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O projeto de um sistema de exaustão para uma indústria de processamento de plástico. O sistema é projetado para operar em pressão negativa, com objetivo de evitar a dispersão do pó e garantir a pureza do ar devolvido ao ambiente. O projeto inclui a escolha de ventiladores, sopradores, compressores e outros equipamentos necessários para o sistema de tratamento. O documento também discute as razões para a escolha das famílias stairmand e lapple para a dimensão do filtro de mangas, e as condições de operação de diferentes materiais utilizados em filtros de mangas.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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ENG07053 - TRABALHO DE DIPLOMAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Porto Alegre, maio de 2021
Dimensionamento de um Sistema de Exaustão para Indústria de Processamento de Plástico
Autor: Rafaella de Bonna
Dimensionamento de um Sistema de Exaustão para
Indústria de Processamento de Plástico
Dimensionamento de um Sistema de Exaustão para Indústria de Processamento de Plástico
O processamento de plástico PET leva à geração de particulados em processos abrasivos envolvendo atrito, como a secagem que, sem a presença de um sistema de coleta adequado, leva à dispersão do pó pela unidade fabril. Como consequência, o interior do setor produtivo sofre com a deposição do particulado em máquinas e no estoque de matéria-prima, e os colaboradores acabam inalando o material disperso correndo risco de desenvolver doenças no sistema respiratório. O presente trabalho visa apresentar o dimensionamento de um sistema de exaustão para a captura do particulado, de modo a minimizar sua dispersão. O sistema foi projetado para operar em pressão negativa, a fim de evitar dispersão do pó em caso de vazamento ou danos na estrutura das tubulações, atentando para que a vazão respeite o mínimo necessário para ser considerado um escoamento diluído, e que a velocidade do escoamento ultrapasse a velocidade terminal das partículas a fim de arrastá- las. Nas linhas de escoamento, foram estimadas as quedas de pressão associadas às perdas de carga distribuídas - causadas por atrito - e localizadas - causadas por elementos como curvas e junções. Nas linhas de coleta do particulado estão presentes válvulas para bloqueio de sucção, com a finalidade de fechar a linha se necessário. Foi também dimensionado um ciclone para coletar as partículas grosseiras, determinando-se suas dimensões e eficiência. Além disso, foi feito o dimensionamento de um filtro de mangas para a coleta das partículas mais finas, encontrando-se a velocidade de filtração para o equipamento e sua área filtrante mínima. Por fim, foi decidido a melhor localização do elemento de fluxo, ficando esta entre o ciclone e o filtro de mangas, de modo que ela possa proporcionar o vácuo necessário na sucção e uma pressão na descarga suficiente para vencer a queda de pressão na linha à jusante. Nesta configuração, o elemento de fluxo irá trabalhar com uma concentração de sólidos muito baixa, minimizando o desgaste causado pelo atrito das suas partes móveis com o particulado.
Palavras-chave : particulado de PET, dimensionamento de um sistema de exaustão, ciclone, filtro de mangas.
DEQUI / UFRGS – Autor do TCC
The processing of PET plastics in abrasive processes involving friction, such as drying, leads to the generation of particulates, which, without an adequate suction system, causes the power’s dispersion through the factory. Consequently, the productive sector’s interior suffers with the deposition of particulate matter in machines and in the stock of raw material, and employees end up inhaling the dispersed material at risk of developing respiratory diseases. The present work aims to present the design of an exhaust system for the particulate’s capture, in order to minimize its dispersion. The system was designed to operate in negative pressure, in order to avoid the powder’s dispersion in case of leakage or damage to the piping structure, ensuring that the flow respects the minimum necessary to be considered a diluted flow, and that the flow speed exceeds the particles’ terminal velocity in order to drag them. In the flow lines, the pressure drops associated with the distributed pressure losses - caused by friction - and localized - caused by elements such as curves and junctions - were estimated. In the particulate collection lines, gate valves are present, with the purpose of closing the line if necessary. A cyclone was also designed to collect the coarse particles, determining its dimensions and efficiency. In addition, a bag filter was designed to collect the finer particles, calculating the filtration speed for the equipment and its minimum filtering area. Finally, the best location of the flow machine was decided being between the cyclone and the bag filter, so that it can provide the necessary vacuum in the suction and a pressure in the discharge sufficient to overcome the pressure drop in the subsequent line. In this configuration, the flow machine will work with a very low concentration of solids, minimizing the detrition caused by the friction of its moving parts with the particulate.
