Filtros de Tubulação

Os filtros de tubulação retêm detritos da tubulação como incrustação, ferrugem, composto de vedação e metal de solda em tubulações, protegendo equipamentos e processos. Este tutorial considera a variedade de filtros e tipos de filtros em uso e como dimensioná-los e selecioná-los para diferentes aplicações.

Filtros de Tubulação

À medida que o mercado se torna cada vez mais competitivo, mais ênfase tem sido dada à redução do tempo de inatividade e manutenção da planta. Em sistemas de vapor e condensado, danos à planta são frequentemente causados por detritos da tubulação como incrustação, ferrugem, composto de vedação, metal de solda e outros sólidos, que podem encontrar seu caminho para o sistema de tubulação. Filtros são dispositivos que retêm esses sólidos em líquidos ou gases em fluxo, e protegem equipamentos de seus efeitos nocivos, reduzindo assim o tempo de inatividade e a manutenção. Um filtro deve ser instalado a montante de cada armadilha de vapor, medidor de fluxo e válvula de controle. Os filtros podem ser classificados em dois tipos principais de acordo com sua configuração de corpo; nomeadamente o tipo Y e o tipo cesto. Exemplos típicos desses tipos de filtros podem ser vistos na Figura 12.4.1.

Filtros tipo Y

Para vapor, um filtro tipo Y é o padrão usual e é quase universalmente usado. Seu corpo tem uma forma cilíndrica compacta que é muito resistente e pode lidar com altas pressões. É literalmente um vaso de pressão, e não é incomum que filtros tipo Y sejam capazes de lidar com pressões de até 400 bar g. O uso de filtros nessas pressões é, no entanto, complicado pelas altas temperaturas associadas ao vapor nessa pressão; e, subsequentemente, materiais exóticos como aço cromo-molibdênio devem ser usados. Embora existam exceções, tamanho por tamanho, os filtros tipo Y têm uma capacidade de retenção de sujeira menor do que os filtros tipo cesto, o que significa que requerem limpeza mais frequente. Em sistemas de vapor, isso geralmente não é um problema, exceto onde altos níveis de ferrugem estão presentes, ou imediatamente após o comissionamento, quando grandes quantidades de detritos podem ser introduzidas. Em aplicações onde quantidades significativas de detritos são esperadas, uma válvula de blowdown geralmente pode ser instalada na tampa do filtro, o que permite que o filtro use a pressão do vapor para ser limpo, sem ter que desligar a planta. Filtros tipo Y em tubulações horizontais de vapor ou gás devem ser instalados de modo que o reservatório esteja no plano horizontal (Figura 12.4.2(a)). Isso impede que a água se acumule no reservatório, ajudando a evitar que gotículas de água sejam arrastadas, o que pode causar erosão e afetar processos de transferência de calor. Em sistemas líquidos, no entanto, o reservatório deve apontar verticalmente para baixo (Figura 12.4.2(b)), isso garante que os detritos removidos não sejam aspirados de volta para a tubulação a montante durante condições de baixo fluxo. Embora seja aconselhável instalar filtros em linhas horizontais, isso nem sempre é possível, e eles podem ser instalados em tubulações verticais se o fluxo for para baixo, caso em que os detritos são naturalmente direcionados para o reservatório (Figura 12.4.2(c)). A instalação não é possível com fluxo ascendente, pois o filtro teria que ser instalado com a abertura do reservatório apontando para baixo e os detritos cairiam de volta pelo tubo.

Filtros retos e angulares

Além dos filtros tipo Y, várias configurações diferentes de corpo são usadas em sistemas de vapor, nomeadamente filtros retos e angulares. Estes são mostrados na Figura 12.4.3. Esses tipos de filtro funcionam de maneira semelhante ao filtro tipo Y e têm desempenho semelhante. Eles são usados quando a geometria da tubulação de vapor não se adapta ao uso de um filtro tipo Y.

Filtros tipo cesto

O filtro tipo cesto ou tipo pote é caracterizado por uma câmara orientada verticalmente, tipicamente maior do que a de um filtro tipo Y. Tamanho por tamanho, a queda de pressão através de um filtro tipo cesto é menor do que a do tipo Y, pois tem uma maior área de filtração livre, o que torna o filtro tipo cesto o tipo preferido para aplicações com líquidos. Como a capacidade de retenção de sujeira também é maior do que nos filtros tipo Y, o filtro tipo cesto também é usado em tubulações de vapor de maior diâmetro. Os filtros tipo cesto só podem ser instalados em tubulações horizontais, e para filtros tipo cesto maiores e mais pesados, a base do filtro precisa ser suportada. Quando filtros tipo cesto são usados em sistemas de vapor, uma quantidade significativa de condensado pode se formar. Consequentemente, filtros projetados para uso em sistemas de vapor geralmente têm um plugue de drenagem, que pode ser equipado com uma armadilha de vapor para remover o condensado. Os filtros tipo cesto são comumente encontrados em um arranjo duplex. Um segundo filtro é colocado em paralelo com o filtro primário, e o fluxo pode ser desviado através de qualquer um dos dois filtros. Isso facilita a limpeza da unidade de filtro enquanto o sistema de fluido ainda está em operação, reduzindo o tempo de inatividade para manutenção.

