Tê”
Sela “Tê”
Redução
Redução
Concêntrica
Redução
Excêntrica
Equipamentos Estáticos
9
Figura 1.9 – Ligações rosqueadas e união flangelada.
Tubo
Parafuso
PorcaFlanges
Tubo
Junta
Solda
Tubo
Porca
União rosqueada
Figura 1.10 – Acessório para solda do topo.
e) Para fechar a extremidade de um tubo:
– CAP; (Figura 1.10.)
– Bujões; (Figura 1.11.)
– Flanges cegos. (Figura 1.12.)
Figura 1.12 – Flange cego.
f) Para isolar trechos de tubulações e equi-
pamentos;
– Raquetes; (Figura 1.13)
– Figuras-Oito. (Figura 1.14)
Raqueta
Figura 1.13
Lado cheio
Lado vazado
Figura 1.14
1.6.2 Ligações de Tubulações
a) Ligações Rosqueadas (Figura 1.4)
É um dos métodos mais antigos para liga-
ção de tubulações, pois é de baixo custo e fá-
cil execução. Sua utilização é limitada a tubos
de pequenos diâmetros (até 4") e para ligações
de baixa pressão.
b) Ligações Soldadas (Figura 1.5)
É o sistema mais usado para a ligação de
tubos, acima de 2", para aços de qualquer tipo
e metais não ferrosos soldáveis. Para a execu-
ção das soldas existem normas que regulamen-
tam o tipo de eletrodo, o tipo de inspeção, o
tratamento térmico, etc.
c) Ligações Flangeadas (Figura 1.6)
As ligações flangeadas compreendem,
normalmente, dois (02) flanges, jogo de para-
fusos, porcas e uma junta. São ligações facil-
mente desmontáveis, empregadas em uma sé-
rie de situações, tais como:
– acoplar tubulação a uma válvula;
– acoplar tubulações aos equipamentos;
– permitir montagens e desmontagens fá-
ceis.
Existem diversos tipos de flanges. Os mais
usuais são: de pescoço, integral, sobreposto,
rosqueado, de encaixe, cego, etc. Quanto à
face, pode-se
ter: face lisa, com ressalto, ma-
cho e fêmea, etc.
Tubo
Solda
União
soldada
Porca
“Cap”
Tubo
PorcaParafuso
Flange cego
Junta de
vedação
Figura 1.11 – Bujão (cabeça quadrada)
10
Equipamentos Estáticos
AnotaçõesOs flanges, confeccionados de materialforjado, podem ser classificados segundo a
pressão nominal de projeto. As classes de pres-
sões para flanges são: 125, 150, 300, 400, 600,
900, 1.500 e 2.500 lbs/pol2. Os flanges mais
usados em refinaria correspondem às classes
de 150 e 300 lbs/pol2.
As dimensões dos flanges (espessura, n.º
de parafusos, diâmetro externo) variam com
as classes de pressão.
Em todas as ligações com flanges, existe
sempre uma junta que é o elemento de vedação.
O material da junta deverá ser deformável e
elástico, para compensar as irregularidades das
faces dos flanges, estratégia que confere
vedação perfeita. Deverá também ser especi-
ficado, visando suportar as variações de tem-
peratura e pressão. Existem diversos tipos de
juntas. As mais comuns na refinaria são:
– Espirotálicas: Juntas planas com es-
piral metálico recheado de amianto. São
usadas para fluidos à altas temperatu-
ras, situação em que um vazamento
torna-se extremamente perigoso.
– Nitripak: Juntas planas, fabricadas
com papelão recheado de tela metáli-
ca. Usadas para fluidos à alta pressão e
a baixas temperaturas.
– Papelão grafitado: Juntas planas fa-
bricadas com papelão e grafite. Usadas
para fluídos à baixa pressão e baixa
temperatura.
1.6.3 Isolamento Térmico de Tubulações
Os isolamentos térmicos, com freqüência,
têm por finalidade, reduzir as trocas de calor
do tubo para o meio ambiente, ou vice-versa.
São constituídos, geralmente, de material à
base de cálcio ou lã de rocha.
Os isolamentos térmicos podem ser utili-
zados por duas razões, com finalidades espe-
cíficas diferentes:
a) Motivo Econômico
As perdas de calor de um fluido para o
exterior, representam um desperdício da
energia empregada no aquecimento. A
utilização de isolamento térmico resul-
ta, portanto, em economia de energia.
b) Proteção Pessoal
O isolamento térmico pode também ser
necessário para evitar queimaduras
caso o operador encoste-se na tubula-
ção, ou ainda, em algumas situações,
para evitar o desconforto da excessiva
irradiação de calor.
Equipamentos Estáticos
11
2Válvulas
2.1 Definição
Válvulas são dispositivos usados para es-
tabelecer, controlar e interromper a passagem
de fluidos em tubulações. Dentro deste concei-
to global, as válvulas podem ter, no entanto,
funções e características específicas que permi-
tem uma classificação segundo seu emprego.
2.1.1 Classificação e Principais Tipos de
Válvulas
Válvulas que controlam o fluxo em qualquer
direção
a) Válvulas de Bloqueio
São aquelas que se destinam, primor-
dialmente, a estabelecer ou interrom-
per o fluxo, ou seja, devem só funcio-
nar completamente abertas ou comple-
tamente fechadas.
Tipos mais usados: válvula gaveta;
válvula macho;
válvula esfera.
b) Válvulas de Regulagem de Fluxo
Destinam-se para o controle de fluxo e
podem, devido a isto, trabalhar em
qualquer posição.
Tipos mais usados:
válvula globo;
válvula agulha;
válvula de controle;
válvula borboleta;
válvula de diafragma.
2.1.2 Válvulas que permitem o fluxo em apenas
uma direção
a) válvula de retenção de portinhola;
b) válvula de retenção tipo plug;
c) válvula de retenção de esfera;
d) válvula de pé.
2.1.3 Válvulas que controlam a pressão a
montante
São também conhecidas como válvulas de
segurança, alívio e contra pressão
2.1.4 Válvulas que controlam a pressão a jusante
São também conhecidas como válvulas re-
dutoras e reguladoras de pressão
2.2 Principais Componentes das Válvulas
2.2.1 Corpo de Válvula
O corpo ou carcaça é a parte da válvula que
se conecta à tubulação e contém o orifício de
passagem do fluido.
As válvulas são peças sujeitas à manutenção
e, por isso, devem ser, em princípio, facilmente
desmontáveis. Tanto as válvulas rosqueadas, como
as flangeadas obedecem a este conceito. No en-
tanto, com o desenvolvimento dos processos de
solda, passaram também a ser empregadas válvu-
las com extremidades para solda de soquete e para
solda de topo. A desmontagem dessas válvulas é
bem mais difícil, mas em compensação, não há
riscos de vazamentos na tubulação. São os seguin-
tes os principais casos de emprego de cada tipo
de extremidade em válvulas:
a) Extremidades flangeadas
Sistema usado em quase todas as vál-
vulas, de qualquer material, emprega-
do em tubulações industriais de mais
de 2". (Figura 2.1)
Figura 2.1 – Válvula gaveta.
Volante
Pino
graxeiro
Haste
Sobreposta
Gaxetas
Castelo
Flangeado
Corpo
Gaveta
Flange
Sede
12
Equipamentos Estáticos
b) Extremidades para solda de soquete
Sistema usado, principalmente, em vál-
vulas de aço, de menos de 2", em que a
solda de topo é ineficiente.
c) Extremidades rosqueadas
Sistema usado em válvulas menores de
4" em tubulações que não conduzem
fluidos corrosivos ou venenosos.
d) Extremidades para solda de topo
Sistema usado em válvulas de aço, de
mais de 2", em serviços com pressões
muito altas ou com fluidos em que se
exija eliminação absoluta do risco de
vazamento.
2.2.2 Castelo
O castelo é a parte da válvula que suporta
e contém as peças móveis de controle de flu-
xo. O castelo é fixado ao corpo de maneira a
permitir rápida desmontagem e fácil acesso ao
interior da válvula. São três os meios usuais
de ligação do castelo ao corpo:
a) Castelo e corpo rosqueados
É o sistema mais barato, usado apenas
em pequenas válvulas de baixa pres-
são (Figura 2.2).
b) Castelo preso ao corpo por uma por-
ca solta de união
Usado para válvulas pequenas, de alta
pressão. Permite uma vedação bem
melhor que o castelo rosqueado. Esta
válvula deve ser de boa qualidade (Fi-
guras 2.2 e 2.3).
Figura 2.2 – Válvula gaveta castelo rosqueado.
Volante
Porca de aperto
Sobreposta
Gaxetas
Castelo Rosqueado
Haste c/ rosca interna
Corpo
Gaveta
Extremos rosqueados
c) Castelo aparafusado
Sistema usado para válvulas grandes
sob qualquer pressão, por ser mais ro-
busto e permitir melhor vedação (Fi-
guras 2.4 e 2.5).
Figura 2.3 – Válvula globo.
Volante
Haste c/ rosca externa
Sobreposta
Castelo aparafusado
Tampão
Sede
Sentido de fluxo
Figura 2.4 – Válvula gaveta castelo aparafusado.
Volante
Sobrecastelo
Haste com roca externa
Sobreposta
Gaxetas
Castelo aparafusado
Junta
Corpo
Gaveta
Sedes
Flanges
Equipamentos Estáticos
13
Figura 2.6 – Válvula gaveta com redução de engrenagens.
Volante
Engrenagens
de redução
Castelo
Flange
Figura 2.5 – Válvula de fecho rápido.
Alavanca de operação
Guia da alavanca
Haste deslizante
Gaxeta
Castelo
aparafusado
Gaveta
Flange
c) Operação automática:
– pelo próprio fluido;
– por meio de molas ou contrapesos.
Para operação manual, empregam-se vo-
lantes e alavancas em válvulas de até 12". Para
válvulas maiores, usam-se os sistemas de en-
grenagem e parafuso sem fim, com o objetivo
de suavizar a operação.
Figura 2.7 – Válvulas com volante com corrente e com haste
de extensão.
a) Válvula acima do operador
b) Válvula abaixo do operador
Volante
Volante para
corrente
Piso de
operação
Haste de extensão
Para a operação manual de válvulas situa-
das fora do alcance do operador, utilizam-se
volantes ou alavancas com correntes, ou ain-
da hastes de extensão (Figura 2.7).
2.2.3 Mecanismos Internos e Gavetas
O mecanismo móvel interno da válvula
(haste e peças de fechamento) e a sede chama-
se “trim” da válvula. São as peças mais im-
portantes da válvula, geralmente, feitas de ma-
teriais de melhor qualidade do que os da car-
caça, porque estão sujeitas a grandes esforços
e à forte corrosão.
Devem ter também uma
usinagem cuidadosa para que a válvula tenha
fechamento estanque.
Na maioria das válvulas, a haste atravessa
o castelo, indo para fora do corpo. Para evitar
vazamento pela haste, existem gaxetas conven-
cionais com porca de aperto, ou, mais rara-
mente, sistemas especiais de vedação como
retentores, foles, entre outros. Quando a haste
é rosqueada (como acontece na maioria das
válvulas), a rosca deve, de preferência, estar
por fora da gaveta, por ser um sistema de cons-
trução mais barato.
2.2.4 Meios de Operação de Válvulas
Há uma variedade muito grande de siste-
mas usados para a operação de válvulas:
a) Operação manual, por meio de:
– volante;
– alavancas;
– engrenagens; (Figura 2.6)
– parafusos sem fim; etc.
b) Operação motorizada:
– hidráulica;
– pneumática;
– elétrica.
14
Equipamentos Estáticos
A operação motorizada é empregada ape-
nas nos seguintes casos:
– Em válvulas comandadas à distância;
– Em válvulas situadas em posições ina-
cessíveis;
– Em válvulas muito grandes, cuja ope-
ração manual seja difícil.
Nos sistemas de operação motorizada, hi-
dráulica ou pneumática, a haste da válvula é
comandada por um êmbolo ou um diafragma,
sujeito à pressão de um líquido ou ar compri-
mido. O comando hidráulico, mais raro na prá-
tica do que o comando pneumático, é usado
quase somente, para válvulas muito grandes.
A operação motorizada pneumática é o sis-
tema mais usado nas válvulas comandadas por
instrumentos automáticos. É preciso não con-
fundir válvulas comandadas por instrumentos
automáticos com válvulas de operação auto-
mática.
Existem dois sistemas de operação moto-
rizada elétrica de uso corrente:
– Motor elétrico, acionando o volante da
válvula por meio de engrenagens de
redução. Este sistema é usado apenas
em válvulas de grande tamanho para
tornar a operação mais fácil e mais rá-
pida.
– Solenóide, cujo campo magnético mo-
vimenta, diretamente por atração, a
haste da válvula. Este sistema pode ser
empregado apenas para pequenas vál-
vulas, freqüentemente por relés elétri-
cos ou instrumentos automáticos.
2.3 Detalhes Particulares de cada Tipo
e Válvulas
2.3.1 Válvula de Gaveta
É o tipo de válvula mais importante e de
uso mais generalizado. São utilizadas princi-
palmente nos serviços de bloqueio nas linhas
de água, óleos e líquidos em geral (desde que
não sejam muito corrosivos ou voláteis), para
quaisquer diâmetros, e também para o bloqueio
de vapor e ar em linhas de diâmetro acima de
8". Em todos estes serviços, as válvulas de
gaveta são usadas para qualquer pressão ou
temperatura (Figura 2.1).
O fechamento dessas válvulas é feito pelo
movimento de uma peça chamada gaveta, que
se desloca paralelamente ao orifício da válvu-
la e perpendicularmente ao sentido de escoa-
mento do líquido.
Quando completamente abertas, a perda
de carga causada por este tipo de válvula é
desprezível. Apenas devem trabalhar comple-
tamente abertas ou completamente fechadas,
isto é, são válvulas de bloqueio e não de re-
gulagem. Quando parcialmente abertas, cau-
sam laminagem da veia fluida, acompanhada
de cavitação e violenta erosão.
Observa-se que as válvulas gaveta são
sempre de fechamento lento, sendo impossí-
vel fechá-las instantaneamente: o tempo ne-
cessário para o fechamento será tanto maior
quanto maior for a válvula. Essa é uma grande
vantagem das válvulas gavetas, porque, desta
maneira, pode-se controlar o efeito dos golpes
de ariete.
As válvulas gaveta dificilmente dão um
fechamento absolutamente estanque. Por ou-
tro lado, na maioria das aplicações práticas,
tal fechamento não é necessário.
A gaveta das válvulas pode ser em cunha
ou paralela.
As gavetas de cunha são de maior quali-
dade e dão, devido a ação da cunha, um fecha-
mento mais seguro do que as gavetas parale-
las, embora sejam de construção e manuten-
ção mais difícil.
Emprega-se, nas válvulas gaveta, três sis-
temas diferentes de movimentação da haste:
Haste ascendente com rosca externa
É o sistema usado nas válvulas grandes e
de boa qualidade. A haste tem apenas movi-
mento de translação e o volante, preso ao cas-
telo por uma porca fixa, apenas movimento
de rotação. A rosca da haste é externa à válvula
Figura 2.8 – Válvula comandada por cilindro hidráulico.
Conexões para o
líquido acionador
Cilindro Hidráulico
Gaxetas
Haste deslizante
Gaveta
Equipamentos Estáticos
15
estando, assim, livre, do contato com o fluido. A
extensão da haste acima do volante dá uma
indicação visual imediata da posição de aber-
tura ou de fechamento da válvula, sendo esta
a principal vantagem do sistema (Figura 2.4).
Haste ascendente com rosca interna
É a disposição mais usual em válvulas
pequenas e também em válvulas grandes de
qualidade inferior. A haste, dentro da válvula,
juntamente com o volante, tem movimentos
de translação e rotação. Não há indicação vi-
sual da posição de abertura ou fechamento (Fi-
gura 2.2).
Haste não ascendente
A haste, juntamente com o volante tem
apenas movimento de rotação. Somente a ga-
veta da válvula que se atarraxa na extremida-
de da haste, tem movimento de translação. É
um sistema barato, de construção fácil, usado
em válvulas pequenas de qualidade inferior.