Keywords : PET particulate, design of an exhaustion system, cyclone, bag filter.
DEQUI / UFRGS – Autor do TCC
Tabela 1: Razões das geometrias para os ciclones Lapple e Stairmand ................................... 6 Tabela 2: Condições de operação de diferentes materiais utilizados em filtros de mangas .. 11 Tabela 3: Perdas de carga localizadas previstas para o sistema ............................................ 30
Dimensionamento de um Sistema de Exaustão para Indústria de Processamento de Plástico
2.1 Perigos da Inalação do Microplástico
A produção comercial de plásticos iniciou-se na década de 50, chegando a 368 milhões de toneladas em 2019 no mundo inteiro de acordo com a Associação Plastics Europe. Os produtos plásticos podem ser agrupados de acordo com seu tamanho e, dentre as categorias, há o microplástico, com partículas que variam entre 5mm e 100nm (STOCK^1 , 2019, p. 84-92 apud CAN-GÜVEN, 2020, p. 203). De acordo com Prata (2019), suas principais origens se devem ao uso de partículas dentro da faixa de tamanho especificada em produtos de higiene pessoal, da própria produção do plástico, seja com material virgem ou reciclado, e da sua degradação causada por processos foto e termo-oxidativos. Microplásticos já contaminam águas de esgotos, água doce, o solo, a atmosfera e, até, alimentos.
Pela sua ampla dispersão, o corpo humano é exposto a microplásticos através, dentre outras formas, da inalação de partículas suspensas no ar. Segundo Prata (2019), as propriedades das partículas, como tamanho e densidade, influenciam sua deposição no sistema respiratório, com partículas menores e menos densas atingindo regiões mais profundas dos pulmões. Sintomas associados com o desenvolvimento de doenças pulmonares ou intersticial são encontrados em colaboradores que lidam com tecidos sintéticos, cloreto de vinila e policloreto de vinila (PVC). É alta a probabilidade de que grandes concentrações de microplásticos, principalmente em indivíduos susceptíveis a doenças pulmonares, possa levar a lesões no sistema pulmonar (ATIS^2 , 2005, p. 110-117 apud PRATA, 2019, p. 3). Dada a gravidade da constante exposição, é vital diminuí-la nos locais de maior concentração, como indústrias de plástico.
2.2 Características Gerais do Produto e do Processo
Segundo Melo (2004), o século XX apresentou um grande desenvolvimento na produção industrial de materiais poliméricos de síntese majoritariamente derivados do petróleo, os chamados materiais plásticos. Os plásticos são macromoléculas poliméricas formadas pela repetição de unidades simples, os chamados monômeros. A estrutura molecular dos polímeros depende da natureza química dos monômeros e do processo industrial para a polimerização, o que pode resultar numa estrutura linear, ramificada ou reticulada.
Há diversas formas de caracterizar o plástico de acordo com suas propriedades físicas e químicas, e uma maneira utilizada é o comportamento dos polímeros quanto ao processo térmico. De acordo com a Associação Plastics Europe (2020), há os plásticos termorrígidos, grupo de polímeros que sofrem uma reação química sob aquecimento, formando uma rígida rede tridimensional através de ligações covalentes entre as moléculas que se degrada sob reaquecimento, impossibilitando a sua refundição. E há os produtos termoplásticos, que preservam suas propriedades químicas depois da fusão, podendo ser reaproveitados e refundidos.
