Vapor Flash

Os benefícios da recuperação de vapor flash, como é feito e como o vapor flash pode ser aplicado em outras partes da planta para maximizar a eficiência geral.

O que é vapor flash e por que deve ser usado?

‘Vapor flash’ é liberado de condensado quente quando sua pressão é reduzida. Mesmo água a uma temperatura ambiente de 20°C ferveria se sua pressão fosse reduzida o suficiente. Vale notar que água a 170°C ferverá a qualquer pressão abaixo de 6,9 bar g. O vapor liberado pelo processo de flash é tão útil quanto o vapor liberado de uma caldeira de vapor. Como exemplo, quando o vapor é retirado de uma caldeira e a pressão da caldeira cai, parte do conteúdo de água da caldeira produzirá flash para complementar o ‘vapor vivo’ produzido pelo calor do combustível da caldeira. Como ambos os tipos de vapor são produzidos na caldeira, é impossível diferenciá-los. Somente quando o flash ocorre a pressões relativamente baixas, como no lado de descarga das armadilhas de vapor, é que o termo vapor flash é amplamente utilizado. Infelizmente, esse uso levou à conclusão errônea de que o vapor flash é de alguma forma menos valioso do que o chamado vapor vivo. Em qualquer sistema de vapor buscando maximizar a eficiência, o vapor flash será separado do condensado e usado para complementar qualquer aplicação de aquecimento de baixa pressão. Quilograma de vapor flash usado dessa forma é um quilograma de vapor que não precisa ser fornecido pela caldeira. Também é um quilograma de vapor não descarregado para a atmosfera, de onde seria perdido. As razões para a recuperação de vapor flash são tão convincentes, tanto economicamente quanto ambientalmente, quanto as razões para recuperar o condensado. Quanto vapor flash está disponível? Se o vapor flash vai ser utilizado, é útil saber quanto estará disponível. A quantidade é facilmente determinada por cálculo, ou pode ser lida em tabelas ou gráficos simples. Exemplo 14.6.1 - Considere o vaso com camisa mostrado na Figura 14.6.1 O condensado entra na armadilha de vapor como água saturada, a uma pressão manométrica de 7 bar g e uma temperatura de 170°C. A quantidade específica de calor no condensado nesta pressão é 721 kJ/kg. Após passar pela armadilha de vapor, a pressão na linha de retorno de condensado é 0 bar g. Nesta pressão, a quantidade máxima de calor que cada quilograma de condensado pode reter é 419 kJ e a temperatura máxima é 100°C. Há um excesso de 302 kJ de calor que evapora parte do condensado em vapor. A quantidade de vapor é calculada no texto a seguir.

O calor necessário para produzir 1 kg de vapor saturado a partir de água na mesma temperatura, a 0 bar manométrico, é 2257 kJ. Uma quantidade de 302 kJ pode, portanto, evaporar:

De cada quilograma de condensado neste exemplo, a proporção de vapor flash gerada é, portanto, igual a 13,4% da massa inicial de condensado.

Se o equipamento usando vapor a 7 bar g estivesse condensando 250 kg/h, então a quantidade de vapor flash liberado pelo condensado a 0 bar g seria: 0,134 x 250 kg/h de condensado = 33,5 kg/h de vapor flash Alternativamente, o gráfico na Figura 14.6.2 pode ser lido diretamente para as pressões moderadas e baixas encontradas em muitas plantas. O exemplo mostrado na Figura 14.6.1 é representado na Figura 14.6.2 e mostra que 0,134 kg de vapor flash é produzido por kg de condensado passando pela armadilha.