Alguns problemas são característicos du-
rante a operação de válvulas gavetas:
– Em caso de alta pressão, é difícil a ope-
ração de uma válvula gaveta. Há casos
em que se torna necessário o uso de
chaves apropriadas aplicadas ao volan-
te, há outros em que a válvula possui
um desvio: na abertura ou fechamento
da válvula utiliza-se o desvio para evi-
tar alto diferencial de pressão na ope-
ração.
– As gaxetas requerem atenção, uma vez
que podem apresentar um pequeno va-
zamento com o uso. É importante que
sejam reapertadas ou trocadas em épo-
cas apropriadas.
– Ao se abrir ou fechar completamente a
válvula, ela pode se trancar. Existe uma
pequena folga que permite inverter li-
geiramente o sentido de rotação do vo-
lante sem que se altere a posição da ga-
veta.
– Quando a válvula não está vedando
completamente não é boa norma for-
çar seu fechamento: as causas podem
ser depósitos na sede, defeito na sede,
etc. A operação indevida pode agravar
o problema. Na maioria das vezes, ocor-
re a quebra da bucha.
– Tanto a má lubrificação como o aperto
demasiado das gaxetas podem acarretar
dificuldades na operação da válvula.
Variantes das válvulas gavetas
Uma variante da válvula gaveta é a válvu-
la de fecho rápido. Nessas válvulas, a gaveta é
manobrada por uma alavanca externa fechan-
do-se com um movimento único da alavanca
(Figura 2.5).
2.3.2 Válvula Macho
Aplica-se, principalmente, nos serviços de
bloqueio de gases para qualquer diâmetro, tem-
peratura ou pressão e também no bloqueio rápi-
do de água, vapor e líquidos em geral para pe-
quenos diâmetros e baixas pressões (Figura 2.9).
Figura 2.9 – Válvula macho.
Engraxadeira Alavanca de manobra
Sobreposta
Gaxetas
Sedes
Macho
Orifício de passagem
Rasgos de Lubrificação
Válvula macho
Posição aberta Posição fechada
Cortes em projeção horizontal
Nessas válvulas, o fechamento é feito pela
rotação de uma peça (macho) existente no in-
terior do corpo da mesma. São válvulas de fe-
cho rápido, porque bloqueiam com 1/4 de volta
do macho ou da haste.
As válvulas macho são, fundamentalmen-
te, válvulas de bloqueio. Quando totalmente
abertas, a perda de carga é mínima e, quando
parcialmente fechadas, a turbulência impede
uma vazão regularizada.
Existem dois tipos gerais de válvulas ma-
cho: com e sem lubrificação.
Nas válvulas com lubrificação, há um sis-
tema de injeção de lubrificantes sob pressão,
através do macho, para melhorar a vedação e
evitar que o mesmo fique preso. Essas válvu-
las são empregadas geralmente em serviços
com gases.
16
Equipamentos Estáticos
2.3.3 Válvula Globo
Em válvulas globo, o fechamento é feito
por meio de um tampão que se move contra o
orifício da válvula, que, geralmente, está em
posição paralela ao sentido do fluxo. As vál-
vulas globo podem trabalhar em qualquer po-
sição e fechamento, isto é, são válvulas de re-
gulagem. Causam, entretanto, em qualquer
posição de fechamento, fortes perdas de car-
gas. As válvulas globo dão um fechamento
Figura 2.12 – Válvula Angular.
Porca de aperto
Gaxetas
Haste com rosca
Tampão
Trajetória do fluído
Castelo de união
Porca
Agulha
SedeTrajetória do fluido
Figura 2.11 – Válvula de 3 vias.
Figura 2.10 – Válvula de esfera.
Haste
Orifício de
passagem
Alavanca de manobra
Engaxetamento
Anéis retentores
Macho
(esfera oca)
Posição aberta
Macho
Corte em projeção
horizontal
As válvulas sem lubrificação, de boa qua-
lidade, usadas para gases, têm sedes removí-
veis, feitas de material resiliente (teflon, neo-
prene, etc.), dando ótima vedação estanque.
Variantes da válvula Macho
Uma das variantes da válvula macho cor-
responde às válvulas de esfera. Neste caso, o
macho é uma esfera que gira sobre um diâ-
metro, deslizando entre anéis retentores. As
vantagens das válvulas de esfera sobre a de
gaveta são o menor tamanho, peso e custo,
melhor vedação e menor facilidade de opera-
ção (Figura 2.10).
bem melhor que as válvulas de gaveta, de for-
ma que é possível conseguir, principalmente
em válvulas pequenas, um fechamento abso-
lutamente estanque (Figura 2.3).
As válvulas globo devem ser instaladas de
modo que o fluido entre sempre pela face in-
ferior do tampão. Essa disposição tem a van-
tagem de poupar as gavetas, porque a pressão
não fica agindo permanentemente sobre elas e
também de permitir, em muitos casos, o reen-
gaxetamento com a válvula em serviço.
Variantes de válvula globo
Válvulas Angulares
Essas válvulas têm os bocais de entrada e
saída a 90°. Permite perdas de cargas menores
que a válvula globo comum. Devido à posi-
ção do orifício de passagem (Figura 2.12).
Válvula Agulha
O tampão nestas válvulas é substituído por
uma peça cônica agulha, que permite um con-
trole mais delicado da vazão. É usado em li-
nha até 2” (Figura 2.13).
Outra variante das válvulas macho são as
válvulas de 3 ou 4 vias, onde o macho nesss
válvulas é furado em “T” em “L” ou em cruz,
dispondo a válvula de 3 ou 4 bocais para liga-
ção às tubulações (Figura 2.11)
Figura 2.13 – Válvula Agulha.
Equipamentos Estáticos
17
Válvula sem sede
É uma variante das válvulas angulares em
que o tampão consiste de um êmbolo que des-
liza do corpo da válvula. Estas válvulas são
empregadas para a descarga de caldeiras (Fi-
gura 2.14).
Figura 2.14 – Válvula sem sede.
Êmbolo
Retentores
Válvulas em “Y”
Essas válvulas apresentam a haste a 45°
com o corpo, de maneira tal que a trajetória da
corrente fluida fica quase retilínea. Em conse-
qüência disso as perdas de carga ficam redu-
zidas um valor mínimo. Essas válvulas são
usadas para bloqueio e regulagem de vapor
(Figura 2.15).
Figura 2.15 – Válvula em “Y”.
Tampão
Sede
Trajetória do fluido
2.3.4 Válvulas de Controle
Essas válvulas são usadas em combina-
ção com instrumentos automáticos, que as
comandam à distância, para controlar a vazão
ou a pressão de um fluido. A válvula em si é
quase semelhante a uma válvula globo sendo
operada, na maioria das vezes, por meio de
um diafragma sujeito à pressão de ar compri-
mido. Há um instrumento automático que
comada a pressão de ar, que por sua vez faz
variar a posição de abertura da válvula. A ope-
ração nas válvulas de controle é feita, geral-
mente, pelo diafragma em um sentido (para
abrir ou fechar) e por uma mola regulável no
outro sentido (Figura 2.16).
Figura 2.16 – Válvula de Controle.
Mola regulável
(para abrir a válvula)
Admissão de ar comprimido
(para fechar a válvula)
Diafragma flexível
Indicador de posição
de abertura
Haste
GaxetasSobreposto
Tampões duplos
balanceadosSedes
2.3.5 Válvula Borboleta
Usada para tubulações de grande diâme-
tro (mais de 20'’), sujeitas a baixas pressões,
sem a exigência de vedação perfeita. O fecha-
mento da válvula é feio por meio de uma peça
circular que pivota em torno de um eixo per-
pendicular ao sentido de escoamento do flui-
do (Figura 2.17).
Figura 2.17 (a) – Válvula Borboleta.
Figura 2.17 (b) – Válvula Borboleta.
Eixo
DiscoCorpo
Volante
Alavanca
Corpo da válvula
(entre os flanges)Disco defechamento
Flanges da
tubulação
Abe
rto
Fechado
18
Equipamentos Estáticos
Figura 2.18 – Válvula de Diafragma.
2.3.7 Válvulas de retenção
Estas permitem a passagem de fluido ape-
nas em sentido, fechamento automaticamen-
te, por diferença de pressões exercidas pelo
próprio fluido, se houver tendência à inversão
no sentido de escoamento. São, por isso, vál-
vulas de operação automática.
Um caso típico do uso de válvulas de re-
tenção é na linha de recalque de bombas em
paralelo, para evitar o retorno do fluido atra-
vés das bombas paradas. Outro caso é do uso
dessas válvulas na linha de carregamento de um
tanque para evitar um possível esvaziamento.
Existem três tipos principais de válvula de
retenção:
Válvula de retenção de portinhola
É o tipo mais comum de válvula de reten-
ção. Seu fechamento é feito por uma portinhola
articulada, que se assenta no orifício da vál-
vula.
As válvulas de portinhola não devem ser
usadas em tubulações sujeitas a freqüentes in-
versões de fluxo, porque, nesse caso, têm ten-
dência a vibrar fortemente (Figura 2.19.).
Algumas válvulas desse tipo têm uma ala-
vanca externa, com a qual a portinhola pode
ser aberta ou fechada, à vontade, quando ne-
cessário.
Válvulas de retenção tipo plug
O fechamento da válvula é feito por meio
de um tampão, semelhante ao das válvulas glo-
bo, cuja haste desliza em uma guia interna.
Essas válvulas causam perdas de carga muito
grandes e por isso são pouco usadas em linhas
de diâmetro acima de 6'’. São adequadas ao
trabalho com gases e vapores (Figuras 2.20).
Válvula de retenção de esfera
São semelhantes às válvulas de retenção
tipo plug, sendo porém, o tampão substituído
por uma esfera.
É o tipo de válvula de retenção cujo fe-
chamento é mais rápido. Essas válvulas, mui-
to boas para fluidos de alta viscosidade, são
fabricadas e usadas apenas para diâmetro de
até 2” (Figura 2.21).
Volante Haste
Castelo Tampão
Sede
Posição fechada
Diafragma flexível (aberto)
Figura 2.19 – Válvula de retenção de portinhola.
Flange de
entrada
Tampa
Flange
de saída
Eixo
TampãoSede
Figura 2.20 – Válvula de retenção tipo plug.
Tampa
Tampão
Guia
Pino
Sede
SaídaEntrada
Figura 2.21 – Válvula de retenção de esfera.
Entrada
Esfera
Saída
2.3.6 Válvulas de Diafragma
Muito usadas para fluidos perigosos, cor-
rosivos, tóxicos, inflamáveis, etc, as válvu-
las de diafragma não apresentam gaxetas. Seu
fechamento é feito por meio de um diafrag-
ma flexível apertado contra a sede. O meca-
nismo móvel que controla o diafragma fica
completamente fora do contato com o fluido
(Figura 2.18).
Equipamentos Estáticos
19
Variantes das válvulas de retenção
Válvulas de pé
São válvulas de retenção especiais para
manter a escorva nas linhas de sucção de bom-
bas. São semelhantes às válvulas de retenção
tipo plug (Figura 2.22).
Figura 2.22 – Válvula de pé.
Válvulas de retenção e fechamento
São semelhantes às válvulas globo, com
tampão capaz de deslizar sobre a haste. Na
posição aberta, funcionam como válvulas de
retenção de levantamento e, na posição fecha-
da, como válvulas de bloqueio. São usadas nas
linhas de saída de caldeiras (Figuras 2.23).
Bocal de saída
Pino
Guia
Tampão
Grade de
entrada
2.3.8 Válvulas de Segurança e de
Alívio
Controlam a pressão à montante, abrindo-
se automaticamente, quando essa pressão ul-
trapassa um determinado valor para o qual a
válvula foi ajustada (pressão de ajuste).
Figura 2.23 – Válvula de retenção e fechamento.
Haste
rosqueada
Haste do
tampãoGuia
Tampão
Entrada Saída
A construção dessas válvulas é semelhante
à das válvulas globo angulares. O tampão é
mantido fechado contra a sede pela ação de
uma mola, com parafuso de regulagem, ou de
um contrapeso externo de posição ajustável.
Regula-se tensão ou posição do contrapeso,
de maneira a se ter a desejada pressão de aber-
tura da válvula (Figura 2.24).
Figura 2.24 – Válvula de segurança.
Porca de regulagem
Mola
Bocal de saída
Tampão
Sede
Bocal de entrada
As válvulas de mola são as mais comuns.
A mola pode ser interna, dentro do castelo da
válvula, ou externa, preferindo-se esta última
disposição para serviços com fluidos corrosi-
vos, muito viscosos, ou gases liqüefeitos que
possam congelar, prendendo a mola.
Essas válvulas são chamadas de “seguran-
ça”, quando destinadas a trabalhar com flui-
dos elásticos (vapor, ar, gases), e de alívio,
quando destinadas trabalhar com líquidos, que
são fluidos incompressíveis. A construção das
válvulas de segurança e de alívio é basicamente
a mesma, a principal diferença reside no per-
fil das sedes e do tampão. Nas válvulas de se-
gurança, o desenho desses perfis é feito de tal
forma que a abertura total da válvula ocorra
imediatamente após a “pressão de ajuste”, e o
fechamento repentinamente abaixo da “pres-
são de ajuste”. Nas válvulas de alívio, a aber-
tura é gradual, atingindo o máximo com 110%
a 125% da “pressão de ajuste”.
As válvulas de segurança costumam ter
uma alavanca externa com a qual é possível
fazer-se manualmente o disparo da válvula
para teste.
20
Equipamentos Estáticos
3.1 Introdução
Purgadores são equipamentos utilizados
para eliminar condensados das tubulações que
transportam vapor ou ar comprimido. Os bons
purgadores além de remover condensado, re-
movem também o ar e outros gases inconden-
sáveis que possam existir.
O aparecimento de condensado em tubu-
lações de vapor pode se dar devido à perda de
calor para o meio ambiente, arraste de gotícu-
las, colocação em operação de determinado
trecho de tubulação fria ou trechos de tubula-
ções bloqueadas.
O aparecimento de condensado em tubu-
lações de ar comprimido ocorre em conseqüên-
cia da condensação da umidade do ar ou do
arraste do óleo de lubrificação dos compres-
sores.
3.1.1 Remoção do Condensado
Remove-se o condensado existente nas li-
nhas de vapor pelas seguintes razões:
– Conservar a energia do vapor, pois o
condensado não tem ação motora (má-
quina a vapor) nem ação aquecedora
eficiente (o vapor aquece cedendo ca-
lor de condensação). A entrada de con-
densado nas turbinas causa danos irre-
paráveis em suas palhetas.
– Evitar vibrações e martelos hidráulicos
nas tubulações causados pelo arrasta-
mento do condensado e encontro do
vapor com bolsões de condensado.
– Reduzir os efeitos de corrosão.
Remove-se o condensado das linhas de ar
comprimido, porque os arrastes de óleo ou
água danificam os instrumentos e prejudicam
o processo em que o ar é utilizado.
3.2 Tipos
Os purgadores podem ser classificados em:
– Purgadores Mecânicos: Agem por di-
ferença de densidade.
a) Purgadores de bóia;
b) Purgadores de panela invertida.
– Purgadores Termostáticos – Agem
por diferença de temperatura.
a) Purgadores de expansão metálica;
b) Purgadores de expansão líquida;
c) Purgadores de expansão balancea-
da (fole).
– Purgadores Especiais:
a) Purgadores termodinâmicos;
b) Purgadores de impulso.
3.2.1 Purgador de Bóia
Consiste em uma caixa com uma entrada
de vapor e uma saída de condensado. A saída
do condensado é fechada por uma válvula co-
mandada por bóia; quando há condensado, a
bóia flutua e abre a saída do condensado, que
é expulso pela própria pressão do vapor.
É necessário que a força de flutuação da
bóia seja suficiente, através das alavancas, para
vencer a pressão do vapor, que tende a fechar
a válvula.
Esse purgador tem descarga contínua e não
permite a saída de ar e de outros gases.