(^1) STOCK, F., et at. Sampling techniques and preparation methods for microplastics analyses in the aquatic enviroment. Disponível em: https://doi.org/10.2016/j.trac.2019.01.014 (^2) ATIS, S. et al. The respiratory effects of occupational polypropylene flock exposure. Disponível em: https://doi.org/10.1183/09031936.04.00138403
DEQUI / UFRGS – Autor do TCC
O PET - Politereftalato de etileno, principal foco deste trabalho, é um poliéster termoplástico muito versátil, resultado de uma reação de dois monômeros: ácido tereftálico (ou tereftalato de metila) e etileno glicol. O primeiro monômero é um sólido cujo ponto de fusão está em 140 °C, e o segundo é um álcool, líquido a temperatura ambiente e com ponto de ebulição de 197 °C (MANO^3 , 2001, p. 118 apud MELO, 2004, p. 9). O polímero formado tem temperatura de transição vítrea (Tg) entre 70 °C e 80 °C, temperatura de fusão dos grânulos cristalinos de aproximadamente em 250 °C e é pouco permeável a gases, porém higroscópico absorvendo até 0,15% do seu peso em água. De acordo com Ecolatina^4 (2002), citada por Melo (2004), uma das formas mais comuns de comercializar o PET é através de garrafas plásticas, o que faz dele um material muito utilizado no mundo inteiro.
Por ser um polímero termoplástico, o PET conta com a possibilidade de reciclagem. Segundo Espíndola (2004), durante a sua reciclagem no Brasil, o PET coletado em centros de triagem passa por uma série de etapas de condicionamento de modo a remover impurezas como rótulos, terra e outros detritos. Costa (2006) resume que, uma vez separados por tipo, o resíduo plástico passa por etapas de trituração (moagem), lavagem, secagem, aglomeração, extrusão e granulação. Os grânulos do material, muitas vezes chamados de flocos ou de flakes , seguem então para o processo produtivo. Como há uma perda de resistência à tração e flexão dos plásticos devido à degradação térmica parcial (CARASCHI, J., LEÃO, A., 2002, p. 1601), nem todas as aplicações industriais de plástico aceitam o material reciclado, ou então aceitam uma porcentagem em mistura com o material virgem.
A produção de pó de PET - material reduzido a tamanhos micrométricos, abrangendo faixas abaixo de 28 Mesh (ou 0,592mm) - não tem uma cultura de abordagem explícita. No entanto, há, segundo Melo (2004), um consenso de que a etapa que mais contribui é a de moagem, na qual o atrito entre o plástico e o mecanismo de trituração leva ao desgaste abrasivo do material. A quantidade de particulado gerada varia de acordo com o processo utilizado na moagem (por atrito, por corte, impacto...), bem como o tamanho das partículas.
2.3 Ventilação Industrial
Ventilação Industrial é compreendida como a operação realizada por meios mecânicos que visa controlar a temperatura, a distribuição do ar, a umidade, e eliminar agentes poluidores do ambiente tais como gases, vapores, poeiras, fumos, névoas, micro-organismos e odores, designados por contaminantes ou poluentes (MACINTYRE, 1990, p. 1). Segundo Clezar (1999), um sistema utilizado pelas empresas é o de ventilação local exaustora, que utiliza de um captor de ar junto à fonte poluidora, de modo a direcionar o ar contaminado para um sistema adequado de tratamento. Um sistema local exaustor é composto essencialmente pelas seguintes partes:
-Captor: dispositivo local de captação do ar que contém o contaminante; -Elemento de fluxo: responsável pelo deslocamento do ar com contaminantes através de aumentos ou diminuição de pressão. Pode ser um ventilador, um soprador ou um compressor dependendo da potência necessária no sistema:
(^3) MANO, E.B., MENDES, L.C., Introdução a polímeros. 2a ed., Ed Edgard Blucher Ltda, 2001, p. 118. (^4) ECOLATINA, Apostila Do Curso Mercado De Reciclagem. 5a conferência latino-americana sobre meio-ambiente
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gases em ambiente industrial. Segundo Bernardo (2005), o gás contaminado com partículas entra através da dita secção tangencial e descreve um vórtice descendente próximo das paredes, invertendo o sentido na parte cônica e formando um vórtice ascendente na zona central rumo à saída axial (Figura 2).