Condensado sub-resfriado Se a armadilha de vapor for do tipo termostático, o condensado descarregado é sub-resfriado abaixo da temperatura de saturação. O calor no condensado mais frio será ligeiramente menor, e a quantidade de vapor flash produzida seria menor. Se a armadilha no Exemplo 14.6.1 descarregasse condensado a 15°C abaixo da temperatura de saturação do vapor, então o calor disponível no condensado seria menor. Exemplo 14.6.2 Considere o condensado descarregando a 7 bar g e com 15°C de sub-resfriamento

Portanto, neste exemplo, o condensado descarregando a uma temperatura inferior à temperatura de saturação reduziu a proporção de vapor flash de 13,4% para 10,4%. Condensado pressurizado Exemplo 14.6.3 Considere o condensado no Exemplo 14.6.1 descarregando para um vaso de flash pressurizado a 1 bar g Se a linha de retorno estivesse conectada a um vaso a uma pressão de 1 bar g, então das tabelas de vapor poderia-se ver que o calor máximo no condensado na descarga da armadilha seria 505 kJ/kg e a entalpia de evaporação a 1 bar g seria 2201 kJ/kg. A proporção do condensado produzindo flash a 1 bar g pode então ser calculada da seguinte forma:

Neste exemplo, se o equipamento usando vapor a 7 bar g estivesse condensando 250 kg/h de vapor, então a quantidade de vapor flash liberado pelo condensado a 1 bar g seria 0,098 x 250 kg/h = 24,5 kg/h de vapor flash.

Portanto, a quantidade de vapor flash produzida pode depender do tipo de armadilha de vapor usada, da pressão do vapor antes da armadilha e da pressão do condensado após a armadilha.

O vaso de recuperação de vapor flash (vaso de flash)

Vasos de flash são usados para separar vapor flash com a Diretiva Europeia de Equipamentos de Pressão 97/23/EC. Após o condensado e o vapor flash entrarem no vaso de flash, o condensado cai por gravidade para a base do vaso, de onde é drenado, via uma armadilha de flutuador, geralmente para um receptor ventilado de onde pode ser bombeado. O vapor flash no vaso é conduzido do topo do vaso para qualquer equipamento de vapor de baixa pressão apropriado.

Dimensionamento de vasos de recuperação de vapor flash

Para dimensionar um vaso de flash, as seguintes informações são necessárias:

• A pressão do vapor antes das armadilhas de vapor que abastecem o vaso.
• A vazão total de condensado para o vaso de flash.
• A pressão do vapor flash no vaso de flash. Usando essas informações, juntamente com um gráfico de dimensionamento de vaso de flash (veja Figura 14.6.4), o tamanho do vaso pode ser determinado. O Exemplo 14.6.4 demonstra o dimensionamento do vaso de flash, usando um gráfico. Exemplo 14.6.4 Determine o tamanho de um vaso de flash para as seguintes condições: A pressão nas armadilhas de vapor é 12 bar g com uma vazão total de condensado de 2500 kg/h. O vapor flash do vaso deve ser fornecido a equipamentos usando vapor de baixa pressão a 1 bar g. Método:

1. Do eixo ‘Pressão nas armadilhas de vapor’ a 12 bar g, mova horizontalmente para a curva de pressão de vapor flash a 1 bar g no ponto A.
2. Desça verticalmente até o nível de vazão de condensado de 2500 kg/h, ponto B, e siga a linha curva até o ponto C.
3. Mova à direita do ponto C para encontrar a linha de flash a 1 bar g no ponto D.
4. Mova para cima até o tamanho do vaso de flash e selecione o vaso. Para este exemplo, um vaso de flash FV8 seria selecionado.

