Separadores

O vapor ‘úmido’ é uma grande preocupação em um sistema de vapor, pois pode causar problemas de processo e manutenção, incluindo menor produtividade, erosão e corrosão. Os separadores são projetados para remover eficientemente a umidade do fluxo de vapor. A aplicação e seleção de diferentes tipos são consideradas aqui.

O vapor úmido é vapor contendo um grau de água, e é uma das principais preocupações em qualquer sistema de vapor. Ele pode reduzir a produtividade da planta e a qualidade do produto, e pode causar danos à maioria dos itens de planta e equipamento. Embora a drenagem e a armadilha cuidadosas possam remover a maior parte da água, elas não lidarão com as gotículas de água suspensas no vapor. Para remover essas gotículas de água suspensas, separadores são instalados em tubulações de vapor.

O vapor produzido em uma caldeira projetada para gerar vapor saturado é inerentemente úmido. Embora a fração de sequeza varie de acordo com o tipo de caldeira, a maioria das caldeiras de vapor tipo casco produzirá vapor com uma fração de sequeza entre 95 e 98%. O teor de água do vapor produzido pela caldeira é ainda aumentado se ocorrer arraste e priming. Há sempre um certo grau de perda de calor da tubulação de distribuição, o que faz o vapor condensar. As moléculas de água condensada eventualmente gravitam em direção ao fundo do tubo, formando um filme de água. O vapor fluindo sobre essa água pode criar ondulações que podem se acumular em ondas. As pontas das ondas tendem a se quebrar, lançando gotículas de condensado no fluxo de vapor. A presença de água no vapor pode causar uma série de problemas:

• Como a água é uma barreira extremamente eficaz à transferência de calor, sua presença pode reduzir a produtividade da planta e a qualidade do produto. Isso pode ser visto na Figura 12.5.1, que mostra o perfil de temperatura através de uma superfície típica de troca de calor.

• Gotículas de água viajando em altas velocidades de vapor erodirão assentos de válvulas e acessórios, uma condição conhecida como desenho de fio. As gotículas de água também aumentarão a quantidade de corrosão.
• Aumento da incrustação de tubulações e superfícies de aquecimento pelas impurezas transportadas nas gotículas de água.
• Operação errática de válvulas de controle e medidores de fluxo.
• Falha de válvulas e medidores devido ao desgaste rápido ou golpe de aríete. Embora existam vários projetos diferentes de separador, todos tentam remover a umidade que permanece suspensa no fluxo de vapor, que não pode ser removida por drenagem e armadilha de vapor. Existem três tipos de separadores em uso comum em sistemas de vapor:

Tipo defletor -

Um separador de defletor ou tipo aleta consiste em uma série de placas defletoras, que fazem o fluxo mudar de direção várias vezes ao passar pelo corpo do separador. As gotículas de água suspensas têm uma massa maior e uma inércia maior do que o vapor; assim, quando há uma mudança na direção do fluxo, o vapor seco flui ao redor dos defletores e as gotículas de água se acumulam nos defletores. Além disso, como o separador tem uma grande área transversal, há uma redução resultante na velocidade do fluido. Isso reduz a energia cinética das gotículas de água, e a maioria delas cairá da suspensão. O condensado se acumula no fundo do separador, onde é drenado através de uma armadilha de vapor.

Tipo ciclônico -

O separador do tipo ciclônico ou centrífugo usa uma série de aletas para gerar fluxo ciclônico de alta velocidade. A velocidade do vapor faz com que ele gire ao redor do corpo do separador, lançando a água mais pesada, suspensa, para a parede, onde ela drena até uma armadilha de vapor instalada sob a unidade.

Tipo coalescente -

Os separadores do tipo coalescência fornecem uma obstrução no caminho do vapor. A obstrução é tipicamente uma almofada de malha de arame (às vezes referida como almofada desumidificadora), sobre a qual as moléculas de água ficam retidas. Essas moléculas de água tendem a coalescer, produzindo gotículas grandes demais para serem transportadas adiante pelo sistema de gás. À medida que o tamanho das gotículas aumenta, elas se tornam pesadas demais e, por fim, caem no fundo do separador. É comum encontrar separadores que combinam operações de coalescência e ciclônica. Ao combinar os dois métodos, a eficiência geral do separador é melhorada.

A eficiência do separador é uma medida do peso da água separada em proporção ao peso total da água trazida pelo vapor. Fora do laboratório, é difícil estabelecer a eficiência exata de um separador, pois depende da fração de sequeza na entrada, da velocidade do fluido e do padrão de fluxo. A erosão de curvas de tubo, desenho de fio e golpe de aríete são, no entanto, indicações da presença de vapor úmido nas tubulações de vapor.

Uma das principais diferenças de desempenho entre o tipo defletor e os tipos ciclônico e coalescência de separadores é que o tipo defletor é capaz de manter um alto nível de eficiência em uma faixa mais ampla de velocidades de tubulação. Os separadores ciclônico e coalescência tipicamente exibem eficiências de 98% em velocidades de até 13 m/s, mas isso cai drasticamente, e a 25 m/s, a eficiência é tipicamente em torno de 50%, de acordo com pesquisa de universidades no Reino Unido. Esta pesquisa também provou que, para um separador tipo defletor, a eficiência permanece próxima a 100% em uma faixa de 10 m/s a 30 m/s. A conclusão é que o separador tipo defletor é mais adequado para aplicações de vapor, onde geralmente há algum grau de flutuação de velocidade. Além disso, o vapor úmido será encontrado fluindo a velocidades acima de 30 m/s se a tubulação estiver subdimensionada. Um método para superar esse problema é usar um separador de tamanho maior e aumentando o diâmetro da tubulação imediatamente a montante do separador. Isso terá o efeito de reduzir a velocidade do vapor antes que ele entre no separador.