É empregado para baixas pressões de va-
por (até 35 Kgf/cm2), quando se deseja des-
carga rápida e contínua e quando não há ne-
cessidade de eliminação de ar (Figura 3.1).
Figura 3.1 – Purgador de Bóia.
3Purgadores
Válvula
termostática Entrada(vapor + condensado)
Bóia
Válvula
de saída Saída
(condensado)
Equipamentos Estáticos
21
3.2.2 Purgador de Panela Invertida
É o tipo de purgador mais usado em tubu-
lações de vapor. Consiste em uma caixa com
entrada de vapor e saída de condensado, den-
tro da qual existe uma panela com fundo para
cima, comandando a válvula que fecha a saí-
da do condensado.
Para o início de operação, o purgador deve
estar cheio de água; a panela fica pousada no
fundo, abrindo a válvula, por onde sai o ex-
cesso de água.
O vapor, quando chega, é lançado dentro
da panela, de onde é expulsa a água (que esca-
pa pela saída), até que a quantidade de água
Figura 3.2 – Purgador de Panela Invertida.
dentro da panela, tornando-se pequena, faz
com que a panela flutue, fechando a válvula
de saída. O ar contido na panela sai pelo pe-
queno furo existente no fundo da panela, por
onde escapa também um pouco de vapor; o ar
acumula-se, então, no topo do purgador e o
vapor é condensado por saturação do ambiente.
Chegando mais condensado, a panela enche-
se de água, perde flutuação e afunda, abrindo a
válvula. A pressão do vapor faz sair o ar acumu-
lado e o condensado, até que, diminuindo a quan-
tidade de condensado dentro da panela, a
flutuação é restabelecida, fechando-se a vál-
vula e repetindo-se, assim, o ciclo (Figura 3.2).
3.2.3 Purgador Termostático de Fole
Consiste em uma caixa contendo no inte-
rior um pequeno fole que comanda a válvula
de saída do condensado. O fole contém um
líquido de ponto de ebulição inferior ao da
água. O purgador funciona pela diferença de
temperatura que existe sempre, para a mesma
pressão, entre o vapor e o condensado. O va-
por, por ser mais quente, vaporiza o líquido
dentro do fole, que se dilata, fecha a válvula e
impede, portanto, a saída do vapor. O conden-
sado e o ar, como são mais frios, contraem o
fole que abre a válvula deixando-os escapar.
Esse tipo de purgador é empregado para mé-
dias e baixas pressões (até 35 kgf/cm2), prin-
cipalmente quando se tem grande volume de
ar a eliminar. A descarga de condensado é in-
termitente, demorada, e a perda de vapor é re-
lativamente grande. Não pode ser empregado
para vapor superaquecido (Figura 3.3).
Figura 3.3 – Purgador Termostático de Fole.
3.2.4 Purgador Termodinâmico
É um aparelho de construção extremamen-
te simples, cuja única peça móvel é um disco
que trabalha dentro de uma pequena câmara,
abrindo ou fechando, simultaneamente, as pas-
sagens que dão para a entrada de vapor e para
a saída de condensado (Figura 3.4).
Válvula (aberta)
Orifício
Válvula (fechada)
Bolhas de Ar
e Vapor
Vapor
Entrada
Panela Invertida
(afundada)
Saída
Condensado
Panela Invertida
(flutuando)
Válvula (aberta)
Vapor
Condensado
Panela
Invertida
(afundada)
Purgador Aberto
(Descarga de Condensado)
Purgador Fechado
(Chegada de Vapor)
Purgador Aberto
(Descarga de Condensado)
Fole
Saída
Válvula
En
tra
da
22
Equipamentos Estáticos
Figura 3.4 – Purgador Termodinâmico.
O funcionamento de um purgador termo-
dinâmico encontra-se descrito a seguir: O con-
densado ou o ar chegando ao purgador são
empurrados pela pressão do vapor, levantam
o disco e escapam para fora. Quando o vapor
chega ao purgador, a princípio também esca-
pa; mas, logo em seguida, o jato de vapor em
alta velocidade
passando por baixo do disco,
cria uma zona de baixa pressão (Teorema de
Bernoulli) e o disco abaixa-se tendendo a fe-
char a saída do vapor. Assim que o disco co-
meça a abaixar, parte do vapor que sai para a
câmara acima do disco, e a pressão do vapor
força, então, o disco para baixo. Ao mesmo
tempo, o movimento do disco causa uma re-
dução na seção de saída do vapor; em conse-
qüência, a velocidade aumenta e a depressão
Bóia 35 50 000 Sim Não Não Pouca Regular
Panela Invertida 180 15 000 Não Sim Sim Pouca Bastante
Panela Aberta 100 6 000 Não Sim Sim Pouca Bastante
Expansão Metálica 50 4 000 Não Sim Sim Bastante Regular
Expansão Líquida 35 4 000 Não Sim Não Bastante Regular
Expansão Balanceada 35 1 000 Não Sim Não Bastante Regular
Termodinâmico 100 3 000 Não Sim Sim Regular Quase Nenhuma
Impulso 100 5 000 Não Não Sim Regular Quase Nenhuma
Tipo
Pressão
Máxima do
Vapor (kg/cm2)
Capacidade
Máxima
(kg/h)
Descarga
Contínua
Eliminação
do Ar
Resistência a
Golpes de
Ariete
Perda de
Vapor
Necessidade de
Manutenção
3.3 Tabela Comparativa para Purgadores
O quadro seguinte apresenta um resumo comparativo das principais características dos tipos
mais importantes de purgadores de vapor:
causada também, o disco encosta-se, então, na
sede, fechando a saída do vapor.
O disco fica, assim, em equilíbrio (a mes-
ma pressão nas duas faces) até que o vapor re-
petido em cima começa a condensar, a pressão
cai, o disco sobe, repetindo-se todo o ciclo.
Esse purgador, barato, pequeno, simples
e de baixa manutenção, está sendo empregado
cada vez mais para linhas de vapor e de aque-
cimento, desde que a quantidade de conden-
sado não seja muito grande.
Não deve ser usado quando a contrapres-
são do condensado for maior do que 50% da
pressão do vapor, ou quando a pressão do va-
por for inferior a 0,7 kgf/cm2. Pode ser empre-
gado para altas pressões e altas temperaturas.
Pressão Zona de BaixaPressão
Condensado
Vapor
Condensado
Vapor
Tampa Disco Móvel(suspenso)
Condensado
Ar
Sede
Condensado
Ar
Pressão
Vapor
Orifício de Entrada
Orifício de Saída
Purgador Aberto
(descarga de condensado)
Purgador Fechando-se
(chegada de vapor)
Purgador Fechado
Secção AA
Equipamentos Estáticos
23
3.4 Outros Dispositivos Separadores
Além dos purgadores de vapor, outros dis-
positivos separadores são também usuais em
tubulações industriais. As operações mais co-
mumente efetuadas por esses aparelhos são as
seguintes:
– Separação de água e/ou óleo em tubos
de ar comprimido e de outros gases;
– Separação de poeiras e sólidos em tu-
bos de gasolina e de outros líquidos
leves;
– Separação de ar em tubos de vapor.
Os princípios gerais de funcionamento da
maioria desses aparelhos são flutuação, inér-
cia, capilaridade e absorção. Alguns separa-
dores aproveitam-se, simultaneamente, de mais
de um dos fenômenos mencionados.
Os aparelhos que trabalham por flutuação,
são inteiramente semelhantes aos purgadores
de bóia, são empregados na separação e eli-
minação de água e de outros líquidos nas tu-
bulações de ar e de gases em geral. Esses se-
paradores, que são sempre peças pequenas (fa-
bricadas com até 2” de diâmetro nominal), são
muito usados para a drenagem da água forma-
da em tubulações de ar comprimido e, por isso,
denominados às vezes de “purgadores de água”.
O princípio da inércia é utilizado nos apa-
relhos destinados a separar líquidos e sólidos
em suspensão (inclusive poeiras) em tubula-
ções de gases. Nesses separadores, a corrente
de gás, carregada de partículas líquidas ou só-
lidas, é obrigada a mudar de direção várias ve-
zes em grande velocidade. Nessas mudanças
de direção, as partículas líquidas ou sólidas
separam-se por serem mais pesadas (devido à
inércia) e são, então, recolhidas e eliminadas.
Os separadores que agem por capilari-
dade servem, principalmente, para a coleta e
eliminação de ar e de água em tubulações de
líquidos leves. Nesses aparelhos, a corrente lí-
quida atravessa elementos de tela fina ou de
palhas especiais, onde se formam, por diferen-
ça de capilaridade, bolhas de ar ou gotículas
de água que são depois coletadas.
Os separadores de absorção são apare-
lhos no interior dos quais existem elementos
de substâncias especiais capazes de absorver
e reter o material que se deseja separar. A veia
fluida atravessa esses elementos, onde a ab-
sorção ocorre geralmente por meio de reações
químicas. Os elementos absorventes têm uma
vida relativamente curta, ao final da qual de-
vem ser substituídos. Os desumidificadores de
silicagem ou de alumina, empregados para re-
mover umidade em correntes de ar ou de ou-
tros gases, funcionam segundo este princípio.
3.5 Filtros para Tubulações
Os filtros (strainers, filters) são também
aparelhos separadores destinados a reter poei-
ras, sólidos em suspensão e corpos estranhos,
em correntes de líquidos ou gases. Duas clas-
ses de filtro são de uso comum em tubulações
industriais: a dos filtros provisórios e dos per-
manentes.
Os filtros provisórios são peças que se
intercalam nas tubulações, próximo aos bocais
de entrada dos equipamentos (bombas, com-
pressores, turbinas, etc.), para evitar que su-
jeiras e corpos estranhos, deixados durante a
montagem das mesmas, penetrem nesses equi-
pamentos quando o sistema for posto em fun-
cionamento. Depois que as tubulações já esti-
verem em funcionamento normal por algum
tempo, e tiverem, portanto, sido completamen-
te lavadas pelo próprio fluido circulante, os
filtros provisórios deverão ser removidos. É
Entrada
vapor + água
Furo
Saída
(Vapor)
Visor
de nível Gotas
d’água
Purgador
Filtro
Dreno
Separador para vapor com drenagem automática por purgador
Figura 3.5 – Separadores de Inércia.
Gás Gás líquido
Chicana Gotas de líquido
Visor de nível Dreno
Líquido acumulado
24
Equipamentos Estáticos
obrigatória a colocação de filtros provisórios
na entrada de todos os equipamentos que pos-
sam ser danificados pela presença de corpos
estranhos, pois, por mais bem feita que tenha
sido a limpeza prévia das tubulações, é im-
possível garantir-se que não haja poeiras, ter-
ra, ferrugem, rebarbas de solda, pontas de ele-
trodos e outros materiais estranhos no interior
das mesmas.
Os filtros permanentes, como o próprio
nome indica, são acessórios instalados nas tu-
bulações de um modo definitivo. Os princi-
pais casos de emprego dos filtros permanen-
tes envolvem:
– Tubulações com fluidos sujos que sem-
pre possam apresentar corpos estra-
nhos;
– Casos em que se deseje uma purifica-
ção rigorosa e controlada do fluido
circulante;
– Tubulações de entrada de equipamen-
tos muito sensíveis a corpos estranhos,
tais como bombas de engrenagens, me-
didores volumétricos, certos tipos de
purgadores, etc.
3.5.1 Filtros Provisórios e Permanentes
Os filtros provisórios mais comuns são os
discos de chapa perfurada ou os anéis de cha-
pa fina com uma cesta de tela (Figura 3.6).
Ambos são introduzidos entre dois flanges
quaisquer, onde ficam presos. Os filtros de
cesta de tela devem ter uma área de filtragem
de no mínimo 3 a 4 vezes em relação à seção
transversal útil da tubulação.
Para facilitar a colocação e posterior reti-
rada dos filtros provisórios deve-se colocar
uma peça flagelada (carretel, redução, joelho,
etc.) na estrada dos equipamentos que devam
ser providos de filtros provisórios. O filtro fi-
cará preso a um dos flanges dessa peça, com a
cesta de tela dentro da peça: para remover o
filtro, bastará desacoplar os flanges e retirar a
peça inteira.
Os filtros permanetes consistem, geral-
mente, em uma caixa de aço de ferro fundido,
ou de bronze, com os bocais para tubulaçoes
de entrada e de saída, no interior da qual exis-
tem os elementos de filtragem e chicanas para
conduzirem a veia fluida (Figura
3.7). Os ele-
mentos filtrantes e os materiais de construção
dos mesmos variam de acordo com o fluido
circulante, com o grau de filtragem desejado,
com o tamanho do filtro, etc.
Figura 3.7 – Filtros Permanentes.
Entre os elementos filtrantes mais comuns
estão:
– Grades metálicas, chapas perfuradas,
telas metálicas (filtragem grosseira de
líquido);
– Telas finas, feltro, “nylon”, porcelana,
papel, etc. (filtragem fina de líquido);
– Palhas metálicas, feltro, camurça, etc.
(filtragem de gases).
Conforme o modelo do filtro, os elemen-
tos filtrantes podem ter a forma de cestas ci-
líndricas, cones, discos, cartuchos, etc.
Anotações
Figura 3.6 – Filtro Provisório.
Cesta de tela
Chapa intercalada
entre dois flanges
Tampa
Entrada
Cesta de tela
Saída
Cesta de tela
Dreno
Para diâmetros maiores
Entrada Saída
Tampa e
dreno
Para diâmetros menores
Equipamentos Estáticos
25
4Permutadoresde Calor
4.1 Introdução
O permutador de calor é um equipamento
onde dois fluidos, com temperaturas diferen-
tes, trocam calor através de uma interface me-
tálica. No processamento de uma Refinaria de
Petróleo, o permutador de calor é empregado
não só para economizar calor, mas também
para atender às necessidades de processo.
De acordo com o fim a que se destina, este
tipo de equipamento pode ser enquadrado con-
forme a seguinte classificação geral:
a) Aquecimento
a.1. – Aquecedor
Quando aquece o fluido do processo
por meio de vapor de água ou outro
meio qualquer (Figura 4.1).
Figura 4.1 – Aquecedor de regeneração de soda.
a.2. – Refervedor
Quando vaporiza um líquido por meio
de vapor d’água ou outro fluido quen-
te. Utilizado para prover calor às torres
de destilação, vaporiza parte do produ-
to de fundo (Figura 4.2).
Figura 4.2 – Refervedor de Torre de Separação.
a.3. – Gerador de Vapor
Quando gera vapor d’água, aproveitan-
do calor de um líquido quente provenien-
te do processo (Figura 4.3).
Figura 4.3 – Gerador de vapor da unidade de craqueamento
catalítico fluido.
b) Resfriamento
b.1 – Resfriador
Quando resfria fluidos do processo atra-
vés da utilização de água como meio
de resfriamento. O abaixamento de
temperatura dos líquidos a serem arma-
zenados evita as perdas de produtos
leves (Figura 4.4).
Figura 4.4 – Resfriador de Querosene.
b.2 – Condensador
Quando condensa um fluido pelo uso
de água como fluido refrigerante. Em-
pregado para recuperação de vapores
de colunas de destilação, bem como
para condensação do vapor exausto de
turbinas, reduz a pressão de descarga
das mesmas (Figura 4.5).
Vapor 10 kg/cm2
Condensado
NaOH
TIC
Torre de
Separação
Vapor
Refervedor
Conden-
sado
Butano
Vapor d’água
saturado
Tambor de
SeparaçãoFraciona-dora
Resfriador
Água de
Refrigeração
Querosene
para tanque
26
Equipamentos Estáticos
Figura 4.5 – Condensador de torre de destilação atmosférica.
b.3 – Resfriador a ar
Quando resfria vapores ou líquidos,
passando por feixes de tubos tipo ser-
pentina e usando corrente de ar impul-
sionada por pás movidas a motor elé-
trico (Figura 4.6).
Figura 4.6 – Resfriador a Ar.
c) Intercambiadores
Quando há troca de calor entre dois flui-
dos do processo. Executa dupla função:
aquece um fluido por meio do uso de
outro mais quente que se resfria. Não
há perda de calor (Figura 4.7).