Requisitos para aplicações bem-sucedidas de vapor flash

• Se o uso completo do vapor flash deve ser feito, alguns requisitos básicos devem ser satisfeitos:
• É essencial ter um fornecimento contínuo de condensado suficiente de aplicações operando a pressões mais altas, para garantir que vapor flash suficiente possa ser liberado para recuperação econômica.
• As armadilhas de vapor e os equipamentos que estão drenando devem ser capazes de funcionar satisfatoriamente contra a contrapressão aplicada pelo sistema de flash.
• Cuidado deve ser tomado ao tentar recuperação de vapor flash com condensado de equipamentos controlados por temperatura. Em cargas abaixo de plena carga, a pressão do espaço de vapor será reduzida pela ação de fechamento da válvula de controle de vapor. Se a pressão do vapor no equipamento se aproximar ou cair abaixo da pressão de vapor flash especificada, a quantidade total de vapor flash formada será marginal, e deve-se questionar se a recuperação vale a pena nesta instância.
• É importante que haja uma demanda por vapor flash de baixa pressão que iguale ou exceda o vapor flash sendo produzido. Qualquer déficit de vapor flash pode ser compensado por vapor vivo de uma válvula redutora de pressão. Se o fornecimento de vapor flash exceder sua demanda, pressão excedente será criada no sistema de distribuição de vapor flash, que então terá que ser descarregada para o desperdício através de uma válvula de alívio de excesso.
• É possível utilizar o vapor flash do condensado em uma instalação de aquecimento de espaço - mas as economias só serão alcançadas durante a estação de aquecimento. Quando o aquecimento não é necessário, o sistema de recuperação se torna ineficaz. Sempre que possível, o melhor arranjo é usar vapor flash do condensado de processo para fornecer cargas de processo - e vapor flash do condensado de aquecimento para fornecer cargas de aquecimento. Oferta e demanda então são mais prováveis de permanecer em sintonia.
• É preferível realmente usar o vapor flash próximo à fonte de condensado de alta pressão. Tubos de diâmetro relativamente grande são usados para vapor de baixa pressão, para reduzir a perda de pressão e a velocidade, o que pode significar uma instalação cara se o vapor flash tiver que ser transportado por qualquer distância.

Controle da pressão do vapor flash

• Outra consideração é um método de controle da pressão do vapor flash.
• Em alguns casos, a pressão de flash encontrará seu próprio nível e nada mais precisa ser feito. Quando a oferta e a demanda estão sempre em sintonia, e especialmente se o vapor de baixa pressão é usado no mesmo equipamento que produz o condensado de alta pressão, é necessário apenas conduzir o vapor flash para a planta de baixa pressão sem nenhum outro controle.
• A Figura 14.6.5 mostra a aplicação da recuperação de vapor flash a uma bateria de aquecedores de ar multi-banco, que está fornecendo ar de alta temperatura a um processo. O condensado das seções de alta pressão é levado ao vaso de flash, de onde o vapor flash de baixa pressão é usado para pré-aquecer o ar frio que entra na bateria através da serpentina de congelamento (pré-aquecedor). A superfície da seção do pré-aquecedor, e a temperatura relativamente baixa do ar de entrada, significarão que o vapor flash de baixa pressão será facilmente condensado.

Dependendo das temperaturas de operação, o vapor flash condensará a alguma baixa pressão, talvez mesmo subatmosférica. Se as condições do local e o layout permitirem, o vaso de flash e a armadilha de vapor drenando o pré-aquecedor devem ser localizados abaixo o suficiente da saída de condensado do pré-aquecedor para fornecer altura hidrostática suficiente para empurrar o condensado através da armadilha. Se isso não for possível, armadilhas de bombeamento podem ser usadas para drenar tanto a serpentina do pré-aquecedor quanto o vaso de flash.

O vapor condensando no pré-aquecedor a pressão subatmosférica geralmente significará que um rompedor de vácuo é necessário no fornecimento de vapor flash ao pré-aquecedor. Isso impedirá que a pressão na bateria se torne subatmosférica, auxiliando assim o fluxo de condensado para a armadilha. A drenagem da armadilha do pré-aquecedor é induzida por fluxo gravitacional. A Figura 14.6.6 mostra uma aplicação onde o sistema de vapor flash é mantido a uma pressão constante especificada por vapor fornecido por uma válvula redutora. Isso garante uma fonte confiável de vapor para o sistema de baixa pressão se houver falta de vapor flash para atender à carga.