Filtros

Embora os filtros removam todas as partículas visíveis no vapor, às vezes é necessário remover partículas menores, por exemplo, nas seguintes aplicações:

• Quando há injeção direta de vapor em um processo, o que pode causar contaminação do produto. Exemplo: Na indústria alimentícia, e para a esterilização de equipamentos de processo na indústria farmacêutica.
• Onde o vapor sujo pode causar rejeição de um produto ou lote de processo devido a manutenção ou retenção visível de partículas. Exemplo: Esterilizadoras e máquinas de papel/papelão.
• Onde emissão mínima de partículas é requerida de umidificadores de vapor. Exemplo: Umificadores usados em um ambiente ‘limpo’.
• Para a redução do teor de água do vapor, garantindo um fornecimento seco e saturado. Em tais aplicações de ‘vapor limpo’, os filtros não são adequados e filtros devem ser usados. Um filtro usado em um sistema de vapor tipicamente consiste em um elemento filtrante de aço inoxidável sinterizado. O processo de sinterização produz uma estrutura porosa fina no aço inoxidável, que remove quaisquer partículas do fluido que passa por ele. Filtros capazes de remover partículas tão pequenas quanto 1 μm estão disponíveis, em conformidade com as necessidades de boas práticas do vapor culinário.

A natureza porosa fina do elemento filtrante criará uma queda de pressão maior através do filtro do que a associada a um filtro do mesmo tamanho; isso deve ser cuidadosamente considerado ao dimensionar tais filtros. Além disso, os filtros são facilmente danificados por vazões excessivas, e os limites especificados pelo fabricante não devem ser excedidos.

Quando o filtro é usado em aplicações de vapor ou gás, um separador deve ser instalado a montante do filtro para remover quaisquer gotículas de condensado retidas em suspensão. Além de melhorar a qualidade do vapor, isso prolongará a vida útil do filtro. Um filtro tipo Y também deve ser instalado a montante do filtro para remover todas as partículas maiores que, de outra forma, bloqueariam rapidamente o filtro, aumentariam a quantidade de limpeza necessária e reduziriam a vida útil do elemento filtrante. Ao instalar manômetros em ambos os lados do filtro, a queda de pressão através do filtro pode ser medida, que pode então ser usada para identificar quando o filtro requer limpeza. Uma alternativa a isso é instalar um interruptor de pressão no lado a jusante do filtro. Quando a pressão a jusante diminui abaixo de um nível definido, uma luz de alarme pode ser acesa em uma sala de controle alertando um operador, que pode então limpar o filtro.

Telas dos filtros

Existem dois tipos de telas usadas em filtros:

• Telas perfuradas - Estas são formadas perfurando um grande número de furos em uma chapa plana do material necessário usando um punção múltiplo. A chapa perfurada é então enrolada em um tubo e soldada por pontos. Estas são telas relativamente grossas e os tamanhos dos furos variam tipicamente de 0,8 mm a 3,2 mm. Consequentemente, as telas perfuradas são adequadas apenas para remover detritos gerais de tubulação.
• Telas de malha - Fio fino é formado em uma grade ou arranjo de malha. Isso é então comumente colocado sobre uma tela perfurada, que atua como uma gaiola de suporte para a malha. Ao usar uma tela de malha, é possível produzir tamanhos de furos muito menores do que com telas perfuradas. Tamanhos de furos tão pequenos quanto 0,07 mm são alcançáveis. Consequentemente, elas são usadas para remover partículas menores que, de outra forma, passariam por uma tela perfurada. As telas de malha são geralmente especificadas em termos de ‘malha’; que representa o número de aberturas por polegada linear da tela, medida a partir da linha central do fio. A Figura 12.4.6 mostra uma tela de 3 malhas.

O tamanho correspondente do furo na tela de malha é determinado a partir do conhecimento do diâmetro do fio e do tamanho da malha; é geralmente especificado pelo fabricante. O tamanho máximo da partícula que será permitido passar pela tela pode ser determinado usando geometria. Se, por exemplo, uma tela de 200 malhas for especificada e as especificações do fabricante indicarem que o tamanho do furo é 0,076 mm, então o tamanho máximo da partícula que passará pela tela pode ser encontrado usando o teorema de Pitágoras:

O problema com essa dimensão é que as telas são bidimensionais e a partícula deve alcançar o furo em uma determinada orientação. Portanto, se uma partícula longa e fina alcançar o filtro ‘de frente’, ela pode ser permitida a passar pela tela. No entanto, se atingir o furo ‘de lado’, seria impedida. Se isso for provavelmente um problema, uma malha mais fina deve ser usada.