Figura 4.7 – Aquecimento de petróleo.
Chicanas – orientam o fluxo do casco, de
forma a manter os tubos na posição desejada e
evitar que sofram esforços de reflexão;
Espaçadores – mantêm o conjunto de
chicanas em posição.
4.2 Descrição Geral
4.2.1 Permutador de Espelhos Fixos
A Figura 4.8 mostra um exemplo de
permutador de espelhos fixos, cujas partes es-
senciais são:
Casco – parte externa central do permu-
tador;
Carretéis e tampas dos carretéis – par-
tes externas extremas do permutador;
Feixe Tubular – constituído de espelhos
que mantêm os tubos na posição desejada.
Neste tipo de permutador, os espelhos são sol-
dados ao casco e servem também como flanges
aos quais os carretéis são parafusados;
Figura 4.8 – Permutador de espelhos fixos.
Supondo um fluido quente passando pelo
lado dos tubos e um fluido frio passando pelo
lado do casco ( Figura 4.9). O fluido quente
entra através de um carretel, enquanto o flui-
do frio entra pelo bocal inferior do casco, per-
corre o caminho determinado pelas chicanas e
sai do permutador pelo bocal superior.
O fluido quente, ao percorrer os tubos,
cede calor, através da interface metálica, ao
fluido frio que percorre o casco.
Considere
T1 – temperatura de entrada do fluido quente;
T2 – temperatura de saída do fluido quente;
t1 – temperatura de entrada do fluido frio e
t2 – temperatura de saída do fluido frio.
Tem-se que T1 T2 e t1 t2 em virtude do pro-
cesso de troca de calor sensível, entre os flui-
dos, ocorrido dentro do permutador.
Figura 4.9 – Fluxos no casco e no feixe.
Torre
Condensadores
Água
de Refrigeração
Ar
M
Gasóleo
Petróleo
Querosene Diesel
2
3
1
4
5 6
7
4
3
2
1. Casco 5. Chicanas
2. Carretel 6. Espaçador
3. Tampa do Carretel 7. Tubos
4. Espelho
t2 T2
t1
T1Fluido quente Fluido frio
Equipamentos Estáticos
27
Figura 4.10 – Permutador de Calor (vista externa).
Figura 4.11 – Permutador de Calor (vista interna).
A função das chicanas é acarretar tur-
bulência no fluido que percorre o lado do
casco (Figura 4.12). Este estado de turbu-
lência resulta em maior eficiência na troca
de calor.
Figura 4.12 – Detalhe das chicanas.
Quando os dois fluidos percorrem o per-
mutador na mesma direção, diz-se que estão
em paralelo; quando em direções opostas,
como apresentado na figura 4.9, diz-se que
estão em contra-corrente Este último é o flu-
xo normalmente utilizado. A Figura 4.13
mostra os perfis de temperatura de dois flui-
dos em paralelo e em contra-corrente ao lon-
go do permutador. No fluxo em contra-corren-
te, a temperatura do fluido frio pode ultrapas-
sar a menor temperatura do fluido quente, o
que não pode ocorrer no fluxo em paralelo.
O permutador da Figura 4.9 é de uma pas-
sagem no casco, já que o fluido frio percorre o
mesmo uma só vez. Este tipo de casco é o mais
comum em refinarias de petróleo, embora se-
jam utilizados também os de duas passagens
no casco, os de fluxo divididos por defletores
e os demais tipos apresentados na Figura 4.14.
Evidentemente, cada um deles apresenta apli-
cação e interesse específicos.
Figura 4.14 – Tipos de Casco.
De maneira análoga, o permutador apre-
senta uma passagem nos tubos, pois estes se
constituem em uma única seção de passagem.
É comum permutadores que apresentam vári-
as passagens nos tubos, com divisões nos car-
retéis que encaminham o fluido dentro dos tu-
bos, formando os passes.
A Figura 4.15 mostra os arranjos dos
divisores de passes para diversos números de
passagens. Números crescentes de passes, tan-
to nos tubos como no casco, determinam uma
velocidade maior dos fluidos, o que favorece
a troca térmica.
Nos permutadores de espelhos fixos, o
lado externo dos tubos é inacessível à limpeza
mecânica e inspeção, por isso são utilizados
apenas quando o fluido do lado do casco é lim-
po e não há problemas de corrosão.
Saída tubos Entrada casco
Orifício para instrumento
Vent (suspiro)
Tampa do
carretel Entrada
tubos
Carretel
Casco
Saída casco
Flange do
casco Tampa
do casco
(boleado)
Espelho
Flutuante
Chapa
defletora Tampa do
flutuante
Chapa quebra jato ou
chapa de sacrifício
Carretel
Chicana
Feixe de
tubos Espelho
fixo
Chapa
defletora
Contra-corrente Paralelo
ExtensãoExtensão
Te
m
p.Te
m
p.
Flui
do
quen
te Fluido quente T2
T2
T1
T1
t1 t1
t2 t2
Flu
ido
frio
Flui
do frio
Casco de uma pasagem Casco de
duas passagens
com chicana longitudinal
Casco com fluxo bifurcado Casco com duplo fluxo
bifurcado
Casco com fluxo dividido Refervedor tipo caldeira
Casco
Perfurações
Figura 4.13 – Perfis de temperatura. Figura 4.15 – Divisores de passes.
Espelhos Permutador
de entrada de retorno Esquema dos passes
2 Passes
4 Passes
6 Passes
28
Equipamentos Estáticos
4.2.2 Permutador de tampa flutuante
Este permutador, apresentado na Figura
4.16, é de feixe removível. De um lado, o fei-
xe tem espelho fixo parafusado entre os flanges
do carretel e do casco. Do outro lado, o espe-
lho flutuante é fixado entre a tampa do flutu-
ante (que caracteriza o permutador) e o anel
bipartido. O casco é fechado por meio da tam-
pa do casco.
A remoção do carretel, da tampa do casco
e da tampa flutuante permite a retirada do fei-
xe pelo lado do espelho fixo.
Este tipo de permutador permite limpeza
mecânica e inspeção do lado externo dos tu-
bos, já que o feixe pode ser removido, além
disso não apresenta dificuldades decorrentes
de dilatação diferencial entre o feixe tubular e
o casco.
Figura 4.17 – Permutadores de Tubos em “U”.
Figura 4.16 – Permutador de Tampa Flutuante.
4.2.3 Permutador de Tubos em “U”
O permutador com tubos em “U”, mos-
trado na Figura 4.17, possui um feixe consti-
tuído de tubos curvados em forma de “U” e
mandrilados ao espelho. Os tubos podem ex-
pandir-se livremente, o que elimina, neste tipo
de permutador, a necessidade de: espelho flu-
tuante, tampa flutuante, um dos flanges do
casco e a tampa do casco. O menor raio de
curvatura sem deformar o diâmetro externo dos
tubos determina a omissão de alguns tubos no
centro do feixe.
Neste tipo de permutador, o feixe de tu-
bos pode ser removido do casco para limpe-
za e inspeção da área externa dos tubos. O
fluido que escoa no lado dos tubos deve ser
limpo, para evitar sujamento excessivo dos
mesmos.
4.3 Materiais Usados em Permutadores
de Calor
A “Tubular Exchanger Manufactors
Association” (TEMA) publica normas para
projeto e construção de permutadores de cas-
co e tubo. Estas especificações servem para
três classes de permutadores:
Classe R, para condições severas de pro-
cessamento de petróleo e produtos químicos,
serviços rigorosos, em que se deseja obter se-
gurança e durabilidade;
Classe C, para condições moderadas de
operação, tendo em vista a máxima economia
e o mínimo tamanho, condizentes com as ne-
cessidades de serviço;
Classe A, para condições severas de tem-
peratura e fluidos altamente corrosivos.
Os materiais especificados para tubos e
cascos são:
a) Tubos
Podem ser lisos ou aletados.
Os tubos lisos, padronizados em 4 diâme-
tros (3/4", 1", 1 1/4" e 1 1/2"), são mais
comumente encontrados na indústria.
Os tubos aletados aumentam a troca de
calor devido ao aumento da área externa de
troca, porém, acarretam maior perda de pres-
são no lado do casco (Figura 4.18).
Figura 4.18 – Tubos Aletados.
Os materiais utilizados obedecem às es-
pecificações mínimas para uma determinada
aplicação: aço carbono, normalmente utiliza-
do para meios agressivos; aços ligas, latões,
bronzes, ligas de alumínio e duplex, utiliza-
dos em diversos meios corrosivos.
b) Casco
Pode ser construído a partir de tubos com
até 24" de diâmetro nominal, ou, de chapas
calandradas e soldadas a partir de 13" de diâ-
metro. Fabricado normalmente em aço car-
bono, no entanto também podem ser feitos em
aço liga e ligas de alumínio quando de tubo,e
em aço liga, ligas de níquel e ligas de cobre
quando de chapa.
Equipamentos Estáticos
29
4.4 Escolha do Fluido
O permutador já está construído para
receber determinados líquidos nos tubos e
no casco. Não há regras fixas que estabele-
çam qual tipo de fluido deve passar pelos
tubos.
Evidentemente, a escolha do fluido que
passa pelos tubos ou pelo casco deve aten-
der às melhores condições para o processo,
menor custo de construção e fácil manuten-
ção. De uma maneira geral, passam pelos
tubos:
a) Fluidos mais sujos
Com depósitos, coque, sedimentos, ca-
talisadores, etc. É mais fácil remover a
sujeira dos tubos do que do casco.
b) Fluidos mais corrosivos
Além de ser mais econômico usar tu-
bos resistentes à corrosão do que um
casco com a mesma propriedade, é mais
fácil substituir tubos furados do que
casco.
c) Fluidos com maior pressão
Porque o casco tem menor resistência
em virtude do seu maior diâmetro.
d) Fluidos menos viscosos
A menos que a perda da pressão deva
ser muito baixa.
e) Água de resfriamente
Por facilidade de limpeza.
f) Fluidos de menor vazão volumétri-
ca, em vista do casco oferecer mais es-
paço.
Entre líquidos de propriedades semelhantes,
devem passar pelos tubos aqueles de maior pres-
são, maior temperatura e os mais corrosivos.
4.5 Instrumentação do Permutador de
Calor
A instrumentação varia com a finalidade
do permutador no processo. Assim, instrumen-
tos medidores de temperatura, vazão e pres-
são podem ser encontrados nas tubulações de
entrada ou saída de um permutador, de acordo
com as necessidades de controle do processo.
É regra geral que, num resfriador ou em
um conjunto de resfriadores, deve haver um
indicador de temperatura (Thi).
4.6 Operação
4.6.1 Normas de Operação
a) Condições de Segurança
A temperatura e a pressão limites, em que
devem trabalhar os tubos e o casco, especifi-
cadas do permutador, não devem ser ultrapas-
sadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura
de saída da água não deve exceder de um cer-
to valor (50ºC) para evitar deposição de sais.
b) Aquecimento e resfriamento
Tanto na partida como na parada, os per-
mutadores de calor devem ser aquecidos ou
resfriados lentamente. Isto é particularmente
importante quando as temperaturas de opera-
ção são elevadas. A rápida entrada de um lí-
quido à alta temperatura pode provocar desi-
gualdades de expansão nos tubos, causando va-
zamentos nos mesmos e deformação do feixe.
c) Partida e Parada
Na partida, entra primeiro o fluido mais frio.
Se o fluido mais frio está ligeiramente quente,
deixa-se o mesmo, então, entrar lentamente.
Quanto mais quente o fluido, mais lenta deve
ser a sua penetração no permutador de calor.
Na parada, bloqueia-se primeiramente a
entrada do fluido mais quente. Se isto não for
observado, podem ocorrer vazamentos nos
tubos.
d) Suprimento de água
Falhas no suprimento de água para um
resfriador podem trazer sérias conseqüências.
Quando o fluido a resfriar é muito quente, a
interrupção da água provoca um grande aque-
cimento do equipamento. Se a água voltar,
então, a circular, haverá um resfriamento brus-
co do permutador. Esta mudança rápida de
temperatura afrouxa parafusos e abre as jun-
tas. É necessário, portanto, um fluxo contínuo
de água para um resfriador.
e) Condensado
Deve-se sempre drenar a água de um
refervedor ou aquecedor para evitar o fenô-
meno chamado martelo hidráulico, que ocor-
re conforme descrito a seguir: Suponha água
acumulada nos tubos do refervedor. Abrindo-
se a válvula do vapor d’água, este vai condu-
zir a água a uma grande velocidade até encon-
trar um obstáculo, onde provoca um grande
choque. Este impacto severo, o martelo hidráu-
lico, pode causar ruptura do material.
30
Equipamentos Estáticos
4.6.2 Causas de Perda de Eficiência
a) O permutador está sujo e não há troca
eficiente de calor.
b) A tubulação ligada ao permutador não
dá a vazão para qual o aparelho foi pro-
jetado.
c) As condições de operação diferem da-
quelas para as quais o permutador de
calor foi projetado.
4.7 Manutenção
4.7.1 Limpeza
A eficiência do permutador de calor de-
pende da limpeza dos tubos. Durante a opera-
ção, depósitos de sais, ferrugem, coque, areia,
pó de coque, folhas, fibras vegetais, camadas
de graxa, corpo de micro-organismos, etc.
acumulam-se dentro e fora dos tubos,
o que
prejudica a troca de calor e também aumenta a
queda de pressão do fluido.
O permutador de calor que durante a ope-
ração tem sua eficiência reduzida deve ser lim-
po durante a parada da unidade seja limpo e
inspecionado, desde que não tenha flexibili-
dade de parar durante a campanha.
Entre os vários processos de limpeza do
permutador de calor, podem ser citados os se-
guintes:
a) Limpeza por água em contra-corrente
É utilizada em condensadores e resfriado-
res que utilizam água salgada não tratada como
fluido refrigerante. O processo consiste em
inverter o fluxo d’água nos tubos, com o equi-
pamento em operação, possibilitando a remo-
ção dos detritos frouxamente agregados aos
tubos, através de dreno apropriado.
b) Limpeza por vapor
Para limpeza por este processo, o permu-
tador de calor é retirado de operação, embora
não precise ser desmontado. Passa-se vapor
pelo casco e pelos tubos, de forma a entrar por
um respirador e carregar a sujeira por um dre-
no. Este método é eficiente para remover ca-
madas de graxa ou depósitos agregados frou-
xamente nos tubos e no casco do permutador
(“Steam out”).
c) Limpeza química
O processo de limpeza química consiste
na circulação, em circuito fechado, no lado dos
tubos e no lado do casco, de uma solução áci-
da adicionada de um inibidor de corrosão. A
solução desagrega os resíduos, o que permite
a remoção dos mesmos, e o inibidor impede o
ataque do metal pela solução. Após a limpe-
za, é feita a neutralização mediante tratamento
com uma solução alcalina fraca, seguido de
abundante circulação de água. Evidentemen-
te, o permutador de calor, não precisa ser des-
montado.
d) Limpeza mecânica
Neste caso, o permutador precisa ser des-
montado. O pessoal de manutenção retira a
tampa do carretel, a tampa do casco e a tam-
pa flutuante. Camadas de graxa, lama e sedi-
mentos frouxos podem ser removidos dos
tubos por meio de arames, escovas ou jatos
d’água. Se os sedimentos internamente aos
tubos estão muito agregados, entupindo-os,
então são usadas máquinas perfuratrizes. Es-
tas constam, essencialmente, de um eixo
metálico que, girando dentro dos tubos, ex-
pulsa os detritos.
4.7.2 Testes de Pressão
Após a parada para inspeção e manuten-
ção dos permutadores de calor, há necessida-
de de submetê-los a teste de pressão a fim de
verificar a resistência mecânica das juntas sol-
dadas, da mandrilagem dos tubos e a estan-
queidade dos dispositivos de vedação.
Os testes de pressão são efetuados com
água, porém, quando isto não for possível,
poderá ser feito o teste pneumático.
No teste do casco, poderão, em geral, ser
localizados os seguintes vazamentos:
– Mandrilagem dos tubos;
– Junta entre casco e espelho fixo;
– Tubos;
– Casco e suas conexões.
