Jato X Bomba

Estivemos recentemente visitando um cliente e um assunto que não estava na pauta da reunião acabou consumindo uma boa parte da conversa. Havia muitas dificuldades para se conseguir um bom nível de vácuo na evaporação e no cozimento e o alto consumo de água nos condensadores existentes, do tipo multijato, tornava inexequível o retorno por gravidade da água quente para o sistema de resfriamento.

Decidimos assim escrever sobre as vantagens e desvantagens dos tipos de condensadores de contato mais usuais, o multijato (MJ) e o condensador barométrico (CB), para que os técnicos disponham dos parâmetros para escolher um dos dois ou eventualmente mudar de tipo quando for necessário.

Os condensadores têm dois objetivos fundamentais, ou seja, condensar o vapor e remover os gases incondensáveis (GI) de um ambiente sob o vácuo que foi criado pela condensação do vapor a uma temperatura de aproximadamente 55 ºC (vácuo de 25” de Hg ou pressão absoluta de 0,16 bar). Quando condensamos vapor o seu volume é reduzido em aproximadamente mil vezes, o que provoca o vácuo. Mas se não removermos os GI, basicamente o ar, o condensador terá o seu desempenho comprometido.

A diferença fundamental entre o MJ e o CB é justamente o sistema adotado para a remoção dos GI. No MJ os GI são removidos por arraste mecânico juntamente com a água quente. No CB os GI são removidos separadamente da água quente por meio de uma bomba de vácuo (BV), que na verdade é uma “bomba de ar saturado com vapor de água”.

O parâmetro mais importante para avaliarmos o desempenho de um condensador é o seu “approach” (em Português “aproximação”, mas é um termo muito pouco usado na indústria), ou seja, a diferença entre a temperatura da água quente e a temperatura do vapor sendo condensado, digamos 55 ºC. Quanto menor for o “approach” menor será a necessidade de água fria para a condensação do vapor.

O sistema de injeção de água fria do MJ deve ser desenhado com a dupla finalidade de condensar o vapor com o mínimo de água e de remover os GI por arraste mecânico com esta mesma água. As duas finalidades podem ser conflitantes, pois menor “approach” significa menor quantidade de água, o que pode causar mais dificuldade na remoção por arraste dos GI.

O sistema de injeção de água fria do CB deve ser desenhado com a única finalidade de condensar o vapor com o mínimo de água, já que os GI serão removidos pela parte superior do condensador por meio de uma BV.

Assim um CB bem projetado terá sempre um “approach” menor do que um MJ bem projetado, pois no CB será possível dimensionar as superfícies de contato entre o filme de água e o vapor sem a preocupação de ter que arrastar os GI com a água para baixo, o que não é uma situação natural, pois a densidade dos GI é muito menor do que a da água e, portanto, não tem a tendência de ir para baixo.

Tipicamente o “approach” de um MJ é de 10 ºC e o de um CB é de 5 ºC, o que significa que se injetarmos água fria a 30 ºC teremos água quente a 45 ºC no MJ e a 50 ºC no CB, com diferenciais de temperatura respectivos de 15 ºC e de 20 ºC. Como o consumo de água é proporcional ao diferencial de temperatura, para condensar 1 kg de vapor o MJ vai necessitar de aproximadamente 30% mais água do que o CB (40 kg/kg contra 30 kg/kg). Por outro lado, no MJ a água fria deve ser entregue com uma pressão na faixa de 1,0 kg/cm² para que esta energia na forma de pressão seja transformada nos bicos em energia na forma de velocidade para arrastar os GI, ao passo que no CB a água pode ser entregue sem nenhuma pressão adicional, pois tem como finalidade apenas condensar o vapor.

É importante mencionar que, qualquer que seja o tipo adotado, o equipamento é antes de tudo um condensador e a necessidade de remoção dos GI é uma conseqüência inevitável, pois sempre vai haver ar na massa de vapor. Desta maneira qualquer condensador vai operar melhor se houver menos ar no vapor, e assim os técnicos devem estar sempre atentos visando evitar a entrada desnecessária de ar no sistema.