Figura 1: Diferentes geometrias de um ciclone
Fonte: MAURÍCIO, P. e colaboradores (2006)
Figura 2: Trajetória do escoamento no interior de um ciclone de fluxo invertido
Fonte: LACERDA, A. F. (2007) O projeto e dimensionamento dos ciclones é baseado em tipos de “famílias”, cada uma com razões fixas entre as dimensões do ciclone. Maurício (2006) traz que as duas mais
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conhecidas são a “família Stairmand” e a “família Lapple”, que se diferenciam entre si pelas distintas razões utilizadas para as suas dimensões como apresentado na Tabela 1.
Tabela 1: Razões das geometrias para os ciclones Lapple e Stairmand Dimensões Lapple Stairmand
a/D b/D s/D De/D h/D H/D Db/D
Fonte: Adaptado de MAURÍCIO, P. e colaboradores (2006)
Para os dois tipos de ciclone avaliados, existem condições de operação recomendadas quanto à velocidade de operação no seu interior. No caso do ciclone Lapple, o intervalo de velocidades recomendado é entre 6 e 21 m/s; já para o ciclone Stairmand, o intervalo está entre 6 e 30 m/s (MASSARANI^7 , 1997, apud SILVA, 2006, p. 20).
2.3.3 Filtro de mangas
a) Princípio de Funcionamento Segundo Foust (2008), filtros de mangas fazem parte de uma ampla classe de equipamentos utilizados na separação de partículas sólidas em uma corrente de gases. Formados por sacos de tecidos, que podem estar arranjados em paralelo, têm grande capacidade e eficiência para limpeza, com concentrações de partículas na saída podendo alcançar valores tão baixos quanto 2 mg/Nm-3. Por isso, de acordo com Löffler e colaboradores (1988), filtros de mangas apresentam crescente aplicação em instalações fabris. Podem ser classificados com base no seu princípio de autolimpeza, sendo os de fluxo reverso, sacudimento e jato pulsante os mais comuns (PACHECO, 2002, p. 57).
Segundo Santini (2011), o princípio de funcionamento de um filtro de mangas (Figura 3) é a passagem da mistura gasosa que contém partículas através de um tecido, sendo que o gás atravessa os poros do tecido e as partículas, na sua maioria, ficam retidas na superfície. As partículas retidas formam uma torta ( cake ) que ajuda na filtração (Figura 4), uma vez que aumenta a captura de partículas. Conforme mais e mais partículas são retidas, a resistência à passagem do gás aumenta.
(^7) MASSARANI,Giulio., Fluidodinâmica em Sistemas Particulares, Ed. UFRJ Editora, Rio de Janeiro, 1997, 147p.
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Figura 5: Relação da diferença de pressão através do filtro e seus ciclos de limpeza
Fonte: SANTINI, J. (2011)
b) Classificação e Mecanismos de Limpeza e Controle dos Filtros Os filtros de mangas têm a forma de um saco alongado e tubular, sendo classificados quanto ao mecanismo de limpeza dos mesmos. Dentre os mecanismos possíveis, destacam- se três:
i) Sacudimento Mecânico O pó é removido por agitação mecânica horizontal ou vertical de forma a desprender o material preso, como pode ser visto na Figura 6. Não tem grande eficiência quando o material retido apresenta elevada aderência, e, de acordo com Lisboa (2007), uma agitação excessiva pode causar desprendimento das mangas dos ganchos de sustentação. Uma explicação simplificada do seu funcionamento é, segundo Löffer e colaboradores (1988), um jato de ar soprado em sentido contrário ao fluxo padrão de filtragem simultaneamente ao sacudimento das mangas, derrubando a torta, que é transportada para fora do equipamento por intermédio de um transportador helicoidal. Partículas profundamente aderidas não conseguem ser retiradas, o que diminui a eficiência da limpeza.