O teste do feixe de tubos permite, geral-
mente, localizar vazamentos nos seguintes
pontos:
– Junta da tampa do carretel;
– Junta entre carretel e espelho fixo;
– Junta da tampa flutuante;
– Carretel, sua tampa e conexões;
– Tampa flutuante.
Nas figuras 4.19 a, b e c e 4.20 a e b, são
apresentados os testes efetuados em permu-
tadores de tampa flutuantes e de tubos em
“U”.
Equipamentos Estáticos
31
Figura 4.19 – a) Teste do Casco ou 1” teste.
Figura 4.19 b) Teste do Feixe Tubular ou 2” teste.
Figura 4.19 – c) Teste da Tampa do Casco Boleado ou 3” teste.
Figura 4.19 – Teste do Permutador de Tampa Flutuante.
Figura 4.20 – b) Teste do Feixe Tubular ou 2” teste.
Figura 4.20 – Teste do Permutador de Tubos em “U”.
Figura 4.20 – a) Teste do Casco ou 1” teste
Figura 4.21
01. Carretel;
02. Tubos em “U”;
03. Flange de Cabeça Fixa;
04. Tampa do Carretel;
05. Bocal;
06. Espelho Fixo;
07. Tubo;
08. Casco;
09. Tampa do Casco;
10. Flange do Casco;
11. Tirante;
12. Bocal do Casco;
13. Flange da Tampa do Casco;
14. Espelho Flutuante;
15. Tampa do Flutuante;
16. Flange do Flutuante;
17. Anel Bipartido do Flutuante;
18. Conexão para Suspiro (vent);
19. Conexão para Dreno;
20. Conexão para Instrumento;
21. Berço de Apoio;
22. Alça para Suspensão;
23. Colarinho de Reforço;
24. Pescoço do Bocal;
25. Chicana Transversal;
26. Chicana Longitudinal;
27. Defletor.
Figura 4.22
Figura 4.23
25
5
3 26
12 21
7
11
8 11
28 10
18 19
16
22
14
9
15
17
1910
13122126
28
21
21
29
10
6
2452026
1
3
4
27
23
21
257729
6
11 15
20 1
26 21 12523
3
22
4
23 8 23
27
26
23
5 20 6
2
191178
192121231221
10
24
4. 8 Componentes dos Trocadores
4.8.1 Componentes
Os números que seguem correspondem
aos colocados nos círculos, das figuras 4.21,
4.22 e 4.23.
Casco pressurizado
Tubos pressurizados
Casco pressurizado
Casco pressurizado
Tubos pressurizados
32
Equipamentos Estáticos
5Tanques
5.1 Finalidade
Os tanques têm fundamental importância
para o processamento de petróleo. Neles são
estocadas as cargas para as unidades de pro-
cesso e seus derivados. São utilizados também
para estocar insumos para o processamento
(óleo combustível, amônia, metanol, etc.).
5.2 Classificação quanto à função
5.2.1 Tanques de Armazenamento
Destinados ao estoque de produtos de
alimentação, produtos derivados e insumos à
pressão atmosférica.
5. 2.2 Tanques de Resíduo
Produtos fora de especificação ou pro-
venientes de operações indevidas são envia-
dos para estes tanques, onde aguardam o re-
processamento.
5.2.3 Tanques de Mistura
Usados para obtenção de misturas de
produtos, ou produtos e aditivos.
Exemplo:
– Tanques de gasolina;
– Tanques de soluções cáusticas.
5.3 Classificação quanto ao tipo de teto
Quanto ao tipo de teto, os tanques são clas-
sificados em:
– Tanque de teto fixo, e
– Tanque de teto flutuante.
5.3.1 Tanques de Teto Fixo
Normalmente, possuem uma estrutura de
sustentação do teto que varia em função do
tamanho do mesmo.
O tipo de teto fixo mais utilizado em refi-
narias de petróleo é o de teto cônico (em for-
ma de um cone voltado para cima com o vérti-
ce no centro) (Figura 5.1).
São utilizados somente para os derivados
de petróleo mais pesados (asfalto, gasóleo, óleo
diesel, etc.) e para produtos químicos (soda
cáustica, amônia, etc.).
Figura 5.1 – Tanque de teto fixo.
1. Aquecedor Tipo Radiador
2. Suspiro
5. 3.2 Tanques de Teto Flutuante
Os tanques de teto flutuante são utiliza-
dos para armazenamento de produtos com fra-
ções leves (petróleo, naftas, gasolinas, etc.)
(Figura 5.2). O teto flutuante no produto ar-
mazenado evita a formação de espaço com
vapor.
01. Teto Flutuante;
02. Flutuador;
03. Pé de Apoio do Teto;
04. Dreno do Teto;
05. Câmara de Vedação;
06. Escada Móvel do Teto;
07. Anel de Reforço do Costado;
08. Agitador;
09. Indicador de Nível (Li);
10. Bóia;
11. Dreno Tipo Sifão;
12. Tubo para Medição
Figura 5.2 – Tanque de Teto Flutuante.
2
1
M
8
25
7
12
6
4 1
3
10
9
11
Equipamentos Estáticos
33
5.4 Acessórios
Os tanques possuem diversos acessórios,
entretanto, serão abordados apenas os princi-
pais, tendo sido os demais reservados para
apostila específica.
5.4.1 Respiração
Alguns tanques pequenos de teto fixo pos-
suem uma conexão com ou sem válvula, no
teto aberta direcionado para atmosfera. Esta
conexão visa evitar a formação de vácuo ou
pressão durante as operações de recebimento
ou envio e apresenta uma tela para evitar a
entrada de chama ocasional.
5.4.2 Válvula de Pressão e Vácuo
Seu uso é obrigatório em tanques de teto
fixo. Tem a função de evitar a formação de
vácuo ou pressão alta durante as operações.
Nestes tanques, o vapor está em equilíbrio com
o líquido. À noite, com a redução da tempera-
tura, há entrada de ar, enquanto, durante o dia,
essa válvula propicia a saída de ar + vapores
devido à elevação da temperatura.
Alguns tanques pequenos de teto
fixo,
possuem um sistema que evita a formação de
vácuo. Esse sistema é usado, quando há pos-
sibilidade de formação de mistura explosiva
dentro do tanque, devido à pequena quantida-
de de vapores de hidrocarbonetos. Normal-
mente, esses tanques armazenam produtos não
inflamáveis, que, no entanto, podem estar con-
taminados por pequenas quantidades de hidro-
carbonetos.
5.4.3 Agitador
Dispositivo cuja finalidade é movimentar
o produto, a fim de homogeneizar as misturas
de petróleo, gasolinas, entre outras. Normal-
mente, essa homogeneização é feita pela agi-
tação do produto, por meio de uma hélice,
acoplada a um eixo acionado por um motor
elétrico.
5.4.4 Sistema de Aquecimento
Utilizado para aumentar a fluidez de al-
guns produtos de petróleo sujeitos a congela-
mento, em condições de temperatura ambien-
te. Esse aquecimento é feito através de serpen-
tinas de vapor.
5.4.5 Isolamento Térmico
Sua finalidade, é diminuir a perda de ca-
lor nos tanques de produtos aquecidos. Nor-
malmente, são isolados os tanques de asfalto
e resíduos de vácuo, pois operam em alta tem-
peratura.
Raros são os tanques que utilizam isola-
mento térmico externamente em função do alto
custo do investimento e da manutenção dos
mesmo.
5.4.6 Sistema de Medição
Este sistema consta de uma bóia que flu-
tua com o nível do produto, ao longo de dois
fios que servem como guia. O centro da bóia é
ligado a uma trena, que, após passar por uma
série de roldanas, apresenta a leitura direta num
visor colocado externamente no tanque.
Os tanques da área de transferência e es-
tocagem normalmente, são dotados do siste-
ma de “TELEMETRIA”. Este sistema é o mais
moderno e possibilita a leitura, à distância, do
nível e da temperatura do produto.
A medição deve ser feita com toda a pre-
cisão, pois um erro de milímetros, pode repre-
sentar uma diferença bastante significativa no
volume.
A aferição desses sistemas é feita por meio
de trena, a prumo, que se faz descer manualmente
através do tubo de medição. Nesse caso, usa-se
uma pasta especial que acusará uma marca bem
clara da interface água-hidrocarboneto.
5.5 Diques
A finalidade do dique é conter um possí-
vel vazamento grande, com ou sem incêndio,
evitando dessa forma que se alastre para ou-
tras áreas.
Por norma de segurança, todos os tanques
destinados a armazenar produto inflamável,
tóxico ou químico são dotados de diques. O
volume do dique tem que ser, no mínimo, igual
ao do tanque.
Anotações
34
Equipamentos Estáticos
6Torres
6.1 Finalidades
Servem para separar ou absorver componen-
tes de misturas homogêneas. A separação é feita
por meio da destilação, daí o nome de torre de
destilação. A absorção é feita em torres absorve-
doras, com finalidade de separar produtos corro-
sivos ou indesejáveis no produto final.
Torres extrativas, retificadoras, fraciona-
doras, etc.
6.2 Tipos
Existem duas classes fundamentais de ti-
pos de torres:
– Torres de Pratos ou Bandejas;
– Torres Recheadas.
6.2.1 Torre de Bandejas
É composta de um casco cilíndrico vertical,
com duas calotas, normalmente elipsoidais. No
interior, são montadas as bandejas espaçadas
umas das outras, em número variado de acordo
com a função da torre (Figuras 6.1 e 6.2). A altu-
ra e o diâmetro da torre são desterminadas em
função do volume dos vapores e dos líquidos.
Nas torres de destilação, o líquido entra
lateralmente na parte inferior, os produtos va-
porizados sobem através das bandejas e bor-
bulham num nível de líquido que se forma em
cada bandeja.
O líquido por sua vez, após a formação do
nível, escoa por vertedores laterais ou centrais,
formando-se assim duas correntes, uma des-
cendente de líquido e outra ascendente de va-
por e gases (Figura 6.2).
Assim sendo, numa torre de destilação, à
medida que os vapores de hidrocarbonetos vão
subindo, borbulham no meio líquido e se conden-
sam a uma determinada pressão e temperatura.
A temperatura do líquido varia ao longo
de uma torre de destilação, diminuindo em
direção ao topo da torre. Desta forma, as fra-
ções de hidrocarbonetos mais pesados conden-
sam-se nas bandejas do fundo, enquanto as
frações mais leves, nas bandejas do topo.
Vertedouro
Líquido descendo
Dowcomer
Vapores
Figura 6.1 – Esquema de uma Torre de Destilação Atmosférica.
Nafta pesada
Querosene
Diesel leve
Diesel pesado
Resíduo atmosférico
Cru
pré vaporizado
Figura 6.2 – Esquema de Funcionamento de uma Torre de
Destilação.
As retiradas laterais de produtos são pos-
síveis, com a instalação de equipamentos in-
ternos que podem ser panelas ou calhas cole-
toras.
Equipamentos Estáticos
35
Há diversos tipos de pratos ou bandejas, classificados quanto ao princípio de funcionamento
em:
6.2.2 Bandejas com Borbulhadores
As bandejas com borbulhadores consistem basicamente de uma chapa com furos, sobre os
quais são montados os borbulhadores. O uso deste tipo é, atualmente, muito pouco encontrado,
estando presente apenas em equipamentos, mais antigos (Figura 6.3).
Figura 6.3
6.2.3 Bandejas Valvuladas
Contêm furos nos quais são colocadas as
válvulas (Figura 6.4), cuja abertura varia com
o fluxo de vapor, de maneira a não permitir
vazamentos de líquidos. Seu uso é cada vez
maior devido ao baixo custo e alto rendimento.
Figura 6.4 – Borbulhador Tipo Válvula.
O líquido que cai do prato superior forma
nível na bandeja inferior, determinado pela al-
tura do vertedor. O parâmetro altura do líqui-
do é fundamental para que os vapores ascen-
dentes possam borbulhar, caso contrário pas-
sariam direto pela válvula e o produto mais
pesado não condensaria (Figura 6.4).
Válvula fechada
Válvula aberta
Figura 6.5 – Esquema de Bandeja Valvulada.
Figura 6.6 – Bandeja Perfurada.
Prato
Vertedor
Bobulhador
Massa
Aerada
Vertedoro
Válvula
Líquido
Vapor
Orifícios
6.2.4 Bandejas Perfuradas
36
Equipamentos Estáticos
6.2.5 Bandejas Gradeadas
São encontradas nas torres de extração lí-
quido-líquido em contra-corrente.
Extração líquido-líquido é a denominação
empregada para qualquer operação em que um
composto, dissolvido em uma fase líquida, é
transferido para um outra fase também líquida.
A unidade de desasfaltação a propano da
Repar por exemplo utiliza torres extratoras gra-
deadas para extrair gasóleo (soluto) do resí-
duo de vácuo (solução), utilizando propano lí-
quido como solvente (Figura 6.7)
As bandejas gradeadas, constituídas por
células de formato hexagonal, são arranjadas
de modo a proporcionarem o máximo de con-
tato, entre a carga e o solvente.
Figura 6.7 – Esquema de uma Torre Extratora.
6.2.6 Panelas
São dispositivos instalados nas torres com
a finalidade de remover frações líquidas ao
longo da torre de destilação. Estas retiradas
podem ser parciais ou totais, para tanto os dis-
positivos são diferentes:
a) Panela de Retirada Total
Dá-se este nome quando o líquido da pa-
nela não transborda para a bandeja inferior.
Usa-se normalmente para retiradas de líqui-
dos com função de refluxo, quando o volume
circulante é muito grande (Figura 6.8).
Vapor
Figura 6.8 – Panela de Retirada Total.
b) Panela de Retirada Parcial
Dá-se esse nome quando o líquido da
panela transborda para a bandeja inferior.
(Figura 6.9)
Figura 6.9 – Panela de Retirada Parcial.
6.3 Torres Recheadas
São torres que contêm elementos de di-
versas formas ou recheios ao invés de bande-
jas, cuja finalidade é prover uma grade área
que, em operação, funciona como superfície
de contato entre líquido e vapor.
Da mesma forma que nas torres de bande-
jas, os vapores são ascendentes e o líquido
descendente.
Este tipo de torre é utilizado para absor-
ver, por exemplo, frações de H2S contidas nas
correntes de gases. Faz-se uma contra-corren-
te na torre, com dietanolamina (DEA). Este
Gasóleo
(ODES)
+
Solvente
Vapor
condensado
Resíduo
de vácuo
Solvente
Asfalto
Equipamentos Estáticos
37
líquido, ao descer, absorve o H2S contido no
gás. Dessa forma, sai, no topo, o gás isento de
H2S e, no fundo da torre, sai a DEA rica em
H2S (Figura 6.10).
Nos últimos anos, as refinarias têm subs-
tituído regiões com bandejas nas torres de vá-
cuo, por leitos recheados, com a finalidade de
reduzir a queda de pressão e aumentar, conse-
qüentemente, o rendimento do processo.
6.3.2 Suporte de Recheio
O suporte de recheio deve ser robusto, a
fim de resistir ao peso do mesmo e aos esfor-
ços resultantes da circulação dos processos
durante a operação. Entretanto, deve ter tam-
bém uma grande área livre para permitir a pas-
sagem do líquido, sem causar inundação da
torre.
Os tipos mais usados, são:
a) Grades de aço e
b) Placas de aço perfuradas (Figura 6.12).
Figura 6.10 – Esquema de uma Torre Recheada.
6.3.1 Recheios
Um bom recheio, deve possuir as seguin-
tes características:
– Apresentar grande superfície interfacial,
entre líquido e vapor;
– Ser quimicamente inerte para os flui-
dos processados;
– Possuir boa resistência mecânica, a fim
de evitar quebras;
– Ser de baixo custo.
Os recheios mais comumente usados são:
Figura 6.11
a) Anéis de Rashig
b) Cela de Intalox
c) Anéis Vazados
d) Anéis Pall-Ring
Figura 6.12 – Suporte de recheio.