Bombas centrífugas operando com cavitação são excelentes “aeradores”. A seleção correta das bombas e a instalação de sistemas de controle adequados para controlar o nível dos tanques são importantes para evitar cavitação.

Tanques de processo atmosféricos ou abertos nos quais os produtos são introduzidos na parte superior e caem arrastando o ar também são excelentes “aeradores”. As tubulações de entrada devem ser dirigidas até o fundo dos tanques para evitar o efeito de arraste do ar.

Equipamentos e tubulações que operam sob vácuo devem ter o mínimo indispensável de flanges para inspeção e manutenção. Os flanges inevitáveis devem ser sistematicamente inspecionados com relação a vazamentos de ar para dentro do sistema, o que pode ser feito com a aplicação de espuma nos flanges.

No caso de remoção dos GI por meio de BV alguns cuidados podem ser adotados para minimizar os investimentos e os custos operacionais.

Como visto acima a BV retira do CB ar saturado com vapor de água. Uma parte deste vapor contido no ar pode ser condensada na entrada da BV por meio de um dispositivo que permite a injeção de água fria pulverizada, reduzindo assim o volume de fluido a ser bombeado e por conseqüência reduzindo a potência consumida pela BV.

Para usinas que utilizam várias linhas de evaporação e cozimento em bateladas não é necessário instalar uma BV para cada equipamento. Duas ou no máximo três BV bem dimensionadas por setor são suficientes. No caso do cozimento em bateladas, por exemplo, podemos instalar três BV e manter duas em operação normal. Quando é necessário remover o ar de dentro de um tacho que vai voltar a entrar em operação, a terceira BV é ligada automaticamente para reduzir o tempo perdido de operação do tacho.

A escolha por MJ ou CB deve como sempre levar em conta os aspectos referentes ao desempenho do equipamento, ao investimento inicial e ao custo operacional.

O desempenho do CB tende a ser superior porque o sistema de controle de injeção de água fria para garantir um bom “approach” do condensador não interfere na remoção dos GI. Em outras palavras, será possível reduzir a vazão de água fria até valores muito baixos sem comprometer a remoção dos GI.

O investimento inicial no MJ será menor do que na combinação de CB+BV para uma dada massa de vapor a ser condensada. Entretanto como o MJ utiliza uma vazão de água fria 30% maior o investimento inicial em torres de resfriamento com suas bombas e tubulações será maior. Será indispensável fazer uma comparação global dos investimentos incluindo as obras civis, instalações elétricas, etc.

O custo operacional do CB tende a ser inferior porque a potencia elétrica total instalada será menor. O CB exige a instalação de potencia elétrica nas BV. Entretanto, a potência elétrica instalada nas torres de resfriamento e nas bombas de água de um sistema com MJ será bem maior do que a potencia elétrica instalada nas BV. Será indispensável fazer uma comparação entre os custos de manutenção dos dois sistemas e entre os custos de oportunidade de venda de energia elétrica adicional.

Importante mencionar que não estamos mencionando sistemas de aspersores como meio de resfriamento da água, pois ultimamente os órgãos ambientais, principalmente no estado de São Paulo, estão impondo restrições à instalação deste tipo de equipamento.

A nossa experiência profissional mostra que no caso de projetos novos tipo “greenfield” o CB tem sido a melhor escolha.

No caso de projetos de ampliação de capacidade estudos específicos tem que ser desenvolvidos. Se a ampliação de capacidade estiver na faixa de 30% o sistema de torres e bombas de água existente poderá ser mantido pela troca do MJ por CB. No caso de existirem MJ e CB operando simultaneamente será importante ter sistemas de bombeamento separados, pois caso contrário os CB receberão água com uma pressão demasiadamente elevada sem necessidade, desperdiçando energia elétrica.

No caso de instalações existentes sem aumento de capacidade a simples troca de MJ por CB não costuma ser economicamente viável.