Figura 6: Limpeza por sacudimento mecânico em uma manga
Fonte: LISBOA, H. M. (2007)
DEQUI / UFRGS – Autor do TCC
ii) Ar Reverso De forma simplificada, como na Figura 7, as partículas se desprendem do tecido pela inversão no sentido do fluxo do ar. Segundo Santini (2011), é um sistema mais utilizado em processos que operam em baixa vazão, com mangas que possuem anéis metálicos intermediários para evitar seu colapso no momento da inversão do fluxo.
Figura 7: Limpeza por ar reverso
Fonte: SANTINI, J. (2011)
DEQUI / UFRGS – Autor do TCC
disso, a abrasão provocada pelo atrito das partículas com as paredes do tubo é mais severa, contribuindo para uma menor durabilidade do equipamento.
d) Perda de Carga A perda de carga no filtro é uma importante variável de projeto, que descreve a resistência que o fluxo de gás enfrenta ao passar pelo filtro. Segundo Tozetti (2008), uma das formas mais utilizadas para descrever a queda de pressão durante a operação é a aproximação cumulativa, que divide a queda de pressão total no filtro em duas partes: a queda de pressão no meio filtrante e a queda de pressão devido à torta de filtração formada. Por conta deste efeito, o diferencial de pressão tende a aumentar na proporção de partículas coletadas.
A perda de carga durante a filtração dita a frequência da limpeza, falhas no tecido do meio filtrante, limite da vida útil da manga, e potência máxima requerida pela operação. Para Electo (2000), valores típicos de queda de pressão se encontram entre 1 e 5 kPa. Já para Rodrigues^9 (2005), citado por Tozetti (2008), a queda de pressão através do tecido limpo oscila entre 6 e 20 mmCA, enquanto que a queda de pressão máxima de operação pode variar entre 50 e 255 mmCA, e valores muito acima do limite superior podem inviabilizar o processo de filtração.
e) Materiais do Filtro O material usado nos filtros deve atender às exigências de resistência física, química, tamanho das partículas que devem ser retidas, temperatura, umidade, dentre outros fatores. Electo (2000) sumariza, na Tabela 2, alguns dos principais materiais utilizados nas mangas, suas resistências contra ácidos e álcalis, resistência a umidade, bem como temperatura máxima de operação:
Tabela 2: Condições de operação de diferentes materiais utilizados em filtros de mangas Tipos Ácidos Álcalis Temp. (trabalho) (°C)
Temp. (pico) (°C)
Hidrólise Solv. Orgânicos
Poliéster Excelente Ruim 150 150°C Ruim Bom Poliacrilonitrila (homopolímero)
Bom Bom 120 120 Bom Bom
Polipropileno Excelente Excelente 90 100 Bom Bom Poliamida aromática
Bom Bom 180 200 Regular Excelente
Teflon Excelente Excelente 250 280 Excelente Excelente Polifenil Sulfeto Bom Bom 190 200 Excelente Bom Poliacrilonitrila (copolímero)
Bom Bom 110 115 Bom Bom
Fonte: Modificado de SILVA LORA, E. (2002)
(^9) RODRIGUES, Marcus Vinícios. Determinação da carga eletrostática em aerossóis e seu efeito na filtração de gases. Tese em Engenharia Química, Universidade Federal de São Carlos, São Paulo, 2005, 183p.
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Utilizar um material incompatível com o particulado, ou com o ponto de operação da própria corrente gasosa, pode levar à deterioração física e/ou química do filtro. Segundo Pacheco (2002), a condensação de água pode levar ao entupimento das mangas devido ao efeito de aglomeração ou de empedrecimento das partículas. No caso do particulado apresentar um pH diferente de 7 quando em solução, tanto alcalino quanto ácido, pode ocorrer o ressecamento das mangas constituídas de materiais como o poliéster, por exemplo, caracterizado pelo aparecimento de rachaduras que podem evoluir para rasgos.