Exemplo 12.5.1

Se um separador com eficiência de 90% for instalado em uma tubulação principal de vapor contendo vapor com fração de sequeza de 0,95, qual seria a fração de sequeza a jusante? Se a fração de sequeza inicial é 0,95, cada quilograma (1000 g) de vapor contém:

Embora uma melhoria em relação à sequeza original de 0,95, o vapor ainda conterá uma quantidade significativa de água.

A queda de pressão através de um separador tipo defletor é muito baixa devido à redução na velocidade do vapor, que é criada pelo grande aumento na área transversal fornecida pelo corpo do separador. A queda de pressão é tipicamente menor do que o comprimento equivalente do mesmo tubo de diâmetro nominal. Em comparação, a queda de pressão através de um separador tipo ciclônico é um pouco maior, pois a velocidade do fluido deve ser mantida para gerar o efeito ciclônico. Em aplicações não críticas, os separadores tipo defletor são tipicamente dimensionados de acordo com o tamanho da tubulação; é necessário, no entanto, verificar se o tamanho escolhido garante a máxima eficiência de separação e se a queda de pressão está dentro de limites aceitáveis. Em aplicações críticas, é mais comum selecionar o separador com base na pressão operacional e na vazão, de modo a fornecer uma eficiência e queda de pressão adequadas. O dimensionamento de um separador tipo ciclônico é mais complicado, pois é importante garantir que a velocidade através do separador seja adequada para manter um alto nível de eficiência e que a queda de pressão através do separador seja aceitável. O Exemplo 12.5.2 descreve a seleção de um separador tipo defletor a partir de um gráfico de especificação típico do fabricante.

Exemplo 12.5.2

Usando o gráfico de dimensionamento na Figura 12.5.5, selecione um separador de tamanho adequado para uma estação redutora de pressão, com pressão a montante de 12 bar g e passando 500 kg/h de vapor através de uma tubulação de 32 mm. Se a vazão fosse dobrada para 1000 kg/h, qual tamanho deveria ser o separador?

1. Marque o ponto A onde a pressão do vapor e a vazão se cruzam e desenhe uma linha horizontal a partir deste ponto. Qualquer curva de separador que seja bissectada por esta linha dentro da área sombreada operará com eficiência próxima a 100%.
2. Selecione o separador do tamanho da linha, ou seja, 32 mm no ponto B.
3. A velocidade da linha para qualquer tamanho pode ser determinada descendo uma linha vertical desta interseção. Do ponto B, esta linha cruza o eixo de velocidade em 18 m/s.
4. Para determinar a queda de pressão através do separador, onde a linha vertical, estendida do ponto B, cruza a linha C-C, marque uma linha horizontal. Em seguida, desça uma linha vertical do ponto A. O ponto de interseção, D, é a queda de pressão através do separador.
5. Repetindo este procedimento para uma vazão de 1000 kg/h, geram-se os pontos X, Y e Z. Pode-se ver que o ponto Y cai fora da região sombreada e o separador não operará com eficiência máxima. Neste caso, seria aconselhável usar um separador de tamanho maior; um separador DN40 seria selecionado, conforme representado pelo ponto Z, juntamente com uma queda de pressão de aproximadamente 0,07 bar no ponto W.

A Tabela 12.5.1 resume as diferenças importantes no desempenho dos separadores tipo defletor e ciclônico.

Tabela 12.5.1 Comparação de separadores tipo defletor e centrífugo

Uma armadilha de vapor adequada deve ser instalada na saída de condensado do separador para garantir a remoção eficiente de condensado, sem a perda de vapor vivo. O tipo mais adequado de armadilha de vapor é o tipo boia flutuante, que garante remoção imediata de condensado. Alguns separadores incluem o mecanismo da armadilha de vapor dentro do corpo do separador.

A maioria dos separadores verticais tem uma conexão no topo do corpo. Esta pode ser usada para um purgador de ar, facilitando a remoção de ar do espaço de vapor durante a partida.

Isolamento

Se um separador for deixado sem isolamento térmico, ele pode na verdade induzir a formação de gotículas de água em vez de eliminá-las, devido à grande superfície exposta ao ambiente. Além disso, quantidades significativas de energia térmica podem ser perdidas da superfície do separador. Por exemplo, isolar um separador contendo vapor a 150°C e exposto a temperaturas ambiente de 15°C produzirá uma economia anual de energia de 8600 MJ (Baseado na perda de calor devido à radiação apenas, assumindo condições de ar parado e 8.760 horas de operação por ano). Ao instalar uma jaqueta de isolamento térmico, essa perda de calor pode ser drasticamente reduzida e as economias de energia justificam o custo inicial do isolamento, em um tempo extremamente curto. Jaquetas de isolamento projetadas para se ajustar a um separador específico devem ser usadas, pois a forma do separador, particularmente se for flangeada, torna difícil o isolamento. As capas de flange padrão deixam o corpo exposto e, portanto, têm um efeito limitado na redução da perda de calor. Mesmo com o melhor isolamento, não é possível eliminar toda a perda de calor de um produto. A eficiência do isolamento do separador é tipicamente acima de 90%. É importante usar uma jaqueta projetada para um separador específico; caso contrário, a eficiência do isolamento diminuirá. Separadores adequadamente isolados também reduzem o risco de lesões pessoais por queimaduras.