A área de filtragem é a área disponível para remoção de detritos. Uma maior área de filtragem significa que a frequência de blowdown para limpar a tela é consideravelmente reduzida. A área livre é a proporção da área total dos furos para a área total de filtragem, geralmente expressa como uma porcentagem. Isso afeta diretamente a capacidade de fluxo do filtro. Quanto maior a área livre (e mais grossa a tela), maior a capacidade de fluxo e, em última análise, menor a queda de pressão através do filtro. Como a maioria das telas de filtro tem áreas de filtragem e livres muito grandes, a queda de pressão através do filtro é muito baixa quando usada em sistemas de vapor ou gás (veja Exemplo 12.4.1). No entanto, em sistemas de água bombeada ou fluido viscoso, a queda de pressão pode ser significativa. Os filtros devem ter capacidades de fluxo citadas em termos de um índice de capacidade ou valor Kvs.

Exemplo 12.4.1

Um filtro DN40 com valor Kvs de 29 é instalado em um sistema de tubulação de vapor de 40 mm de diâmetro, que passa 500 kg/h de vapor saturado a 8 bar g. Qual é a queda de pressão através do filtro? Usando a fórmula empírica na Equação 3.21.2:

Isso equivale a uma queda de pressão de pouco mais de 0,5%.

A queda de pressão através de um filtro pode ser determinada a partir do valor Kv ou de um diagrama de perda de pressão. O método para fazer isso para fluxo de vapor é mostrado no Módulo 12.2, e para fluxo de água no Módulo 6.3. As telas estão disponíveis em uma série de diferentes materiais; mais comumente aços inoxidáveis austeníticos são usados em aplicações de vapor, devido à sua resistência e resistência à corrosão. Onde o filtro é usado com produtos químicos especializados ou em aplicações offshore, uma tela de monel deve ser usada.

Opções de filtros

Além dos filtros padrão, existem várias outras opções disponíveis.

Insertos magnéticos

Um inserto magnético pode ser colocado em um filtro tipo cesto para remover pequenos detritos de ferro ou aço. Pequenas partículas de ferro ou aço podem estar presentes em um fluido onde há desgaste de peças de ferro ou aço. Essas partículas passarão mesmo pelas telas de malha mais fina, e é necessário usar um inserto magnético. O inserto é projetado para que todo o fluido passe sobre o ímã em velocidade relativamente baixa e o elemento magnético é poderoso o suficiente para capturar e reter todas as partículas metálicas presentes. O material magnético é geralmente revestido em um material inerte como aço inoxidável para evitar corrosão.

Filtros autolimpantes

Existem vários tipos diferentes de filtro autolimpante, que permitem que o acúmulo de detritos na tela seja removido sem desligar a planta. O processo de limpeza pode ser iniciado manual ou automaticamente; além disso, filtros limpos automaticamente podem geralmente ser configurados para limpar periodicamente, ou quando a queda de pressão através do filtro aumenta.

• Filtros autolimpantes do tipo mecânico - usam alguma forma de raspador ou escova mecânica, que é penteada sobre a superfície da tela. Ele desloca quaisquer detritos que estão retidos na tela, fazendo-os cair em uma área de coleta no fundo do filtro.
• Filtros de contralavagem - invertem a direção do fluxo através da tela. Um conjunto de válvulas é trocado de modo que a água é direcionada através da tela na direção reversa e para fora através de uma válvula de lavagem. O fluido desloca quaisquer detritos retidos na tela e os transporta no fluido de contralavagem para um dreno de resíduos. Além dos filtros mecânicos e de contralavagem, existem vários tipos de telas de filtro projetadas de forma única. Um dos tipos mais comuns é o filtro de disco metálico, tipo borda positiva (veja Figura 12.4.8). O elemento filtrante é construído a partir de um pacote de discos circulares, separados por arruelas de espaçamento construídas em um eixo principal com tirantes. A espessura das arruelas ou peças de distância fornece o grau necessário de filtração. A direção do fluxo do fluido sendo filtrado é de fora do elemento para o núcleo oco, que é formado pelos espaços entre os discos principais. Isso significa que quaisquer detritos ficam retidos na superfície externa dos discos. Para limpar o filtro, todo o pacote do filtro é girado pela alavanca externa contra um conjunto de facas de limpeza estacionárias intercaladas com o pacote principal. Durante essa rotação, os detritos acumulados se acumulam na borda dianteira da faca de limpeza, e são depositados em uma ranhura vertical sólida formada na superfície externa do elemento do filtro por peças de embalagem especiais. Como não há fluxo através dessa parte do elemento, não há força segurando a sujeira acumulada contra o elemento, e ela cai no tanque de fundo do filtro.

Filtros temporários

Filtros temporários são projetados para proteção de equipamento e instrumentação durante períodos de partida. O filtro é geralmente instalado entre um conjunto de flanges por um período inicial após uma nova planta ter sido instalada. A instalação de uma peça de tubo igual ou maior que o comprimento do filtro é recomendada para facilitar a instalação ou remoção. Existem três configurações básicas de filtros temporários, nomeadamente o tipo cônico, o tipo cesto e o tipo placa. A construção padrão é de tela perfurada ou malha de fio pesado de camada única. Revestimentos de malha de fio podem ser adicionados dentro ou fora do filtro para capacidades de filtração mais fina. Se uma malha de fio for usada, cuidado deve ser tomado para garantir que a direção do fluxo esteja contra a malha de fio com o metal perfurado como suporte.