Gás isento de H2S
DEA
Gás
+
H2S
DEA rica em H2S
Figura 6.11a
Figura 6.11b
Figura 6.11c
Figura 6.11d
38
Equipamentos Estáticos
7Fornos
7.1 Utilização (dos fornos nas plantas
de processo de petróleo)
Nas refinarias de petróleos e indústrias
petroquímicas, os fornos tubulares são incor-
porados ao processo com a finalidade de for-
necer calor, produzido pela queima de com-
bustíveis e transmitindo-o por radiação, con-
vecção e condução ao fluido, que circula numa
serpentina de tubos.
Os fornos são equipamentos de grande im-
portância nas plantas de processo, pois a utiliza-
ção de chama proveniente da queima de com-
bustíveis é ainda a melhor maneira de se aque-
cer grandes vazões de fluidos a altas temperatu-
ras, ou fornecer calor para reações químicas. No
primeiro caso, são denominados simplesmente
“fornos” e, no segundo, “fornos reatores”.
Em uma unidade de destilação, os fornos
de aquecimento representam cerca de 20% do
investimento total e, no caso dos fornos reato-
res, esta parcela é bem maior, pois constituem-
se em um dos principais equipamentos destas
unidades.
Cabe destacar a necessidade, cada vez
mais acentuada, de melhor se conhecer os for-
nos, tendo em vista os crescentes custos dos
óleos combustíveis, consumidos pelos fornos
e ainda a de se manter a operação segura dos
mesmos.
Observa-se, ainda, que de toda a energia
consumida por uma unidade média, 75 a 80%
é obtido por meio de queima de derivados com-
bustíveis nos fornos e caldeiras.
7.2 Características gerais dos fornos
O forno tubular é um equipamento proje-
tado para transferir um fluxo de calor, de tal
forma que se forem mantidas constantes a va-
zão e a temperatura de entrada, também será
constante a temperatura de saída.
É necessário gerar no forno, uma quanti-
dade de calor que supra o processo e compen-
se também as perdas. Este calor é gerado pela
queima de uma quantidade suficiente de com-
bustíveis através dos maçaricos instalados,
normalmente, na base ou nas paredes laterais
da câmara de combustão do forno ou zona de
radiação. Os tubos são, geralmente, colocados
próximo às paredes laterais e ao teto da câma-
ra de combustão, onde o calor é principalmente
transferido por radiação são também coloca-
das em outra região chamada de “câmara ou
zona de convecção”, onde o calor é principal-
mente transferido por convecção.
O ar necessário à combustão pode ser ad-
mitido no forno pela depressão (pressão nega-
tiva) reinante na câmara de combustão, devi-
do à tiragem feita pela chaminé, ou através e
ventiladores de tiragem forçada, quando o for-
no é dotado de pré-aquecimento de ar.
A capacidade ou tamanho de um forno é
traduzida pela carga térmica total que deve ser
absorvida pelo (s) fluido (s). A grande maio-
ria dos fornos situam-se na faixa de 10 a 350
milhões de Btu/h (2,5 a 90 x 106 kcal/h).
7.3 Classificação geral dos fornos
7.3.1 Quanto à utilização
Fornos de Aquecimento
Pré-aquecedores de carga de torres fracio-
nadas
Os fornos deste tipo são bastante comuns
em unidades de processos. Típicos são os for-
nos das torres de destilação atmosférica e a
vácuo.
A carga usualmente líquida é pré-aquecida
em trocadores de calor, a fim de se obter o
melhor rendimento térmico da unidade, sain-
do do forno parcialmente vaporizada.
Refervedores de torres fracionadas
O fluido sai do fundo da torre de destila-
ção, circula pelo forno e retorna, à torre, parcial-
mente vaporizado e ligeiramente aquecido.
Equipamentos Estáticos
39
Refervedores são encontrados em refina-
rias de petróleo, por exemplo, nas torres de
pré-flash.
Aquecedores de carga de reatores
Os fornos deste tipo têm como objetivo ele-
var a temperatura da carga ao nível necessário
para ocorrer a reação química em um reator a
jusante do forno.
Neste caso, enquadram-se, por exemplo,
os fornos existentes em unidades de reforma
catalítica, hidrocraqueamento e planta de pro-
dução de estireno. As condições de entrada e
saída do forno variam muito, dependendo da
aplicação.
7.4 Fornos Reatores
Nesta categoria de fornos, estão aqueles em
cujas serpentinas ocorrem reações químicas.
Geralmente, estes fornos são especialmen-
te projetados em função de cada aplicação e
seus projetistas procuram patenteá-los. Cons-
tituem-se em equipamentos de alto custo e tec-
nologia sofisticada.
7.4.1 Reformadores para unidades de hidrogênio
e amônia
A carga, geralmente, gás natural ou nafta,
reage com vapor d’água, nos tubos do refor-
mador, produzindo hidrogênio, monóxido de
carbono e dióxido de carbono.
Geralmente, são fornos tipo caixa com
tubos verticais cheios de catalisador. Um pro-
jetista usa, para estes reformadores, pressões
na ordem de 500 psig (36 kgf/cm2) e tempera-
tura de saída de 1.500 °F (815°C).
7.4.2 Fornos de pirólise
A carga consiste em hidrocarbonetos sa-
turados principalmente, que são aquecidos a
altas temperaturas e baixas pressões produzin-
do hidrocarbonetos insaturados como etileno,
propileno, butadieno, etc. As reações ocorrem
em presença de vapor d’água.
Estes fornos são geralmente do tipo cai-
xa. As temperaturas de saída são da ordem
de1.600°F (870°C), enquanto a pressão cor-
responde a cerca de 50 psig (4.5 kgf/cm2 abs.)
7.4.3 Quanto ao aspecto construtivo
A padronização dos projetos de fornos
é muito difícil devido à diversidade de apli-
cação requerida, o que acarreta a necessida-
de de se projetar cada forno para cada aplicação
(Alguns projetistas possuem projetos “standards”
para fornos radiantes de carga térmica até
10 x 103 Btu/h).
Devido a isto, há muitas variações no
“layout”, no projeto e no aspecto construtivo
dos fornos.
A principal classificação dos fornos tubu-
lares é baseada na posição dos tubos na seção
de radiação ou na forma da carcaça metálica
externa, dando origem a fornos verticais ou
horizontais. Os fornos verticais exigem me-
nor área para construção e, em geral, levam a
um menor investimento.
7.4.4 Cilindro vertical sem seção de convecção
(Figura 7.1)
Neste tipo de forno, os tubos são posicio-
nados verticalmente ao longo da câmara de
combustão de formato cilíndrico. Os queima-
dores são posicionados no piso do forno.
São fornos de baixa eficiência, baixo cus-
to, com cargas térmicas típicas na faixa de até
a 20 x 106 Btu/h (5,0 x 106 kcal/h).
Atualmente, estes fornos têm pequena
aplicação devido a sua baixa eficiência con-
trapondo-se aos altos
preços do petróleo. No
entanto, podem ser utilizados em serviços de
operação esporádica, como fornos de partida.
O termo “all radiant”, também emprega-
do para este tipo de forno, não é adequado,
pois, embora o forno só possua zona de radia-
ção, parte do calor total absorvido deve-se ao
mecanismo de convecção, uma vez que o es-
coamento dos gases de combustão provoca as
correntes de convecção, principalmente na re-
gião entre os tubos e a parede de refratários.
Figura 7.1
40
Equipamentos Estáticos
7.4.5 Cilíndrico vertical com seção de convecção
horizontal
(Figura 7.2)
Estes fornos possuem as seções de radia-
ção e convecção. Na seção de radiação, os tu-
bos são dispostos verticalmente ao longo da
câmara de combustão, e, na seção de convec-
ção, os tubos são arranjados horizontalmente
e posicionados acima da câmara de combus-
tão. Esta configuração permite um projeto eco-
nômico e altamente eficiente, com um míni-
mo de área de construção.
As cargas térmicas típicas são de 10 a
200 x 106 Btu/h (2,5 a 50 x 106 kcal/h).
Figura 7.2
7.4.6 Tipo de cabine com tubos horizontais
(Figura 7.3)
Nesta classe, enquadram-se a grande quan-
tidade de fornos de aquecimento da atualidade.
Os tubos são arranjados horizontalmente tan-
to na câmara de combustão, quanto no teto in-
clinado e na zona de convecção.
Os queimadores podem ser colocados no
piso ou nas paredes verticais não cobertas pe-
los tubos.
Este é um projeto econômico, com alta
eficiência e bastante comum em unidades de
processos, principalmente na destilação de
petróleo.
As cargas térmicas típicas variam de 10 a
200 x 106 Btu/h (2,5 50 x 106 kcal/h).
Figura 7.3
7.4.7 Tipo Caixa com câmara de Combustão
Independente
(Figura 7.4)
Os tubos da zona de radiação são arranja-
dos horizontalmente ao longo da paredes late-
rais e dos tetos das duas câmaras de combus-
tão. A zona de convecção fica situada na parte
superior, com os tubos também na posição ho-
rizontal.
A parede divisória permite um controle de
combustão, independente das câmaras. Os quei-
madores são posicionados no piso do forno.
É também um projeto econômico e com alta
eficiência, que envolve cargas térmicas típicas
de 100 a 250 x 106 Btu/h (25 a 65 x 106 kcal/h).
Figura 7.4.
Equipamentos Estáticos
41
7.4.8 Tipo Caixa com Queimadores nas Paredes
(Figura 7.5)
Os tubos de zona de radiação são arranja-
dos horizontalmente ao longo das paredes la-
terais do teto da câmara de combustão. Os tu-
bos da zona de convecção são também hori-
zontais e posicionados acima da câmara de
combustão.
Os queimadores são montados nas paredes
laterais não cobertas pelos tubos. As cargas tér-
micas típicas estão entre 5 e 50 x 106 Btu/h (de
1,25 a 12,5 x 106 kcal/h).
Figura 7.5
Figura 7.6
7.5 Estrutura e carcaça metálica
Obviamente, a finalidade da estrutura
metálica de um forno é a de sustentar o peso
do forno e, ainda, os esforços devido aos ven-
tos. Os suportes dos tubos apoiam-se direta-
mente nas vigas.
Observa-se que a estrutura não está sujei-
ta às altas temperaturas dos gases de combus-
tão, pois está colocada externamente aos re-
fratários.
As chapas que formam a carcaça metálica
apóiam-se na estrutura e servem para susten-
tar os refratários (quando forem de fibra ce-
râmica ou concreto refratário) e garantir a
estanqueidade do forno, não permitido a entra-
da do ar. Geralmente, são chapas de aço carbo-
no 3/16"ou 1/4".
7.6 Refratários
Têm as seguintes finalidades:
a) Isolar a câmara de combustão dos ele-
mentos estruturais;
b) Irradiar o calor não absorvido pelos tu-
bos para dentro da câmara;
c) Evitar perdas de calor para o exterior;
d) Evitar que os gases de combustão, que
contêm compostos de enxofre, atinjam
as chapas da carcaça metálica onde se
condensariam formando ácidos corro-
sivos.
Como facilmente pode-se deduzir, os ma-
teriais refratários empregados em um forno
devem ter:
a) Capacidade de resistir a altas tempera-
turas;
7.4.9 Tipo Cabine com Altar
(Figura 7.6)
Fornos iguais ao item n.º 7.4.6, porém
possuem uma parede divisória de refratári-
os (altar), que separa a câmara de combus-
tão em duas células independentes, e per-
mite, assim, melhorar a distribuição de ca-
lor ao longo da altura da câmara de com-
bustão, bem como controlar individualmente
cada célula.
Os queimadores podem ser colocados nas
paredes ou no piso, sempre inclinados para o
altar.
As cargas térmicas típicas variam de 20 a
100 x 106 Btu/h (5 a 25 x 106 kcal/h).
42
Equipamentos Estáticos
b) Resistência mecânica elevada;
c) Resistência a erosão;
d) Resistência a ataques químicos de áci-
dos, bases, metais, etc., que podem ser
encontrados nos gases de combustão de
óleos combustíveis.
Os principais tipos de materiais refratários
e isolantes são:
– tijolos refratários;
– concretos refratários;
– fibras cerâmicas.
7.7 Tubos
7.7.1 Tubos de radiação
Os tubos da seção de radiação são sempre
lisos, pois a utilização de tubos aletados em
uma seção em que as taxas de calor são muito
elevadas provocaria a formação de pontos
quentes nos tubos e acarretaria a falha prema-
tura do material.
O diâmetro varia de 2" a 8", entretanto 4"
corresponde ao diâmetro nominal que, geral-
mente, leva à configuração mais econômica.
O comprimento usual é de 10 a 20 m para
os fornos com tubos horizontais.
7.7.2 Tubos de Convecção
Geralmente são aletados ou pinados, com
a finalidade de se aumentar o coeficiente de
troca de calor externo aos tubos. No Brasil,
devido à utilização de óleos combustíveis pe-
sados, a escolha recai nos tubos pinados, que
apresentam menor tendência a reter cinzas em
relação aos aletados.
As duas primeiras filas de tubos de con-
vecção são sempre lisas, por estarem sujeitas,
também, à troca de calor por radiação.
Os tubos que formam estas duas primei-
ras filas são denominados de “tubos de prote-
ção” ou tubos escudos.
Os diâmetros dos tubos de convecção são,
geralmente, menores que os de radiação.
Quanto ao arranjo, deve-se observar que,
enquanto na radiação, procura-se espaçar os
tubos para obter uma boa distribuição do ca-
lor; na convecção, procura-se aproximar os
tubos, de maneira a obter uma alta velocidade
dos gases e, portanto, uma boa troca de calor.
7.8 Curvas e cabeçote de retorno
A utilização de cabeçotes de retorno mandri-
lados, tem como finalidade a aplicação de limpeza
mecânica interna aos tubos dos fornos com flui-
dos sujeitos ao craqueamento.
A limpeza através de vapor d’água e ar,
permite usar curvas de retorno, de custo bem
mais baixo que o cabeçote. Estas curvas de
retorno são colocadas às extremidades dos
tubos.
A utilização de cabeçotes de retorno re-
quer que estes sejam instalados externamente
à câmara de combustão, para evitar altos flu-
xos de calor. A caixa que contém os cabeçotes
é denominada caixa de cabeçotes. Quando se
utiliza curva de retorno, estas podem locali-
zar-se dentro da câmara.
Na seção de convecção, utilizando cabe-
çotes ou curvas de retorno, recomenda-se usá-
los externos à câmara, em caixas de cabeço-
tes. Quando colocados inteiramente, favore-
cem a formação de caminhos preferenciais para
os gases de combustão.
Os raios das curvas de retorno são geral-
mente escolhidos de tal forma, que a distância
centro a centro dos tubos seja de dois diâme-
tros nominais.
7.9 Suportes dos tubos
São projetados para suportar: os pesos dos
tubos e fluido, os esforços de atrito devido à
dilatação térmica e do ∆T (gradiente de tem-
peratura) ao longo de sua altura.
Usualmente, são colocados espaçados em,
no máximo, 35 diâmetros nominais ou 6 m.
Fabricados a partir de materiais nobres, tais
como ligas contendo 25% de Cr, e 20% Ni, ou
ainda, ligas com 50% de Cr e 50% de Ni.
Observa-se que os suportes não recebem
qualquer resfriamento, como ocorre
nos tu-
bos que são “resfriados” pelo fluido em es-
coamento.
As serpentinas verticais são simplesmen-
te suportadas pelo topo e guiadas por pinos
soldados às curvas de retorno ao fundo.
7.10 Queimadores
As funções dos queimadores são: liberar
combustíveis e ar para a câmara de combus-
tão; promover a mistura do combustível com
o ar; dar condições para a contínua queima da
mistura combustível-ar e, no caso de combus-
tíveis líquidos, atomizar e vaporizar o com-
bustível.
Equipamentos Estáticos
43
7.11 Chaminé e abafadores
A Chaminé tem como finalidades:
– Lançar os gases de combustão a uma
altura tal, que provoque a dispersão dos
mesmos, minimizando a poluição.
– Fornecer a tiragem necessária, isto é,
permitir que, por diferença de densida-
des, os gases, ao subirem, succionem o
ar para a combustão.