Aplicações típicas de vapor flash

Oferta e demanda de vapor flash em sintonia Isso dá utilização máxima do vapor flash disponível. A bateria de aquecedores de ar discutida na Figura 14.6.5 é um desses sistemas, mas arranjos semelhantes são práticos com muitas outras aplicações, como instalações de aquecimento de espaço usando painéis radiantes ou aquecedores unitários. A Figura 14.6.6 retrata um sistema onde vários aquecedores são abastecidos com vapor de alta pressão. O condensado de aproximadamente 90% dos aquecedores é coletado e levado a um vaso de recuperação de flash. Isso fornece vapor de baixa pressão aos 10% restantes dos aquecedores. Com este sistema, a saída total de calor do sistema é ligeiramente reduzida, pois 10% dos aquecedores estão operando a uma pressão de vapor mais baixa. No entanto, é raro encontrar uma instalação que não tenha uma margem suficiente de saída acima da carga normal para aceitar essa pequena redução. Às vezes surge um problema onde o uso do vapor flash disponível pode exigir mais de um aquecedor, mas menos de dois. Seria melhor neste caso conectar dois aquecedores ao fornecimento de vapor flash, em vez de descarregar o excesso de vapor flash para o desperdício. Dois aquecedores juntos geralmente puxarão a pressão de flash para um nível mais baixo, até mesmo para níveis subatmosféricos. Para lidar com isso, o fornecimento de vapor flash pode ser complementado com vapor vivo de uma válvula redutora de pressão.

Outro exemplo onde a oferta e a demanda estão ‘em sintonia’ é o calorífero de armazenamento de água quente aquecido por vapor. Alguns desses incorporam uma segunda serpentina, instalada perto do fundo do vaso adjacente a onde a água fria de alimentação entra.

O condensado e o vapor flash da armadilha na serpentina primária passam diretamente para a serpentina secundária. Aqui, qualquer vapor flash produzido pela queda de pressão através da armadilha é condensado, enquanto cede seu calor à água de alimentação. Um arranjo típico é mostrado na Figura 14.6.7.

Outro exemplo dessa ideia é mostrado na Figura 14.6.8. Aqui, um calorífero normal vapor-para-água drena o condensado através de uma armadilha de flutuador para um trocador de calor de casco e tubos menor (chamado condensador de flash), no qual o vapor flash é condensado em condensado sub-resfriado. A unidade é instalada de modo que a tubulação de fluxo secundário esteja em série com o calorífero e o condensador. Isso permite que a água de retorno secundário seja pré-aquecida pelo condensador, reduzindo assim a demanda por vapor vivo em primeira instância.

Se o condensado no condensador de flash for provavelmente subatmosférico, uma bomba mecânica é necessária para elevar o condensado a qualquer linha de retorno superior. O vapor motriz exaurindo da bomba é ele próprio condensado no condensador de flash. O bombeamento do condensado é então alcançado a praticamente nenhum custo. Consideração deve ser dada à altura de enchimento da bomba em que ela precisa ser maior do que a queda de pressão através dos tubos do condensador de flash sob condições de plena carga. Uma altura mínima de 600 mm geralmente alcançará isso.

