Ejetores de vapor
Trabalho realizado por:
João Pedro Leonor Coutinho
José Manuel Santos Campos
Introdução
Determinadas operações em processos químicos necessitam de operar sobre pressões abaixo da atmosférica, sob vácuo. Esta pressão pode ser mantida através do uso de equipamentos como, por exemplo, bombas centrífugas, ou, alternativamente, ejetores de vapor.
Ejetores de vapor são equipamentos usados para manter a pressão de equipamentos abaixo da atmosférica e operam de acordo com o efeito de Venturi e a equação de Bernoulli, usando vapor de média pressão (cerca de 7 barg) [1] para purgar ar ou outros gases de um equipamento, de forma a manter o vácuo pretendido. Podem ter vários estágios e diferentes tipos de condensadores.
Princípio de Funcionamento e descrição do equipamento
O princípio de operação de ejetores de vapor é a transformação da pressão do fluido circulante em energia cinética através de uma expansão adiabática no “nozzle”. A zona de baixa pressão na câmara de mistura é criada pelo aumento da velocidade do fluido circulante e devido a esta baixa pressão, o fluido a purgar irá para a câmara de mistura onde se mistura com o fluido circulante. A energia cinética proveniente do fluido misturado é utilizada para pressurizar o fluido circulante.
Figura 1 - Princípio de Venturi (adaptado de [3])
Como se pode observar na figura 3, o fluido pressurizado entra por A e expande através do “Nozzle”, B. O fluido irá criar uma zona de pressão mínima e velocidade máxima, na câmara de mistura, D. Devido esta redução, o fluido é aspirado através da zona C, para a câmara de mistura. A mistura de fluidos segue para o difusor onde a sua energia cinética será utilizada para pressurização.
Figura 2 - Funcionamento de um ejetor de vapor (adaptado de [3])
As diferentes necessidades de pressões de sucção podem levar à obrigatoriedade da utilização de múltiplos ejetores em serie, aumentado assim a capacidade de sucção. Uma representação da capacidade de sucção em função do número de estágios encontra-se na figura 4.
Figura 3 - Capacidades de sucção (adaptado de [4])
Dependendo do tipo de fluido pode ou não ser necessário ser condensá-lo, diminuindo o consumo de vapor. Uma representação esquemática de ejetores de vapor em série com e sem condensador intermédio encontra-se na figura 5.
Figura 4 - Ejetores de estágios múltiplos com e sem condensador intermédio (adaptado de [4])
Apesar dos custos de investimento serem mais elevados quando são usados condensadores, existe um menor consumo de vapor, levando à diminuição de custos operatórios. O uso de condensadores intermédios também resulta em estágios subsequentes de menor dimensão.
Os condensadores podem ser de contacto direto (barométricos) ou de superfície [3]]. No primeiro caso, o vapor e outros gases são condensados diretamente por ação de um spray de água fria. Os condensados são depois drenados no fundo do condensador por ação da gravidade ou descarregados através de uma bomba. (figura 6).
Figura 5 - Representação esquemática de ejetores em série com condensadores barométricos (adaptado de [4])
Neste tipo de condensadores, os condensados não são recuperados, sendo descarregados para tratamento. Quando os condensados têm contaminações ou possuem compostos de valor a recuperar, são usados condensadores de superfície. Estes permitem a recuperação de condensados, podendo a água, após purificação ser enviada novamente para a caldeira [1].
Aplicações
Os ejetores de vapor são usados quando um determinado processo requer pressões abaixo da atmosférica, podendo ser usados diversas indústrias como a petroquímica, indústria alimentar, metalúrgica, farmacêutica, entre outras.
Podem ser utilizados em vários equipamentos [4]:
Colunas de destilação
Tanques de destilação flash
Reatores
Filtros a vácuo
Cristalizadores
Evaporadores
Secadores
Além de serem usados para manter a pressão desejada num destes processos, os ejetores de vapor podem ser usados para outros fins como desodorização de óleos alimentares ou desarejamento de soluções.
Vantagens do uso de ejetores de vapor
O uso de ejetores de vapor oferece várias vantagens [1]:
Ausência de peças móveis
Fácil instalação
Baixa manutenção
Uso de vapor gerado na instalação fabril
Adaptáveis a resistir a vapores corrosivos
Simplicidade
Nível de ruído baixo
Custos operatórios moderados
Dimensionamento e custos do equipamento
O custo de um ejetor de vapor depende do tipo de condensador, do número de estágios, o caudal de ar a remover, diferença de pressão (ou pressão de sucção) a manter e tipo de material de construção usado. Relativamente a material de construção, o aço carbónico e o aço inoxidável os materiais mais utilizados, mas outras ligas metálicas ou polímeros podem também ser utilizados.
O caudal de ar a remover, ou seja, caudal de ar que entra no equipamento devido a fugas, é determinado de acordo com a seguinte relação empírica [1]:
\[m\left( \frac{lb}{hr} \right) = K{V\left( {ft}^{3} \right)}^{0.67}\]Onde K é um fator dependente da pressão e do tipo gás, ar ou outro gás, a remover do equipamento. O custo do equipamento, no ano 1979, pode ser dado por [1]:
\[Custo(k) = 11f_{1}f_{2}f_{3}\left( \frac{m}{P} \right)^{0.41}\]Esta equação é geralmente válida para 0,1<\(\frac{m}{P}\)< 100. P é a pressão de sucção em Torr, f1, f2 e f3 são fatores adimensionais que dependem do tipo de condensador, do número de estágios e do material de construção:
Tabela 1 - Correlações de custos
| Tipo de condensador | f1 | Número de estágios | f2 | Material de construção | f3 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sem condensador | 1,0 | 1 | 1,0 | Aço carbónico | 1,0 |
| 1 Condensador de superfície | 1,6 | 2 | 1,8 | Aço inoxidável | 2,0 |
| 1 Condensador barométrico | 1,7 | 3 | 2,1 | Hastelloy (liga de níquel) | 3,0 |
| 2 Condensadores de superfície | 2,3 | 4 | 2,6 | ||
| 2 Condensador barométrico | 1,9 | 5 | 4,0 |
É importante referir que a correlação de custos é relativa ao ano de 1979, logo o preço deve ser atualizado tendo em conta o CEPCI deste ano e do ano pretendido. Para mais detalhes, o leitor é referenciado para [1], onde também existem relações que permitem calcular a quantidade de vapor necessária para a operação do ejetor de vapor.
Referências
[1] Walas, S. M., Chemical Process Equipment – Selection and Design, Butterworth-
Heinemann, USA, 1990
[2] Transvac, Ejector Solutions, Vaccum Systems, Steam Jet Ejectors and Atmospheric Ejectors Brochure. Retirado de: https://www.transvac.co.uk/pdf/brochures/Transvac%20-%20Vacuum,%20Steam%20Ejectors,%20Atmospheric%20Air%20Ejectors.pdf
[3] Mechanical Engineering site, Retirado de: http://www.mechanicalengineeringsite.com/ejector-working-principle/
[4] Schutte & Koerting, Steam Jet Ejectors Brochure, Bulletin 5-EH, Retirado de: https://www.s-k.com/pdf/5EH_steam_jet_ejectors_brochure.pdf?fbclid=IwAR3y9saywHHU3HGfUJFu3l0PX1bQEPhKgZCkOoPkdoGQkhzv1Wcj9ES808I