– Manter todo o forno em pressões leve-
mente negativas, a fim de evitar fugas
de gases pelas paredes, o que poderia
aquecer a estrutura do forno.
A função do abafador da chaminé é ajus-
tar o perfil de tiragem do forno, controlando a
tiragem na região diretamente abaixo da se-
ção de convecção do forno.
Os abafadores podem ser de folha única
ou de folhas múltiplas, quando a chaminé ti-
ver grandes diâmetros. São operados manual-
mente do solo, através de cabos. Em caso de
grandes abafadores, é possível manuseá-los
com operadores pneumáticos.
7.12 Sopradores de fuligem / ramonadores
Os gases de combustão de óleo combustí-
vel, ao passarem pela região de convecção,
geralmente formada por tubos pinados, tendem
a formar depósitos que prejudicam notavel-
mente a transferência de calor. Os principais
constituintes destes depósitos são: enxofre,
vanádio, sódio e cinzas, Destes constituintes,
as cinzas são os principais responsáveis pela
alta taxa de deposição.
O método mais usual de se remover, em
operação, estes depósitos é o emprego de ja-
tos de vapor d’água sobre a superfície dos tu-
bos, através do uso de sopradores de fuligem.
Anotações
44
Equipamentos Estáticos
8Caldeiras
8.1 Considerações gerais
Na acepção ampla, caldeira é um troca-
dor de calor que tem por finalidade a produ-
ção de vapor a partir de um fluido vaporizante
e energia térmica. A energia térmica pode ser
obtida através da queima de um combustível
sólido, líquido ou gasoso ou por intermédio
de resistências elétricas. As usinas termonu-
cleares utilizam a fissão do urânio 235.
No presente material, serão abordados
apenas os geradores de vapor de água, dora-
vante derivados de caldeiras.
Em termos práticos, a geração de vapor é
obtida através dos geradores de vapor propri-
amente ditos (caldeiras) e pelo aproveitamen-
to de calor residual desenvolvido em alguns
tipos de processos, como é o caso das refinarias
de petróleo.
8.2 Classificação das caldeiras
As caldeiras podem ser classificadas con-
forme qualquer das características seguintes:
uso, pressão de serviço, fonte de aquecimen-
to, conteúdo nos tubos, tipo de fornalha, prin-
cípio de funcionamento, etc.
Existem duas classes de geradores de va-
por bem definidas:
– Flamotubulares (tubos de fogo) e
– Aquatubulares (tubos de água).
8.2.1 Caldeiras Flamotubulares
São aquelas em que os gases quentes pro-
venientes da combustão passam no interior dos
tubos, ficando externamente aos tubos a água,
como mostra a Figura 8.1.
Figura 8.1.
Gases quentes
Tubo
Água
vaporizada
Existem vários tipos de caldeiras Flamo-
tubulares, dentre as quais são destacadas a
vertical (Figura 8.2) e a horizontal (Figura 8.3).
Figura 8.2 – Caldeira Flamotubular Vertical.
Figura 8.3 – Caldeira Flamotubular Horizontal.
As caldeiras flamotubulares apresentam
vantagens tais como:
– construção fácil, com relativamente
poucos custos;
– são bastante robustas;
– não exigem tratamento de água muito
cuidadoso;
– exigem pouca alvenaria.
Como desvantagens das caldeiras flamo-
tubulares, podem ser levantados os seguintes
aspectos:
– pressão limitada: máximo até 15 atm,
devido à espessura da chapa dos corpos
cilíndricos crescer com o diâmetro;
– partida lenta, em função do grande vo-
lume de água;
– pequena taxa de vaporização (produção
de vapor por unidade de superfície de
aquecimento);
Chaminé
Damper (controle de tiragem)
Vapor
saturado
Nível
Tubos de fogo
Fornalha
Alim. de água
Saída de vapor Chaminé
Tubos de fogo
Nível
Fornalha
Equipamentos Estáticos
45
– circulação deficiente de água;
– oferecem dificuldades para instalação
de superaquecedores economizadores
e pré-aquecedores de ar;
– pequena capacidade.
O uso das caldeiras flamotubulares é bas-
tante restrito (em pequenas indústrias, hospi-
tais, hotéis, para aquecimento interno, etc.).
8.2.2 Caldeiras Aquotubulares
São aquelas em que as chamas e os gases
de combustão envolvem os tubos, circulando
água internamente nos tubos, conforme ilus-
tra o esquema da Figura 8.4.
Figura 8.4.
As caldeiras aquotubulares são usadas nos
modernos projetos industriais, pois podem pro-
duzir grandes quantidades de vapor a eleva-
das temperaturas. A produção de vapor neste
tipo de caldeira atinge até 750 ton/h, a pressões
da ordem de 200 t.
8.2.3 Classificação quanto à tiragem
– Tiragem natural: O fluxo de gases (ti-
ragem) é conseguido unicamente pela
ação da chaminé devido à diferença de
densidades ao longo da mesma, provo-
cada pela diferença de temperatura dos
gases de combustão.
– Tiragem mecânica forçada: O fluxo dos
gases é obtido através da instalação de
um ventilador na linha de ar de com-
bustão, forçando-o a entrar na câmara
de combustão. A pressão na câmara de
combustão deste tipo de equipamento
normalmente é positiva.
– Tiragem mecânica induzida: O fluxo
dos gases é obtido através da instala-
ção de um ventilador na saída dos ga-
ses, induzindo, assim, os gases a per-
correr o gerador de vapor.
– Tiragem mecânica balanceada: Insta-
lam-se dois ventiladores, o de tiragem
forçada vence as perdas de carga até a
entrada da câmara de combustão, e o
de tiragem induzida vence o restante
das perdas de cargas.
8.2.4 Classificação quanto à circulação
– Circulação natural: a circulação de
água através dos elementos tubulares é
conseguida pela diferença de densida-
des existente entre os tubos geradores
de vapor (“Risers”) “A” e os tubos
economizadores (não vaporizantes ou
“DOWN COMERS”) “B”, conforme
ilustrado nas Figuras 8.5. e 8.7.
Figura 8.5 – Circulação natural.
– Circulação forçada: A circulação de
água é conseguida pela instalação de
uma bomba no circuito. São normal-
mente caldeiras de alta pressão, devi-
do a pequenas diferenças entre a den-
sidade do vapor saturado e do líquido
saturado, dificultando a circulação na-
tural.
Figura 8.6 – Circulação forçada.
8.3 Elementos principais de uma caldeira
Uma caldeira, é, normalmente, constituí-
da dos seguintes elementos principais: Figu-
ras 8.5; 8.6; 8.7; 8.8.
8.3.1 Tubulão de vapor
Tambor localizado na parte superior da
caldeira, onde água e vapor saturado estão em
equilíbrio, na temperatura de saturação corres-
pondente à pressão do mesmo.
Saída de vapor
Água
Água
+
vapor
Maçaricos
Gases de
combustão
Nível de água
Vapor + água
A B
Calor
Tambor de vapor
Vapor
Só água
Tambor de água;
ou de lama
Descarga
Só água
Convecção
EconomizadorEntrada
Saída
Radiação
Bomba
46
Equipamentos Estáticos
8.3.2 Tubulão de água
Localizado na parte inferior da caldeira
cheio d´água, normalmente, em dimensões me-
nores do que o anterior.
8.3.3 Feixe convectivo
É um feixe de tubos interligando os tam-
bores de vapor e de água. A troca de calor com
os gases quentes dá-se por convecção.
8.4 Paredes de água
São paredes formadas por tubos, interli-
gando os tambores de água e de vapor. As pa-
redes de água
(laterais, frontais, teto e fundo)
geram um espaço vazio denominado “Câma-
ra de Combustão”. Os itens de 3.1 até 3.4 cons-
tituem a caldeira propriamente dita, que é a
parte responsável pela produção de vapor
saturado.
8.5 Superaquecedores
8.5.1 Generalidades
Os equipamentos de acionamento a vapor
são projetados para operar com vapor supera-
quecido. Para se conseguir vapores com estas
características, são usados os superaquecedo-
res, aparelhos destinados a elevar a tempera-
tura do vapor saturado sem aumentar, no en-
tanto, sua pressão.
As vantagens do uso do vapor superaque-
cido são basicamente duas: a primeira, é me-
ramente contar com maior disponibilidade de
energia, e a segunda, a mais importante, é o
aumento de rendimento das turbinas, devido,
principalmente ao maior salto entálpico dis-
ponível.
O total de ganhos de calor ou energia, com
vapor superaquecido é de aproximadamente
3% para cada 60°C de superaquecimento.
O superaquecedor consiste em dois cole-
tores, um de entrada e um de saída, ligados
por um feixe tubular reto ou curvo, localizado
perto ou logo acima dos espaços ocupados
pelos elementos geradores de calor.
Apesar dos vários tipos existentes, todos
utilizam, como fonte de calor, os gases de com-
bustão.
O superaquecedor é um aparelho a que se
deve dispensar cuidados especiais, a fim de que
não se danifique. Por isso, deve ser protegido
do calor excessivo da fornalha. Uma das prote-
ções oferecidas ao superaquecedor é a “cortina
d’água”, que é constituída por parte do feixe
tubular da caldeira, que fica situado entre a for-
nalha e o superaquecedor. Mas apenas a “corti-
na d’água” não é proteção suficiente para o supe-
raquecedor no acendimento das caldeiras.
Na partida durante o acendimento de
caldeiras com superaquecedores, a queima ini-
cial deve ser baixa até que haja vaporização e
conseqüentemente a circulação do vapor atra-
vés do superaquecedor. A partir desse momen-
to, pode-se elevar o grau de combustão grada-
tivamente, obedecendo a uma curva de aque-
cimento, fornecida pelo fabricante, até atingir
a pressão de trabalho.
8.5.2 Tipos
a) Quanto à ligação ao gerador de vapor,
os superaquecedores podem ser inte-
grais, quando integrantes de caldeira,
ou independentes, quando a fonte de
calor é proveniente de uma fornalha
independente.
b) Quanto à transferência de calor, podem
ser classificados em de radiação ou de
convecção. Nos de radiação, a superfí-
cie do superaquecimento fica exposta
diretamente às chamas, enquanto que
os de convecção são protegidos pela
cortina d’água, e a transferência de ca-
lor ocorre quando só gases passam pela
superfície de superaquecimento.
Saída
Tambor
de vapor
Parede
de água
Tambor
de água
Água
Mistura
vapor + água
Vapor saturado
Vapor superaquecido
Figura 8.7 – Diagrama de circulação.
Equipamentos Estáticos
47
8.5.3 Fatores de influência operacional
Além dos fatores construtivos, como lo-
calização e tipo de superaquecedor, uma série
de fatores operacionais influenciam no grau
de superaquecimento do vapor:
– excesso de ar;
– temperatura da água de alimentação;
– taxa de vaporização;
– título do vapor;
– número de equipamentos auxiliares
consumidores de vapor saturado.
Quanto maior for o excesso de ar, mais
elevado será o grau de superaquecimento, pois
o excesso de ar reduz o calor e aumenta a ve-
locidade dos gases na fornalha. Diminuindo a
vaporização, aumenta o calor disponível por
unidade de massa de vapor no superaquecedor
de convecção.
Um aumento na temperatura de alimenta-
ção, para o mesmo consumo do combustível,
irá diminuir o superaquecimento, pois aumen-
tará a taxa de vaporização, aumentando o vo-
lume de vapor no superaquecedor, para a mes-
ma quantidade de calor disponível.
Qualquer umidade que acompanhe o va-
por saturado ao superaquecedor provoca osci-
lação no grau de superaquecimento; se por uma
circunstância qualquer, houver um arraste para
o superaquecedor, diminuirá o título do vapor, com
conseqüente redução de superaquecimento.
8.6 Pré-aquecedores
8.6.1 Generalidades
Pré-aquecedores são aparelhos destinados
a aproveitar o calor dos gases de combustão
para aquecer o ar necessário para combustão.
A instalação ou não de um pré-aquecedor
e o seu dimensionamento dependem de fato-
res econômicos e de engenharia.
Os fatores econômicos mais importantes são:
– custo original do equipamento;
– custos de operação e
– custos de manutenção.
Os fatores de engenharia envolvidos são:
– espaço;
– características do combustível e
– temperaturas desejadas para a entrada
de ar e a saída do gás.
Com os combustíveis comuns, em iguais
condições de fornalha, a eficiência de uma
caldeira como um todo aumenta de cerca de
2,5% para cada 50°C de queda na temperatura
de saída do gás.
O pré-aquecedor que aquece o ar para tem-
peraturas acima de 150°C proporciona uma
economia de 5 a 10% de combustível.
O pré-aquecedor de ar acelera a combus-
tão em todas as cargas, melhora a combustão
em baixas cargas e aumenta a eficiência.
8.6.2 Classificação
Os pré-aquecedores podem ser classifi-
cados, de acordo com o princípio de sua ope-
ração, em:
a) recuperativos e
b) regenerativos.
Nos pré-aquecedores recuperativos, o ca-
lor proveniente do gás de combustão é trans-
ferido para o ar através de uma superfície me-
tálica.
Nos pré-aquecedores do tipo regenerati-
vo, o calor é transferido do tipo Ljungstron é
um dos mais representativos. É constituído de
um envólucro metálico isolado, no interior do
qual gira um rotor inteiramente metálico, di-
vidido em compartimentos (Figura 8.8).
Figura 8.8 – Pré-aquecedor do tipo regenerativo.
8.6.3 Corrosão
O pré-aquecedor é o elemento que utili-
za o calor do gás, após a sua passagem pela
fornalha, superaquecedor e economizador,
onde, portanto, a temperatura já é mais baixa.
Como conseqüência, problemas como corro-
são dos tubos, depósito de fuligem e cinzas
nas superfícies de troca podem ocorrer. Furos
de tubos, nos pré-aquecedores de recuperação,
podem exigir um consumo extra de energia
pelos ventiladores.
8.7 Economizadores
O economizador é o aparelho que tem a
finalidade de absorver o calor sensível dos
gases de combustão, para aquecer a água de
alimentação de caldeiras. Assim, os gases, já
com temperaturas mais baixas que na forna-
lha, cedem mais calor, resultando maior eco-
nomia para o sistema.
48
Equipamentos Estáticos
Internamente, os economizadores (no caso
de não ter havido eliminação dos gases) estão
sujeitos à corrosão, devido ao oxigênio dis-
solvido e ao baixo valor de pH.
Como a corrosão é muito menor na faixa
de pH alcalino, é conveniente, muitas vezes,
corrigir o pH da água de alimentação para 8
ou 9.
Externamente, devido à baixa temperatu-
ra da água de alimentação, os tubos do econo-
mizador podem provocar a condensação da
umidade dos gases de combustão, acelerando
a corrosão. Quando isto acontece na presença
de produtos de combustão de enxofre, a taxa
de corrosão aumenta, à medida que a tempe-
ratura for reduzida.
À medida que o teor de enxofre aumenta,
o ponto de orvalho do gás também aumenta,
agravando assim as condições de corrosão.
Experiências mostram que a taxa de cor-
rosão ácida pode ser reduzida a limites segu-
ros mantendo a temperatura da água de ali-
mentação acima de certos valores mínimos.
Figura 8.9 – Componentes principais de gerador de vapor.
8.8 Queimador
É o conjunto de elementos com função de
suprir o calor excessivo à geração de vapor,
através da queima de combustíveis.
Pode ser dividido em “queimador” pro-
priamente dito e “distribuidor de ar”.
8.8.1 Queimador
É o equipamento que prepara o combus-
tível a ser queimado na caldeira.
Existem queimadores de óleo combustí-
vel, queimadores de gás combustível e quei-
madores de CO (monóxido de carbono);
Dentre estes, destacam-se os queimado-
res de óleo combustível.
8.8.2 Distribuidor de ar
O maçarico é o elemento que se destina a
receber o óleo e atomizá-lo para o interior da
fornalha. Consta da peça de ligação, onde pe-
netram o óleo e o vapor; do corpo; que conduz
o óleo e o agente pulverizador; e do bico ou
pulverizador, colocado no corpo, na extremi-
dade oposta à peça de ligação.