Oferta e demanda de vapor flash não em sintonia O arranjo na Figura 14.6.9 é um exemplo de recuperação de vapor flash onde a oferta e a demanda nem sempre estão ‘em sintonia’. O condensado de três panelas com camisa e um bolso de drenagem libera vapor flash, mas só pode ser usado para aumentar o fornecimento de vapor para a instalação de aquecimento de espaço. Isso é bastante satisfatório durante a estação de aquecimento, desde que a carga de aquecimento exceda a disponibilidade de vapor flash. Durante a estação de verão o equipamento de aquecimento não estará em uso, e mesmo durante a primavera e o outono a carga de aquecimento pode não ser capaz de usar todo o vapor flash disponível. O arranjo não é ideal, embora seja bastante possível que as economias de vapor feitas durante o inverno justifiquem o custo do equipamento de recuperação de vapor flash. Às vezes, o vapor flash excedente deve ser descarregado para a atmosfera e, conforme indicado, uma válvula de alívio de excesso é mais adequada para este propósito do que uma válvula de segurança, que geralmente tem uma ação de ‘pop’ ou ‘liga/desliga’ e um arranjo de assento projetado para operação infrequente. A válvula de alívio de excesso será configurada para começar a abrir ligeiramente acima da pressão normal no sistema. Quando a carga de aquecimento cai e a pressão no sistema começa a aumentar, a válvula redutora de pressão fornecendo o vapor de reposição fecha. Um aumento adicional de pressão, talvez de 0,15 a 0,2 bar, é então permitido antes que a válvula de alívio de excesso comece a abrir para liberar o vapor flash excedente. Uma válvula de segurança ainda pode ser necessária se a válvula de alívio de excesso falhar. Deve ser configurada para abrir a uma pressão entre a pressão de configuração da válvula de alívio de excesso e a pressão de projeto do sistema. É geralmente conveniente instalar a válvula de segurança no vaso de flash. Ocasionalmente, durante condições de verão pode ser preferível fazer bypass do sistema de flash com uma válvula manual (não mostrada na Figura 14.6.9). O condensado e seu vapor flash associado passarão então diretamente para um receptor de condensado, onde o vapor flash será descarregado para a atmosfera.

Aplicações de recuperação de calor do blowdown da caldeira O blowdown contínuo da água da caldeira é necessário para controlar o nível de Sólidos Totais Dissolvidos (TDS) dentro da caldeira. O blowdown contínuo se presta à recuperação do conteúdo de calor da água de blowdown e pode permitir economias consideráveis. O blowdown da caldeira contém quantidades massivas de calor, que podem ser facilmente recuperadas como vapor flash. Após passar pela válvula de controle de blowdown, a água de menor pressão flui para um vaso de flash. Neste ponto, o vapor flash está livre de contaminação e é separado do condensado, e pode ser usado para aquecer o tanque de alimentação da caldeira (veja Figura 14.6.10). O condensado residual drenando do vaso de flash pode ser passado através de um trocador de calor de placas para recuperar o máximo de calor possível antes de ser descartado para o desperdício. Até 80% do calor total contido no blowdown contínuo da caldeira pode ser recuperado dessa maneira.

Condensação por aspersão Finalmente, consideração deve ser dada àqueles casos onde o vapor flash é inevitavelmente gerado a baixa pressão, mas onde nenhuma carga adequada está disponível que possa utilizá-lo. Em vez de simplesmente descarregar o vapor flash para o desperdício, o arranjo na Figura 14.6.11 pode frequentemente ser adotado. Este arranjo pode ser útil onde a ventilação do receptor de condensado não pode ser conduzida para fora, e onde a presença de vapor flash seria prejudicial se deixada para descarregar em uma sala de plantas. Uma câmara leve de aço inoxidável é instalada na ventilação do tanque receptor. Água fria é aspergida na câmara em quantidades suficientes para apenas condensar o vapor flash. O fluxo de água de resfriamento é controlado por um simples controle de temperatura auto-ajustável, ajustado para que quantidades mínimas de vapor flash apareçam da ventilação. O processo usará aproximadamente 6 quilogramas de água de resfriamento por quilograma de vapor flash condensado. Se a água de resfriamento for de qualidade de alimentação de caldeira, então a água aquecida é adicionada ao condensado no receptor e reutilizada. Isso continuará a economizar água durante todo o ano. Se a água de resfriamento não for adequada para recuperação, a tubulação de aspersão pode ser instalada conforme mostrado pelo arranjo pontilhado. A água de resfriamento e o flash condensado cairão então para o desperdício.