A pulverização é conseguia com o auxílio
de um agente pulverizador, que pode gerar
comprimido, vapor d’água ou mecanismos de
pulverização mecânica.
Em suma, as finalidades do queimador são:
– pulverizar o combustível;
– misturar intimamente o óleo, já em né-
voa, com o ar;
– manter as proporções entre o ar e o óleo.
8.8.3 Queimador de óleo combustível
É provido de “DAMPER” ou “Registro”
que regulam a entrada do ar fornecido do com-
bustível através do Soparador de ar.
8.9 Ramonador (ou soprador de fuligem)
Durante a operação normal da caldeira,
verificam-se depósitos de fuligem nos tubos,
resultantes da queima do combustível. Esta
fuligem tem de ser retirada, pois atua como
um isolante. Em vista disso, são instalados nas
caldeiras, entre as fileiras de tubos, aparelhos
destinados a limpar, periodicamente, o lado de
fogo das caldeiras, removendo os depósitos de
fuligem. Esta limpeza deve ser efetuada duas
vezes por dia, no mínimo antes de qualquer
parada da caldeira e sempre com a caldeira em
operação, com cargas elevadas (para evitar
explosões no percurso dos gases).
O romonador é constituído, basicamen-
te, de um tubo perfurado, ligado a uma rede
de vapor (Figura 8.10).
Figura 8.10 – Soprador de fuligem.
Maçaricos
Alimentação
de água
Ar
Vapor
saturado
2
1
5
3
1 6
8
7
(1) Tambor de vapor
(2) Tambor de lama
(3) Feixe tubular
(4) Fornalha
(5) Superaquecedor
(6) Economizador
(7) Pré-aquecedor de ar
(8) Chaminé
Equipamentos Estáticos
49
8.10 Internos do Tubulão
8.10.1 Separadores de vapor
São legítimos filtros de vapor, constituí-
dos de chapas corrugadas, dispostas ao longo
da tubulação, por onde o vapor saturado deve
passar, antes de atingir as canalizações que o
levarão ao coletor de entrada do superaquece-
dor. Têm a finalidade de reter as partículas lí-
quidas ou sólidas arrastadas pelo vapor.
8.10.2 Ciclones
São dispositivos destinados a produzir um
retardamento temporário ao escoamento de um
fluido, fazendo-o mudar de direção; em com-
binação com defletores de vapor do tipo “pla-
ca”, orientam os fluxos de vapor e da água.
Observar os internos das figuras 8.11.a e
8.11.b.
Vapor + água
Água
Vapor saturado
Vapor + água
Vapor
saturado
Figura 8.11.a – Acessórios internos do tambor de vapor.
Vapor saturado
Vapor + água
Vapor + água
Vapor saturado
Figura 8.11.b – Acessórios internos do tambor de vapor.
8.11 Válvulas
8.11.1 Válvulas de Bloqueio
São válvulas colocadas em linha de água,
combustível, ar e vapor, com a finalidade ex-
clusiva de isolamento do sistema.
8.11.2 Válvula de Retenção
Colocadas nas diversas linhas, com a fi-
nalidade de evitar o retorno do fluxo.
8.11.3 Válvulas de Controle
Colocadas nas várias linhas com a finali-
dade de controlar o fluxo, quer automática,
quer manualmente.
8.11.4 Válvulas de Segurança
São dispositivos que se destinam a des-
carregar, automaticamente, para a atmosfera,
parte do vapor, quando a pressão na caldeira
atingir certo limite, prevenido, assim, a cria-
ção de qualquer situação de insegurança.
Das válvulas de segurança, exigem-se cer-
tos requisitos, tais como:
– abrir e fechar a pressões determinadas;
– abrir e fechar rapidamente sem trepi-
dação e
– vedar perfeitamente, quando fechada.
As válvulas de segurança estão colocadas
no superaquecedor e tubulão superior, deven-
do abrir numa seqüência pré-determinada.
8.11.5 Válvulas de purga de superfície
Instaladas numa tubulação, próxima ao
nível de água no tubulão superior, destinam-
se a retirar, constantemente, uma quantidade
de água “concentrada”, a fim de manter a con-
centração de sais solúveis e de materiais em
suspensão.
50
Equipamentos Estáticos
8.11.6 Válvulas de purga de fundo
Instaladas em tubos ligados aos tubulões
inferiores e aos coletores, destinadas a reduzir
as quantidades de sólidos e sais, que se depo-
sitam em forma de lama, no fundo das caldeiras.
Somente devem ser dadas descargas de
fundo com as caldeiras fora de operação ou
em baixa carga.
8.11.7 Válvulas de “vent”
Instaladas na parte superior do tubulão de
vapor e dos superaquecedores bem como em
outros pontos altos, para escape de ar, quando
se enche a caldeira ou quando se dá partida.
8.12 Termos usuais em trabalhos de
caldeiras
Os termos usados nos serviços de caldei-
ras são muitos. Alguns dos mais importantes
estão relacionados a seguir:
Rendimento Específico: é a relação en-
tre a massa do vapor produzido pela massa de
combustível gasto.
Rendimento térmico: é a relação entre o
calor absorvido pelo vapor gerado e o calor
desprendido pelo combustível queimado.
Superfície de aquecimento: é o conjun-
to de superfícies metálicas, através das quais
ocorre a transferência de calor entre o gás de
combustão e a água ou o vapor.
Capacidade d’água: é a quantidade de
água que uma caldeira contém, com o nível
normal de operação.
Taxa de vaporização: é a produção de va-
por por unidade de superfície de aquecimento.
Capacidade: é a quantidade de vapor pro-
duzido por unidade de tempo.
Tempo de vaporização: é o intervalo de
tempo entre o acendimento e o momento em
que a caldeira começa a produzir vapor, nas
condições especificadas.
Consumo: é a quantidade de combustível
gasta por unidade de tempo.
Pressão de regime: é a pressão normal de
funcionamento de uma caldeira.
Pressão máxima: é a pressão máxima
com a qual a caldeira pode funcionar.
Temperatura de superaquecimento: é a
temperatura do vapor na saída do superaque-
cedor.
“Make-up”: é a porção de água introdu-
zida no sistema da caldeira para compensar o
condensado não retornado e as purgas
efetuadas.
“Blow-down”: é a descarga da água sob
pressão para reduzir a concentração de sais na
água da caldeira.
Ramonagem: é a limpeza das superfícies
externas dos tubos com sopro de vapor.
Tiragem: é o fluxo de ar que supre a for-
nalha do oxigênio necessário à combustão e
retira os gases resultantes.
Tiragem forçada: é o fluxo de ar que su-
pre a fornalha.
Tiragem induzida: é o fluxo de gases re-
tirados da caldeira.
Anotações
Equipamentos Estáticos
51
No UnicenP, a preocupaçªo com a construçªo e reconstruçªo do
conhecimento estÆ em todas as açıes que sªo desenvolvidas pelos pró-
reitores, diretores de Nœcleos, coordenadores de Cursos e professores.
Uma equipe coesa e unida, em busca de um só objetivo: a formaçªo do
cidadªo e do profissional, que Ø capaz de atuar e modificar a sociedade
por meio de suas atitudes. Preparar este cidadªo e este profissional Ø uma
responsabilidade que esta equipe assume em suas atividades no Centro
UniversitÆrio Positivo, que envolvem, principalmente, as atividades em
sala de aula e laboratórios, bem como a utilizaçªo contínua dos recursos
disponibilizados pela Instituiçªo em seu câmpus universitÆrio. Esta equipe
trabalha em trŒs nœcleos bÆsicos da Ærea de graduaçªo – Nœcleo de
CiŒncias Humanas e Sociais Aplicadas, Nœcleo de CiŒncias Biológicas e da
Saœde, Nœcleo de CiŒncias Exatas e Tecnológicas – alØm das Æreas de pós-
graduaçªo e de extensªo.
O UnicenP oferece em seus blocos pedagógicos 111 laboratórios, clínicas
de fisioterapia, nutriçªo, odontologia e psicologia, farmÆcia-escola,
biotØrio, central de estagio, centro esportivo e salas de aula, nos quais Ø
encontrada uma infra-estrutura tecnológica moderna que propicia a
integraçªo com as mais avançadas tØcnicas utilizadas em cada Ærea do
conhecimento.
52
Equipamentos Estáticos
Principios Éticos da Petrobras
A honestidade, a dignidade, o respeito, a lealdade, o
decoro, o zelo, a eficÆcia e a consciŒncia dos princípios
Øticos sªo os valores maiores que orientam a relaçªo da
Petrobras com seus empregados, clientes, concorrentes,
parceiros, fornecedores, acionistas, Governo e demais
segmentos da sociedade.
A atuaçªo da Companhia busca atingir níveis crescentes
de competitividade e lucratividade, sem descuidar da
busca do bem comum, que Ø traduzido pela valorizaçªo
de seus empregados enquanto seres humanos, pelo
respeito ao meio ambiente, pela observância às normas
de segurança e por sua contribuiçªo ao desenvolvimento
nacional.
As informaçıes veiculadas interna ou externamente pela
Companhia devem ser verdadeiras, visando a uma
relaçªo de respeito e transparŒncia com seus
empregados e a sociedade.
A Petrobras considera que a vida particular dos
empregados Ø um assunto pessoal, desde que as
atividades deles nªo prejudiquem a imagem ou os
interesses da Companhia.
Na Petrobras, as decisıes sªo pautadas no resultado do
julgamento, considerando a justiça, legalidade,
competŒncia e honestidade.
	Sumário 
	 1.1 Tubulações 
	 1.2 Classificação dos Tubos 
	 1.3 Uso dos Principais Tipos de Tubos 
	 1.3.1 Tubos de Aço Carbono 
	 1.3.2 Tubos de Aço-Liga e Aço Inoxidável 
	 1.3.3 Tubos de Materiais Metálicos não Ferrosos 
	 1.4 Diâmetros Comerciais 
	 1.5 Espessuras de Paredes dos Tubos 
	 1.6 Acessórios/ligações 
	 1.6.1 Acessórios de Tubulações 
	 1.6.2 Ligações de Tubulações 
	 1.6.3 Isolamento Térmico de Tubulações 
	
	 2.1 Definição 
	 2.1.1 Classificação e Principais Tipos de Válvulas 
	2.1.2 Válvulas que permitem o fluxo em apenas
	 2.1.3 Válvulas que controlam a pressão a montante -
	 2.1.4 Válvulas que controlam a pressão a jusante -
	 2.2 Principais Componentes das Válvulas 
	2.2.1 Corpo de Válvula 
	 2.2.2 Castelo 
	 2.2.3 Mecanismos Internos e Gavetas 
	 2.2.4 Meios de Operação de Válvulas 
	 2.3 Detalhes Particulares de cada Tipo e Válvulas 14
	2.3.1 Válvula de Gaveta 
	 2.3.2 Válvula Macho 
	2.3.3 Válvula Globo 
	 2.3.5 Válvula Borboleta 
	 2.3.6 Válvulas de Diafragma 
	 2.3.7 Válvulas de retenção 
	2.3.8 Válvulas de Segurança e de Alívio 
	 20
	 3.1.1 Remoção do Condensado 
	 3.2 Tipos 
	3.2.1 Purgador de Bóia 
	 3.2.2 Purgador de Panela Invertida 
	 3.2.3 Purgador Termostático de Fole 
	 3.2.4 Purgador Termodinâmico 
	 3.3 Tabela Comparativa para Purgadores 
	 3.4 Outros Dispositivos Separadores 
	 3.5 Filtros para Tubulações 
	 3.5.1 Filtros Provisórios e Permanentes 
	
	 4.2 Descrição Geral 
	 4.2.1 Permutador de Espelhos Fixos 
	4.2.2 Permutador de tampa flutuante 
	4.2.3 Permutador de Tubos em "U" 
	4.3 Materiais Usados em Permutadores de Calor 
	 4.4 Escolha do Fluido 
	 4.5 Instrumentação do Permutador de Calor 
	4.6 Operação 
	 4.6.1 Normas de Operação 
	 4.6.2 Causas de Perda de Eficiência 
	 4.7 Manutenção 
	 4.7.1 Limpeza 
	 4.7.2 Testes de Pressão 
	4. 8 Componentes dos Trocadores 
	 4.8.1 Componentes 
	
	 5.2 Classificação quanto à função 
	 5.2.1 Tanques de Armazenamento 
	 5.2.2 Tanques de Resíduo 
	 5.2.3 Tanques de Mistura 
	 5.3 Classificação quanto ao tipo de teto 
	 5.3.1 Tanques de Teto Fixo 
	 5.3.2 Tanques de Teto Flutuante 
	 5.4 Acessórios 
	 5.4.1 Respiração 
	 5.4.2 Válvula de Pressão e Vácuo 
	 5.4.3 Agitador 
	 5.4.4 Sistema de Aquecimento 
	 5.4.5 Isolamento Térmico 
	 5.4.6 Sistema de Medição 
	5.5 Diques 33
	
	 6.2 Tipos 
	6.2.1 Torre de Bandejas 
	 6.2.2 Bandejas com Borbulhadores 
	 6.2.3 Bandejas Valvuladas 
	 6.2.4 Bandejas Perfuradas 
	 6.2.5 Bandejas Gradeadas 
	 6.2.6 Panelas 
	 6.3 Torres Recheadas 
	 6.3.1 Recheios 
	 6.3.2 Suporte de Recheio 
	
	 7.1 Utilização (dos fornos nas plantas de processo de
	 7.2 Características gerais dos fornos 
	 7.3 Classificação geral dos fornos 
	 7.3.1 Quanto à utilização 
	 7.4 Fornos Reatores 
	 7.4.1 Reformadores para unidades de hidrogênio
	 7.4.2 Fornos de pirólise 
	7.4.3 Quanto ao aspecto construtivo 
	 7.4.4 Cilindro vertical em seção de convecção 
	 7.4.5 Cilíndrico vertical com seção de
	 7.4.6 Tipo de cabine com tubos horizontais 
	7.4.7 Tipo Caixa com câmara de Combustão
	 7.4.8 Tipo Caixa com Queimadores nas Paredes 
	 7.4.9 Tipo Cabine com Altar 
	 7.5 Estrutura e carcaça metálica 
	 7.6 Refratários 
	 7.7 Tubos 
	 7.7.1 Tubos de radiação 
	 7.7.2 Tubos de Convecção 
	 7.8 Curvas e cabeçote de retorno 
	 7.9 Suportes dos tubos 
	 7.10 Queimadores 
	 7.11 Chaminé e abafadores 
	 7.12 Sopradores de fuligem / ramonadores 
	
	 8.1 Considerações gerais 
	 8.2 Classificação das caldeiras 
	 8.2.1 Caldeiras Flamotubulares 
	 8.2.2 Caldeiras Aquotubulares 
	 8.2.3 Classificação quanto à tiragem 
	 8.2.4 Classificação quanto à circulação 
	 8.3 Elementos principais de uma caldeira 
	 8.3.1 Tubulão de vapor 
	 8.3.2 Tubulão de água 
	 8.3.3 Feixe convectivo 
	 8.4 Paredes de água 
	 8.5 Superaquecedores 
	 8.5.1 Generalidades 
	 8.5.2 Tipos 
	 8.6 Pré-aquecedores 
	 8.6.1 Generalidades 
	 8.6.2 Classificação 
	 8.6.3 Corrosão 
	 8.7 Economizadores 
	 8.8 Queimador 
	 8.8.1 Queimador 
	 8.8.2 Distribuidor de ar 
	 8.8.3 Queimador de óleo combustível 
	 8.9 Ramonador (ou soprador de fuligem) 
	 8.10 Internos do Tubulão 
	 8.10.1 Separadores de vapor 
	 8.10.2 Ciclones 
	 8.11 Válvulas 
	 8.11.1 Válvulas de Bloqueio 
	 8.11.2 Válvula de Retenção 
	 8.11.3 Válvulas de Controle 
	8.11.4 Válvulas de Segurança 
	8.11.5 Válvulas de purga de superfície 
	 8.11.6 Válvulas de purga de fundo 
	8.11.7 Válvulas de "vent" 
	8.12 Termos usuais em trabalhos de caldeiras